解決關鍵技術發(fā)展無碴軌
2006-07-11 00:00
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摘要：通過實踐與應用，無碴軌道已成為世界各國高速鐵路軌道結構的首選。我國鐵路無碴軌道應從嚴格控制工后沉降，連續(xù)、成段鋪設無碴軌道，嚴格控制結構變形，優(yōu)化無碴軌道結構，嚴格控制制遣質量，配備先進成套施工設備，優(yōu)化扣件系統等7個方面解決無碴軌道關鍵技術，并與相關專業(yè)密切配合，發(fā)展無碴軌道。
關鍵詞：無碴軌道；關鍵技術；客運專線 無碴軌道是以混凝土或瀝青混合料等取代散粒道碴道床而組成的軌道結構型式。它具有良好的軌道穩(wěn)定性、平順性、耐久性；其結構高度低、自重輕，可減小橋梁二期恒載和降低隧道凈空；道床整潔美觀，可消除列車運行時的道碴飛濺和粉化；軌道變形緩慢，不僅可顯著減少軌道養(yǎng)護維修工作量，更為重要的是可減少施工“天窗” 的需求，對通車后的運輸組織極為有利。無碴軌道初期相對較大的建設投資也能在運營中得到回報?；诖?，無碴軌道成為世界各國高速鐵路軌道結構的首選，特別是德國和日本在近年來修建的高速鐵路基本采用無碴軌道。法國是最早建設高速鐵路的國家之一，也是惟一以有碴軌道為主型軌道結構的國家，但是近年來也深為有碴軌道急劇變形而困擾。除在新建高速鐵路時兩次提高道碴材質標準外，也在對無碴軌道技術進行研究，并建議新建高速鐵路的國家采用無碴軌道。如果采用法國近期修建高速鐵路的道碴技術標準，則我國道碴供應也將成為突出的問題。 我國近年來對無碴軌道結構設計參數、動力學仿真計算分析、室內實尺模型試驗、無碴軌道部件技術條件以及設計、施工技術條件、施工細則和驗收標準的編制、現場鋪設、動力測試和長期觀測等方面開展了一系列的試驗研究，取得了寶貴的經驗和教訓。但是，與國外高速鐵路無碴軌道技術發(fā)展相比，我國鐵路無碴軌道的研究起步較晚，面對客運專線的建設，技術儲備相對不足。而且，無碴軌道對基礎和本身的結構要求極高，一旦基礎變形下沉超出其調整范圍或無碴軌道結構發(fā)生裂損，則修復比較困難。因此，對無碴軌道的發(fā)展既要積極，又必須十分慎重。根據國內外的經驗，特別要注重解決以下問題。 1 嚴格控制工后沉降 工后沉降是指路基或橋梁建成后鋪軌時的剩余沉降。為使列車安全、高速、舒適運行，并盡可能地減少養(yǎng)護維修工作，嚴格控制路基變形和工后沉降十分重要。對無碴軌道而言，能否嚴格控制工后沉降則是成敗的關鍵。 各國高速鐵路對工后沉降都有嚴格的要求。法國提出工后沉降應小于2 cm，并且在最后一次搗固和運行第一列高速列車之前，沉降應完全穩(wěn)定。德國認為在列車開始運行后，路基工后總沉降不應大于1 cm，每年沉降總量不應超過2 mm，并應避免在短距離內發(fā)生不均勻沉降，在橋臺附近不應有任何不均勻沉降。據資料介紹，日本在第一條高速鐵路以后，工后總沉降已按3 cm控制，對使用連續(xù)梁和無碴軌道的地段，工后沉降的控制更為嚴格。 2003年9月，我國與以上三國進行了無碴軌道技術咨詢的交流，他們都認為工后沉降是完全可以控制的，特別是橋梁墩臺的沉降必須嚴格控制，根據各國的實踐，橋梁墩臺在鋪軌后都未發(fā)生沉降問題。德國專家以臺灣高速鐵路為例，臺灣高速鐵路約有l(wèi)50 km的地質條件與滬寧段類似，通過詳細的地質勘探、增加樁長和施工監(jiān)測分析等措施，控制住了工后沉降，而且在高架橋上采用了無碴軌道。在交流中，上海磁懸浮線介紹了成功控制工后沉降的經驗。 我國在工后沉降問題上與國外高速鐵路存在的差距是比較大的，主要表現在對工后沉降的理解有差距。法國要求“在最后一次搗固和運行第一列高速列車之前，沉降應完全穩(wěn)定”，而我國的規(guī)定是控制“路基或橋梁建成后鋪軌時的剩余沉降”。也就是說，在鋪軌后至運行第一列高速列車之間的一段時間還會有沉降，我國的規(guī)定沒有考慮這一部分沉降量。另外對工后沉降量的限值也有差距，借鑒國外的經驗，路基的工后沉降不應大于3 cm，不均勻沉降每20 m 不應大于2 cm；橋梁墩臺沉降量不應大于2 cm，相鄰墩臺沉降量之差不應大于5 mm 。 準確掌握地質情況是控制工后沉降的重要前提。在無碴軌道地段的路基工程，必須沿線路中線每隔50 m布置一勘探點，當勘探點間的地質條件變化較大時，還應適當增加勘探點的數量，并作路基橫斷面勘探?？碧缴疃纫獫M足工程地質、水文地質評價及路基工程設計要求，一般路堤地段孔深10～25 m；路塹地段孔深應至路基面以下5 m，硬質巖層時應至路基面以下2～3 m。對橋梁工程，勘探孔數量和深度視工程地質條件及基礎類型確定，原則上每個墩、臺應布置一個勘探孔。在此基礎上研究、確定工程措施，嚴格控制工后沉降。 橋梁的沉降變形是在恒載和活載作用下產生的：活載作用下的沉降變形是彈性的、瞬時的，而且可以恢復；恒載作用下的沉降變形有些在施工期間已經產生，橋梁的高程可以在施工中進行調整。因此，橋梁沉降變形主要考慮施工后因恒載引起的沉降，高速鐵路橋梁因撓度要求高、梁體自重大，架梁后仍可能出現沉降，因此在墩、臺設計中要充分考慮。 2 連續(xù)、成段鋪設無碴軌道 無碴軌道的鋪設范圍應該選擇在運量大、線路使用率高的區(qū)間或地質條件好的區(qū)段成段、連續(xù)鋪設。無碴軌道的連續(xù)鋪設不僅對鋪設施工和養(yǎng)護維修有利，更重要的是對軌道剛度均勻分布至關重要。 軌道剛度、軌道各部件剛度及其與軌道剛度的匹配、各部件剛度合理分配、軌道剛度沿線路方向的變化率是影響軌道荷載、結構振動和輪軌相互作用的重要因素，對高速鐵路的無碴軌道，解決好軌道剛度的科學合理和均勻性顯得尤為重要。軌道剛度過大，會造成輪軌動力作用增大，軌道結構振動加劇，加速軌道整體結構及其部件的變形失效。軌道剛度過小，則會導致軌道結構薄弱，在列車荷載作用下造成超常的變形，不利于保持軌道正確的幾何狀態(tài)，會縮短軌道修理周期，增加養(yǎng)護維修費用，對列車高速運行帶來不利影響。軌道各部件剛度分配不合理，難以使軌道結構成為工作性能良好的整體，而且任一部件狀態(tài)的變化都會不可避免地影響其他部件和軌道結構，同樣會縮短軌道使用壽命。軌道結構剛度沿線路方向的均勻性極為重要，它不僅直接影響列車高速運行條件下的舒適性，而且剛度變化超過一定限度還會危及行車安全。軌道的各種過渡段，如路橋、路隧、橋隧、有碴軌道與無碴軌道、區(qū)間正線與道岔等，在兩種剛度相差懸殊的結構間必須實現均勻的過渡。據各類考察報告，在德國、日本添乘高速鐵路，通過這些過渡段時幾乎沒有感受到差異。 因此，鋪設無碴軌道首先應該是連續(xù)的，而不應僅限于橋梁和隧道。德國發(fā)展無碴軌道就是先解決了土質路基鋪設無碴軌道的技術問題，然后推廣到隧道和橋梁，從而為連續(xù)、成段鋪設無碴軌道創(chuàng)造了條件。解決軌道各種過渡段剛度均勻性的要點如下。 (1)各種不同軌道下部建筑的剛度差異很大，因此不同過渡段所采取的工程措施也是不同的，原則上在過渡點較軟一側要平順地增大豎向剛度，而在過渡點較硬一側平順地減小豎向剛度。 (2)合理確定各種不同過渡段的長度，嚴格控制橋梁、路基的工后沉降。 (3)采取科學合理的施工組織設計，在橋臺結構施工的同時安排過渡段路堤和相連接的填土路堤的施工，并使用具有同等壓實能量的壓實機械進行輾壓，除了采用一切必要的工程措施外，還要進行靜置預壓、自然沉落處理。 3 嚴格控制結構變形 上面已經講到的是下部結構沉降的控制，因此，控制結構變形則主要包括無碴軌道的軌道板或長枕、混凝土基床和橋梁梁體的變形控制。 軌道板或長枕、混凝土基床和橋梁都是混凝土結構，不可避免都會在運營的過程中產生變形。當變形量超過一定的限值就會影響無碴軌道的正常使用，因此，必須掌握這些變形的規(guī)律并采取有效措施予以控制。 在以上這些可能產生的結構變形中，混凝土橋梁的梁端轉角和墩、臺相對線路的轉動變形影響最大，從這個角度看也應該積極推廣使用連續(xù)梁。梁端轉角由列車動荷載作用下引起的撓度和混凝土橋梁的收縮徐變引起。混凝土橋梁的收縮徐變是結構的長期變形，一般需要若干年才能最終完成，并且其大小和發(fā)展規(guī)律與材料、結構型式、結構應力水平和分布、施工工藝以及環(huán)境等諸多因素有關，因此，針對不同的情況采取的措施是不同的。預應力混凝土簡支梁由于受力狀態(tài)單一，其徐變規(guī)律和大小比較清楚。預應力混凝土連續(xù)梁和連續(xù)剛構，其收縮徐變規(guī)律比簡支梁復雜得多，尤其是采用懸臂澆注和懸臂拼裝的橋梁，其徐變規(guī)律和大小離散性比較大。因此，對采用無碴軌道的大跨度預應力混凝土連續(xù)結構的橋梁，要制定合理的殘余收縮徐變上拱量限值以及相應的控制措施。一般來講，橋梁架設后應預留半年以上的時間再鋪設無碴軌道。 4 優(yōu)化無碴軌道結構 無碴軌道是一個系統工程，其各部件之間的性能必須匹配，形成有機的整體，任何部件的性能不匹配，都可能影響軌道的整體功能。我國在前期的研究工作中推薦了板式、彈性支承塊式和長枕埋入式3種結構型式。 從目前的情況看，這3種型式的鋼筋布置都不能滿足高頻諧振式軌道電路制式的要求，需要尋求新的結構型式。日本無碴軌道的發(fā)展巳由傳統的板式軌道變成了框架型板式軌道。德國的無碴軌道曾有20多種型式，現在已基本穩(wěn)定在5種型式。我國在軌道結構部件的研究工作方面有一定深度和基礎，但在結構總體方面還要做大量的工作。 無碴軌道從總體結構來講，應滿足以下基本要求。 (1)足夠的結構強度。我國前期無碴軌道的研究工作都是根據高速鐵路的不同列車類型(ICE一2、SS8、DF11)的動力仿真計算分析結果，確定設計動輪載為300 kN，因此，無碴軌道應在設計動輪載300 kN 的條件下保證結構的強度。對于客貨混運線路，無碴軌道結構設計荷載尚需作深入的理論計算分析和試驗研究才能確定。 (2)良好的軌道彈性。有碴軌道的彈性主要由散粒體道床提供；無碴軌道剛度比較大，其彈性住要由板彈性墊層和軌下彈性墊層提供。因此，板下和軌下墊層能否提供軌道結構合理的彈性和減振性能對無碴軌道尤為重要。 (3)優(yōu)良的扣件系統?？奂喂痰乇３咒撥壍恼_位置、具備與彈性墊層匹配的彈性外，高速鐵路無碴軌道扣件還應在軌道發(fā)生變形時能夠調整鋼軌的高程和方向。 (4)滿足環(huán)保和運營要求。環(huán)保方面要考慮線路兩側降噪要求；運營方面則要考慮防老化和防火要求。 (5)便于檢查和修理。 (6)滿足通信信號設施的安裝、軌道電路絕緣和信號傳輸的需要。 5 嚴格控制制造質量 我國既有鐵路使用預應力混凝土軌枕已超過2億根，在長期的研究、設計、制造和管理工作中積累了豐富的經驗，為我們開展無碴軌道工作打下了良好基礎。但是，在預應力混凝土軌枕質量上暴露的大量問題也是突出的，主要表現在：綜合研究開發(fā)能力不強、設計水平不高、工裝和工藝都比較落后、產品質量不穩(wěn)定等。這些問題不解決是不可能生產出符合高速鐵路要求的無碴軌道的。 影響無碴軌道制造質量的因素很多，重點要做好以下工作。 (1)制定與國際接軌的技術標準。我國鐵路混凝土行業(yè)至今仍在大產量、低水平的怪圈中徘徊，最根本的原因就是遷就現狀， 在技術標準上沒有與國際接軌。建設客運專線是實現鐵路跨越式發(fā)展的重要內容，而客運專線無碴軌道技術要求很高，必須借鑒EN（歐洲工業(yè)標準）等國際標準擬訂我國鐵路無碴軌道的技術標準。 （2）采用先進工裝和工藝。我國混凝土軌枕生產廠家多達50家，生產能力達到年產2000多萬根，大大超過實際需求。在客運專線的建設中還可能出現一部分現場生產線，而現有的流水機組生產線其工裝、工藝基本處于同一水平，與無碴軌道的要求相差甚遠。要通過無碴軌道的推廣，組織對傳統產業(yè)的改造，實現企業(yè)升級。 （3）加強質量檢驗，嚴格準入制度。質量檢測是把好質量關的重要環(huán)節(jié)，所有制造無碴軌道部件的廠家，如混凝土（水泥、水、各種集料、鋼材等）、扣件（彈條、套管、螺栓、彈性墊板、軌距擋板及擋板座等）都要進行檢驗。準入制度和實施細則都必須實行公平、公平、公正原則。 （4）對原材料進行全面普查?？瓦\專線是國家重要的基礎設施，必須貫徹長壽命原則。保證混凝土結構耐久性的重要措施是采用高性能混凝土，不允許有堿—活性材料進入無碴軌道。特別是在沿線建設現場生產線，必須對沿線水系及各種原材料進行調查，并由權威部門出具不存在堿一活性成分的證明。 6 先進成套的施工設備 高速鐵路無碴軌道的施工有十分嚴格的要求，施工部門必須配備先進、適用、成套的施工設備和機具，具有責任感強、技術水平高的職工隊伍，建立了嚴格的管理制度并取得資質才能進行無碴軌道的施工。 不同結構型式的無碴軌道，其施工方法不同，施工設備也是完全不同的。在目前無碴軌道尚在選型的情況下，對鋪設機具的研制還將有一個過程。但無論是哪種結構的無碴軌道，都要提高施工的機械化水平，最大限度地減少施工現場人為因素的影響。 7 優(yōu)化扣件系統 無碴軌道扣件系統與有碴軌道的不同主要表現在兩方面：功能不同、養(yǎng)護維修的要求不同。無碴軌道扣件的基本要求如下。 (1)具備足夠的強度和適當的扣壓力，以長期保證鋼軌與軌下基礎間的可靠聯結，阻止鋼軌作相對于軌下基礎的縱向移動或橫向位移，持久地保持其穩(wěn)固位置。 (2)無碴軌道軌下墊板應該具有良好的彈性。德國無碴軌道利用軌下墊板、彈性扣件及枕下彈性墊層等部件提供軌道結構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，因此，無碴軌道結構軌下墊板的剛度為2 0～2 5kN／ram。需要說明的是，扣件的彈性必須與軌下墊板的彈性相匹配，即彈條扣件應隨彈性墊板的變形而變形，也就是說，彈條扣件應具有良好的“跟隨性”，這是保證扣件系統作為一個整體所必需的性能。 (3)扣件應精確、牢固地固定在無碴軌道中。無碴軌道扣件的固定方式是將套管預埋在軌道板或長枕中，其預埋的精度十分重要。從我國混凝土軌枕廠目前的工裝和工藝水平來看，與無碴軌道的要求還有很大的差距。另外，套管預埋的這種緊固機構在可靠性方面也存在問題。從提速道岔和秦沈客運專線無碴軌道使用的情況看，上道使用l～2年就程度不同地開始出現各種形態(tài)的失效，而且隨時間的推移，這種失效還在增加，對行車安全構成威脅。 (4)扣件應具備調整鋼軌高度和方向的功能。有碴軌道的水平和方向是利用起道搗固和軌道撥正的方法解決的，扣件可以不具備調整鋼軌高度和方向的功能，或只需要小調整量。而無碴軌道需要較大調整量的扣件以調整鋼軌高度和方向，我們在這方面的技術準備工作還不充分。 8 相關專業(yè)的密切配合 無碴軌道與相關專業(yè)的配合主要是與信號制式的匹配。無碴軌道運用比較成熟的日本和德國其信號制式與我國不同。我國采用的電氣絕緣方式是高頻諧振式軌道電路。在秦沈客運專線試鋪板式軌道和長枕埋入式軌道后，不僅道床電阻低于有碴軌道，鋼軌阻抗中交流有效電阻過大，電感量偏小，使信號的線性損失增大，電氣絕緣節(jié)的品質因素降低，軌道電路的技術長度縮短(據電務部門測試，有碴軌道的軌道電路長度為l 200 m，而板式無碴軌道為700 m，長枕埋入式無碴軌道為900 m)。經過測試和研究，延長軌道電路傳輸長度的關鍵是在無碴軌道中鋼筋網不能形成回路。 為解決這個問題有以下途徑。
(1)在無碴軌道軌下部分采用非金屬筋。這是在軌道板或長枕中不形成回路的最徹底措施。日本磁懸浮采用非金屬筋證明是成功的，但是價格昂貴、無法推廣。即使是一般的碳纖維筋，價格也比鋼筋高得多，而非金屬筋比碳纖維筋還高幾倍，現在不具備應用于工程的條件。 (2)在無碴軌道中取消結構鋼筋。 在無碴軌道的軌道板或長枕的結構設計中使縱、橫向應力筋互不交叉也是不形成回路的措施。但是在這種情況下必須使用結構鋼筋，而結構鋼筋是會形成回路的，因此，采取縱、橫向應力筋互不交叉方案的前提是取消結構鋼筋，作為受力復雜的疲勞構件，不采用結構鋼筋在安全上是不可行的。 (3)在無碴軌道縱、橫向鋼筋交叉點采用絕緣套管。這個措施可以避免形成回路，但在一塊軌道板中有一千多個交叉點，實施非常困難，影響質量的因素也很多。 (4)采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋。涂層鋼筋是在軌道板或長枕的配筋噴涂環(huán)氧樹脂，利用環(huán)氧樹脂涂層的隔離作用，使鋼筋不與周圍的腐蝕性介質直接接觸并防止鋼筋間形成回路，阻止電氣連通。與采用非金屬筋和絕緣套管的措施相比，涂層鋼筋在技術和經濟上都具有優(yōu)勢。 |
| 原作者： 盧祖文：中國鐵道學會工務委員會，主任，北京，100844 |
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