我國客運專線應(yīng)大力發(fā)展無碴軌道
2006-06-08 00:00
摘要：介紹日本、德國、法國無碴軌道的應(yīng)用情況及其結(jié)構(gòu)特點，以及我國應(yīng)用無碴軌道的一些基本情況，并把無碴軌道與有碴軌道在維修、經(jīng)濟性方面作了比較，指出我國建設(shè)客運專線應(yīng)大力發(fā)展無碴軌道。
關(guān)鍵詞：無碴軌道；國外高速鐵路；客運專線
由于我國鐵路網(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(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(yīng)用
1．1 日本無碴軌道
早在20世紀(jì)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(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，軌枕長度2．4 m，道床厚度只有20～25 cm，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(jì)70年代建造的山陽新干線，岡山以東164 km的線路，修建了8 km的無碴軌道，占線路全長的5‰ 岡山以西修建了273 km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3 0 0km／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)、紐倫堡一英戈爾施塔特(在建中)。
1．3 法國無碴軌道
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270～300 km／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(yán)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(biāo)、硬度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)(CH)，TGV東南線原規(guī)定為洛杉機磨耗率≤20％ 和C H ≥ 17，TGV北方線把其提高到洛杉機磨耗率≤17％ 和CH≥20，新建的地中海線再提高到洛杉機磨耗率≤ 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(rèn)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4．8 km 雙塊式無碴軌道，進行試驗，還準(zhǔn)備在東部高速線40～50 km的一個區(qū)間修建無碴軌道。
我國的臺灣省臺北一高雄345 km高速鐵路全部采用無碴軌道， 見圖1。
韓國計劃在繼續(xù)修建的大邱一釜山130 km 高速線采用無碴軌道。
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)、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)生與擴展。
20世紀(jì)70年代后期，新干線環(huán)境機構(gòu)負(fù)責(zé)部門根據(jù)日本環(huán)境污染控制中央委員會(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(yán)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(yīng)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(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(biāo)準(zhǔn)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
德鐵、高校研究所以及工業(yè)界自20世紀(jì)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(zhǔn)的無碴軌道結(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20 t靜軸重作用下，鋼軌有1．5 mm 的下沉量。為此，無碴軌道結(jié)構(gòu)軌下墊層的剛度為20～25 kN／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(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)滿足通信信號設(shè)施的安裝要求。
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)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低到有碴軌道的1．3～1．4倍是德鐵力爭的目標(biāo)?？坡 ㄌm克福采用的是Rheda型無碴軌道， 見圖8。
博格板式無碴軌道是德鐵應(yīng)用的另一種無碴軌道型式(見圖9)。在紐倫堡一英戈爾施塔特新線(見圖l0)建設(shè)中鋪設(shè)了70 km (該線設(shè)計最高速度330 km／h)，涉及到路基、橋梁和隧道，線路最小曲線半徑為3700 m博格板式無碴軌道由大板、灌漿層和擋臺組成。其結(jié)構(gòu)高度474 mm。大板長6．45 in，寬2．55 in，厚0．20 in；灌漿層厚3 cm；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(yù)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≥ l20N／mm 。
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(jì)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(yīng)用的僅有支撐塊式整體道床。在成昆線、京原線、京通線、南疆線等長度超過l km 的隧道內(nèi)鋪設(shè)，累計達(dá)300 km。
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(yīng)用。在秦嶺I線隧道中鋪設(shè)了18．4 km 的彈性支撐塊式無碴軌道；在秦沈客運專線中，沙河橋鋪設(shè)了692 in長枕埋入式無碴軌道，狗河橋和雙河橋分別鋪設(shè)了74l in、740 in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(xì)則和無碴軌道工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)，為高速鐵路鋪設(shè)無碴軌道創(chuàng)造了一定條件。
4 我國客運專線應(yīng)大力發(fā)展無碴軌道
4.1 無碴軌道與有碴軌道維修比較
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(biāo)。
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(yīng)在30以下，而在運營線上，當(dāng)質(zhì)量指數(shù)Q值超過100就必須進行修理。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(wù)綜合維修工區(qū)的設(shè)置和大型養(yǎng)路機械的配備。
(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(yīng)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)。
(2)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800 DM：／m，瀝青混凝土底座上的無碴軌道為1000DM／m，混凝土底座上的Rheda型軌道為1 400DM／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3 000DM／km ，無碴軌道則很少。德鐵分析認(rèn)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。
(3)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(yù)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(biāo)準(zhǔn)，均為TB／T2 140-90 鐵路碎石道碴》標(biāo)準(zhǔn)。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。
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(yīng)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250 km／h以上的客運專線應(yīng)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)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(rèn)真研究解決。
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(biāo)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。
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