《高速铁路概论》课程报告浅谈高速铁路轨道技术完成人：谢大海（20072102）完成时间：2011年4月19日浅谈高速铁路轨道技术摘要：随着生活水平的提高，生活节奏的加快，人们对交通工具有了新的要求，不但要舒适、安全、更要高速。

本文将围绕因此而催生的高速铁路在解决上述问题时所遇到的问题及解决方案。

关键词：高速铁路、有碴轨道、无碴轨道。

高速铁路轨道和普通铁路轨道一样,由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。

这些力学性质绝然不同的材料承受来自列车车轮的作用力,它们的工作是紧密相关的并对列车运行质量产生直接的影响,因此铁路轨道要用系统论的观点和方法进行研究。

有碴轨道和无碴轨道的应用范围高速铁路轨道结构主要类型有有碴轨道和无碴轨道。

有碴轨道是铁路的传统结构。

它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点。

但随着行车速度的提高,其缺点也逐渐显现。

首先,由于有碴轨道不均匀下沉产生的120 Hz以下频率范围的激振严重,轨道破损和变形加剧,从而使维修工作量显著增加,维修周期明显缩短。

根据德国高铁资料,当行车速度为250～300 km /h时,其线路维修费用约为行车速度为160～200 km /h时的2倍;速度为250～300 km /h时,通过总重达3 亿吨后道碴就需全部更换,而在160～200 km /h时,通过总重则可达10亿吨。

日本对高速铁路桥上的有碴轨道与无碴轨道维修费用进行的统计分析表明,有碴轨道的线路维修费用比无碴轨道高111% ,也就是说有碴轨道的维修费用相当于无碴轨道的2倍多。

基于这一情况,许多专家认为,从经济角度和维修管理角度看,高速铁路应采用无碴轨道。

特别是在桥隧结构上,由于无碴轨道减少了二期恒载和建筑高度,采用无碴轨道更为有利。

除此以外,无碴轨道还具有使用寿命长、线路状况良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石碴飞溅等优点,因此无碴轨道在国外高速铁路上获得了越来越广泛的应用,其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区,无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。

世界上一些国家铺设有碴轨道和无碴轨道的概况日本除在1964年开通的东海道新干线未采用无碴轨道外,其后修建的高速铁路采用无碴轨道的比例逐年增加: 1972年开通的山阳新干线占4. 9%; 1975 年开通的山阳新干线占68. 6%; 1991 年开通的东北新干线占82%; 1990 年开通的上越新干线占90%; 1997 年开通的北陆新干线占87. 5%。

德国认为,当运营速度超过300 km /h时,有碴轨道会出现道碴粉化现象,需要经常维修,由于维修成本增加,其最终成本要比无碴轨道高。

德国在20世纪70年代修建的高速铁路,无碴轨道不足30%; 而1998年开通的柏林—汉诺威高速铁路,无碴轨道比例达到80%以上。

中国台湾高速铁路无碴轨道155 km,占正线长度的45%。

荷兰高速铁路土质条件不好,软土较多,但也积极采用无碴轨道。

法国是以有碴轨道为主的国家,目前也在铺设无碴轨道。

在京沪高速铁路进行设计咨询时,法国咨询专家也建议京沪高速铁路采用无碴轨道。

法国高速铁路延用了传统的有碴轨道结构,采用双块式混凝土轨枕和拉布拉弹片式扣件。

在1983 年开通的388 km长、速度270 km /h的巴黎—里昂的TGV东南客运专线上,尽管轴重较小,为160 ～170 kN,但是平均通过总重4 000万吨(约每2年)就要进行一次线路修理,另外还需对钢轨定期打磨,以消除因列车高速运行时道碴旋流造成的钢轨踏面缺陷。

德国也是欧洲最早建设高速铁路的国家之一,和法国TGV不同的是,德国高速铁路的轨道结构以无碴轨道为主。

柏林—汉诺威的高速铁路运营速度280 km /h,无碴轨道占72%;科隆—法兰克福的高速铁路运营速度300 km /h,无碴轨道占85%;正在修建中的纽伦堡—英戈城高速铁路设计速度目标值330km /h,无碴轨道占84%。

1.有碴轨道高速或快速轨道应具有如下特点：1.1 钢轨具有平顺的运行表面为减少列车冲击、振动荷载及行车噪声的污染，轨道必须为列车提供一个平滑的运行轨面。

为达到这一目的，要从钢轨和轨下基础两方面提出要求。

(1)为保持轨面平顺，钢轨应具有足够的抵抗变形的能力。

因此高速与快速铁路要铺设较重型钢轨。

(2)钢轨材质要具有足够的强韧性。

为保持钢轨表面的平顺性，钢轨表面不应产生剥离、掉块及其他轨面损伤。

这就需要采用强韧钢材来制造钢轨，一般轨钢的极限强度应大于900 MPa，若达不到这样的强度，钢轨表面应进行淬火处理。

(3)无缝线路钢轨焊缝应打磨平顺。

轨顶与钢轨侧面焊缝平直度一般不超过0.2～0.3 mm/m。

我国秦沈客运专线为O.3 mm/m，时速300 km及以上的高速铁路为O.2 mm/m。

1.2 轨下基础为保持轨面的平顺性，轨道也必须有一个坚实的轨下基础。

混凝土轨枕、强劲的钢轨扣件及硬质石碴组成的道床，就成为高速轨道必不可少的轨下基础。

影响轨下基础稳固的主要因素就是道床。

除道碴本身材料的质量外，道床顶面承受的应力是造成道床破坏的主要因素。

根据美国及其他国家的研究成果道床的变形与破坏的程度与道床应力巩的3～4次方成正比。

因此，人们理所当然地把减少道床表面应力作为减少线路变形的一个重要措施。

而减少道床应力的最简便的方法就是铺设重型钢轨和支承面较大的混凝土轨枕，以减少G力和增大支承面积F值。

因此在高速铁路上人们倾向于铺设2.6 m或2.8 m长的混凝土轨枕。

1.3 采用稳固的重型轨道由60 kg/m钢轨、混凝土枕、强劲钢轨扣件和硬质道床组成的重型轨道，不但可以使轨道变形小，轨面平顺，而且可以起到稳固线路与减少振动对道床的破坏作用。

高速铁路或快速铁路采用重型轨道结构，其主要目的不是为了增加轨道的强度，而是为了减少轨道变形，保持平顺的列车运行轨面。

如前所述，重型轨道不但可减少线路的垂直下沉，而且可增大轨道的横向推移阻力，保持线路的方向顺直。

采用重型轨道的另一个意图是，由于高速列车施加的高频振动会使道碴“流坍”，道床下沉增加，而铺设重型钢轨和轨枕则可起到隔离与补偿的作用，以减少高频振动对道床的影响。

采用重型钢轨和轨枕可减少振动加速度。

1.4 具有良好的弹性性能轨道具有良好的弹性性能不但可使轨道具有较强的抗振动与抗冲击的能力，而且有利于减少噪声干扰。

因此人们努力改善轨道的弹性性能，以适应高速列车的运行。

1.4.1 钢轨扣件高速铁路与快速铁路应采用具有弹性扣压件与弹性垫层的双弹性扣件。

一般弹性扣压件应具有20kN/mm以上的刚度，以便把钢轨牢固地固定在轨枕上。

轨下垫层则要求具有较小的弹性系数，且其弹性性能不随温度而急剧变化。

较好的轨下垫层刚度应在60 kN/mm左右，且用合成树脂制成，其弹性性能很少随温度变化而变动，垫层厚度为9～10 mm。

钢轨的轨下弹性垫层可减少列车动力冲击、振动和噪声。

此外，有的高速铁路设计了带有铁垫板的钢轨扣件，在铁垫板的上下都铺有弹性垫层和调高垫层，以增强轨道的抗振能力和调高性能。

德国铁路研制的轨下弹性垫层，刚度有两种：80 kN/mm和50 kN/mm，垫层的冬、夏季弹性模量基本相同，且弹性均匀、刚度较小，减少了轨道的动力不平顺，可用于速度为300 km/h的高速轨道上。

1.4.2 铺设枕下垫层或弹性轨枕为增加轨道弹性，曾在混凝土轨枕底部设置一层弹性垫层或套上橡胶垫套，以增加轨枕的弹性。

但由于行车时石碴对弹性层的磨损和维修捣固时对垫套的损害，实践表明有碴轨道不宜在枕下设置弹性垫层。

为增加轨枕弹性，日本研制了由合成材料制成的弹性轨枕，已用于高速铁路上。

1.4.3.道床道床可显著改善轨道的弹性性能，但道碴的材质和粒径以及道床的断面尺寸必须满足要求。

2.无碴轨道相比有碴轨道，无碴轨道具有一系列优点：使用寿命长；维修费用低；二期恒载小、建筑高度低；线路状况良好，宜于高速行车等。

此外，无碴轨道上的无缝线路不易胀轨跑道及高速行车时不会有石碴飞溅起来造成伤害，也是无碴轨道的优点。

由于无碴轨道是用来代替有碴轨道的，因此其性能、结构及制造成本要比照有碴轨道选定。

因此研制无碴轨道的基本原则为：(1)无碴轨道应具有足够的强度和与有碴轨道相同的弹性；(2)结构简单，便于施工和安装。

对于混凝土道床的局部损坏应有修复的可能性；(3)可以校正由于下部结构的变形造成的轨道变形；(4)无碴轨道结构的造价应为有碴轨道的两倍左右。

针对上述原则，各国研制了种类繁多的无碴轨道结构类型。

经过多年的运营考验，一般认为日本的板式轨道和德国的Rheda型无碴轨道以及用于隧道的弹性支承块无碴轨道比较成熟。

2.1 无碴轨道结构2.1.1日本板式轨道板式轨道结构由轨道板，CA砂浆(水泥沥青砂浆)和泥凝土基础三大部分组成。

钢轨铺设在轨道板上，CA砂浆作为具有一定弹性的缓冲层和填充层放置在轨道板的下面。

CA砂浆不但可作为板式轨道的弹性垫层，而且可通过再次灌注CA砂浆，对轨道板进行调整。

CA砂浆下面是混凝土基础。

作为板式轨道的底座，混凝土基础上设有凸形挡台以承受轨道纵向力的作用，为防止轨道板与凸形挡台的挤压破损，在挡台与轨道板之间的缝隙中灌注CA砂浆或填充橡胶圈。

日本轨道板的长度通常为5.00 m左右，宽度为2.34 m，厚度为190 mm，CA砂浆厚40 mm。

在轨道板铺设并校正后把CA砂浆泵入轨道板下。

过去是通过轨道板的注孔泵入CA砂浆，现在改用在轨道板下铺设编织袋，CA砂浆由袋口泵人编织袋内形成CA砂浆垫层，这样不但CA砂浆不会流出轨道板外影响外观，而且还可节约材料。

2.1.2 Rheda型无碴轨道1972年德国慕尼黑工业大学陆地交通工程试验中心，依照德国科技部制定的轮轨关系研究计划，在Rheda车站设计、铺设了无碴轨道结构。

这种结构经过多处试验、试铺，不断进行优化、完善，形成德国铁路运用较为普遍的无碴轨道系列，人们把这种轨道统称为Rheda型无碴轨道。

Rheda型无碴轨道实际上是把混凝土轨枕用混凝土灌注在钢筋混凝土的轨道支承板上，为加强灌注的整体性，在混凝土轨枕侧面留有三个孔眼，以便用钢筋把轨枕串连起来。

在钢筋混凝土轨道支承板的下面还铺有一层水凝性支承层，若在冻害地区该层采用轻混凝土。

该无碴轨道修筑在地基较差地区时，应首先强化地基然后才能铺设Rheda型无碴轨道。

2.1.3 弹性支承块无碴轨道1966年瑞士联邦铁路开始研制、铺设用于隧道中的弹性支承块式无碴轨道。

该结构的最大特点是在双块混凝土枕下安装两个有弹性底垫的橡胶靴套，穿有靴套的轨枕用混凝土浇注在钢筋混凝土的底板上。

该型无碴轨道具有足够的弹性，在隧道内得到了广泛的应用。

在跨越英吉利海峡的海底隧道中也采用了这种型式的无碴轨道，不过取消了连接双块混凝土的轨距杆，只采用了两块带弹性靴套的混凝土块，以便安装钢轨与扣件。