我國(guó)客運(yùn)專線應(yīng)大力發(fā)展無(wú)碴軌道
2006-06-08 00:00
摘要:介紹日本、德國(guó)、法國(guó)無(wú)碴軌道的應(yīng)用情況及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以及我國(guó)應(yīng)用無(wú)碴軌道的一些基本情況,并把無(wú)碴軌道與有碴軌道在維修、經(jīng)濟(jì)性方面作了比較,指出我國(guó)建設(shè)客運(yùn)專線應(yīng)大力發(fā)展無(wú)碴軌道。
關(guān)鍵詞:無(wú)碴軌道;國(guó)外高速鐵路;客運(yùn)專線
由于我國(guó)鐵路網(wǎng)規(guī)模宏大,線網(wǎng)的統(tǒng)一性具有調(diào)度的集中性、 “天窗”的短時(shí)性、與既有線的兼容性等顯著特征,因此,客運(yùn)專線對(duì)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(yùn)專線軌道幾何狀態(tài),如何延長(zhǎng)軌道的維修周期,減少維修費(fèi)用,如何縮短“天窗”時(shí)間減少對(duì)運(yùn)營(yíng)的干擾,成為客運(yùn)專線軌道研究課題之一。
無(wú)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(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)外客運(yùn)專線上獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)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(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)在客運(yùn)專線上的大量鋪設(shè)已成為世界各國(guó)高速鐵路發(fā)展趨勢(shì)。
1 國(guó)外無(wú)碴軌道的應(yīng)用
1.1 日本無(wú)碴軌道
早在20世紀(jì)60年代中期, 日本就開始了無(wú)碴軌道的研究與試驗(yàn),并逐步推廣應(yīng)用。東海道新干線由于建造得比較早,575.4 km全部采用有碴軌道,鋼軌采用54 kg/m,軌枕長(zhǎng)度2.4 m,道床厚度只有20~25 cm,但運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)不能維持良好的軌道狀態(tài),不得不進(jìn)行大修,更換軌道結(jié)構(gòu)。
20世紀(jì)70年代建造的山陽(yáng)新干線,岡山以東164 km的線路,修建了8 km的無(wú)碴軌道,占線路全長(zhǎng)的5‰ 岡山以西修建了273 km的無(wú)碴軌道,占線路全長(zhǎng)的69%;東北新干線無(wú)碴軌道占線路全長(zhǎng)的82%;上越新干線無(wú)碴軌道占線路全長(zhǎng)的91%。目前, 日本不僅在橋梁、隧道中鋪設(shè)無(wú)碴軌道,而且在路基上也全面推廣使用。
1.2 德國(guó)無(wú)碴軌道
德國(guó)鐵路無(wú)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(wú)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(guó)鐵路根據(jù)其咨詢公司對(duì)現(xiàn)行的有碴軌道和無(wú)碴軌道的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較得出的建議,決定在所有隧道、道岔區(qū)、制動(dòng)區(qū)間以及3 0 0km/h的高速線上均采用無(wú)碴軌道。
在室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大量鋪設(shè)試驗(yàn)段進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,目前德鐵累計(jì)鋪設(shè)無(wú)碴軌道360 km (含80多組道岔區(qū)),其中規(guī)模鋪設(shè)的線路包括:科隆一法蘭克福(300 km/h,2002年開通)、柏林一漢諾威(250 km/h, 1998年開通)、紐倫堡一英戈?duì)柺┧?在建中)。
1.3 法國(guó)無(wú)碴軌道
法國(guó)是以有碴軌道為代表的高速鐵路國(guó)家,一直以有碴軌道能夠以270~300 km/h運(yùn)營(yíng)而感到驕傲。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)早期建造的東南線、大西洋線,道碴粉化嚴(yán)重,使軌道幾何尺寸難于保持,維修周期縮短,維修費(fèi)用大大增加,甚至影響正常的運(yùn)營(yíng),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(duì)道碴的粒徑級(jí)配、顆粒形狀指標(biāo)、硬度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新研究,擬訂了新的規(guī)定。比如針對(duì)道碴的洛杉磯磨耗率、硬度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(CH),TGV東南線原規(guī)定為洛杉機(jī)磨耗率≤20% 和C H ≥ 17,TGV北方線把其提高到洛杉機(jī)磨耗率≤17% 和CH≥20,新建的地中海線再提高到洛杉機(jī)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(shí),法國(guó)開始認(rèn)識(shí)到無(wú)碴軌道的優(yōu)越性,開始了無(wú)碴軌道的研究與試驗(yàn)。在新建的地中海線,選擇隧道里鋪設(shè)了4.8 km 雙塊式無(wú)碴軌道,進(jìn)行試驗(yàn),還準(zhǔn)備在東部高速線40~50 km的一個(gè)區(qū)間修建無(wú)碴軌道。
我國(guó)的臺(tái)灣省臺(tái)北一高雄345 km高速鐵路全部采用無(wú)碴軌道, 見圖1。
韓國(guó)計(jì)劃在繼續(xù)修建的大邱一釜山130 km 高速線采用無(wú)碴軌道。
2 各國(guó)無(wú)碴軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
2.1 日本無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
日本定型的無(wú)碴軌道包括適用于高架橋和隧道的A型(見圖2)、框架型軌道板(見圖3)、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。
最初的軌道板為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)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(lái)又研制出雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的軌道板,以防止混凝土裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展。
20世紀(jì)70年代后期,新干線環(huán)境機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)部門根據(jù)日本環(huán)境污染控制中央委員會(huì)(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(dòng)和噪聲的嚴(yán)格要求,提出了新干線振動(dòng)控制措施:
(1)采取措施控制振動(dòng)源和干擾,特別是加速度振動(dòng)噪聲超過70dB的地區(qū);
(2)對(duì)于鐵路經(jīng)過醫(yī)院或?qū)W校的區(qū)段應(yīng)特殊考慮。
為解決新干線的噪聲振動(dòng)問題,實(shí)現(xiàn)高速鐵路發(fā)展與社會(huì)環(huán)保兼容的目的,日本從20世紀(jì)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(yàn)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(cè)其噪聲振動(dòng)效果,在進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析后,最終將減振G型板式軌道(見圖4、圖5)作為標(biāo)準(zhǔn)型式在減振降噪?yún)^(qū)段推廣鋪設(shè)。
2.2 德國(guó)無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
德鐵、高校研究所以及工業(yè)界自20世紀(jì)70年代一直進(jìn)行無(wú)碴軌道的研究, 曾試鋪過十余種無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)。目前正式批準(zhǔn)的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式有6種,包括:B0GL型.Rheda型、Z~iblin、ATD、Getrac和Berlin型。無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求包括以下幾個(gè)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20 t靜軸重作用下,鋼軌有1.5 mm 的下沉量。為此,無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)軌下墊層的剛度為20~25 kN/mm。
(2)無(wú)碴軌道本身及軌下基礎(chǔ)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)使用的要求。在環(huán)保方面,應(yīng)考慮線路兩側(cè)的減振、降噪、綠化;在使用方面,應(yīng)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。
(5)滿足通信信號(hào)設(shè)施的安裝要求。
德鐵無(wú)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(wú)碴軌道(見圖6)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360 km無(wú)碴軌道中,Rheda型約占一半以上。
最近開發(fā)的Rheda一2000型軌道 (見圖7)已投入商業(yè)應(yīng)用,如應(yīng)用在紐倫堡一英戈?duì)柺┧?、荷蘭、我國(guó)臺(tái)灣高速鐵路的道岔區(qū)上。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(shí),軌道的建筑高度從原來(lái)的650 mm 降低為472 mm。Rheda-2000型中的特殊雙塊式軌枕只保留承軌和預(yù)埋扣件螺栓部位的預(yù)制混凝土,其余為桁架式的鋼筋骨架,使之與現(xiàn)場(chǎng)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(duì)降低軌道本身和線路的造價(jià)都是有利的。將無(wú)碴軌道的造價(jià)降低到有碴軌道的1.3~1.4倍是德鐵力爭(zhēng)的目標(biāo)??坡 ㄌm克福采用的是Rheda型無(wú)碴軌道, 見圖8。
博格板式無(wú)碴軌道是德鐵應(yīng)用的另一種無(wú)碴軌道型式(見圖9)。在紐倫堡一英戈?duì)柺┧匦戮€(見圖l0)建設(shè)中鋪設(shè)了70 km (該線設(shè)計(jì)最高速度330 km/h),涉及到路基、橋梁和隧道,線路最小曲線半徑為3700 m博格板式無(wú)碴軌道由大板、灌漿層和擋臺(tái)組成。其結(jié)構(gòu)高度474 mm。大板長(zhǎng)6.45 in,寬2.55 in,厚0.20 in;灌漿層厚3 cm;擋臺(tái)為長(zhǎng)方形,設(shè)置于板的兩側(cè)、板與板的連接處。大板為工廠預(yù)制,運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)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(jí)配碎石組成,防止凍脹引起路基變形,防凍層Ev2≥ l20N/mm 。
2.3 法國(guó)無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
法國(guó)無(wú)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(yàn)階段。
3 我國(guó)無(wú)碴軌道發(fā)展概況
我國(guó)無(wú)碴軌道的研究起于20世紀(jì)60年代,與國(guó)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(yīng)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(zhǎng)度超過l km 的隧道內(nèi)鋪設(shè),累計(jì)達(dá)300 km。
1995年以后,隨著京滬高速鐵路可行性研究的推進(jìn),無(wú)碴軌道在我國(guó)重新得以關(guān)注。在“九五” 國(guó)家科技攻關(guān)專題“高速鐵路無(wú)碴軌道設(shè)計(jì)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(wú)碴軌道型式 (長(zhǎng)枕埋入式、彈性支撐塊式和大板式)及其設(shè)計(jì)參數(shù),隨后完成了對(duì)三種結(jié)構(gòu)型式實(shí)尺模型的各種性能試驗(yàn)和鋪設(shè),并在相關(guān)工程中應(yīng)用。在秦嶺I線隧道中鋪設(shè)了18.4 km 的彈性支撐塊式無(wú)碴軌道;在秦沈客運(yùn)專線中,沙河橋鋪設(shè)了692 in長(zhǎng)枕埋入式無(wú)碴軌道,狗河橋和雙河橋分別鋪設(shè)了74l in、740 in板式無(wú)碴軌道。同時(shí),提出了秦沈線無(wú)碴軌道設(shè)計(jì)技術(shù)條件、施工技術(shù)細(xì)則和無(wú)碴軌道工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),為高速鐵路鋪設(shè)無(wú)碴軌道創(chuàng)造了一定條件。
4 我國(guó)客運(yùn)專線應(yīng)大力發(fā)展無(wú)碴軌道
4.1 無(wú)碴軌道與有碴軌道維修比較
日本對(duì)運(yùn)營(yíng)了20年的山陽(yáng)新干線板式軌道歷年各項(xiàng)作業(yè)的維修費(fèi)用進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),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(xiàng)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(yùn)輸提供了安全可靠、平順、高質(zhì)量的軌道,實(shí)現(xiàn)了少維修和維修費(fèi)用大幅度降低的目標(biāo)。
德國(guó)鐵路采用軌道質(zhì)量指數(shù)Q值來(lái)綜合評(píng)價(jià)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(yīng)在30以下,而在運(yùn)營(yíng)線上,當(dāng)質(zhì)量指數(shù)Q值超過100就必須進(jìn)行修理。圖12和圖13分別表示隧道內(nèi)和土質(zhì)路基上無(wú)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(wú)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(shí)現(xiàn)了線路少維修。
4.2 無(wú)碴軌道與有碴軌道經(jīng)濟(jì)比較無(wú)碴軌道的造價(jià)高于有碴軌道。
但由于無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)具有高度低、每延米重量輕的特點(diǎn),可使橋梁、隧道結(jié)構(gòu)物的建設(shè)費(fèi)用降低。此外,采用無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu),還可大大減少工務(wù)綜合維修工區(qū)的設(shè)置和大型養(yǎng)路機(jī)械的配備。
(1) 日本板式軌道。
日本板式軌道初期造價(jià)基本上控制在有碴軌道的2倍以內(nèi),大規(guī)模應(yīng)用后,其造價(jià)明顯下降,約為有碴軌道的1.3~1.5倍,但維修費(fèi)用明顯減少。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),山陽(yáng)新干線16年的平均維修費(fèi)用僅為有碴軌道的18%,東北新干線9年的平均維修費(fèi)用為有碴軌道的33%。無(wú)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(jì)對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響)。
(2)Rheda型無(wú)碴軌道。
據(jù)德鐵有關(guān)資料介紹, 有碴軌道的造價(jià)為800 DM:/m,瀝青混凝土底座上的無(wú)碴軌道為1000DM/m,混凝土底座上的Rheda型軌道為1 400DM/m,無(wú)碴軌道的造價(jià)為有碴軌道的1.3~1.7倍。而有碴軌道的年維修費(fèi)用約為3 000DM/km ,無(wú)碴軌道則很少。德鐵分析認(rèn)為,在新線建設(shè)中采用無(wú)碴軌道,可使線路設(shè)計(jì)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(jià)將趨于合理。
(3)我國(guó)無(wú)碴軌道。
最近兩年我國(guó)鐵路在西康線秦嶺I線隧道、秦沈客運(yùn)專線分別鋪設(shè)了彈性支撐塊式、長(zhǎng)枕埋入式和板式無(wú)碴軌道。與有碴軌道造價(jià)相比,初步分析為:彈性支撐塊式為1.9倍,長(zhǎng)枕埋入式為2.35倍,板式為3倍。無(wú)碴軌道鋪設(shè)長(zhǎng)度短,首次試鋪、機(jī)具及材料造價(jià)高、施工效率低是預(yù)算價(jià)格高的主要原因。此外,秦沈客運(yùn)專線使用的道碴與普通線路使用的道碴采用同一標(biāo)準(zhǔn),均為TB/T2 140-90 鐵路碎石道碴》標(biāo)準(zhǔn)。而客運(yùn)專線使用的道碴與既有線相比,在道碴級(jí)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(jìn)和提高。因此,客運(yùn)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(duì)于客運(yùn)專線,有碴軌道與無(wú)碴軌道相比,建設(shè)成本差別會(huì)進(jìn)一步縮小。
4.3 建議
客運(yùn)專線無(wú)碴軌道與有碴軌道的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較,已經(jīng)有了初步的結(jié)論,無(wú)碴軌道已成為客運(yùn)專線的發(fā)展趨勢(shì)。在天津“暫規(guī)”國(guó)際咨詢中,德國(guó)、法國(guó)、日本三個(gè)國(guó)家都建議:在客運(yùn)專線橋梁、隧道中應(yīng)采用無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)。德國(guó)明確提出:鑒于客運(yùn)專線道碴液化和粉化對(duì)軌道維修及運(yùn)營(yíng)的干擾,建議250 km/h以上的客運(yùn)專線應(yīng)全部采用無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)。
無(wú)碴軌道是一個(gè)系統(tǒng)工程,我國(guó)無(wú)碴軌道鋪設(shè)的數(shù)量少、時(shí)間短,尚缺乏設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。圍繞著一些關(guān)鍵技術(shù)問題,如路基地段特殊地質(zhì)和土的處理、施工有關(guān)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn),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(wú)碴軌道的絕緣措施等,要通過國(guó)內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計(jì)、試驗(yàn)段的建設(shè)和相關(guān)試驗(yàn)認(rèn)真研究解決。
建設(shè)客運(yùn)專線,是我們鐵路人孜孜以求的夙愿,是實(shí)現(xiàn)鐵路跨越式發(fā)展的重要標(biāo)志,是實(shí)現(xiàn)中國(guó)鐵路現(xiàn)代化的重要內(nèi)容,意義極其重大。實(shí)現(xiàn)一流的工程質(zhì)量、一流的裝備水平、一流的運(yùn)營(yíng)管理,需大力發(fā)展無(wú)碴軌道。
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