自主創(chuàng)新CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

■ 趙有明 葉陽升 王繼軍 江成 王夢

自主創(chuàng)新CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

■ 趙有明 葉陽升 王繼軍 江成 王夢

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國自主研發(fā)的新型無砟軌道，通過軌道結(jié)構(gòu)及接口、軌道板制造、自密實(shí)混凝土制備及施工、布板及精調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)創(chuàng)新，基本形成了設(shè)計、制造、施工等成套技術(shù)，建立了系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系。盤營客運(yùn)專線綜合試驗(yàn)期間，動車組列車最高試驗(yàn)速度397 km/h，系統(tǒng)驗(yàn)證了軌道結(jié)構(gòu)對高速行車的適應(yīng)性，并在我國高速鐵路建設(shè)中推廣應(yīng)用。

高速鐵路；CRTSⅢ型；無砟軌道；復(fù)合板；自密實(shí)混凝土

1 研發(fā)背景

我國客運(yùn)專線無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新研究在無砟軌道設(shè)計理論和方法、無砟軌道結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計技術(shù)、工程材料及制造、施工裝備和工藝等方面取得了一系列研究成果。針對我國鐵路的運(yùn)營條件、地域條件相繼研發(fā)了CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式及雙塊式無砟軌道系統(tǒng)，形成了無砟軌道設(shè)計、制造、施工、檢測等成套技術(shù)，并在我國高速鐵路建設(shè)中全面推廣應(yīng)用。隨著我國多條高速鐵路的陸續(xù)投入運(yùn)營及對無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，我國已具備開展具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新型無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)工作的條件。

2008年針對設(shè)計時速200 km及以下的城際鐵路運(yùn)營條件，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，降低軌道工程建設(shè)成本，開展了無砟軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究，結(jié)合成都—都江堰鐵路工程建設(shè)，研發(fā)應(yīng)用了CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并建立無砟軌道試驗(yàn)段。2010年3月，對采用CRTSⅢ型板式無砟軌道的成都—都江堰鐵路進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試，動車組最高試驗(yàn)速度達(dá)到252 km/h[1]。

為形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)，發(fā)展和完善我國高速鐵路無砟軌道技術(shù)體系，2011年，原鐵道部立項(xiàng)開展《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)深化試驗(yàn)研究》，依托盤營客運(yùn)專線工程，系統(tǒng)開展了高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計理論及關(guān)鍵參數(shù)研究、軌道結(jié)構(gòu)及接口技術(shù)研究、關(guān)鍵工程材料研究、軌道板制造技術(shù)研究、軌道結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究、室內(nèi)外試驗(yàn)及長期監(jiān)測研究、養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)耐久性研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，形成了高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道成套技術(shù)[2]，并在沈丹、成綿樂（眉樂段）、鄭徐、京沈等高速線路推廣應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)組成及技術(shù)特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)經(jīng)過前期研究、工程建設(shè)及運(yùn)營實(shí)踐，已基本定型，路、橋、隧等不同下部基礎(chǔ)上均采用單元分段式結(jié)構(gòu)，軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件系統(tǒng)、混凝土軌道板、自密實(shí)混凝土層和底座等部分組成（見圖1）。預(yù)制混凝土軌道板底面預(yù)留連接鋼筋，與軌道板下澆筑的自密實(shí)混凝土形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；混凝土底座現(xiàn)場分段澆筑，對應(yīng)每塊軌道板設(shè)置2個限位凹槽，與后期澆筑自密實(shí)混凝土形成的凸臺形成限位結(jié)構(gòu)；底座和自密實(shí)混凝土層之間設(shè)置隔離層。其主要結(jié)構(gòu)特征如下：

（1）預(yù)制軌道板與現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層形成“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)。

（2）沿線路縱向，復(fù)合板與混凝土底座為單元結(jié)構(gòu)。

（3）復(fù)合板與設(shè)置凹槽、頂面設(shè)隔離層的混凝土底座形成凹凸結(jié)構(gòu)，為軌道提供水平限位和特殊情況下的修復(fù)便捷性。

（4）預(yù)制軌道板提供與軌道電路、綜合接地的接口。

其中，預(yù)制軌道板與現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層形成“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)是CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的基本特征。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

綜合分析我國高鐵目前采用的幾種無砟軌道技術(shù)特點(diǎn)，CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）軌道板工廠化預(yù)制，可充分利用板式無砟軌道的技術(shù)優(yōu)勢。

（2）采用單元式復(fù)合結(jié)構(gòu)，受力體系合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（3）采用自密實(shí)混凝土作為充填材料，無砟道床主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；底座與復(fù)合板間設(shè)有隔離層，可減少層間離縫；耐久性較好，動力性能與其他類型無砟軌道相當(dāng)。

（4）軌道結(jié)構(gòu)可適應(yīng)溫暖、寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)等不同氣候條件，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

（5）軌道結(jié)構(gòu)工程造價適宜，性價比較好。

（6）復(fù)合板與頂面設(shè)隔離層的底座間可分離，特殊情況下的修復(fù)性較好。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)分層

3 系統(tǒng)創(chuàng)新

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道充分借鑒了CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并在設(shè)計理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程材料、建造技術(shù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)創(chuàng)新。

3.1 理論創(chuàng)新

3.1.1 復(fù)合板形成機(jī)理及性能演化規(guī)律

預(yù)制軌道板與現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土形成復(fù)合結(jié)構(gòu)是CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的基本特征，也是決定軌道結(jié)構(gòu)靜動力特性的關(guān)鍵因素。因此，復(fù)合板的形成機(jī)理及性能演化規(guī)律成為CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)理論體系需要解決的首要問題。課題組系統(tǒng)研究了混凝土強(qiáng)度等級、界面粗糙度、層間是否配置連接鋼筋等因素對界面抗剪和抗拉性能的影響，并結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)受力特性分析，提出自密實(shí)混凝土收縮限值，并提出軌道板底面應(yīng)進(jìn)行拉毛處理并預(yù)留連接鋼筋的技術(shù)措施，有力保證了復(fù)合板的形成和長期性能。同時，結(jié)合西寶客運(yùn)專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗(yàn)段進(jìn)行了動力性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，軌道板與自密實(shí)混凝土層共同受力、共同變形、共同振動，軌道板與自密實(shí)混凝土層形成有機(jī)整體[3]。

3.1.2 路基區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)選型[4]

路基區(qū)段無砟軌道結(jié)構(gòu)有單元和縱向連續(xù)2種結(jié)構(gòu)形式。單元分段式結(jié)構(gòu)能夠有效釋放溫度荷載對軌道結(jié)構(gòu)的影響，但需要設(shè)置鋼筋混凝土底座和限位結(jié)構(gòu)，影響結(jié)構(gòu)的施工性和經(jīng)濟(jì)性；縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)下部采用不配筋的支承層結(jié)構(gòu)，通過縱向連續(xù)的整體性保證結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，軌道結(jié)構(gòu)施工性和經(jīng)濟(jì)性較好，但溫度荷載對軌道結(jié)構(gòu)的受力和變形影響較大。課題組通過2種軌道結(jié)構(gòu)形式靜動力特性的對比分析，結(jié)合路基縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)高溫季節(jié)出現(xiàn)的溫度變形現(xiàn)象及前期工程實(shí)踐，提出路基區(qū)段采用單元分段式結(jié)構(gòu)，并結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及底座受力特性，提出底座分段長度的合理取值范圍。

3.1.3 軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)及部件功能定位

針對CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中軌道板與自密實(shí)混凝土形成復(fù)合板結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，在客運(yùn)專線無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新“梁-板”有限元模型基礎(chǔ)上，提出采用“梁-實(shí)體”有限元模型進(jìn)行荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)響應(yīng)的計算分析，系統(tǒng)研究了列車荷載、溫度梯度及整體溫度等荷載及其耦合作用下，軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的受力特性，結(jié)合我國高速鐵路線下基礎(chǔ)特點(diǎn)，研究確定了軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，明確了軌道結(jié)構(gòu)各組成部分的功能定位。

3.2 設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新

3.2.1 軌道結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計

針對我國高速鐵路不同工程條件和環(huán)境條件，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自主創(chuàng)新了路、橋、隧等不同線下基礎(chǔ)上單元分段式結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出無砟軌道與線下基礎(chǔ)、排水等站前工程和軌道電路、綜合接地等站后工程的相關(guān)接口技術(shù)要求；并在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，完成了減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道及過渡段結(jié)構(gòu)和剛度設(shè)計，應(yīng)用于蘭新二線嘉峪關(guān)穿越長城隧道減振區(qū)段。

3.2.2 軌道板設(shè)計

結(jié)合高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道受力特點(diǎn)和我國南北差異較大的環(huán)境條件，研制了具有良好環(huán)境適應(yīng)性和耐久性的雙向預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板，并在后張預(yù)應(yīng)力軌道板規(guī)?；こ虘?yīng)用基礎(chǔ)上，研發(fā)了雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板，完善了我國高速鐵路板式無砟軌道預(yù)應(yīng)力軌道板技術(shù)體系。

3.3 工程材料創(chuàng)新

3.3.1 自密實(shí)混凝土

自密實(shí)混凝土層是CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其位于底面預(yù)留連接鋼筋的預(yù)制軌道板和具有較強(qiáng)吸水性能的土工布隔離層之間，封閉腔體、層內(nèi)鋼筋網(wǎng)片、板底連接鋼筋及土工布吸水性能等具體條件要求自密實(shí)混凝土具有良好的自流平性能、穩(wěn)泡性能、間隙通過性能、自充填性能、黏聚性、保水性和流動性。課題組針對CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中自密實(shí)混凝土的功能定位，提出了擴(kuò)展時間T500及坍落擴(kuò)展度等新拌混凝土性能、56 d抗壓強(qiáng)度及收縮值等硬化混凝土性能和工藝性試驗(yàn)等相關(guān)技術(shù)要求，確定了自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計原則及設(shè)計流程，為規(guī)?；凸こ袒瘧?yīng)用提供了技術(shù)支撐。

3.3.2 軌道板混凝土性能提升技術(shù)

軌道板與自密實(shí)混凝土層的黏結(jié)性能直接影響軌道結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，為提高界面黏結(jié)性能，課題組通過活性礦物摻和料作用機(jī)理研究，提出功能化膠凝材料的技術(shù)途徑，使水泥和復(fù)合摻和料構(gòu)成的膠凝材料體系具有較好的級配組成和活性，研制出低黏度、高觸變性的軌道板混凝土，提高了軌道板混凝土澆筑效率，拉毛后板底粗骨料外露、基底密實(shí)，外觀質(zhì)量良好。

3.4 建造技術(shù)創(chuàng)新

3.4.1 布板及精調(diào)技術(shù)

根據(jù)線路平、縱面線形及下部基礎(chǔ)情況，基于軌道結(jié)構(gòu)單元分段式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮基礎(chǔ)分界點(diǎn)、梁縫等因素，自主研發(fā)了CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計布板、施工布板及軌道板精調(diào)軟件?；诓及寮熬{(diào)軟件，可進(jìn)行全線軌道板優(yōu)化配置，從而減少異形板類型；可進(jìn)行曲線區(qū)段軌道板模板擋肩調(diào)整量計算，為軌道板場生產(chǎn)提供指導(dǎo)；可基于線路設(shè)計參數(shù)，指導(dǎo)底座標(biāo)高控制及軌道板和鋼軌精調(diào)；同時，可提供全線軌道結(jié)構(gòu)各層關(guān)鍵控制點(diǎn)的空間坐標(biāo)，為BIM技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供支撐。

3.4.2 軌道板制造技術(shù)

CRTSⅢ型板式無砟軌道采用有擋肩WJ-8型扣件系統(tǒng)，為減小軌道精調(diào)工作量，并為運(yùn)營階段養(yǎng)護(hù)維修提供充足的調(diào)整空間，曲線區(qū)段軌道板采用了模板擋肩調(diào)整技術(shù)，并自主研制了軌道板一維（水平）、二維（垂直和水平）可調(diào)模板，通過模板承軌部位調(diào)整實(shí)現(xiàn)曲線軌道板的一次制造精度。

同時，結(jié)合雙線先張預(yù)應(yīng)力軌道板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，自主創(chuàng)新了“矩陣單元”生產(chǎn)工藝[5]，每個張拉臺座設(shè)置8塊軌道板模板，呈“2×4矩陣”布置；軌道板預(yù)應(yīng)力筋定長下料，端部不露出軌道板側(cè)面，兩端通過螺紋與張拉桿相連；相鄰模板對應(yīng)張拉桿之間設(shè)置連接器，實(shí)現(xiàn)張拉端張拉梁與固定端反力墻之間傳力的連續(xù)性；預(yù)應(yīng)力鋼筋整體張拉，同步放張；軌道板混凝土逐模澆筑、逐模振動；矩陣單元整體養(yǎng)護(hù)。通過軌道板生產(chǎn)工藝和配套工裝設(shè)備的系統(tǒng)研究，形成了24 h生產(chǎn)工藝，國際上首次實(shí)現(xiàn)了雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板的規(guī)?；a(chǎn)。

3.4.3 自密實(shí)混凝土制備及灌注技術(shù)

自密實(shí)混凝土層是CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量的關(guān)鍵，課題組結(jié)合盤營客運(yùn)專線、湖北省內(nèi)城際鐵路、成綿樂客運(yùn)專線（眉樂段）、西寶客運(yùn)專線試驗(yàn)段、鄭徐客運(yùn)專線等工程實(shí)踐，基于當(dāng)?shù)卦牧腺Y源，形成了適應(yīng)不同環(huán)境條件的自密實(shí)混凝土制備技術(shù)；創(chuàng)新了軌道板中部單孔灌注、復(fù)合透氣型模板封邊的灌注工藝，并確定了自密實(shí)混凝土終灌條件，明確了軌道板扣壓和防側(cè)移裝置的技術(shù)要求。為進(jìn)一步減少現(xiàn)場施工損耗，保證灌注質(zhì)量，研發(fā)了自密實(shí)混凝土移動攪拌站，在降低原材料損耗的同時，提高了施工效率。

3.5 主要創(chuàng)新成果

在系統(tǒng)研究成果基礎(chǔ)上，后張法預(yù)應(yīng)力軌道板、先張法預(yù)應(yīng)力軌道板、自密實(shí)混凝土、隔離層用土工布、三元乙丙橡膠彈性緩沖墊層、嵌縫材料、減振墊層等7項(xiàng)軌道結(jié)構(gòu)部件及工程材料暫行技術(shù)條件已頒布實(shí)施，隨著軌道結(jié)構(gòu)通用參考圖、軌道結(jié)構(gòu)施工技術(shù)指南及軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的編制，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道標(biāo)準(zhǔn)體系已基本形成。

在高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)研發(fā)的同時，針對無砟軌道系統(tǒng)、預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板、軌道板制造及檢測、自密實(shí)混凝土制備及工裝、無砟軌道施工工藝工法及配套裝備等申請了系列專利保護(hù)，其中無砟軌道系統(tǒng)及預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板已申請國際專利，相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)為我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的實(shí)施提供了有力支撐。

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

2013年6月，首次規(guī)模化采用CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)的盤營客運(yùn)專線進(jìn)入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，最高檢測速度350 km/h的軌道幾何狀態(tài)及動車組動力學(xué)響應(yīng)測試結(jié)果表明，上行TQI平均值為2．7 mm、下行為2．63 mm，軌道平順性較高，軌道幾何狀態(tài)滿足列車350 km/h運(yùn)行安全要求；脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力最大值均未超出限度值，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架橫向加速度未出現(xiàn)連續(xù)6次以上峰值≥8．0 m/s2，垂向平穩(wěn)性指標(biāo)、橫向平穩(wěn)性指標(biāo)均為優(yōu)[6]。綜合試驗(yàn)期間，動車組最高試驗(yàn)速度達(dá)397 km/h。開通1年多來，無砟軌道系統(tǒng)狀態(tài)良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，軌道幾何狀態(tài)保持良好，維修工作量小，列車運(yùn)行平穩(wěn)、舒適。

5 結(jié)束語

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是在客運(yùn)專線無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新基礎(chǔ)上，系統(tǒng)總結(jié)和分析各種無砟軌道技術(shù)特點(diǎn)，我國自主研發(fā)的一種新型無砟軌道，是對我國高速鐵路無砟軌道技術(shù)體系的豐富、發(fā)展和完善，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)的研發(fā)有利于提高無砟軌道結(jié)構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性、耐久性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，有利于提高我國在世界高速鐵路市場的競爭力，有利于我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的順利實(shí)施。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道正以其較好的綜合性能贏得越來越多的應(yīng)用，也必將在不斷的應(yīng)用和完善中走向成熟。

[1] 顏華，李保友，楊明輝，等． 成都至都江堰鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術(shù)總結(jié)[R]． 成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2010．

[2] 盧春房，江成，王繼軍，等． 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術(shù)系統(tǒng)研究[R]． 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2014．

[3] 趙有明，王繼軍，王夢，等． 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術(shù)深化研究[R]． 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2014．

[4] 高亮，趙磊，曲村，等． 路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計方案比較分析[J]． 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，41(6)：848-855．

[5] 王繼軍，王夢，趙勇，等． 先張法預(yù)應(yīng)力體系無砟軌道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)試驗(yàn)研究[R]． 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2014．

[6] 王繼軍，趙勇，江成，等． 盤錦至營口客運(yùn)專線CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)動力性能試驗(yàn)研究[R]． 北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2013．

趙有明：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，北京，100081

葉陽升：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，北京，100081

王繼軍：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，北京，100081

江 成：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，北京，100081

王 夢：中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，助理研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 苑曉蒙

U214.3

A

1672-061X（2015）02-0040-04

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項(xiàng)目（2011G003）。

所獲獎項(xiàng)：2014年度中國鐵道學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎特等獎。