國內外高速鐵路橋上有砟軌道軌枕結構研究現狀分析

蔡小培,曲 村,高 亮

(北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044)

1 研究背景

國內外高速鐵路軌道結構主要采用2種形式：有砟軌道與無砟軌道。從實踐經驗看,2種軌道結構都能運行時速300 km的高速列車。對于高速鐵路無砟軌道結構,我國已進行了長期系統的研究,初步形成了較為完善的技術體系；而對于高速鐵路有砟軌道結構,路基及隧道中的研究較多,橋梁上的研究相對較少。因此,需要根據我國現階段的具體國情和鐵路的技術水平,結合我國高速鐵路建設,對橋上有砟軌道結構的適用性及合理性進行深入研究。

本文主要結合軌枕應用情況、技術特性、經濟性、養護維修等多方面指標對Ⅲ型軌枕、彈性軌枕、寬軌枕、梯子式軌枕、框架式軌枕、德國B系列軌枕及法國雙塊式軌枕等7種主要軌枕形式的國內外研究和應用現狀進行介紹,并對各種軌枕形式的優缺點進行深入的分析和比較。

2 各種軌枕結構的特點綜述

2.1 Ⅲ型軌枕

Ⅲ型軌枕從1988年開始由鐵道部專業設計院、鐵道部科學研究院等單位研制,分有擋肩和無擋肩2種[1,2],Ⅲa型為有擋肩,配套使用Ⅱ型扣件；Ⅲb型為無擋肩,配套使用Ⅲ型扣件[3]。軌枕長度原設計為2.6 m,為適應不同鐵路的需要,現有2.5 m和2.6 m 2種長度,結構強度相同[1]。Ⅲ型軌枕如圖1所示[1,4]。

圖1 Ⅲ型混凝土軌枕(單位：mm)

Ⅲ型軌枕在線路中應用非常廣泛,《鐵路200 km/h既有線技術管理暫行辦法》明確規定200 km/h既有線提速應采用Ⅲ型軌枕,宜按1 667 根/km配置。鄭州鐵路局在2006年鐵路第六次提速施工中,用42 d就更換了隴海線(鄭州—張閣莊段)25.9萬根Ⅲ型軌枕,平均每天6 000多根,最多一天達到9 200多根[5]。

Ⅲ型軌枕制造方便,便于運輸,生產成本較低。鋪設、養護、維修方便,適合于大型機械施工。在普通線路和提速線路上使用時,病害較少,養護維修成本較低；在高速鐵路橋上鋪設時,軌道所受的動力響應較大,養護維修工作量還難以把握,需要根據動力學計算結果加以推測。

Ⅲ型軌枕有利于軌道受力狀態的改善、道床殘余變形的減緩,線路平順度得到大大增強。Ⅲ型軌枕有利于保持軌道的幾何尺寸,減少軌枕鋪設數量,改善軌枕結構,延長線路養護周期,節省維修工作量[1,6],降低成本。線路設備質量提高,運輸生產安全性增大。但我國的Ⅲ型軌枕最早是按重載軌道條件設計的,在時速300 km及以上的線路上進行的試驗、試鋪及應用經驗還不是很豐富,需要通過理論結合試驗的方式進行更深入的研究。

2.2 彈性軌枕

在高架橋等剛性混凝土基礎上鋪設的有砟軌道,以降低其軌道剛度、提高軌道彈性、緩和列車沖擊作用、減輕道床振動、減少道砟粉化、減輕養護工作量和降低軌道振動、噪聲為主要目的,彈性軌枕的研發與應用已成為當今高速鐵路有砟軌道的一個重大技術動向[7]。

為達到上述目的,一般考慮在軌枕底面設置彈性墊層,即在混凝土軌枕底面粘貼橡膠墊層[7],如我國鐵路既有線鋪設的混凝土軌枕枕下彈性墊板,如圖2所示[7]。日本新干線研發并鋪設了除在軌枕底面外還在軌枕側面也覆置彈性橡膠層的彈性軌枕,以降低高速有砟軌道的養護維修工作量并防止軌道和結構物的振動噪聲,如圖3所示[7]。在我國膠濟線上使用的TDZⅢ型復合彈性軌枕如圖4所示[8]。

圖2 我國鐵路既有線彈性軌枕(單位：mm)

圖3 日本新干線彈性軌枕

圖4 TDZⅢ型復合彈性軌枕

國內外都對彈性軌枕進行了理論研究與實踐試鋪,總體認為彈性軌枕明顯降低了軌道剛度,提高了軌道彈性[9],保證行車的平穩性、安全性,有利于強化有砟軌道,改善軌道的振動沖擊作用,具有良好的減振、隔振效果,同時降低輪軌系統的振動噪聲；有利于減緩道床殘余變形積累速率,降低道床的振動加速度和振動能量,減少由鋼軌傳遞來的道床壓應力和路基壓應力,減少線路養護維修工作量及其費用,延長線路綜合維修周期。

彈性軌枕也存在造價較高[10,11]的不利因素。由于防振橡膠層的影響,道床橫向阻力一般比普通軌枕偏小[7],可能導致軌道穩定性減弱,列車運行平穩性、舒適性等受到影響。因此需要結合我國高速鐵路橋梁結構特征,對其進行進一步的理論與試驗研究。

2.3 寬軌枕

混凝土寬軌枕是一塊預制的混凝土板,與混凝土軌枕外形相似,又稱軌枕板[1]。其制造工藝與混凝土軌枕基本相同。寬軌枕長度與普通混凝土軌枕長度相同,均為2.5 m,而寬度約為后者的2倍[1]。寬軌枕由于寬度較大,直接鋪設在預先壓實的道床面上,在制造中對其厚度的控制要求較嚴格[1]。

混凝土寬軌枕在道床上是密排鋪設,每塊枕上安裝1對扣件,由鋼軌傳來的力處于寬軌枕軸線的對稱位置,可避免荷載的偏心?；炷翆捾壵碥壍廊鐖D5、圖6所示[1,12,13]。

圖5 混凝土寬軌枕示意

圖6 混凝土寬軌枕軌道

到目前為止,在德國鐵路網的2條試驗線路上鋪設了寬軌枕軌道,約12 km長,并對此2條線路都進行了大量的測試。測試項目包括：動力測試、軌枕支撐的不對稱性檢測以及噪聲測試。同時還將測量結果與相鄰的參考軌道獲取的測試結果相比較[14]。當列車運量達到2 000萬t時,測量出寬軌枕道床的沉降值只相當于普通軌枕軌道的一半,此后軌道保持穩定,列車最后的1億t運量沒有引起軌道的任何變化。直到現在,沒有對軌道進行過任何養護工作,而且運行噪聲一直在減小[14]。

寬軌枕的應用有一定的前提：首先要求基床堅固穩定,因此最宜用于隧道。如用到既有干線及大型客站,則路基必須穩定,排水良好。對路基不穩定地段,必須進行加固。道床必須優選材質并進行壓實,然后鋪設寬軌枕軌道。

混凝土寬軌枕軌道可適用于運輸繁忙、行車密度大的線路,與道砟具有較大的接觸面積,能很好地保持線路的幾何形位。軌道的養護維修工作量很少[15],從而減輕和改善了養護工作條件,減少作業次數,節省養護費用。其混凝土用量較傳統有砟軌道軌枕多,產品造價可能較高。寬軌枕與道砟的接觸面大,但軌枕之間的間隙小,難以采用大型養路機械對道砟進行維修作業。其能否用于我國高速鐵路橋上有砟軌道上,需要進行理論分析研究。同時還要考慮寬軌枕的質量大,增加了橋梁的二期恒載的影響,以及其對施工養護的較高要求。

2.4 梯子式軌枕

日本最早研制了梯子式軌枕結構,改變了傳統的橫向軌枕間隔放置來支承鋼軌的方式,改用混凝土縱梁連續支撐和固定鋼軌[10],左右縱梁之間用鋼管材料進行橫向剛性連接,組成“梯子式”一體化結構[16],如圖7所示[10,17]。

圖7 梯子式軌枕的外觀

這種線路結構系統有可能使高架橋、普通線路產生革命性的變化[16]。通過減振裝置將梯子式軌枕支持在路基上,可使噪聲得到有效控制。采用極限狀態設計法,使得結構功能大大優化,結構質量減輕,有可能設計輕型、美觀的高架線路。

梯子式軌枕從橫向軌枕及軌道板的理論出發,包含了兩者的優點[16]。既能保證維修工作量比傳統有砟軌道的少,養護成本低,又比板式軌道、整體道床等少維修軌道結構質量輕[16]。結合減振降噪設備,梯子式軌枕更能適應城市軌道交通的要求[16]。

為了評估梯子式軌枕結構的耐久性和對梯子式軌枕維護減少的影響,日本方面在美國的科羅拉多州的普韋布羅試驗線(TTCI)進行了加速耐力的測試[18],使用重載貨運列車,靜輪載是175 kN,列車時速64 km,如圖8所示[13]。

圖8 梯子式軌枕在TTCI試驗

TTCI運行試驗的軌道沉降試驗結果是[18,19]：總共通過的噸數達到了1.5億t,梯子式軌枕沒有一個單一的裂紋或任何其他損害,并且所有鋼管連接器仍然完好,只是在初期發生了3 mm的沉降；而采用橫向軌枕的軌道通過1.5億t時已進行多次維護[19]。

根據國外資料顯示,梯子式軌枕在提高線路穩定性、剛度均勻性和耐久性、減輕橋上二期恒載、保持線路幾何形位等方面有顯著的效果,在國外普通鐵路和我國城市軌道交通上已有應用,但缺少高速鐵路有砟軌道的實踐應用經驗。

梯子式軌枕能有效減小高架區間、隧道區間、路基狀況不良區間的維護工作量,延長線路的維護周期,降低養護維修成本。但由于單組梯子式軌枕鋼筋用量較多、結構質量較大,需要特殊設備和技術進行制造、運輸、吊裝和鋪設,且損壞時需要更換整組軌枕。此外,還需要研究針對梯子式軌枕結構的大型養護維修設備及施工工藝。

2.5 框架式軌枕

框架式軌枕是不同于傳統橫向軌枕的一種新型結構,這種結構加大了軌下部件與道砟層的承壓面積,降低了道床所承受的壓力,起到了減緩道床變形的作用,從而減少了軌道的養護維修工作量。

奧地利研發了如圖9所示的框架式軌枕[12],每根軌枕設置4套扣件,這使得軌道在水平面內具有很大的剛度,保證了直線線形的穩定性。在框架式軌枕底部,將彈性襯墊與混凝土結構聯合使用,以改善道砟與混凝土的接觸面[20]。

圖9 框架式軌枕

從維也納到布達佩斯鐵路線上的第一條框架式軌枕試驗路段僅長130 m,無法進行更深入的研究[20]。盡管如此,它還是證實在同樣的運量下,與相鄰的標準軌道相比,框架式軌枕的下沉和不平順度要低得多[20]。傳統軌道出現的下沉尤其深,只運行1年以后,就必須在橫向軌枕軌道的整個長度上進行搗實。然而,試驗證明框架式軌枕軌道的形狀仍保持良好,據國外資料報道運行近3年后,還是處于良好狀態[20]。

由于框架式軌枕結構本身特性,混凝土和鋼筋的用量均較大,生產成本較高。此外,扣件系統布置比普通軌枕更加密集,進一步增加了成本。我國還沒有專門用于框架式軌枕的大型養路機械,如鋪設此種軌枕,需要進行專門研發或從國外直接進口鋪架、養護機械,因此軌道施工、養護、維修成本較高。框架式軌枕軌道的成本比傳統軌道要高一些,但在節省維護的成本和減少道砟消耗方面還是有利的[21]。

框架式軌枕的優點主要表現在減少了在軌枕下的壓力而且基本上避免了應力的變化,巨大的水平抗力和框架剛度提供了持久不變的直線線形,沉降及沉降差的減少可使線路更加持久地保持軌道幾何形位,從而也保證了下部構造更長的使用壽命[12]。

框架式軌枕至今還沒有在高速鐵路橋上有砟軌道結構上使用的先例[20]。此外,框架式軌枕混凝土結構特殊,混凝土用量大,需要特殊設備進行制造、運輸、吊裝、鋪設和維護[20],制造成本和施工難度較高?？蚣苁杰壵頇M向、縱向均有連接,扣件數量多且布置與傳統軌道不同,軌道受力特性較為復雜。因此,需結合我國具體國情,對框架式軌枕進行適應性分析,還要考慮框架式軌枕的重力對橋梁二期恒載的影響以及其經濟性問題。

2.6 德國B系列軌枕

德國于1987年至1991年開通的運行速度為250 km/h至270 km/h的曼海姆—斯圖加特和漢諾威—維爾茨堡新線,鋪設了30 cm厚道床的UIC60 B70W 型標準軌道[22]。結果,在橋梁上,通過運量總重不到2億t時道砟就受到嚴重損壞,不得不對大部分橋梁上的道砟進行更換[22]。之后,德國采取的措施之一是通過擴大枕底支承面積、增大軌枕質量來降低道床頂面壓力,減少道砟的粉化。

德國1970年開發了B70型主導型混凝土軌枕[23],隨之又開發了B90型和B75型軌枕,如圖10所示[24]。軌枕的寬度由B70的300 mm發展到B75的330 mm,長度由2.6 m發展到2.8 m,軌枕的有效支承面積由5 930 cm2發展到7 560 cm2[25]。在漢諾威—柏林新建高速鐵路中B75軌枕的軌枕間距加大到630 mm,軌道彈性得到了改善。按照德國試驗結果[13,26],當道床壓應力減小約10%時,線路狀態惡化速率就降低1.21～1.46倍。

圖10 德國B系列軌枕(單位：mm)

從德國高速鐵路軌枕結構的發展看,軌枕底面積及長度不斷增加,以減小枕下道床的壓力,減緩道砟的粉化。因此,從軌枕截面形式上考慮,對軌枕尺寸進行優化,有利于減小道床頂部的壓應力。

德國的B系列軌枕基本形式與我國Ⅲ型軌枕相似,施工、養護、維修方便,綜合成本較低,但都有一定的適用條件。B70軌枕與我國Ⅲ型軌枕相比,其接觸面積、線路的縱橫向阻力等較小。B75軌枕,其長度較長,受橋梁的限界制約。由于我國高速鐵路建設的特殊性,B系列軌枕無法直接應用于我國高速鐵路橋上有砟軌道結構中。但是,德國的B系列軌枕的發展趨勢為我國高速鐵路橋上有砟軌道軌枕結構的研究與設計提供了有益的借鑒。

2.7 法國雙塊式軌枕

早在60年代初,法國、荷蘭、瑞士、捷克等國家就開始研究應用雙塊式軌枕[27]。當時各國學者立意之主導思想是結構新穎和節省生產投入。如法國早期的“Vogneus”型雙塊式軌枕采用中間連接鐵為角鋼,瑞士和匈牙利的中間連接鐵則采用圓管或圓管內灌注水泥砂漿,捷克除采用中間連接鐵為2個槽鋼的方案外還試制了雙鉸式即中間連接為鋼筋混凝土塊,然后沿軌枕全長貫穿以預應力鋼筋進行張拉錨固[27]。荷蘭在20世紀60年代初試驗研究了Zlg-Zag型軌枕(即中文譯成“之”字形軌枕),它是在梅花式的塊體支承之間采用中間連接鐵的方案[27]。

法國現有的雙塊式軌枕由2個鋼筋混凝土塊體用1根鋼桿連接而成[1]。這種軌枕整體性不如整體式混凝土軌枕[1]。但由于它用混凝土和鋼材組合而成,能充分發揮各自的力學性能優勢[1]。圖11為法國鐵路上采用的雙塊式混凝土軌枕[1,10]。

法國在高速鐵路軌枕方面主要是加大軌枕的支承面積,減少道砟壓應力。用于高速鐵路的U41型雙塊式軌枕比一般線路的軌枕底面積增加了928 cm2。

雙塊式軌枕可以應用大型養路機械進行快速施工,養護、維修成本較低。但法國高速鐵路應用雙塊式軌枕運營以來取得的成功,主要取決于較高的養護維修標準和維修措施。此外,法鐵近年來發現雙塊式軌枕保持軌距的能力相對整體式軌枕差,雙塊式軌枕中部柔性連接的強度以及抑制軌道橫向變形的能力也都受到質疑,法國開始逐漸推廣整體式軌枕。

瑞典鐵路原來大量采用雙塊式SJ—101型混凝土軌枕及相應的長弓型扣件,但開行X2000型高速擺式列車后,這種軌枕下的道床變形、穩定狀態不是很好,現在已決定淘汰SJ—101型軌枕,代之以新型的單塊式混凝土軌枕[10]。

圖11 法國雙塊式軌枕(單位：mm)

3 軌枕結構對比分析

本文對國內外的Ⅲ型軌枕、彈性軌枕、寬軌枕、梯子式軌枕、框架式軌枕、德國B系列軌枕及法國雙塊式軌枕等7種軌枕形式進行了介紹和分析。由研究現狀分析可知,國內外對于高速鐵路有砟軌道軌枕結構的發展趨勢主要是：通過增大軌枕長度(如德國B系列軌枕)或寬度(如寬軌枕)來提高軌枕與道砟層的承壓面積(如框架式軌枕),以降低道床所承受的壓力,起到減緩道床變形的作用,從而減少了軌道的養護維修工作量；或者通過在軌枕與道床之間增加彈性墊層(如彈性軌枕),減少由鋼軌傳遞來的道床壓應力和路基壓應力,減少線路養護維修工作量,延長線路綜合維修周期。

各種類型軌枕相對于Ⅲ型軌枕的各項指標比較見表1。

表1 各種類型軌枕相對于Ⅲ型軌枕的各項指標比較

由表1對比可知：Ⅲ型軌枕、彈性軌枕、梯子式軌枕、德國B系列軌枕和法國雙塊式軌枕的實際應用相對較為成熟；彈性軌枕能夠很好的改善軌道剛度和車、軌、橋之間的動力特性,而寬軌枕、梯子式軌枕和框架式軌枕的改善能力則稍好；寬軌枕能夠很均勻的將上部荷載傳遞到下部道床結構,彈性軌枕、梯子式軌枕和框架式軌枕荷載傳遞的也較為均勻；當橋上鋪設寬軌枕和框架式軌枕時,橋梁上的二期恒載較大,而鋪設梯子式軌枕和雙塊式軌枕時二期恒載相對較??；彈性軌枕、寬軌枕和框架式軌枕的生產制造成本都相對較高；寬軌枕和框架式軌枕的養護、維修成本也比較高,而彈性軌枕的養護、維修成本則相對較低；寬軌枕、框架式軌枕和梯子式軌枕的機械化施工及維修的難度較高；彈性軌枕的減振、吸聲和降噪的性能很好,而寬軌枕和梯子式軌枕也相對較好。

具體采用何種軌枕形式應用于我國的高速鐵路橋上有砟軌道,還應進一步結合靜、動力學仿真分析和現場試驗綜合考慮。

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