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　　高速鐵路軌道技術(shù)綜述

　　高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)和普通鐵路軌道結(jié)構(gòu)一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學(xué)性質(zhì)絕然不同的材料承受來自車輪作用力，它們的工作是緊密相關(guān)的。任何一個(gè)軌道零部件的性能、強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的變化都會(huì)影響所有其他零部件的工作條件，并對(duì)列車運(yùn)行質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，因此軌道結(jié)構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)，要用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)和方法進(jìn)行研究。鋼軌直接承受由機(jī)車車輛傳來的巨大動(dòng)力，并傳向軌枕;軌枕承受鋼軌傳來的豎向垂直力、橫向和縱向水平力后再將其分布于道床，并保持鋼軌正常的幾何位置;輪軌間的各種作用力通過軌枕和扣件的隔振、減振和衰減后傳遞給道床，使道碴重新排列，并將作用力擴(kuò)散傳遞于路基。由于列車速度的提高給軌道結(jié)構(gòu)的作用力與速度的n次方成正比，因此高速鐵路的軌道必然要比普通線路具有更高的安全性、可靠性和平順性，而軌道各部件的力學(xué)性能、使用性能和組成為結(jié)構(gòu)的卜性能都比普通軌道部件高得多。

　　1 高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)等級(jí)

　　1.1結(jié)構(gòu)等級(jí)

　　鐵路軌道結(jié)構(gòu)等級(jí)與運(yùn)輸條件密切相關(guān)。在鐵路運(yùn)輸發(fā)展的初期，速度、軸重、密度都處于較低水平，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的要求以可靠性為主，等級(jí)劃分則以年通過總質(zhì)量為主，兼顧列車速度的要求。近年來發(fā)展的客運(yùn)專線和重載鐵路，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)提出了不同側(cè)重的要求。客運(yùn)專線以旅客運(yùn)輸為主，除要求極高的安全性和可靠性以外，對(duì)旅客的舒適度提出了很高的要求。在軌道結(jié)構(gòu)方面，則除了傳統(tǒng)軌道不允許存在的長(zhǎng)波不平順以外，還對(duì)短波不平順作出了嚴(yán)格的限制。為了達(dá)到這些要求，歐洲AGC計(jì)劃明確要求線橋設(shè)備采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括：

　　(l)采用60 kg/m鋼軌、長(zhǎng)度2.6 m軌枕、彈性扣件、硬質(zhì)道碴的軌道結(jié)構(gòu);

　　(2)利用標(biāo)準(zhǔn)列車計(jì)算橋梁荷載;

　　(3)規(guī)定統(tǒng)一的列車速度和軸重;

　　(4)全部采用立體交叉;

　　(5)采用大號(hào)碼道岔，直向過岔速度與區(qū)間正線一致，側(cè)向過岔速度與連接的聯(lián)絡(luò)線一致。

　　1.2軌道結(jié)構(gòu)類型

　　1.2.1有碴軌道和無碴軌道的應(yīng)用范圍

　　高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要類型有有碴軌道和無碴軌道。有碴軌道是鐵路的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它具有彈性良好、價(jià)格低廉、更換與維修方便、吸噪特性好等優(yōu)點(diǎn)。但隨著行車速度的提高，其缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)。首先，由于有碴軌道不均勻下沉產(chǎn)生的120Hz以下頻率范圍的激振嚴(yán)重，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短。根據(jù)德國高速鐵路的資料，當(dāng)行車速度為250～300km/h時(shí)，其線路維修費(fèi)用約為行車速度為160 ～200 km/h時(shí)的2倍;速度為250～300km/h時(shí)，通過總重達(dá)3億噸后道碴就需全部更換，而在160～200km/h時(shí)，通過總重則可達(dá)10億噸。日本對(duì)高速鐵路橋上的有碴軌道與無碴軌道維修費(fèi)用進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明，有碴軌道的線路維修費(fèi)用比無碴軌道高111%，也就是說有碴軌道的維修費(fèi)用相當(dāng)于無碴軌道的2倍多。基于這一情況，許多老師認(rèn)為，從經(jīng)濟(jì)角度和維修管理角度看，高速鐵路應(yīng)采用無碴軌道。特別是在橋隧結(jié)構(gòu)上，由于無碴軌道減少了二期恒載和建筑高度，采用無碴軌道更為有利。

　　除此以外，無碴軌道還具有使用壽命長(zhǎng)、線路狀況良好、不易脹軌跑道、高速行車時(shí)不會(huì)有石碴飛濺等優(yōu)點(diǎn)，因此無碴軌道在國外高速鐵路上獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，其鋪設(shè)范圍己從橋梁、隧道發(fā)展到上質(zhì)路基和道岔區(qū)，無破軌道結(jié)構(gòu)在高速鐵路上的大量鋪設(shè)已成為發(fā)展趨勢(shì)。

　　1.2.2世界上一些國家鋪設(shè)有碴軌道和無碴軌道的概況

　　日本除在1964年開通的東海道新干線未采用無碴軌道外，其后修建的高速鐵路采用無碴軌道的比例逐年增加：1972年開通的山陽(大阪一岡山)新干線占了4.9%;1975年開通的山陽(大阪-福岡)新干線占68.6%;1991年開通的東北(東京-盛岡)新干線占82%;1990年開通的上越(大宮一新混)新干線占90%;1997年開通的北陸(高崎一長(zhǎng)野)新干線占87.5%。德國認(rèn)為，當(dāng)運(yùn)營速度超過300km/h時(shí)，有碴軌道會(huì)出現(xiàn)道碴粉化現(xiàn)象，需要經(jīng)常維修，由于維修成本增加，其最終成本要比無碴軌道高。德國在20世紀(jì)70年代修建的高速鐵路，無碴軌道不足30%;而1998年開通的柏林-漢諾威高速鐵路，無碴軌道比例

　　達(dá)到80%以上。

　　中國中國臺(tái)灣高速鐵路無碴軌道155 km，占正線長(zhǎng)度的45%。

　　荷蘭高速鐵路土質(zhì)條件不好，軟土較多，但也積極采用無碴軌道。

　　法國是以有碴軌道為主的國家，目前也在鋪設(shè)無碴軌道。在京滬高速鐵路進(jìn)行設(shè)計(jì)咨詢時(shí)，法國咨詢老師也建議京滬高速鐵路采用無碴軌道。法國高速鐵路延用了傳統(tǒng)的有碴軌道結(jié)構(gòu)，采用雙塊式混凝土軌枕和拉布拉彈片式扣件。在1983年開通的388km長(zhǎng)、速度270 km/h的巴黎-里昂的TGV東南客運(yùn)專線上，盡管軸重較小，為160～170kN，但是平均通過總重4000萬噸(約每2年)就要進(jìn)行一次線路修理，另外還需對(duì)鋼軌定期打磨，以消除因列車高速運(yùn)行時(shí)道碴旋流造成的鋼軌踏面缺陷。值得注意的是，每一次修理都會(huì)造成道碴損壞(道床肩棱損壞、道碴破碎)，從1986年開始就在37%的線路(硬基礎(chǔ)的路段)上增加巧cm厚的道碴，以便對(duì)受到嚴(yán)重?fù)p壞的道床上層補(bǔ)充道碴，為此還必須提升接觸網(wǎng)二線路通過總重達(dá)到2.5至3.0億噸后開始對(duì)道碴道床進(jìn)行更新。與旅客列車速度為120～140km/h的客貨混運(yùn)線路相比，上述高速線路的道破使用期約為道破正常使用期的25%。

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　　法鐵總結(jié)有碴軌道道碴飛濺的原因主要有：

　　(l)冬季在車體和轉(zhuǎn)向架土有冰雪，列車進(jìn)入氣溫較高地段冰塊下落;

　　(2)線路修理作業(yè)后道床不穩(wěn)定;

　　(3)小動(dòng)物破壞護(hù)欄進(jìn)人線路，擾動(dòng)道床;

　　(4)列車高速和大風(fēng)。當(dāng)列車速度250 km/h以上時(shí)，在2.5 m距離內(nèi)飛碴已經(jīng)非常嚴(yán)重，不能靠近。

　　德國也是歐洲最早建設(shè)高速鐵路的國家之一，和法國TCV不同的是，德國高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)以無碴軌道為主。柏林-漢諾威的高速鐵路運(yùn)營速度280km/h，無碴軌道占72%;科隆-法蘭克福的高速鐵路運(yùn)營速度300km/h，無碴軌道占85%;正在修建中的紐倫堡一英戈城高速鐵路設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值330km/h，無碴軌道占84%。實(shí)踐表明，德國的無碴軌道技術(shù)是先進(jìn)的和成熟的。

　　1.2.3無碴軌道的缺點(diǎn)

　　德國在2005年出版的《軌道概論》中仍然對(duì)無碴軌道的缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，主要有：

　　1.2.3.1投資問題：無碴軌道的初期投入比有碴軌道高得多，即使施工方法得到優(yōu)化、建設(shè)數(shù)量增大，無碴軌道的成本系數(shù)仍為有碴軌道的1.5～2.0。另外，有碴軌道維修的大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)精度越來越高、作業(yè)質(zhì)量越來越好、保持軌道幾何狀態(tài)的周期延長(zhǎng)，這些都會(huì)增強(qiáng)有破軌道的競(jìng)爭(zhēng)力。而隨著運(yùn)營時(shí)間的延長(zhǎng)，無碴軌道鋼軌打磨工作量比有碴軌道大、修復(fù)工作比較復(fù)雜等都會(huì)增加投入，而這些投人在初期是無法計(jì)算的。

　　1.2.3.2混凝土無碴軌道為剛性承載層，當(dāng)達(dá)到承載強(qiáng)度極限時(shí)將產(chǎn)生斷裂，并引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預(yù)見的惡化。

　　1.2.3.3無碴軌道的建設(shè)和維修都遠(yuǎn)未達(dá)到自動(dòng)化程度，無碴軌道的質(zhì)量需要高水平的養(yǎng)護(hù)措施提供保障，這意味著在施工工序和質(zhì)量控制方面都要增加額外的費(fèi)用和時(shí)間。建立期間的質(zhì)量缺陷將為整個(gè)使用壽命期留下隱患，并需要花高昂的代價(jià)進(jìn)行彌補(bǔ)。

　　1.2.3.4無碴軌道作為剛性結(jié)構(gòu)，在后期運(yùn)營階段允許作少量補(bǔ)修，如調(diào)整軌道幾何狀態(tài)，不僅十分困難，而風(fēng)需要花費(fèi)高昂代價(jià)。

　　1.2.3.5無碴軌道不能在粘土深路塹、松軟土路堤或地震區(qū)域鋪設(shè)。

　　1.2.3.6無碴軌道噪聲水平比有碴軌道高約5 dB，必須采取有效的降噪措施。

　　1.2.3.7對(duì)脫軌或其他原因?qū)е碌膰?yán)重?fù)p壞還沒有特別有效的措施，而且一旦發(fā)生問題，修復(fù)時(shí)間很長(zhǎng)。

　　1.2.3.8無碴軌道改進(jìn)的可能性很小。

　　1.2.3.9在路基上鋪設(shè)無碴軌道時(shí)，在任何情況下都要鋪設(shè)防凍層(至少70cm厚)。要延長(zhǎng)無碴軌道的壽命周期，水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有碴軌道深。

　　1.2.3.10目前大部分的經(jīng)濟(jì)研究沒有考慮無碴軌道到了壽命周期后高昂的再建費(fèi)用。

　　1.3無縫線路

　　無縫線路是由許多根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊接成一定長(zhǎng)度的長(zhǎng)鋼軌線路。無縫線路具有行車平穩(wěn)、旅客舒適、節(jié)省接頭材料、降低維修費(fèi)用、延長(zhǎng)線路設(shè)備和機(jī)車車輛使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。各國鐵路競(jìng)相發(fā)展無縫線路，高速鐵路必須采用無縫線路。

　　從理論上講，無縫線路可以無限長(zhǎng)，但多年來由于技術(shù)上的限制，區(qū)間信號(hào)和道岔區(qū)存在鋼軌接頭，成為無縫線路的薄弱環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高和鐵路技術(shù)裝備的加強(qiáng)，無絕緣軌道電路技術(shù)和裝備的普及、鋼軌絕緣接頭的采用、高碳中錳鋼軌和高碳微釩鋼軌與道岔高錳鋼焊接技術(shù)的突破，無縫線路實(shí)現(xiàn)實(shí)際上的無限長(zhǎng)已成為現(xiàn)實(shí)。滬寧線利用線路大修在20世紀(jì)末實(shí)現(xiàn)一根全長(zhǎng)223.2km的跨幾十個(gè)區(qū)間的超長(zhǎng)無縫線路、秦沈客運(yùn)專線首創(chuàng)新線建設(shè)全線一次鋪設(shè)無縫線路、結(jié)合秦沈客運(yùn)專線的京秦改造工程實(shí)現(xiàn)全線一次鋪設(shè)無縫線路等，說明我國鋪設(shè)超長(zhǎng)無縫線路已進(jìn)入可以全面實(shí)施的階段。

　　新線鋪設(shè)無縫線路有2種基本方案。一種是短軌過渡方案，即先鋪設(shè)短軌有縫線路并經(jīng)初期運(yùn)營，待躋基、道床在列車作用下密實(shí)、穩(wěn)定之后，保持道床、軌枕不動(dòng)，將短軌更換為長(zhǎng)軌條并焊接成無縫線路。這種經(jīng)過短軌有縫階段過渡而鋪設(shè)的無縫線路，容易使鋼軌接頭部位的基床、道床受到破壞，使之在強(qiáng)度、彈性及其結(jié)構(gòu)均勻性等方面成為固有的薄弱環(huán)節(jié)。而且這些己經(jīng)形成的薄弱環(huán)節(jié)具有“記憶”特征，不可能通過維修手段徹底根除，它們將長(zhǎng)期影響線路的平順性和均勻性，不能滿足高速列車的運(yùn)營要求，同時(shí)也加大了養(yǎng)護(hù)維修工作量。另一種是一次鋪設(shè)無縫線路方案，即新鋪設(shè)長(zhǎng)鋼軌一次焊接成無縫線路，在無縫線路鋪設(shè)之后，基本上不承受施工列車、更不承受初期運(yùn)營列車的作用，從而免除了短軌過渡期形成的上述問題，保證高速線路的質(zhì)量。世界各國高速鐵路無一例外全部采用一次鋪設(shè)無縫線路方案。

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