高速铁路无碴轨道概况及科研情况介绍.doc
《高速铁路无碴轨道概况及科研情况介绍.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高速铁路无碴轨道概况及科研情况介绍.doc(35页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、高速铁路无碴轨道概况及我国前期科研工作高速铁路无碴轨道概况及我国无碴轨道前期科研工作铁道科学研究院二三年八月 北 京目 录1前言2. 国外高速铁路无碴轨道概况 2.1 国外高速铁路无碴轨道结构型式 2.2 无碴轨道的技术经济性3. 国内无碴轨道概况4. 我国新型无碴轨道结构的前期研究成果 4.1 高速铁路无碴轨道结构的选型原则 4.2 三种新型无碴轨道的结构组成和结构特点 4.3 秦沈线桥上两种无碴轨道综合试验结果 4.4 高速铁路无碴轨道项目的研究进展5. 结束语17铁道科学研究院1. 前言相对于有碴轨道而言,无碴轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构型式。由于无碴轨道
2、具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持久保持、以及维修工作量可显著减少等特点,在世界各国铁路上得到了程度不同的发展,而在高速铁路上应用无碴轨道,尤以日本、德国最为广泛。我国在铁道部有关部门的大力支持下,由科研、设计、施工以及院校多部门的线路、桥梁、隧道等专业的科研人员组成的新型无碴轨道结构研究群体,近年来对新型无碴轨道结构设计参数、动力学仿真计算分析、室内实尺模型试验、无碴轨道部件技术条件以及设计、施工技术条件、施工细则和验收标准的编制、现场铺设、动力测试和长期观测等开展了一系列的综合试验研究,尽管与国外高速铁路无碴轨道的研究相比,我国无碴轨道的研究起步较晚,但通过我国科技人员的努力
3、,在无碴轨道结构的理论和实践方面均取得了长足的进步,一些关键技术已基本达到国际水平,从而为我国高速铁路、客运专线桥上、隧道内无碴轨道的推广应用打下了坚实的技术基础。2. 国外高速铁路无碴轨道概况2.1 国外高速铁路无碴轨道的结构型式(1) 日本新干线板式轨道从无碴轨道结构的推广应用看,以日本的板式轨道最为广泛。截止到目前,其板式轨道累计铺设里程已达2700多公里。板式轨道的开发始于1965年,在最初的“新轨道结构的研究”研究项目中,日本铁道综合技术研究所组成了由轨道结构、材料、土工、物理、有机化学研究室人员组成的新轨道结构研究组,分别承担相应的课题研究。日本定型的轨道板有适用于隧道或高架桥上的
4、A型、框架型轨道板、适用于土质路基上的RA型轨道板及特殊减振区段用的防振G型轨道板等,构成了适用于各种不同使用范围的轨道板系列。日本从60年代中期开始进行板式无碴轨道的研究到目前大规模的推广应用,走过了近40年的历程。对于最初提出的轨道结构方案,铁道综研相继进行设计、部件试验、实尺模型试验、设计修改、在营业线上试铺等,试验中采用X200型试验车,在棚车的中央设置特殊的加载轴,施加各种轮重和横向力,测定轨道各部件由荷载产生的位移、应力和压力,与设计值进行对比。此外,将两轴车固定在试验轨道上,在车轴上安装激振装置产生振动,测定钢轨和轨道板的振幅,取得轨道的振动特性,对轨道部件进行静载、疲劳试验,确
5、认在营业线上应用的实用性。从津田沼、日野土木试验所内的实尺模型试验到既有线、新干线的桥梁、隧道和路基上的各种型式无碴轨道结构的试铺,总共建立了20多处近30多公里的试验段,开展了大量的室内、运营线上动力测试和长期观测的试验研究工作,并在试验结果的基础上,不断地改进完善结构设计参数和技术条件,最终将普通A型(图2-1)、框架型(图2-2)等板式轨道结构作为标准定型,在山阳、东北、上越、北陆和九州新干线的桥梁、隧道和路基上大量使用。最初的轨道板为普通钢筋混凝土结构,为应用于东北、上越新干线的寒冷地区,后来又研制出双向预应力结构的轨道板,以防止混凝土裂纹的发生与扩展。图2-1 普通A型板式轨道(钢筋
6、混凝土、预应力混凝土轨道板)图2-2 框架型板式轨道(钢筋混凝土轨道板)上世纪70年代后期,新干线环境机构负责部门根据日本环境污染控制中央委员会(CCEP)关于控制由于工厂、建设施工和道路交通引起的振动和噪声的严格要求,提出了新干线振动控制措施:a) 采取措施控制振动源和干扰,特别是加速度振动噪声超过70dB的地区;b) 对于铁路经过医院或学校的区段应特殊考虑。为解决新干线的噪声振动问题,实现高速铁路发展与社会环保兼容的目的,日本从70年代后期开始,在日野土木研究所、东北新干线上的“小山试验线”、北上地区、古河地区的高架桥上分别试铺了20多种型式的减振性板式轨道结构(防振A型防振H型),观测其
7、噪声振动效果,在进行技术、经济分析后,最终将防振G型板式轨道(图2-3、图2-4)作为标准型式在减振降噪区段推广铺设。图2-3 防振G型板式轨道结构图2-4 防振G型板式轨道板底橡胶垫层的布置日本在前期大量试验的基础上,其最终确定的防振G型板式轨道的开发历程可分为5个阶段,简要概括如表1。表1 防振G型板式轨道的开发历程序号型式试验地点年度备注第一次Gt1型日野土木研究所1978第二次G6.5型小山试验线1979第三次G2.4型东北新干线北上地区1980第四次Gt2型日野土木研究所1982第五次G型东北新干线古河地区1982列入JRS标准日野土木研究所与东北新干线古河地区防振型板式轨道的试验结
8、果表明:a) 防振型板式轨道的安全性不成问题。b) 在减振效果方面,防振G型板式轨道的钢轨、轨道板振动加速度要大于普通板式轨道,但防振G型板式轨道结构在对噪音最有影响的10004000Hz频带范围内,从钢轨传递到高架桥中央的振动衰减明显,比普通板式轨道要减小5dB左右。c) 对比防振G型板式轨道与普通型板式轨道的降低噪音方面的效果,防振G型使结构物(桥梁)的噪音降低45dB。d) 与早期的防振A型板式轨道(轨道板底满铺橡胶垫层)相比,防振G型板式轨道在轨道板长度方向中部采用了泡沫聚乙烯(中空材料),不仅减少了成本较高的橡胶材料(减少约25%),而且使轨道板的横向应力更为均匀。(2)德国高速铁路
9、Rheda型无碴轨道德国的联邦铁路、高校研究所以及工业界自上世纪70年代一直进行无碴轨道的研究,曾试铺过十余种无碴轨道结构,其轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。目前德国有20多家企业参与无碴轨道新结构的开发,形成市场竞争的局面,推进了新技术的发展。其提出的结构型式多种多样。德铁规定试铺的轨道结构要经过5年的运营考验后经批准才能正式使用。1996年德铁又批准了7种新结构在曼海姆卡尔斯鲁厄线上试铺。Rheda型无碴轨道(图2-5)作为钢筋混凝土底座上的结构型式之一。图2-5 普通Rheda型无碴轨道结构在建立大量试铺段进行运行试验和长期观测的研究基础上,在德铁桥梁、隧道和土质路基上全面推广应
10、用,在德铁铺设的660km无碴轨道(含80多组道岔区)中,Rheda型约占一半以上。最近开发的Rheda-2000型轨道(图2-6)已投入商业应用。由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原Rheda型中的整体轨枕;取消了原结构中的槽形板,统一了隧道、桥梁和路基上的型式;同时,轨道的建筑高度从原来的650mm降低为472mm。Rheda-2000型中的特殊双块式轨枕只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土,其余为桁架式的钢筋骨架,使与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少,有利于改善施工性,提高施工质量和结构的整体性。建筑高度的下降,对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。将无碴轨道的造价降低到有
11、碴轨道的1.31.4倍是德铁力争的目标。图2-6 Rheda-2000型无碴轨道结构经过改进后的Rheda型无碴轨道在1998年开通运营的柏林汉诺威高速铁路上得到广泛应用。德国铁路公司根据其咨询公司对现行的有碴轨道和无碴轨道的综合技术经济比较得出的建议,决定在所有隧道、道岔区、制动区间以及计划速度为300km/h的科隆莱茵新线区段内均采用无碴轨道。(3)弹性支承块式(LVT)无碴轨道LVT型无碴轨道是在双块式轨枕(或两个独立支承块)的下部及周围设橡胶套靴,在块底与套靴间设橡胶弹性垫层,而在双块式轨枕周围及底下灌筑混凝土而成型,为减振型轨道。其最初由Roger Sonneville提出并开发。瑞
12、士国铁于1966年在隧道内首次试铺。法国开发的VSBSTEDET系轨道也属此类,在地下铁内使用居多。1993年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设独立支承块式LVT型轨道(图2-7)。目前,LVT轨道的铺设总长度约360km。预制人行道铺面人行道基础一期混凝土二期混凝土填充混凝土12mm厚橡胶垫层橡胶套图2-7 英吉利海峡隧道内的LVT型轨道结构(4)PACT型(Paved Concrete Track)PACT型无碴轨道为就地灌筑的钢筋混凝土道床(图2-8),钢轨直接与道床相连接,轨底与混凝土道床之间设连续带状橡胶垫板,钢轨为连续支承。英国自1969年开始研究和试铺,到1973年正式推广
13、,并在西班牙、南非、加拿大和荷兰等国重载和高速线的桥、隧结构上应用,铺设总长度约80km。环形连接钢筋基础板机械灌注的道床板图2-8 PACT型无碴轨道(5)其它一向坚持采用有碴轨道的法铁,最近在地中海TGV的一座长7.8km隧道内,正在试铺双块式减振型无碴轨道;荷兰、韩国、我国台湾高速铁路上均大量铺设无碴轨道的计划。总之,无碴轨道在高速铁路上的铺设已经成为发展趋势。2.2 无碴轨道的技术经济性(1)能长期保持轨道的良好状态,实现少维修日本对运营了20年的山阳新干线板式轨道历年各项作业的维修费用进行了统计,并与有碴轨道作了比较,如图2-9所示。由于板式轨道的结构决定了其维修项目可以减少,且轨道
14、的几何状态稳定性好,故维修作业量也明显减少。为高速运输提供了安全可靠、平顺高质量的轨道,实现了少维修和维修费用大幅度降低的目标。其他扣件填充方向高低捣固无碴轨道有碴轨道维修费(百万日元/年/km)12108642075-7677-7879-8081-8283-8485-8687-8889-9091-9293-9475-7677-7879-8081-8283-8485-8687-8889-9091-9293-94年 份图2-9 山阳新干线历年的维修费用德国铁路采用轨道质量指数Q值来综合评价轨道高低、水平、方向等的平顺状态。新线的轨道质量指数Q值应在30以下,而在运营线上,当质量指数Q值超过100
15、就必须进行修理。图2-10和图2-11分别表示隧道内和土质路基上无碴轨道与相邻接的有碴轨道5年间Q值变化的比较。很明显,无碴轨道的质量指数Q值在5年内均保持在良好水平上,且变化很小,实现了少维修,确认为高平顺性的轨道结构。据此,德铁在新建的汉诺威柏林和科隆莱茵/梅因等高速铁路上全面铺设无碴轨道。有碴轨道里程有碴轨道无碴轨道图2-10 隧道内无碴轨道与相邻有碴轨道的轨道稳定性Q值有碴轨道无碴轨道里程有碴轨道图2-11 土质路基上无碴轨道与相邻有碴轨道的轨道稳定性Q值(2)经济比较到目前为止,无碴轨道的造价一般均高于有碴轨道。但由于无碴轨道的结构高度低、每延米重量轻的特点,可使桥梁、隧道等结构物的
16、建设费用降低;另一方面,无碴轨道稳定性、耐久性好的特点显著减小线路的维修工作量,其带来的社会经济效益明显。板式轨道日本板式轨道的初期造价基本上控制在有碴轨道的2倍以内,大规模应用后,其造价明显下降,约为有碴轨道的1.31.5倍。而维修费用明显减少。据统计,山阳新干线16年的平均维修费用为有碴轨道的18%,东北新干线9年的平均维修费用为有碴轨道的33%。无碴轨道多投资的差额约在10年(桥、隧结构上)12年内(土质路基上)可得以偿还。 日本在高架桥上铺设板式轨道后,由于其自重轻,桥梁的二期恒载减小,其降低的建设费用是道碴轨道建设费用的40%。在隧道内铺设板式轨道,由于其建筑高度低,减小了隧道的开挖
17、断面,其建设费用可降低30%。 表2为日本山阳新干线冈山博多线无碴轨道与有碴轨道线路的经济比较,板式轨道的建设费用为每公里9.1千万日元,普通轨道板轨道的费用(10.4千万日元)是道碴轨道费用的1.14倍。由分析得知,到第2年,后者的费用就比前者节约0.2千万日元;到第13年节约的费用可铺设1条板式轨道。防振型轨道板的基建费用(13.8千万日元)是有碴轨道的1.52倍,到第8年前者比后者节约约0.5千万日元,到第19年前者节约的费用可铺设1条板式轨道,到50年节约的费用可铺设6条板式轨道。表2 板式轨道经济比较表项 目单位有碴轨道板式轨道比 较普通板B防振板CBACA工程费千元/km90600
18、1037001377001310047100养护人工人/km0.830.410.410.420.42年度经费千元/km155597985978575746771经常费千元/km111233028302880958095工 资人/km33201640164016801680修理费千元/km78031388138864156415资本费千元/km4436495767575212321折旧费千元/km12661327193761671利 息千元/km3170363048204601650扣除利息计人/km123984355496580347424追加投资利润费-0.610.16Rheda型无碴轨道据
19、德铁的资料,有碴轨道的造价为800DM/m,沥青混凝土底座上无碴轨道为1000DM/m,混凝土底座上Rheda型等轨道为1400DM/m,无碴轨道的造价为有碴轨道的1.31.7倍。而德铁高速铁路有碴轨道的年维修费用约为3000DM/km,无碴轨道则很少。德铁分析认为,在新线建设中采用无碴轨道,可使线路设计的总建筑高度和总宽度有所减小,有利选线,并减小隧道和桥梁等结构的断面。因此,新线建设的综合造价将趋于合理。3国内无碴轨道概况国内对无碴轨道的研究始于上世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。初期曾试铺过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及沥青道床等几种型式,正式推广应用的仅有支承块式整
20、体道床(图3-1)。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过1公里的隧道内铺设,总铺设长度约300km。80年代曾试铺过沥青整体道床,由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床,以及由沥青灌注的固化道床等,在大型客站和隧道内试铺,总长约10km,但并未正式推广。此外,在桥梁上试铺过无碴无枕结构,在京九线九江长江大桥引桥上全部采用了这种结构,长度约7km。在此20多年期间,我国在无碴轨道的结构设计,施工方法,轨道基础的技术要求,以及出现基础下沉等伤损的整治等方面积累了宝贵的经验,并吸取了有益的教训,为发展无碴轨道新技术打下了基础。图3-1 隧道内刚性支承块式整体道床1995年以后,随着京沪高速铁路
21、可行性研究的进程,无碴轨道在我国重新得以关注。在“九五”国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究”中,提出了适用于高速铁路桥、隧结构上的三种无碴轨道型式(长枕埋入式、弹性支承块式和板式)及其设计参数;在铁道部科技开发计划项目“高速铁路高架桥上无碴轨道关键技术的试验研究”中,完成了对三种结构型式的无碴轨道(长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式轨道)实尺模型的铺设及各项性能试验;初步提出高架桥上无碴轨道的施工方案;提出了高速铁路无碴轨道桥梁徐变上拱的限值与控制措施;建立了桥上无碴轨道车线桥耦合模型并进行了仿真计算,初步分析了高速铁路高架桥上无碴轨道的动力特性与车辆走行性能。以上的研究成果为我国
22、新型无碴轨道结构的发展打下了坚实的基础,1999年在铁道部科技开发计划项目“秦沈客运专线桥上无碴轨道设计、施工技术条件的研究与编制”的有力推动下,秦沈客运专线选定了三座高架桥作为无碴轨道的试铺段。其中,沙河特大桥(长692m)试铺长枕埋入式无碴轨道(如图3-2);狗河特大桥(长741m)直线和双何特大桥(长740m)曲线上试铺板式轨道(如图3-3、图3-4)。图3-2 沙河特大桥长枕埋入式无碴轨道(直线上)图3-3 狗河特大桥板式无碴轨道(直线上) 图3-4 双何特大桥板式无碴轨道(曲线上)作为新型轨道结构发展的一个必要环节,为掌握桥上无碴轨道在高速运行条件下的结构受力、变形情况与振动特性,评
23、估两种无碴轨道结构的动力性能,2000年铁道部科技司与铁道部工程管理中心立项开展“秦沈客运专线桥上无碴轨道综合试验”,并在项目的试验大纲中,选定线路平纵断面、桥梁结构型式相近的桥上有碴轨道试验工点(石河二号特大桥、跨兴闫公路特大桥)进行对比测试。在西康线我国最长的秦岭隧道(长度为18.5km)内采用了弹性支承块式无碴轨道,已于2001年正式开通运营,效果良好。为适应高速铁路的线路条件,目前已选定渝怀线鱼嘴2号隧道、赣龙线枫树排隧道分别作为长枕埋入式和板式轨道在隧道内的试铺段,隧道长度分别为710m和719m,渝怀线鱼嘴2号隧道长枕埋入式无碴轨道已于2003年6月铺设完成,赣龙线枫树排隧道板式轨
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高速铁路 轨道 概况 科研 情况 介绍
链接地址:https://www.31doc.com/p-2764245.html