高速铁路上无砟轨道技术.doc
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1、高速铁路无砟轨道技术 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所 2010.07 z z z z z z 国内外高速铁路无砟轨道概况 无砟轨道技术特点与分类 CRTS型板式无砟轨道技术 CRTS型板式无砟轨道技术 双块式无砟轨道技术 岔区板式无砟轨道 2/175 一. 国内外高速铁路无砟轨道概况 国内外高速铁路无砟轨道概况 无砟轨道技术特点与分类 CRTS型板式轨道技术 CRTS型板式轨道技术 双块式无砟轨道技术 岔区板式无砟轨道 结束语 3/175 高速铁路轨道结构从总体上分为两大类: 有砟轨道、无砟轨道 有砟轨道 国内外运营实践表明:两类轨道结构均可保证 高速列车的安全运营,但两类轨道结构在技术经济
2、 性方面存在明显差异。 4/175 随着列车速度的不断提高,有砟轨道结构面临严峻的挑战,道 砟粉化及道床累积变形的速率随之加快,必须通过一系列轨道结 构强化措施(诸如:采用特级道砟,优化道床尺寸,铺设砟下胶 垫、枕下胶垫等),来满足高速铁路对线路的高平顺性、稳定性 、减少频繁线路维修工作的要求。 5/175 自上世纪60年代开始,世界上很多国家在强化有砟轨道的同时 ,相继研发以高平顺性和少维修为主要目标的多种型式无砟轨 道结构。 随着技术经济性的不断提高,无砟轨道目前已成为世界高速铁 路轨道结构的发展方向,其推广应用范围愈来愈广,日本、德国、 韩国、我国台湾地区等后期修建的高速铁路,无砟轨道所
3、占比例均 在90%以上。 6/175 无砟轨道的主要优点 ( 1)线路静态、动态平顺性高 ( 2)线路维修工作量大幅减少 ( 3)耐久性好,服务期长 ( 4)提供较大的纵、横向阻力,线路稳定性高。 ( 5)避免了特级道砟资源的使用以及高速条件下的道砟飞溅 ( 6)自重轻,减小桥梁的二期恒载 ( 7)结构高度低,改善高速铁路隧道的通风条件 7/175 无砟轨道的不足 ( 1)轨道结构本身的初期工程投资要大于有砟轨道。 ( 2)无砟轨道高低调整能力有限(主要通过扣件系统),特殊情 况下,轨道结构破损后的修复和整治困难。 ( 3)无砟轨道的道床面相对平滑,轮轨噪声相对较大。 8/175 1.1 国外
4、高速铁路无砟轨道 1.1.1 日本新干线板式无砟轨道 1.1.2 德国高速铁路无砟轨道 1.1.3 其他国家和地区 9/175 1.1.1 日本新干线板式无砟轨道 日本新干线大量采用无砟轨道结构。 其累计铺设里程达2700多km(其中新干线约1600多km)。 无砟轨道由日本铁路综合技术研究所集中研发。 从60年代开始理论和试验研究,为新干线不同线下基础上的 无砟轨道提供了统一的、标准的结构设计。 无砟轨道的应用从隧道、桥梁地段 路基地段。 10/175 日本新干线无砟轨道所占比例 0% 20% 40% 60% 80% 100% 东海道新干线 山阳新干线 (新大阪冈山) 山阳新干线 (冈山博多
5、) 东北新干线 上越新干线 北陆新干线 100 95 5 31 69 10 5 15 82 91 85 8 4 有碴轨道 无碴轨道 直结轨道 11/175 ( 1)日本新干线无砟轨道结构型式 ) 针对其自然环境、地震频发,人工成本高的国情、桥隧结构多的路情, 日本新干线确定采用施工费用低、施工速度快、可修复性强的单元板式 无砟轨道结构。 ) 在维持结构型式不变的前提下,不断优化设计、制造和施工技术,提高 其技术经济性。 结构组成 钢轨(JIS60) 扣件(直结4、5、7、8型) 预制混凝土轨道板 水泥乳化沥青 (CA)砂浆调整层 混凝土底座(设凸形挡台) 12/175 ( 2)日本板式轨道各组
6、成部分的技术发展 预制混凝土轨道板 普通钢筋混凝土(RC)平板 双向预应力混凝土(PRC)平板 普通钢筋混凝土(RC)框架板 13/175 扣件系统 ) 直结2型、直结4型不分开式(主要应用于隧道区间) ) 直结5型、直结6型、直结7型直结8型分开式 ) 共同的技术特点: 弹片式扣压件 钢轨高低、左右位置无级调整 直结8型 直结4型 14/175 水泥乳化沥青(CA)砂浆 ) CA砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料和其它添加剂等多种材料组成, 主要起施工调整、缓和冲击等功能。 ) CA砂浆由专业化公司(东亚道路公司和日产化学公司)研发、生产 和施工。 ) 经几十年的研究和试铺,先后开发出不同使用条件
7、的CA砂浆配方, 如:适应温暖地区用的No.8配方、寒冷地区用的No.33配方、海岸线 和修补用的配方等。 15/175 凸形挡台周围填充材料 ) 凸形挡台周围的填充材料最初采用CA砂浆,伤损较为严重,伤损 率平均达到7.6。 ) 从1980年开始,研发强度高、弹性和耐久性好的树脂材料进行替 代。 ) 在满足性能要求的前提下,研发出价格低、性能好的新型聚氨酯 系树脂材料,并自北陆新干线开始推广应用。 充填式垫板 ) 为保证钢轨支点刚度的均匀性,配套研发了树脂充填式无级 调高垫板。 ) 早期采用PV101型树脂充填垫板,几十年来对充填式垫板的 树脂材料性能进行了不断改进,从PV201型、PV30
8、1型发展 到目前的PV401型。 17/175 1.1.2 德国高速铁路无砟轨道 德国目前铺设无砟轨道延长里程约800km。 无砟轨道基于统一的基本技术要求,由立足于企业开发研发,结构型 式繁多。 目前通过德铁认证许可的无砟轨道结构型式有6种,即:Rheda、 Zblin、Bgl、Rheda Berlin、ATD、Getrac 无砟轨道的研究与应用从隧道、路基地段 桥梁地段。 任何无砟轨道新结构在纳入德铁路网之前,必须获得德铁技术委员会 (EBA)的批准。 EBA认证试验室综合评价有限长度的试铺5年的运营考验。 18/175 19/175 线路 设计速度 线路长度 无砟轨道 (km/h) (k
9、m) (km) 280 330 330 264 177 89 约 90 150 75 开通时间 柏林汉诺威 科隆法兰克福 纽伦堡英戈城 1998.9 2002.8 2006 柏林汉诺威:Rheda Classic、 Zublin 、 FFC、ATD、BTD型 科隆法兰克福:Rheda Classic、Zublin、Rheda Berlin型 纽伦堡英戈斯塔特:Rheda2000、Bgl型 20/175 ( 1)德铁无砟轨道设计的基本要求 ) 无砟轨道主要技术要求(AKFF v4) 轨道刚度:645(kN/mm)。即在20t轴重作用下钢轨产生约 1.5mm的位移。据此要求扣件垫板刚度:22.52
10、.5(kN/mm)。 支点间距:650mm。 轨距:14362mm 线路纵向阻力:14kN/m 线路横向阻力:25kN/m 轨底坡:1:40 21/175 ) 德铁无砟轨道扣件系统(Vossloh 300型)主要技术要求 y 高低调整量:4 / +26mm,特殊情况下56/4mm。 y 轨距调整量:16mm。 y 单个弹条扣压力:9kN y 胶垫静刚度:22.52.5 kN/mm。 22/175 ) 德铁无砟轨道对下部基础的主要技术要求 对于不同的无砟轨道结构,其下部基础的要求都是 统一的。相应的规范: 桥梁:DS804 路基:DS836 隧道:DS853 23/175 路基工后沉降要求 y
11、长期运营中,必须小于等于扣件的调高量减去5mm;(15mm) y 如在大于20m范围沉降较均匀,则为第项的2倍; (30mm) y 路基工后沉降能按竖曲线R0.4v 2进行圆顺; y 以下情况不应铺设无砟轨道: 预测工后沉降大于扣件调高量减去余量的4倍(60mm) 预测工后沉降无法进行圆顺或难以预测的区段 地下水位高出钢轨顶面以下1.5m的区段 24/175 路基基床结构及质量要求 y 基床结构采用自上至下刚度逐步递减的多层支承系统,包括: 钢筋混凝土/沥青混凝土承载层; 水硬性支承层(HGT); 防冻层(FSS)等 y 各层的变形模量(E v2)和压实系数(D pr)均有明确的规定。 25/
12、175 桥上无砟轨道的基本要求 y 无砟轨道设置在桥梁钢筋混凝土保护层上,保护层作为传力机构传 递无碴轨道的水平力。出于构造与静力要求,最小厚度110mm。 y 在保护层或道床板上形成能相互嵌入榫接的凸起块以传递纵、横向 力。 y 道床板与保护层板间设隔离层(土工布),实现道床板可修复。 26/175 y 当钢轨附加应力超出允许值(92MPa)时,要设置钢轨伸缩 调节器。 y 梁端伸缩缝两侧钢轨支点的竖向、横向错位不应超过1mm。 y 对梁端转角引起的轨道稳定性、扣件抗拔力等进行检算。 压力 拉力 dv 27/175 ( 2)Rheda(雷达)型无砟轨道 ) 现浇混凝土道床板的Rheda型是德
13、铁无砟轨道主要结构型式,其 占德铁无砟轨道一半以上。 ) 其成套技术较为成熟,在桥上、路基、隧道、道岔、伸缩调节 器区段均有工程实践。 路基 桥上 道岔 28/175 ) 德国弗莱德尔(Pfleiderer)公司1999年开发Rheda2000系统; 2002年在纽伦堡英戈斯塔特高速线上使用了该系统。 用钢筋桁架组成的双块式轨枕取代了整体轨枕,减少了新、老混凝土 的结合面,提高了结构的整体性 轨道结构高度降低(650 473mm), 降低工程造价。 29/175 y 路基上、隧道内、短桥上采用连续道床板结构 y 路基桩板结构、长桥上采用分块道床板结构 30/175 ) 路基和隧道内Rheda型
14、无砟轨道技术特点 z 基于德国道路混凝土路面的设计理论和实践经验,道床板及下部支承 层采用连续结构,并保证层间粘结。 z 道床板截面配筋率0.80.9,单层钢筋,布置于道床板截面中间位 置,以期达到道床板混凝土的裂缝宽度限值0.5mm、裂缝间距22.5m 的设计目标 。 31/175 ) 长桥上Rheda型无砟轨道技术特点 z 长桥上(桥长大于30m)道床板分块设置,长度一般在4.07.0m之间, 道床板之间设最小宽度为100mm的横向断缝,可作横向排水通道。 z 桥上设凸台、或设底座(凹槽),提供道床板纵、横向限位。 z 为适应桥梁轨道间的相互作用(缓和冲击,协调变形),在凸台或底 座凹槽四
15、个侧面设置弹性垫层。 32/175 ) 路基桩板结构上的Rheda2000型无砟轨道 z 与长桥上结构类似,采用锚固销钉限位。 33/175 ( 3)Zblin(旭普林)型无砟轨道 ) Zblin型无砟轨道系统在路基、桥梁和隧道内的结构设计与Rheda 型无本质区别。 ) 其系统研发的出发点是:改变传统的施工方法,提高现浇混凝土结 构的施工效率。 34/175 ) 与Rheda型无砟轨道的主要不同点 z 为适应其施工方法,双块式轨枕外形和配筋不同 z 桥上道床板限位采用底座设凹槽限位方式 z 为适应其振动压入式施工方法,混凝土配合比要求:水灰比较大。 35/175 z 采用专用施工成套设备,用
16、固定架替代钢轨支撑架,将轨排振动 压入预先浇筑的道床混凝土中,其施工机械化程度高。 z 施工不需组装轨排,受环境影响小。 固定架 横梁 支脚 ( 4)Bgl(博格)型板式无砟轨道 ) 由德国MAX Bogl公司上世纪70年代末研发;并分别于1978年、 1999年建立了3个试验段,长度约215m、430m、656m 。 ) 通过试验段的测试和观测,德铁2002年批准在纽伦堡英戈斯塔特 的高速线上正式使用,铺设了双线35km。 37/175 ) 博格板式轨道的研发由来 基于德铁路基和桥上无砟轨道的基本设计要求。 研发了纵向连续的预制板式轨道结构,路基和隧道内替代纵向连续的 现浇混凝土道床板结构;
17、 研发了端部设凸台的预制单元板,替代桥上分块设置的现浇混凝土道 床板。 38/175 ) 路基、隧道内的博格板式轨道结构 钢轨及扣件 板间连接件 混凝土轨道板 6.452.550.2m 水泥乳化沥青砂浆 调整层,30mm 水硬性支承层 轨道板纵向设计:与Rheda、Zublin型相同 轨道板横向设计:按65cm宽的轨枕设计 39/175 轨道结构设计特点 轨道板通过底部刷毛处理,板下充填层采用高强度的水泥乳化 沥青砂浆,给轨道结构提供横向抗力。 根据线路平纵断面条件,带挡肩的预制轨道板在厂内对承轨槽 进行数控机床打磨处理,通过布板设计,铺设到指定地点。每 块轨道板在线路的位置是固定的,出厂前进
18、行编号对应。 40/175 ) 德铁桥上应用的博格板式轨道结构 现浇混凝土底座板 (设凹槽) 桥上轨道板不纵连,设10cm间隔缝; 梁缝处轨道板和底座均断开。 41/175 德铁桥上采用的博格轨道板型式 普通混凝土结构,板厚300mm 两端的中部设限位块(与现浇底座相对应) 板底喷涂隔离层,限位块侧面粘贴橡胶垫层 42/175 1.1.3 其他国家和地区 ( 1)法国 法国高铁主要采用有砟轨道结构。 2001年在地中海线马赛隧道(7.8km)内试铺了双块式无砟轨道结 构。 2006年在东部高速线上试铺了2km左右的无砟轨道试验段。2007 年 6月开通运营,列车最高运行速度320km/h。 (
19、 2) 奥地利 Porr单元板式轨道结构 预制轨道板采用普通混凝土结构 调整层采用自密实混凝土砂浆 通过中部钢筋混凝土销限位 板底设隔离层,中空侧面设弹性 垫层 44/175 ( 3)韩国高速铁路 韩国高铁(汉城釜山)全长412km,分二期建设: 一期工程(汉城大邱)289.3km主要为有砟轨道,在光明车站及3 座隧道内引进了德国普通Rheda型无砟轨道及Vossloh扣件系统,共 53.841km; 二期工程(大邱釜山)全部采用了Rheda2000型无砟轨道结构。 45/175 台湾高铁 高架桥上板式无砟轨道结构 46/175 1.2 我国铁路无砟轨道技术的发展历程 我国铁路无砟轨道结构的研
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