高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究

      提要：結(jié)合國外高速鐵路無碴軌道的發(fā)展與應(yīng)用情況，提出并設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)型式無碴軌道：長枕埋入式、彈性支承塊式與板式軌道，并對(duì)室內(nèi)鋪設(shè)的實(shí)尺模型進(jìn)行靜栽、疲勞及落軸試驗(yàn)，綜合評(píng)估其整體性能，為今后高速鐵路無碴軌道的選用提供技術(shù)依據(jù)。

      關(guān)鍵詞：高速鐵路無碴軌道軌道試驗(yàn)性能試驗(yàn)與傳統(tǒng)的有碴軌道相比，無碴軌道具有維修工作
量少、軌道穩(wěn)定性與耐久性好、平順性高的突出優(yōu)點(diǎn)，因此世界上許多國家在無碴軌道領(lǐng)域開展了長期系統(tǒng)的研究工作，一些國家已把無碴軌道作為高速鐵路的主要結(jié)構(gòu)型式而全面推廣應(yīng)用，并取得了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。近年來隨著我國鐵路運(yùn)輸向提速、高速方向發(fā)展，對(duì)線路質(zhì)量提出了更高的要求，借鑒國外高速鐵路無碴軌道成熟的技術(shù)與研究發(fā)展模式(“結(jié)構(gòu)型式的提出與設(shè)計(jì)一室內(nèi)實(shí)尺模型試驗(yàn)_+現(xiàn)場試驗(yàn)段的運(yùn)營考驗(yàn)一全區(qū)間推廣應(yīng)用”)，結(jié)合我國既有的技術(shù)基礎(chǔ)，研究適合我國高速鐵路的無碴軌道結(jié)構(gòu)，不僅可以少走彎路，而且對(duì)提高我國高速鐵路無碴軌道的科研、設(shè)計(jì)、施工等各項(xiàng)技術(shù)水平具有極大的推動(dòng)作用。

1 國外無碴軌道概況

      從60年代開始，高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)在日本德國、英國、意大利等國家得到了廣泛應(yīng)用，以下概要介紹目前國外鐵路應(yīng)用較成熟的幾種無碴軌道結(jié)構(gòu)型式。

      (1)日本板式軌道。日本鐵路由于其獨(dú)特的地理?xiàng)l件以及勞動(dòng)力短缺等原因，極力發(fā)展板式軌道，從60年代在山陽新干線試鋪的8 km板式軌道算起，到1997年完工的北陸新干線155 km板式軌道，累計(jì)鋪設(shè)長度已超過2 400 km。日本鐵路在板式軌道研究發(fā)展過程中，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)段的運(yùn)營考驗(yàn)，積累了豐富的研究與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。開發(fā)出適用于隧道和高架橋上的A型軌道板、框架式軌道板，適用于土質(zhì)路基上的RA型軌道板，以及防振型軌道板等；配合使用的CA砂漿有適用于溫暖、寒冷、海岸線、修補(bǔ)等各種不同的配方，從而構(gòu)成了不同使用范圍的板式軌道系列。

      (2)德國Rheda型無碴軌道。德國高速鐵路對(duì)無碴軌道的研究與應(yīng)用主要針對(duì)隧道和路基。1959—1988年的試驗(yàn)階段，試鋪了各類無碴軌道試驗(yàn)段36處，累計(jì)長度達(dá)21．3 km，到1989年基本定型 并開始成段鋪設(shè)，截止到1997年，共鋪設(shè)無碴軌道達(dá)190km，其結(jié)構(gòu)型式以Rheda型為主，在此基礎(chǔ)上，通過在道床板與底座問增設(shè)減振層，實(shí)現(xiàn)在特殊地段的減振要求。

      (3)彈性支承塊式無碴軌道。彈性支承塊式無碴軌道由于其特有的減振、降噪、減磨等優(yōu)越性能而被世界上許多國家所采用，如瑞士、丹麥、英國等。設(shè)計(jì)時(shí)速200 km／h的英吉利海底隧道通過多種無碴軌道結(jié)構(gòu)比選，采用了該種結(jié)構(gòu)型式．并于1993年6月開通運(yùn)營 美國成立的Sonneville國際集團(tuán)公司還對(duì)該軌道系統(tǒng)提供成套技木咨詢服務(wù)，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。我國的18 km長秦嶺隧道，也采用了這種結(jié)構(gòu)型式。

      (4)其它結(jié)構(gòu)型式的無碴軌道。世界上許多國家根據(jù)自己的技術(shù)基礎(chǔ)與線路特點(diǎn)，開發(fā)出多種型式的無碴軌道結(jié)構(gòu)，如：英國的PACT型、法國的VSB型、意大利的IPA型等。

2 3種無碴軌道的結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計(jì)特點(diǎn)

      在高速鐵路無碴軌道的前期研究中，初步提出了3種無碴軌道結(jié)構(gòu)型式。

      (1)長枕埋入式。由橫向穿孔軌枕、道床板、底座等構(gòu)件組成，結(jié)構(gòu)耐久可靠，制造、施工簡單，初期投資相對(duì)較小，可修復(fù)。

      (2)彈性支承塊式。由彈性支承塊(支承塊、橡膠套靴、塊下大橡膠墊板)、道床板、底座等構(gòu)件組成，該結(jié)構(gòu)減振、降噪性能好，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，初期投資較大，可修復(fù)。

      (3)板式軌道。由預(yù)制軌道板(PC或RC)、CA砂漿調(diào)整層、凸形擋臺(tái)、底座等構(gòu)件組成，軌道高度低、自重輕，現(xiàn)場組裝工作量少，需專門制造、施工設(shè)備，初期投資大，可修復(fù)。

3 無碴軌道的整體性能

      為綜合評(píng)估上述3種結(jié)構(gòu)型式無碴軌道的整體性能，考察其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)力特性，在試驗(yàn)室內(nèi)分別鋪設(shè)10m長的無碴軌道實(shí)尺模型，利用多點(diǎn)液壓伺服加載系統(tǒng)及落軸試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)無碴軌道進(jìn)行了靜載、疲勞與落軸試驗(yàn)。

3．1 靜截與疲勞試驗(yàn)

      靜載試驗(yàn)單點(diǎn)最大荷載值為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載，疲勞試驗(yàn)單點(diǎn)最大荷載值根據(jù)靜輪重，并考慮動(dòng)力附加系數(shù)，確定為150 kN，加載頻率范圍5-25 Hz。

3．1．1 試驗(yàn)測試內(nèi)容

      道床板的表面應(yīng)變；鋼軌支點(diǎn)壓力的分配；鋼軌的絕對(duì)位移。

3．1．2 試驗(yàn)結(jié)果

      (1)在靜載過程中，3種結(jié)構(gòu)無碴軌道道床板的表面應(yīng)變隨荷載增加成線性增長，其受力狀態(tài)在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

      (2)200萬次模擬列車荷載的疲勞試驗(yàn)前后．道床板的應(yīng)變未發(fā)生變化。

      (3)單點(diǎn)荷載作用下，鋼軌支點(diǎn)壓力的分配基本在以加載點(diǎn)為中心的5個(gè)鋼軌支點(diǎn)上；荷載越大，加載點(diǎn)下的鋼軌支點(diǎn)壓力分配比例越大；彈性支承塊式鋼軌支點(diǎn)壓力的分配比例相對(duì)較均勻；長軌枕埋人式與板式軌道的鋼軌支點(diǎn)壓力分配比例基本相同。

      (4)彈性支承塊式鋼軌位移最大，其次為板式軌道，長軌枕埋入式最小。 3種結(jié)構(gòu)的殘余變形均較小。

3．2 落軸試驗(yàn)

      落軸試驗(yàn)是評(píng)估軌道動(dòng)力特性的有效手段，試驗(yàn)過程中利用一定質(zhì)量的輪對(duì)，在選定的軌道斷面上，在一定落高下自由落體，造成對(duì)鋼軌軌面的垂向沖擊，一方面測定鋼軌的垂向沖擊力及沖擊時(shí)間，可得出軌道的彈性系數(shù)K與阻尼系數(shù)C；另一方面通過鋼軌沖擊力幅值的衰減及軌道各部分的振動(dòng)加速度，分析軌道的振動(dòng)傳遞與衰減性能。

3．2．1 無碴軌道的彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)

      根據(jù)日本鐵路落軸試驗(yàn)及其計(jì)算理論，對(duì)3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鋼軌沖擊力及其衰減時(shí)間段的測試，通過計(jì)算得出軌道的彈性系數(shù)與阻尼系數(shù)，如表1。

 
      從試驗(yàn)結(jié)果可看出，3種軌道結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)K值的大小順序?yàn)椋洪L軌枕埋人式、板式、彈性支承塊式。軌道阻尼系數(shù)C反映的是軌道的減振性能，C值越大，其減振性能越好，從表中看出，C值的大小順序與K值正好相反。

3．2．2 軌道的振動(dòng)傳遞與衰減性能

      (1)軌道各部分的振動(dòng)加速度。表2為落高25mm時(shí)的3種結(jié)構(gòu)的鋼軌振動(dòng)加速度測試結(jié)果，以及軌道各組成部分的加速度比值?？梢钥闯觯壍栏鞑糠值恼駝?dòng)加速度從鋼軌到道床板逐漸減??；由于彈性支承塊式無碴軌道結(jié)構(gòu)的組合剛度相對(duì)其它2種結(jié)構(gòu)要小，反映在同樣沖擊條件下鋼軌的振動(dòng)加速度要小。從振動(dòng)加速度比值盾，相應(yīng)的下部基礎(chǔ)(底座)加速度值也小。

 
      (2)鋼軌沖擊力的峰值及其衰減。在相同沖擊條件下，由于軌道組合剛度的不同，3種結(jié)構(gòu)鋼軌沖擊力的峰值及其衰減明顯不同，表3為落高25mm時(shí)3種軌道結(jié)構(gòu)型式的鋼軌沖擊力峰值P及其大于2O kN之前的衰減總時(shí)問 與衰減次數(shù)的測試結(jié)果。從表中鋼軌沖擊力峰值的衰減時(shí)間與衰減次數(shù)可以較直觀地看出3種軌道振動(dòng)特性的不同，其中彈性支承塊式相對(duì)長軌枕埋入式與板式軌道的差異更為明顯，其減振性能優(yōu)越，這也是這種低振動(dòng)軌道的設(shè)計(jì)初衷。從鋼軌沖擊力峰值的大小看，其受軌道剛度的影響規(guī)律也較明顯。軌道剛度越大，其相應(yīng)沖擊力的峰值增大，由于落軸試驗(yàn)實(shí)際上反映的是輪軌沖擊荷載作用下軌道的動(dòng)力性能，因此如果在運(yùn)營線路上軌道產(chǎn)生較大不平順，輪軌間產(chǎn)生沖擊荷載，在相同的線路與車輛狀態(tài)下，相對(duì)有碴軌道來說剛度較大的無碴軌道，其動(dòng)力響應(yīng)將相應(yīng)增大。但從另一方面來說，高速鐵路無碴軌道線路具有穩(wěn)定性、平順性與剛度均勻性好的突出優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)其組合剛度較大的不足。

 
4 無碴軌道綜合經(jīng)濟(jì)效益初評(píng)

      從國內(nèi)外無碴軌道的初期投資看，無論哪種結(jié)構(gòu)型式都肯定要比有碴軌道大，如：我國60年代施工的成昆線整體道床造價(jià)比同樣條件下碎石道床高出14．2％-22．5％ ；在運(yùn)營線上鋪設(shè)整體道床則約高如30％ 一50％ 。英國PACT型無碴軌道造價(jià)高出碎石道床約17％ 一33％ ；日本板式軌道的造價(jià)為有碴軌道的1～2倍。但無碴軌道結(jié)構(gòu)可大幅度減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，減少列車限速、中斷行車等對(duì)運(yùn)營的干擾，因此被世界各國所公認(rèn)。我國各鐵路局統(tǒng)計(jì)資料表明，一般情況下，隧道內(nèi)無碴軌道線路可減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用約50％ ，由于取消了道碴，可不進(jìn)行軌道中修，大修的內(nèi)容也減少。特別對(duì)于長大隧道、繁忙干線、高架橋上等養(yǎng)護(hù)維修困難地段，無碴軌道不僅節(jié)省了養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，減少了對(duì)運(yùn)營的干擾，而且大大改善工人的勞動(dòng)條件，消除了有碴軌道中頻繁的道碴清篩、搗固等繁重的體力勞動(dòng)，將會(huì)帶來顯著的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。綜合考慮軌道與結(jié)構(gòu)物(如：橋、隧)的工程總費(fèi)用，由于無碴軌道的單線每延米重量要小于有碴軌道，對(duì)于橋上無碴軌道來說，可減輕橋梁的二期恒載，在一定程度上可節(jié)省橋梁、墩臺(tái)的造價(jià)；對(duì)于隧道內(nèi)的無碴軌道，由于其結(jié)構(gòu)高度低，可降低隧道凈空，減小隧道的開挖面，同樣可降低工程造價(jià)。

5 結(jié)束語

      (1)不同結(jié)構(gòu)組成的3種無碴軌道結(jié)構(gòu)型式具有各自不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這3種結(jié)構(gòu)型式在國外應(yīng)用已相當(dāng)成熟，通過靜載與疲勞試驗(yàn)表明，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有足夠的儲(chǔ)備。不會(huì)影響高速列車的行車安全。

      (2)由于3種無碴軌道結(jié)構(gòu)的組合剛度不同，從落軸試驗(yàn)中也側(cè)面反映出，在輪軌表面不平順引起的沖擊荷載作用下，其軌道的振動(dòng)衰減特性不同，軌道組合刖度的大小對(duì)輪軌表面不平順引起的軌道動(dòng)力響應(yīng)較敏感。但從另一方面看，對(duì)于高速鐵路無碴軌道，并不是說組合剛度越小越合理。從理論上說，軌道的動(dòng)力響應(yīng)在輪軌表面平順的情況下，幾乎不受軌道剛度的影響 由于無碴軌道線路特有的高平順性、剛度的均勻性，在一定程度上彌補(bǔ)了無碴軌道結(jié)構(gòu)整體剛度大的不足，因此對(duì)于無碴軌道結(jié)構(gòu)型式與軌道剛度的合理選擇需要根據(jù)具體線路的特點(diǎn)與鋪設(shè)地段的要求作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理確定。

      (3)受室內(nèi)試驗(yàn)條件的限制，軌道結(jié)構(gòu)的一些動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)尚無法進(jìn)行，在目前適合高速鐵路的無碴軌道結(jié)構(gòu)型式尚未定型的情況下，部有關(guān)部門根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)得出的結(jié)論，在保證運(yùn)行安全的前提下，選定了2種無碴軌道結(jié)構(gòu)在秦沈客運(yùn)專線上建立試驗(yàn)段，以接受運(yùn)營考驗(yàn)。并結(jié)合這一試驗(yàn)工程，綜合開展無碴軌道設(shè)計(jì)、制造、施工暫規(guī)及相應(yīng)工藝與機(jī)具的研究開發(fā)，這不僅將為我國高速鐵路無碴軌道提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備，也是我國鐵路軌道技術(shù)盡快趕上世界先進(jìn)水平的一個(gè)必要發(fā)展過程。