我國客運專線應大力發(fā)展無碴軌道

 由于我國鐵路網(wǎng)規(guī)模宏大，具有線網(wǎng)的統(tǒng)一性、調(diào)度的集中性、"天窗"的短時性、與既有線的兼容性等顯著特征，因此，客運專線對線下工程，特別是軌道結(jié)構(gòu)提出了很高的要求。如何保持客運專線軌道幾何狀態(tài)，如何延長軌道的維修周期，減少維修費用，如何縮短"天窗"時間減少對運營的干擾，成為客運專線軌道研究課題之一。
   無碴軌道結(jié)構(gòu)因具有穩(wěn)定性好、軌道幾何尺寸保持持久、維修工作量少、耐久性好，橋梁二期恒載小，可降低隧道凈空減少開挖面積，綜合經(jīng)濟效益高等優(yōu)點，在國外客運專線上獲得了越來越廣泛的應用，其鋪設(shè)范圍已從橋梁、隧道發(fā)展到土質(zhì)路基和道岔區(qū)。無碴軌道結(jié)構(gòu)在客運專線上的大量鋪設(shè)已成為世界各國高速鐵路發(fā)展趨勢。
   1 國外無碴軌道的應用
   1.1日本無碴軌道
   早在20世紀60年代中期，日本就開始了無碴軌道的研究與試驗，并逐步推廣應用。東海道新干線由于建造得比較早，575.4km全部采用有碴軌道，鋼軌采用54kg/m，軌枕長度2.4m，道床厚度只有20～25cm，但運營后發(fā)現(xiàn)不能維持良好的軌道狀態(tài)，不得不進行大修，更換軌道結(jié)構(gòu)。20世紀70年代建造的山陽新干線，岡山以東164km的線路，修建了8km的無碴軌道，占線路全長的5%；岡山以西修建了273km的無碴軌道，占線路全長的69%；東北新干線無碴軌道占線路全長的82%;上越新干線無碴軌道占線路全長的91%。目前，日本不僅在橋梁、隧道中鋪設(shè)無碴軌道，而且在路基上也全面推廣使用。
   1.2德國無碴軌道
   德國鐵路無碴軌道的研究首先解決了土質(zhì)路基鋪設(shè)的技術(shù)問題，然后逐步推廣到隧道和橋梁上，從而為全區(qū)間鋪設(shè)無碴軌道創(chuàng)造了有利條件?；诟咚勹F路有碴軌道線路的維修工作量大、道碴粉化及道床累積變形速率加快，德國鐵路根據(jù)其咨詢公司對現(xiàn)行的有碴軌道和無碴軌道的綜合技術(shù)經(jīng)濟比較得出的建議，決定在所有隧道、道岔區(qū)、制動區(qū)間以及300km/h的高速線上均采用無碴軌道。在室內(nèi)試驗和現(xiàn)場大量鋪設(shè)試驗段進行試驗驗證的基礎(chǔ)上，目前德鐵累計鋪設(shè)無碴軌道360km（含80多組道岔區(qū)），其中規(guī)模鋪設(shè)的線路包括：科隆--法蘭克福（300km/h,2002年開通）、柏林--漢諾威（250km/h,1998年開通）、紐倫堡--英戈爾施塔特（在建中）。
   1.3法國無碴軌道h
   法國是以有碴軌道為代表的高速鐵路國家，一直以有碴軌道能夠以270～300km/h運營而感到驕傲。但后來發(fā)現(xiàn)早期建造的東南線、大西洋線，道碴粉化嚴重，使軌道幾何尺寸難于保持，維修周期縮短，維修費用大大增加，甚至影響正常的運營，結(jié)果使用不到10年不得不全面大修，更換道碴。為此，法鐵對道碴的粒徑級配、顆粒形狀指標，硬度系數(shù)標準進行了重新研究，擬訂了新的規(guī)定。比如針對道碴的洛杉磯磨耗率、硬度系數(shù)標準（CH），TGV東南線原規(guī)定為洛杉機磨耗率≤20%和CH≥17，TGV北方線把其提高到洛杉磯磨耗率≤17%和CH≥20，新建的地中海線再提高到洛杉磯磨耗率≤16%和CH≥21。除此之外，為減緩道碴的粉化，在橋梁上還采取了道碴下鋪設(shè)橡膠墊的方式。與此同時，法國開始認識到無碴軌道的優(yōu)越性，開始了無碴軌道的研究與試驗。在新建的地中海線，選擇隧道里鋪設(shè)了4.8km雙塊式無碴軌道，進行試驗，還準備在東部高速線40～50km的一個區(qū)間修建無碴軌道。
   我國的臺灣省臺北--高雄345km高速鐵路全部采用無碴軌道，見圖1（略）。
   韓國計劃在繼續(xù)修建的大邱--釜山130km高速線采用無碴軌道。lpr
   2 各國無碴軌道的結(jié)構(gòu)特點
   2.1日本無碴軌道結(jié)構(gòu)特點
   日本定型的無碴軌道包括適用于高架橋和隧道的A型、（見圖2略）、框架型軌道板（見圖3略）、適用于土質(zhì)路基上的RA型軌道板和特殊減振區(qū)段用的防振G型軌道板，構(gòu)成了適用于不同使用范圍的軌道板系列。*E<"D
最初的軌道板為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為適應東北、上越新干線寒冷地區(qū)以及減振區(qū)段的性能要求，后來又研制出雙向預應力結(jié)構(gòu)的軌道板，以防止混凝土裂紋的發(fā)生與擴展。
20世紀70年代后期，新干線環(huán)境機構(gòu)負責部門根據(jù)日本環(huán)境污染控制中央委員會（CCEP）關(guān)于控制由于工廠、建設(shè)施工和道路交通引起的振動和噪聲的嚴格要求，提出了新干線振動控制措施：.
  （1）采取措施控制振動源和干擾，特別是加速度振動噪聲超過70dB的地區(qū);@
  （2）對于鐵路經(jīng)過醫(yī)院或?qū)W校的區(qū)段應特殊考慮.
   為解決新干線的噪聲振動問題,實現(xiàn)高速鐵路發(fā)展與社會環(huán)保兼容的目的,日本從20世紀70年代后期開始,在日野土木研究所、東北新干線上的"小山試驗線"、北上地區(qū)、古河地區(qū)的高架橋上分別試鋪了20多種型式的減振型板式軌道結(jié)構(gòu)（減振A型～減振H型），觀測其噪聲振動效果，在進行技術(shù)、經(jīng)濟分析后，最終將減振G型板式軌道（見圖4、圖5）作為標準型式在減振降噪?yún)^(qū)段推廣鋪設(shè)。
    2.2德國無碴軌道結(jié)構(gòu)特點c
      德鐵、高校研究所以及工業(yè)界自20世紀70年代一直進行無碴軌道的研究，曾試鋪過十余種無碴軌道結(jié)構(gòu)。目前正式批準的無碴軌道結(jié)構(gòu)型式有6種，包括：BOGL型、Rheda 型Zublin、ATD、Getrac和Berlin型。無碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求包括以下幾個方面。
  （1）利用軌下墊層、彈性扣件及枕下彈性墊層等部件，提供軌道結(jié)構(gòu)合理的彈性和減振性能。要求在20t靜軸重作用下，鋼軌有1.5mm的下沉量。為此，無碴軌道結(jié)構(gòu)軌下墊層的剛度為20～25KN/mm。[
  （2）無碴軌道本身及軌下基礎(chǔ)在長期運營條件下，其殘余變形，能為扣件調(diào)高所調(diào)整。
  （3）滿足環(huán)保及運營使用的要求。在環(huán)保方面，應考慮線路兩側(cè)的減振、降噪、綠化；在使用方面，應考慮抗油污、抗紫外線老化、防火等。
  （4）方便的軌道結(jié)構(gòu)檢查和合適的軌道維修條件。3
  （5）滿足通信信號設(shè)施的安裝要求。"i7
   德鐵無碴軌道下部基礎(chǔ)分鋼筋混凝土和瀝青混凝土兩類。Rheda型無碴軌道（見圖6略）作為鋼筋混凝土底座上的結(jié)構(gòu)型式之一，在德鐵鋪設(shè)的360km無碴軌道中,Rheda型約占一半以上。A_=Ks&
   最近開發(fā)的Rheda-2000型軌道（見圖7略）已投入商業(yè)應用,如應用在紐倫堡-英弋爾施塔特、荷蘭、我國臺灣高速鐵路的道岔區(qū)上。其結(jié)構(gòu)特點是：由兩根桁架形配筋組成的特殊雙塊式軌枕取代了原Rheda型中的整體軌枕；取消了原結(jié)構(gòu)中的槽形板，統(tǒng)一了隧道、橋梁和路基上的結(jié)構(gòu)型式；同時，軌道的建筑高度從原來的650mm降低為472mm。Rheda-2000型中的特殊雙塊式軌枕只保留承軌和預埋扣件螺栓部位的預制混凝土，其余為桁架式的鋼筋骨架，使之與現(xiàn)場灌筑混凝土的新、老界面減至最少，有利于提高施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的整體性。建筑高度的下降，對降低軌道本身和線路的造價都是有利的，將無碴軌道的造價降到有碴軌道的1.3～1.4倍是德鐵力爭的目標。科隆--法蘭克福采用的是Rheda型無碴軌道，見圖8略。MGM
   博格板式無碴軌道是德鐵應用的另一種無碴軌道型式（見圖9略）。在紐倫堡--英戈施塔特新線（見圖10略）建設(shè)中鋪設(shè)了70km(該線設(shè)計最高速度330km/h)，涉及到路基、橋梁和隧道，線路最小曲線半徑為3700m。*:ZNX
   博格板式無碴軌道由大板、灌漿層和擋臺組成。其結(jié)構(gòu)高度474mm。大板長6.45m，寬2.55m，厚0.20m；灌漿層厚3cm；擋臺為長方形，設(shè)置于板的兩側(cè)、板與板的連接處。大板為工廠預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝鋪設(shè)。在路基上鋪設(shè)，其下部基礎(chǔ)由水硬性材料支承層和防凍層組成。水硬性材料支承層具有剛度過渡的作用，厚30cm；防凍層由級配碎石組成，防止凍脹引起路基變形，防凍層Eⅴ2≥120N/mm2。$[m
   2.3法國無碴軌道結(jié)構(gòu)特點
   法國無碴軌道由雙塊式軌枕與下部鋼筋混凝土基礎(chǔ)澆筑而成，目前處于試驗階段。
   3 我國無碴軌道發(fā)展概況
   我國無碴軌道的研究起于20世紀60年代，與國外的研究幾乎同步。初期曾試鋪過支撐塊式、短枕式、整體灌筑式及瀝青道床等，正式推廣應用的僅有支撐塊式整體道床。在成昆線、京原線、京通線、南疆線等長度超過1km的隧道內(nèi)鋪設(shè)，累計達300km。
1995年以后，隨著京滬高速鐵路可行性研究的推進，無碴軌道在我國重新得以關(guān)注。在“九五”國家科技攻關(guān)專題"高速鐵路無碴軌道設(shè)計參數(shù)的研究"中，提出了適用于高速鐵路橋梁、隧道中的三種無碴軌道型式（長枕埋入式、彈性支撐塊式和大板式）及其設(shè)計參數(shù)，隨后完成了對三種結(jié)構(gòu)型式實尺模型的各種性能試驗和鋪設(shè)，并在相關(guān)工程中應用。在秦嶺I線隧道中鋪設(shè)了18.4km的彈性支撐塊式無碴軌道；在秦沈客運專線中，沙河橋鋪設(shè)了692m長枕埋入式無碴軌道，狗河橋和雙河橋分別鋪設(shè)了741m、740m板式無碴軌道。同時，提出了秦沈線無碴軌道設(shè)計技術(shù)條件、施工技術(shù)細則和無碴軌道工程質(zhì)量檢驗評定標準，為高速鐵路鋪設(shè)無碴軌道創(chuàng)造了一定條件。=Ss:XE
   4 我國客運專線應大力發(fā)展無碴軌道
   4.1無碴軌道與有碴軌道維修比較S
   日本對運營了20年的山陽新干線板式軌道歷年各項作業(yè)的維修費用進行了統(tǒng)計，并與有碴軌道作了比較，見圖11。由于板式軌道線路的維修項目減少，且軌道幾何狀態(tài)穩(wěn)定，故維修作業(yè)量明顯減少，為新干線旅客運輸提供了安全可靠、平順、高質(zhì)量的軌道，實現(xiàn)了少維修和維修費用大幅度降低的目標。=5fbk
   德國鐵路采用軌道質(zhì)量指數(shù)Q值來綜合評價軌道高低、水平、方向等平順狀態(tài)。新線的軌道質(zhì)量指數(shù)Q值應在30以下，而在運營線上，當質(zhì)量指數(shù)Q值超過100就必須進行修理。YvVT;
　　圖12和圖13分別表示隧道內(nèi)和土質(zhì)路基上無碴軌道與相鄰的有碴軌道5年間Q值變化的比較。很明顯，無碴軌道的質(zhì)量指數(shù)Q值在5年內(nèi)均保持良好水平，且變化很小，實現(xiàn)了線路少維修。
　　4.2無碴軌道與有碴軌道經(jīng)濟比較
無碴軌道的造價高于有碴軌道。但由于無碴軌道結(jié)構(gòu)具有高度低、每延米重量輕的特點，可使橋梁、隧道結(jié)構(gòu)物的建設(shè)費用降低。此外，采用無碴軌道結(jié)構(gòu)，還可大大減少工務綜合維修工區(qū)的設(shè)置和大型養(yǎng)路機械的配備。lLGj
　　（1）日本板式軌道。日本板式軌道初期造價基本上控制在有碴軌道的2倍以內(nèi)，大規(guī)模應用后，其造價明顯下降，約為有碴軌道的1.3～1.5倍，但維修費用明顯減少。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，山陽新干線16年的平均維修費用僅為有碴軌道的18%，東北新干線9年的平均維修費用為有碴軌道的33%。無碴軌道多投資的差額約在10年（橋隧結(jié)構(gòu)上）～12年（土質(zhì)路基上）內(nèi)可得到償還（不計對運營的影響）。
　?。?）Rheda型無碴軌道。據(jù)德鐵有關(guān)資料介紹，有碴軌道的造價為800DM/m，瀝青混凝土底座上的無碴軌道為1000DM/m，混凝土底座上的Rhead型軌道為1400DM/m，無碴軌道的造價為有碴軌道的1.3～1.7倍。而有碴軌道的年維修費用約為3000DM/km，無碴軌道則很少。德鐵分析認為，在新線建設(shè)中采用無碴軌道，可使線路設(shè)計的總建筑高度和寬度有所減少，有利于減少隧道和橋梁結(jié)構(gòu)的斷面。因此，新線建設(shè)的綜合造價將趨于合理。!@ep$
　?。?）我國無碴軌道。最近兩年我國鐵路在西康線秦嶺I線隧道、秦沈客運專線分別鋪設(shè)了彈性支撐塊式、長枕埋入式和板式無碴軌道。與有碴軌道造價相比，初步分析為：彈性支撐塊式為1.9倍，長枕埋入式為2.35倍，板式為3倍。無碴軌道鋪設(shè)長度短，首次試鋪、機具及材料造價高、施工效率低是預算價格高的主要原因。此外，秦沈客運專線使用的道碴與普通線路使用的道碴采用同一標準，均為TB/T2140-90《鐵路碎石道碴》標準。而客運專線使用的道碴與既有線相比，在道碴級配方面、道碴顆粒形狀方面、道碴清潔度方面、特別是道碴材質(zhì)方面做了很大的改進和提高。因此，客運專線沿線道碴資源將受到限制，道碴成本將大大提高。因此，對于客運專線，有碴軌道與無碴軌道相比，建設(shè)成本差別會進一步縮小。K
　　4.3建議
　　客運專線無碴軌道與有碴軌道的技術(shù)、經(jīng)濟比較，已經(jīng)有了初步的結(jié)論，無碴軌道已成為客運專線的發(fā)展趨勢。在天津"暫規(guī)"國際咨詢中，德國、法國、日本三個國家都建議：在客運專線橋梁、隧道中應采用無碴軌道結(jié)構(gòu)。德國明確提出：鑒于客運專線道碴液化和粉化對軌道維修及運營的干擾，建議250km/h以上的客運專線應全部采用無碴軌道結(jié)構(gòu)。
無碴軌道是一個系統(tǒng)工程，我國無碴軌道鋪設(shè)的數(shù)量少、時間短，尚缺乏設(shè)計、施工與運營經(jīng)驗。圍繞著一些關(guān)鍵技術(shù)問題，如路基地段特殊地質(zhì)的土的處理、施工有關(guān)技術(shù)與標準，大跨度梁的徐變上拱和梁端轉(zhuǎn)角控制，隧道基底和仰拱結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)剛度的合理匹配，扣件系統(tǒng)和無碴軌道的絕緣措施等，要通過國內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計、試驗段的建設(shè)和相關(guān)試驗認真研究解決。aucXZ
　　建設(shè)客運專線，是我們鐵路人孜孜以求的夙愿，是實現(xiàn)鐵路跨越式發(fā)展的重要標志，是實現(xiàn)中國鐵路現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，意義極其重大。實現(xiàn)一流的工程質(zhì)量、一流的裝備水平、一流的運營管理，需大力發(fā)展無碴軌道。