無碴軌道結構類型及設計原則

傅 強

無碴軌道結構是傳統有碴軌道的重要改進形式和各國軌道工程的主要研究方向之一,逐漸成熟的技術有日本新干線的板式軌道,德國 Rheda型、Züblin型、B?gl型無碴軌道,英國的 LVT 型、PACT型無碴軌道,法國的Monaco型和STEDEF型無碴軌道等。為了滿足國內高速鐵路發展的需求,中國引進了德國Max B?gl,RAIL.ONE及Züblin等公司的軌道板技術,在京津城際鐵路使用了B?gl型無碴軌道,在武廣客運專線使用了 Rheda2000無碴軌道,在鄭西客運專線使用了Züblin型無碴軌道,無碴軌道技術還將在福廈、溫福、武合、石太、廣珠等客運專線上全面推廣應用。城市軌道交通方面引進了德國GERB公司的浮置板式無碴軌道技術,在北京地鐵13號線、上海地鐵6號線和明珠線,深圳地鐵1號線、西安地鐵1號線和2號線中廣泛采用。

1 無碴軌道的類型

1.1 無碴軌道的分類

無碴軌道可分為四大類[1]:直接固定式,軌枕式,軌道板式,浮置板式。直接固定式軌道是將鋼軌及扣件系統直接固定在現場澆筑的鋼筋混凝土道床上,按結構形式可分為整體式、平板式、基座式。軌枕式軌道是將支承鋼軌的軌枕或支承塊與混凝土道床澆筑在一起,按埋入的材料分為:木枕埋入式、混凝土枕埋入式、混凝土支撐塊埋入式。軌道板式軌道是將利用預制的鋼筋混凝土板直接支承鋼軌。浮置板式軌道是通過彈性體把軌道結構上部構件與基礎完全隔離,利用道床在彈性體上進行慣性運動來隔離和衰減振動,按彈性體的材料可分為鋼彈簧浮置板和橡膠彈簧浮置板,按道床的制作方法可分為現澆浮置板和預制浮置板。

1.2 無碴軌道的典型型號

1)日本板式軌道。板式軌道(Slab Track)于1955年在日本首次提出,1971年開始被日本國有鐵路(JNR)廣泛應用在橋梁、隧道和高速鐵路中,累計鋪設里程已超過2 400 km[2]。板式軌道采用預制的鋼筋混凝土板安裝在橋面板、隧道底板或仰拱上的底座,在軌道板與底座間灌注水泥瀝青砂漿(CA砂漿),在軌道板上直接鋪設鋼軌。板式軌道結構高度低,道床寬度小,重量輕,總造價不超過傳統有碴軌道的30%,施工方便。目前常用的有普通A型軌道板(見圖1)、框架型軌道板、用于特殊減振區段上的防振G型軌道板及早期用于路基上的RA型軌道板等。國內武廣客運專線新廣州站采用日本板式軌道的技術。

2)B?gl型無碴軌道。B?gl型無碴軌道是德國Max B?gl公司在1996年開發的預制軌道板結構[3],是德國批準的B?gl,Rheda,Züblin,ATD,Getrac和 Berlin六種無碴軌道結構形式之一。B?gl式無碴軌道由預制軌道板、水泥瀝青砂漿層、水硬性支承層、鋼軌及扣件系統組成,可用于有隔振要求的地段。當線路附近有降噪要求時,可在博格軌道板上鋪設預制的吸聲材料。

3)Rheda型無碴軌道。德國 RAIL.ONE公司開發的 Rheda型無碴軌道于1972年鋪設于德國比勒菲爾德—哈姆的一段線路上,以Rheda車站而命名[4]。Rheda型系列無碴軌道有 Rheda經典型,Rheda-Berlin HST V1型,Rheda-Berlin HST V2型,Rheda-Berlin HST V3型和Rheda2000型。Rheda經典型從采用整體式軌枕的傳統帶槽軌道發展為Rheda2000無槽型無碴軌道,克服了縱向裂縫的發生。Rheda2000是帶混凝土支承層的無碴軌道系統,由兩根桁架形配筋組成的特殊雙塊式軌枕組成,采用混凝土現澆形成整體式結構(見圖2)。為了滿足不同的功能需求,RAIL.ONE公司為地鐵開發了Rheda MRT,為城市綠色交通開發了Rheda City Green和ATD-G等型號的軌道。

4)Züblin型無碴軌道。Züblin型無碴軌道系統是 1974年開發,在科隆—法蘭克福高速鐵路上首次鋪設。Züblin無碴軌道系統與Rheda無碴軌道系統相似,都是在水硬性混凝土承載層上鋪設雙塊埋入式無碴軌道,由鋼軌扣件系統、軌枕、混凝土承載板、水硬性承載層以及防凍層組成。雙塊式軌枕通過桁架鋼筋以及兩側的附加鋼筋與混凝土承載板澆筑成整體。

5)LVT型無碴軌道。LVT型(Low Vibration Track)無碴軌道是 Roger Sonneville提出,在1966年首次用于瑞士聯邦鐵路(SBB)的波茨博格隧道項目,并在瑞典的馬爾默城市隧道,哥本哈根地鐵,英吉利海峽隧道,英國東倫敦線,西班牙巴倫西亞地鐵項目中得到廣泛的采用。LVT由橡膠靴套包裹的鋼筋混凝土支承塊以及塊下大橡膠墊板組成,支承塊和鐵墊板通過預埋的絕緣套管采用螺栓連接,采用現澆混凝土將彈性支承塊嵌固在其中形成道床(見圖3)。由于采用了軌下和塊下雙層彈性墊板,使軌道結構具有良好的減振降噪性能。在國內,廣州地鐵1號線和北京地鐵1號線中采用了LVT軌道結構。

6)GERB浮置板軌道。GERB浮置板軌道將混凝土道床板浮置在鋼彈簧隔振器上,構成質量—彈簧—隔振系統。隔振器內放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼(見圖4),布置方式有內置式、側置式和用于橋梁建筑的支座式3種。鋼彈簧隔振器內有粘滯阻尼,使鋼彈簧具有三維彈性,且橫向剛度可以獨立設計,具有很好的橫向穩定性。浮置板對其固有頻率 2倍以上的中、高頻率振動減振效果顯著[5],尤其在有特殊減振要求的住宅、音樂廳、醫院、學校、精密儀器工廠等地段得到廣泛應用。

2 無碴軌道的設計原則

1)應具備足夠的強度和穩定性,滿足350 km/h運行的高速列車行駛安全,滿足GB 5599-85鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范的相關要求;2)軌道結構的剛度和阻尼設計滿足列車在靜力荷載和動力荷載下的變形限值和振動幅值,振動頻率避開車輛及軌道的固有頻率,防止發生共振和臨界速度下的軌道及地基的幾何變形和失穩,滿足GB 10070-88城市區域環境噪聲標準、GB 12525-90鐵路邊界噪聲限值及其測量方法、GB 50157-2003地鐵設計規范等相應規范中的噪聲和振動的規定限值;3)無碴軌道和有碴軌道的過渡段、特殊減振和普通區域的過渡段需進行合理的計算分析,嚴格遵循剛度漸變的設計原則,避免列車行駛經兩種軌道連接處鋼軌撓度和動彎應力急劇變化,保證行車穩定性和鋼軌強度安全;4)軌道結構能夠調整,對軌道下部結構發生變形引起的軌道不平順能及時處理;5)軌道結構的材料滿足設計要求,在使用年限內不發生老化疲勞,能方便檢測更換;6)軌道系統維修量小,檢測維修速度快,保證正常的檢修不影響線路運營;7)經濟合理,易于施工。

3 結語

無碴軌道有4種主要類型,發展成熟的型號較多,在實際工程中應根據具體的工程條件和技術要求選擇合適的類型和型號。嚴格按照設計原則和規范標準進行設計和施工,充分發揮無碴軌道的優點,滿足列車行駛安全、乘客舒適程度、維修作業和經濟成本合理性的要求。

[1] 陳怡如.無道碴軌道工程簡介[D].臺北:臺灣大學,2006.

[2] D.N Bilow,G M.Randich slab track for the next 100 years[C].Proceedings of American Public Transportation Association 2000 Rail Transit Conference,2000.

[3] S.B?gl.System development FFB TS-slab track for switches B?gl[J].ZEV Rail Glasers Annalen,2009,133(8):302-306.

[4] C.Esveld.Recent developments in slab track[J].European Railway Review,2003(9):81-85.

[5] 袁 俊,吳敏哲,孟昭博,等.基于雙層 Euler-Bernoulli梁理論的浮置板軌道隔振研究[J].西安建筑科技大學學報(自然科學版),2009,41(5):683-688.