不同區(qū)域無砟軌道適應性研究

孫　立

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063）

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不同區(qū)域無砟軌道適應性研究

孫立

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063）

摘要無砟軌道是目前我國高速鐵路主要的軌道結(jié)構形式。我國地域廣闊，氣候條件復雜，因此在修建高速鐵路過程中，針對各個地區(qū)的氣候特點，選擇技術可行、經(jīng)濟合理的無砟軌道結(jié)構形式尤為重要。本文在分析無砟軌道結(jié)構性能的基礎上，根據(jù)我國無砟軌道的溫度場區(qū)域劃分方案，對我國夏炎冬暖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)4個溫度場區(qū)域展開無砟軌道的適應性研究，提出了各個溫度場區(qū)域無砟軌道結(jié)構形式的推薦方案及選型要點：夏炎冬曖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)推薦采用雙塊式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道；嚴寒地區(qū)推薦采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，若夏季施工，可選擇鋪設雙塊式無砟軌道。

關鍵詞無砟軌道；溫度場；適應性；軌道選型；高速鐵路

無砟軌道具有結(jié)構穩(wěn)定性高，剛度均勻性好，結(jié)構耐久性強，維修工作量少的特點，是目前我國高速鐵路主要的軌道結(jié)構形式。溫度荷載是無砟軌道設計的主要荷載之一。我國高鐵跨越不同氣候帶，各地區(qū)氣候條件差異較大，因此在大規(guī)模修建高速鐵路的背景下，選擇技術可行、經(jīng)濟合理的無砟軌道結(jié)構形式尤為重要。但是目前國內(nèi)對不同區(qū)域的無砟軌道適應性的研究還較少［1-4］，日本、德國、法國等高鐵技術原創(chuàng)國家由于國土面積、氣候條件的局限性，未遇到我國面臨的高寒高溫氣候問題，所以沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒。

本文在分析國內(nèi)無砟軌道結(jié)構性能的基礎上，根據(jù)我國無砟軌道溫度場區(qū)域劃分方案，系統(tǒng)開展了不同區(qū)域無砟軌道的適應性研究，為我國不同區(qū)域的無砟軌道結(jié)構選型提供參考。

1　我國無砟軌道主要類型及技術特點

無砟軌道技術是隨著高速鐵路的發(fā)展而產(chǎn)生的。目前我國主要的無砟軌道結(jié)構形式：雙塊式無砟軌道、CRTSⅠ型板式無砟軌道、CRTSⅡ型板式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道，其中CRTSⅢ型板式無砟軌道為我國擁有完全自主知識產(chǎn)權的無砟軌道結(jié)構［5］。我國無砟軌道結(jié)構類型見表1。

表1　我國無砟軌道結(jié)構類型

1. 1雙塊式無砟軌道結(jié)構

雙塊式無砟軌道是直接將雙塊式軌枕澆筑在混凝土道床中，主要由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座或支承層等組成。雙塊式無砟軌道見圖1。

圖1　雙塊式無砟軌道

雙塊式無砟軌道的優(yōu)點：①結(jié)構材料主要為混凝土，環(huán)境適應性強，結(jié)構耐久性好；②由下往上施工，可施工性好，與下部結(jié)構適應性強；③結(jié)構受力合理，計算參數(shù)明確，可靠性好；④工程造價相對較低。

雙塊式無砟軌道的缺點：①路基地段若采用連續(xù)道床板結(jié)構，混凝土裂紋控制困難；②預制雙塊式軌枕與現(xiàn)場澆筑道床板混凝土連接的可靠性在重載情況下需要進一步研究；③軌枕存放期間，桁架鋼筋易銹蝕。

1. 2 CRTSⅠ型板式無砟軌道

CRTSⅠ型板式無砟軌道是將預制軌道板通過水泥乳化瀝青砂漿，鋪設在現(xiàn)場澆筑的具有限位凸形擋臺的鋼筋混凝土底座上，主要由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿、混凝土底座、凸形擋臺及周圍填充樹脂組成。CRTSⅠ型板式無砟軌道見圖2。

圖2　CRTSⅠ型板式無砟軌道

CRTSⅠ型板式無砟軌道的優(yōu)點：①路、橋、隧地段均為單元結(jié)構，結(jié)構受力合理；②當軌道沉降量超出扣件調(diào)整量一定范圍時，可在軌道板與CA砂漿之間灌注填充材料，可維修性相對較好。

CRTSⅠ型板式無砟軌道的缺點：①結(jié)構可靠性受CA砂漿質(zhì)量影響較大，而CA砂漿質(zhì)量受氣候、材料、施工工藝影響較大；②因梁中采用圓形凸臺、梁端采用半圓形凸臺進行軌道結(jié)構限位，故在大跨度橋梁地段其結(jié)構設計不合理；③框架板存在噪聲大、排水不通暢的問題，尤其不適用于路基地段。

CRTSⅠ型板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道主要鋪設在京廣深高速鐵路信陽至深圳段、哈大高鐵、蘭新高鐵等項目，目前服役狀態(tài)較好，除了局部路基地段由于排水問題導致的軌道病害外，軌道結(jié)構基本上沒有較大的維修工作量，很好地滿足了高速鐵路的運營要求。

1. 3 CRTSⅡ型板式無砟軌道

CRTSⅡ型板式無砟軌道是將預制軌道板通過水泥乳化瀝青砂漿調(diào)整層，鋪設在現(xiàn)場攤鋪的混凝土支承層或現(xiàn)場澆筑的鋼筋混凝土底座上。路基、隧道地段CRTSⅡ型板式無砟軌道主要由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿、支承層等部分組成。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構與路基地段有所不同，軌道板仍進行縱向聯(lián)結(jié)，下部設連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土底座，并在底座與梁面保護層之間設置滑動層，底座板兩側(cè)設置側(cè)向限位擋塊。CRTSⅡ型板式無砟軌道見圖3。

圖3　CRTSⅡ型板式無砟軌道

CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構的優(yōu)點：①對于大跨度橋梁適應性好，一定范圍內(nèi)大跨度橋梁可以減少設置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，有利于線路平順性；②軌道板預制精度高，可減少鋪板后軌道板調(diào)整量。

CRTSⅡ型板式無砟軌道的缺點：①縱連結(jié)構，尤其是在橋梁地段軌道結(jié)構受力復雜；②底座板、軌道板均為縱向受力連續(xù)體，特殊情況下斷板修復困難；③CA砂漿、“二布一膜”等有機材料均參與結(jié)構縱、橫向受力，影響結(jié)構可使用性，因此對材料性能、耐久性、施工工藝要求更嚴格。

CRTSⅡ型板式無砟軌道主要鋪設在京滬高速鐵路、京廣深高速鐵路北京至信陽段等設計速度350 km/h的高速鐵路上，目前總體情況滿足運營要求。不過，隨著運營時間的累積，CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構在路橋隧地段統(tǒng)一采用縱連結(jié)構，其溫度效應較大的弱點也逐漸暴露出來，尤其是在個別施工質(zhì)量較差的地段，軌道維修工作量較大。

1. 4 CRTSⅢ型板式無砟軌道

CRTSⅢ型板式無砟軌道是將預制軌道板和自密實混凝土復合在一起的無砟軌道結(jié)構，主要由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實混凝土、鋼筋混凝土底座等組成。CRTSⅢ型板式無砟軌道見圖4。

圖4　CRTSⅢ型板式無砟軌道

CRTSⅢ型板式無砟軌道的優(yōu)點：①結(jié)構受力合理；②自密實混凝土與CA砂漿等有機材料相比耐久性好；③結(jié)構可維修性好。

CRTSⅢ型板式無砟軌道的缺點：①自密實混凝土結(jié)構在作為調(diào)整層的同時，與軌道板通過門型鋼筋進行連接，形成了復合結(jié)構。作為調(diào)整層，自密實混凝土還承擔了一定的結(jié)構功能，這將導致自密實混凝土結(jié)構成為整個軌道結(jié)構最薄弱的環(huán)節(jié)。②結(jié)構整體性對于軌道板與自密實混凝土的復合作用依賴過大。

CRTSⅢ型板式無砟軌道經(jīng)過成灌鐵路、武漢城市圈城際鐵路、鄭徐客運專線等項目工程實踐的檢驗，證明了其是一種高安全性、高耐久性、可維修性好的軌道結(jié)構。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道已經(jīng)成為我國新建高速鐵路的主要無砟軌道結(jié)構形式。

2　無砟軌道溫度場區(qū)域劃分

根據(jù)縱連式和單元式無砟軌道的結(jié)構特點，綜合考慮各個地區(qū)高溫、低溫、實測溫度梯度等因素，用累年最冷月（1月）和最熱月（7月）的最低氣溫、最高氣溫，以及平均溫度和軌道板溫度梯度值作為分區(qū)主要指標，將全國鐵路無砟軌道溫度場劃分為4個區(qū)域（不含臺灣地區(qū)）：夏炎冬暖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)，見圖5。鐵路無砟軌道溫度場設計分區(qū)如表2所示［6］。

圖5　全國無砟軌道溫度場區(qū)域（不含臺灣地區(qū)）

表2　鐵路無砟軌道溫度場設計分區(qū)

3　不同區(qū)域無砟軌道適應性分析

3. 1夏炎冬暖和夏炎冬冷地區(qū)

夏炎冬暖和夏炎冬冷地區(qū)主要包括我國華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)和西南大部分地區(qū)，主要氣候特點：夏季氣溫較高且高溫持續(xù)時間較長，季節(jié)性的凍融循環(huán)現(xiàn)象不突出，整體溫度荷載相對較小。由于高溫會對縱連式無砟軌道結(jié)構形成較大的縱向溫度荷載，尤其是持續(xù)高溫現(xiàn)象易引起縱連軌道板的上拱等問題［7-8］，因此該區(qū)域推薦采用單元式無砟軌道結(jié)構。考慮到特大跨度橋梁和特大溫度跨度橋梁上鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道易出現(xiàn)運營期間梁端凸形擋臺拉裂等問題，因此推薦采用雙塊式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道。但還需考慮以下情況：

1）對于設計速度250 km/h高速鐵路，如果在近期兼顧貨運線路，建議不予鋪設板式無砟軌道系列。

2）設計速度200 km/h及以上的高速鐵路（近期兼顧貨運），區(qū)間路基及橋梁地段采用有砟軌道，長度超過1 000 m的隧道及長大隧道群地段推薦采用雙塊式無砟軌道。

3）經(jīng)濟性方面，雙塊式無砟軌道優(yōu)于CRTSⅢ型板式無砟軌道。

3. 2寒冷地區(qū)

寒冷地區(qū)主要包括我國華北地區(qū)和西北部分地區(qū)，主要氣候特點：夏季氣溫較高，冬季氣溫較低，全年平均氣溫適中。該區(qū)域冬季凍融循環(huán)較為頻繁，整體溫度荷載相對較大?？紤]到特大跨度橋梁和特大溫度跨度橋梁上鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道易出現(xiàn)運營期間梁端凸形擋臺拉裂等問題，因此在該區(qū)域同樣推薦采用雙塊式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道。其它需考慮的情況與3. 1節(jié)的3點內(nèi)容相同。

3. 3嚴寒地區(qū)

嚴寒區(qū)域主要包括我國東北地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)、新疆西藏部分地區(qū)和青海地區(qū)，主要氣候特點：冬季十分寒冷，最低氣溫普遍能達到- 30℃或更低，夏季高溫時間較短，但高溫天氣中絕大多數(shù)地區(qū)也能達到35℃以上，因此全年氣溫變化幅度較大?？v連式軌道結(jié)構對整體溫度變化較敏感，極端低溫下溫度荷載易造成軌道結(jié)構的開裂，因此在該區(qū)域不宜采用縱連式無砟軌道結(jié)構。

由于雙塊式無砟軌道道床板采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構，現(xiàn)場圬工量較大，施工相對較慢，嚴寒地區(qū)溫差較大，冰雪凍害嚴重，存在混凝土裂紋控制問題。雖然板式無砟軌道底座也存在類似問題，但由于底座受上部預制軌道板的遮擋，嚴寒氣候條件和凍融循環(huán)的影響相對直接暴露在空氣中的道床板來說較?。?］。同時考慮到在嚴寒地區(qū)砂漿耐久性能不足［10］，建議不予鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道。因此嚴寒地區(qū)推薦采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，若夏季施工可選擇鋪設雙塊式無砟軌道。

4　結(jié)論

根據(jù)各種無砟軌道結(jié)構的技術特點，本文在我國無砟軌道溫度場區(qū)域劃分方案的基礎上，系統(tǒng)開展了不同區(qū)域無砟軌道的適應性研究，得到以下結(jié)論：

1）夏炎冬暖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)推薦采用雙塊式無砟軌道和CRTSⅢ型板式無砟軌道。

2）嚴寒地區(qū)推薦采用CRTSⅢ型板式無砟軌道，若夏季施工可選擇鋪設雙塊式無砟軌道。

3）對于設計速度250 km/h高速鐵路，如果在近期兼顧貨運線路，建議不予鋪設板式無砟軌道系列。設計速度200 km/h及以上的高速鐵路（近期兼顧貨運），區(qū)間長度超過1 000 m的隧道及長大隧道群地段推薦采用雙塊式無砟軌道。

4）經(jīng)濟性方面，雙塊式無砟軌道優(yōu)于CRTSⅢ型板式無砟軌道。

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（責任審編鄭冰）

Study on Adaptability of Ballastless Track in Various Regions

SUN Li
（China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractIn China，ballastless track is the mostly utilized track form in high speed railway. Our country has large territory and complex climate condition. T hus in the course of the construction of high speed railway，technical and economical form of railway track need to be selected with the consideration of different climate conditions of different areas. Based on the analysis of the property of different track forms，the applicability of ballastless track in four different temperature fields according to the classification scheme of ballast track temperature field was studied，including hot summer and warm winter zone，hot summer and cold winter zone，cold zone and cold serious zone. Recommend project on ballastless track form in different temperature fields and key point on structure selection were put forward in this paper，which were using double-block ballastless track and CRT SⅢslab-type ballastless track in hot summer and warm winter zone，hot summer and cold winter zone，and cold zone，using CRT SⅢslab-type ballastless track in cold serious zone and using double-block ballastless track during summer construction.

Key wordsBallastless track；T emperature field；Adaptability；T rack selection；High speed railway

中圖分類號U213. 2+44

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 09

文章編號：1003-1995（2016）05-0039-04

收稿日期：2016-03-31；修回日期：2016-04-10

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡介：孫立（1969—），男，教授級高級工程師。