高速铁路无碴轨道1.ppt
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1、西南交通大学 刘学毅教授 电话:13708097920,高速铁路无砟轨道,主要内容 一、高速铁路轨道主要特点与技术标准 二、国内外无砟轨道的发展概况 三、典型无砟轨道的结构与技术特点 四、无砟轨道的设计理念与功能分析,一、高速铁路轨道的特点 与技术标准,1.高速铁路轨道结构特点,我国高速铁路具有行车速度快、密度大的运输特点。 快速、舒适、安全是高速铁路的基本要求。 高速铁路轨道必须具有高平顺性、高稳定性、少维修的结构特点。,高速铁路轨道结构主要有两种类型:有砟轨道和无砟轨道。 两种轨道均可运行300km/h以上的高速列车。如法国高速铁路和日本的山阳新干线均全部或部分采用有砟轨道,列车速度达到3
2、00km/h以上。,无砟轨道的优势: (1)轨道结构稳定、质量均衡、变形量小,利于高速行车 (2)变形积累慢,养护维修工作量小 (3)使用寿命长设计使用寿命60年,(4)轨道高度低,桥梁二期恒载小,隧道净空低未能发挥 (5)对线路平纵面的要求标准可适当降低未能发挥,无砟轨道的缺点: (1)轨道造价高:有砟180万/km,双块式350万,型板式450万,2型板式500万。 (2)对基础要求高因而显著提高修建成本:有砟轨道可允许15cm工后沉降,无砟轨道允许3cm,由此引起的以桥代路及路基加固投资巨大。,(3)振动噪声大:减振降噪型无砟轨道目前尚不成功,减振无砟轨道选型存在较大困难。 (4)一旦损
3、坏整治困难:尤其是连续式无砟轨道。,我国客运专线铁路采用有砟轨道的制约因素: 路网的统一性及天窗的短时性 运输的高密度性 优质道砟缺乏 丰富的人力资源在客专维护中无用武之地,因此我国客运专线轨道宜经采用无砟轨道为主。 但在地质灾害和地质活动活跃断裂带地段以及不宜铺设无砟轨道地段,宜采用有砟轨道结构。,.高速铁路的线路工程技术体系,最小曲线半径7000m 最大曲线半径14000m 夹直线和圆曲线最小长度一般0.81Vmax 区间正线最大坡度20,动车组走行线30。 区间正线设计较长坡段,最小坡段长度一般900m。 相邻坡段坡度差1时,设竖曲线,半径25000m。,车站数量按大中城市、枢纽和著名旅
4、游胜地分布设置。始发、终到客站的到发线数量按满足高峰小时列车密集到发需要设置。 高速、城际、普速列车共站的车站,原则上分场布置,设必要的联络进路;站台长450m,站台高出轨面1.25m。,以无砟轨道作为主要结构形式,在地质灾害和地质活动活跃断裂带地段,以及不宜铺设无砟轨道地段,采用有砟轨道结构。 无砟轨道铺设精度: 高低和轨向2mm/10m 水平1mm 轨距1mm,有砟轨道采用特级道砟,高速道窄级配道床厚350mm,垫砟20cm,基床表层级配碎石换填70cm。 轨道铺设精度: 高低和轨向2mm /10m 水平2mm 扭曲2mm 轨距2mm。 到发线采用混凝上宽枕。,采用跨区间无缝线路。 采用1
5、00m长定尺无螺栓60kg/m钢轨。 无砟轨道采用弹性分开式扣件: 节点间距650mm 调高量30mm, -4/+26mm 调距量-12/+10mm 桥上抗拔力80kN 其它地段100kN。,正线道岔直向通过时速350km,进出站侧向通过时速80km,以客专18号道岔为主。 跨线联络线道岔侧向通过时速160km时,采用38号、64号大号码道岔。,无砟轨道正线区间直线地段路基面宽度13.6m。 严格控制路基工后沉降、不均匀沉降和过渡段差异沉降,设置各种路基刚度过渡段,保持路基纵向刚度的均匀性和良好的动力特性 工后沉降量3cm,路基与结构物间的工后差异沉降量0.5cm,工后不均匀沉降2.0cm/2
6、0m。,地基加固处理措施应根据地基的物理力学性质、岩土层分布厚度及其特性、路基高度等因素优选。 软土、松软土地基,以复合地基法加固为主 地基处理后须有合理的放置时间,确保本体和地基沉降变形稳定,布置沉降观测设备进行沉降观测,并实时分析处置。,路基本体结构以桩板结构或桩网结构为主,慎用普通填料路基 在路基填方大于5m的地段、地基处理困难地段,为节省用地,确保工后沉降控制,采用以桥代路通过。,二、国内外无砟轨道发展概况,1.国外无砟轨道的铺设应用情况,目前高速铁路比较发达的国家大都采用无砟轨道作为主要的轨道结构型式,如日本的板式轨道和德国的Rheda轨道。法国的高速铁路主要以有砟轨道为主,近几年也
7、开始着手研究、试铺无砟轨道,韩国及我国台湾省在新建的高速铁路中也大都采用了无砟轨道结构。,意大利、法国、奥地利、荷兰、瑞士等国均根据自己国家铁路特点选择无砟轨道的结构型式,在铁路上有不同程度的应用。,(1)日本板式无砟轨道,日本无砟轨道研发始于1965年,由轨道、材料、建筑物、土工、物理和有机化学研究人员共同构成“新型轨道结构的研究”技术课题组。,为适应高速行车的需要及解决无砟轨道维修困难,日本国铁提出无砟轨道须满足四个基本条件:,(1)建筑费在普通轨道的两倍以内;,(2)具有与普通轨道同样的弹性和足够的强度;,(3)施工方法比较简使,施工日进度为200m;,(4)一旦轨道出现病害,可以进行修
8、整。,日本研究过程中试铺了M、L、A型轨道板。 M型轨道板由四个橡胶支座支承,类似于浮置板轨道。 L型轨道板支承在沿钢轨方向呈带状的混凝土基座上。 试铺后发现M和L型轨道板裂纹严重,A型情况良好。,单元式轨道板CA砂浆凸台底座板,日本A型轨道板,土质路基上最初铺设RA型板式轨道,在应用过程中出现过问题,因而在几条新干线的建设中尽量减小土质路基的比例,修建了许多高架桥。 以后型板式轨道在为路基专门研制增设了强大的底座后,RA型轨道被彻底淘汰。,日本土质路基上RA型轨道板,稳定性差,单板传递纵横向力不可靠,随着北陆等新干线的建设,设计了混凝土路基底座,A型板式轨道可铺设至路基上,从而使土质路基上板
9、式轨道有了较大发展。 东北、上越新干线板式轨道分别占全线延长公里的90%和93%。,A型平板和框架型板式轨道已标准定型,并作为基本轨道结构推广应用。到目前为止已铺设了2700km。,由于只能通过扣件调整轨道几何形位并提供轨道所需弹性,因此对扣件的要求很高。 扣件在某种程度上决定无砟轨道的成败及造价。 日本在发展无砟轨道过程中,配套研究了相应的扣件,主要的扣件类型有直结4型、直结5型和直结8型。,直接4型扣件 有挡肩弹性不 分开式扣件。 高低调整 量为10mm, 左右调整量 23mm。,直接5型扣件。无挡肩弹性分开式扣件,高低调整量20,左右调整量为10。,直接7型扣件无挡肩弹性分开式,扣件左右
10、调整量为30mm。扣件上下调整量为50 mm。,直接8型扣件。总调高量为070mm,左右调节10mm。,温暖地区应用的轨道板大都采用普通钢筋混凝土结构,除部分防振板外,轨道板厚度统一规定为160mm。 严寒地区新干线的建设,为适应轴重的增大、避免冻害,增加了轨道板上层钢筋的保护层,引入了预应力,轨道板厚度增加到190mm。,为改善凸形挡台受力,改方形凸形挡台为圆形凸形挡台 为增加砂的弹性和缓冲能力,长期致力于对砂浆的研发。 为节约混凝土和钢筋、减轻轨道板自重、减小轨道板翘曲应力又发展了框架型轨道板。 为适应环境的要求,开发了G型等防振型板式轨道。,日本A型框架板,日本防振板式轨道,(2)德国枕
11、式和板式无砟轨道,19591988年是德国无砟轨道的试铺期,共铺设无砟轨道累计21.6km。 在土质路基、高架桥上及隧道内试铺了多种无砟轨道,形成了比较成熟的技术规范和管理体系,研制了成套的施工设备。,德国各公司前后曾开发试验了近百种无砟轨道结构型。 到2003年,德国铁路无砟轨道铺设总长度达600多km,主要结构型式有Rheda、Zblin双块式轨道和Bgl板式轨道等。,1972年原西德铁路在Rheda车站试铺了由德国慕尼黑工业大学陆地交通工程试验中心开发的长枕埋入式无砟轨道,称为Rheda型无砟轨道。 已广泛应用在土质路基上、隧道内和高架桥上,在德国高速铁路上已铺设470km,韩国高速铁路
12、上铺设50多km,台湾高速铁路的96组道岔铺设的也为Rheda轨道。,土质路基,传统Rheda轨道,UIC钢轨和VOSSLOH扣件,B70轨枕,调整层,支承层,连续浇注钢筋混凝土层,Rheda轨道的改进及演化 将轨枕上的预留孔改为4个及5个、取消环形箍筋、连续配筋混凝土板和轨枕间混凝土同时灌筑。,除路基上Rheda轨道以外,还设计了隧道和桥上Rheda轨道结构,并大量地进行推广应用。,为减少新旧混凝土间裂纹,将预应力轨枕改为桁架筋,发展成为目前广泛应用的Rheda2000双块式轨道。,德国Rheda2000轨道,Rheda2000型无砟轨道带有桁架钢筋的双块式轨枕,方便安装扣件及施工定位。 路
13、基及隧道内道床板连续浇筑、允许开裂,在道床板的自由边上设置销钉。 桥上采用单元式道床板。 支承体系在土质路基上为水硬性支承层,桥梁上为钢筋混凝土底座,隧道内则将道床板直接铺设于隧道仰拱回填层之上。,Zblin轨道于1974年开发,与Rheda轨道相似。主要区别在于Zblin轨道采用的施工工艺是先浇筑道床板混凝土,然后通过振动法将轨枕压入到混凝土中; Zblin轨道的研发是寻求一种高度机械化施工方法,解决Rheda轨道传统施工进度慢、成本高的问题。 但道床板上层不能配筋。,Zblin轨道的施工过程,旭普林轨道双块式轨枕的振动压入施工,Bgl板式轨道是1977年铺设在德国卡尔斯费尔德达豪试验段的一
14、种预制板式轨道。 吸收了轨枕埋入式无砟轨道整体性好和板式轨道制作和施工方便的优点。,Bgl系列的发展过程,1977年铺设在德国卡尔斯费尔德达豪试验段 1999年在卡尔斯鲁尔海德堡的罗特马耳西和汉堡威斯特兰德的哈特斯德特铺设了试验段 2000年获普通许可证 2006年5月投入运营的纽伦堡英格施塔特线铺设了35双线公里Bgl轨道,卡尔斯费尔德 达豪试验段,德国博格板式轨道,Bgl轨道板为横向预应力轨道板,板上每两个钢轨支点间设横向预裂缝,铺设完成后通过连接锁件将轨道板纵向连接。 水硬性支承层和轨道板间通过特制水泥沥青砂浆 (BZM) 填充,轨道整体性好,无需设置凸形挡台等限位装置。,轨道板采用有挡
15、肩扣件,依靠混凝土机加工保证扣件安装精度。 轨道板通过连接锁件连接,最大限度的减少了轨道板自由端,改善填充砂浆受力状态,可采用弹性模量相对较高的BZM填充砂浆。 2006年5月投入纽伦堡-英格施塔特线,铺设了35双线公里。,德国无砟轨道上使用的VOSSLOH 300-1扣件,轨枕螺栓,扣压弹条,轨距挡块,轨枕,钢轨,轨下胶垫,板下胶垫,塑料套管,基板,轨枕螺栓,轨距挡块,垫圈,套管,轨下胶垫,基板,板下胶垫,轨枕,调高垫板,VOSSLOH300扣件技术指标,(3)其他型式的无砟轨道,弹性支承(LVT)无砟轨道。是目前国内外应用较多的一种减振降噪型无砟轨道,最初由瑞士国铁于1966年在隧道内首次
16、试铺,在瑞士、丹麦、葡萄牙、比利时、委内瑞拉等国铁路均得到了应用和发展,在哥本哈根、亚特兰大等城市地铁内也得到了推广应用。,法国开发的Stedef、Sateba及Edilon型无砟轨道也属此类,在隧道内应用居多。1993年开通运营的英吉利海峡隧道内全部铺设LVT型轨道。,英吉利海峡弹性支承轨道,连续支承钢轨埋入式轨道。荷兰和英国。钢轨通过树脂或其它弹性材料埋入到道床板混凝土凹槽中。常见的类型有Edilon型和Balfour Beatty型。 由于钢轨连续支承,可解决pin-pin振动引起的钢轨受力和变形不均匀及由此引起的诸如波磨等问题,降低噪声。,连续支承轨道,梯型轨道。近年在日本等国较快发展
17、,由预应力纵梁和钢管横撑组成的“梯子式”混合结构。 梯形轨道可有多种支承型式设计,其中大部分应用于道砟上,也可建于砂浆、沥青或混凝土基础上,适于在高架桥上和隧道内应用。,梯形轨道,英国采用的PACT型无砟轨道。为现场灌筑的钢筋混凝土道床板,钢轨直接与道床板连接,轨底与混凝土道床板之间设连续带状橡胶垫板,钢轨为连续支承,由于承轨部位现浇施工,精度保证困难。 1969年开始研究和试铺,到1973年正式推广,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。,英国PACT轨道,奥地利开发的BB-PORR板式轨道。中间设有两矩形孔,便于充填砂浆和传递水平力。 意大利
18、的IPA板式轨道与新干线板式轨道类似。轨道板两端各有一个半圆柱,可插进混凝土底座的预留孔中。自1984年以来,在意大利铁路铺设98km多。,BB-PORR轨道板结构示意图,. 我国无砟轨道的发展 (1)我国早期无砟轨道的发展,我国无砟轨道的研制工作与国外几乎同时起步。 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框架式沥青道床等多种形式。,1965年开始在长大山岭隧道内大量采用混凝土整体道床,先后在成昆线、京原线、丰沙线、太焦线、枝柳线、京通线和南疆线等长度超过1km的隧道内铺设。 同时推广到地铁、码头、道岔等地段。,在京九线九江长江大桥引桥上铺设过无砟无枕结构,长度约7km。 2
19、0世纪80年代曾试铺过由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的沥青混凝土整体道床,主要在车站内到发线上铺设。 19651984年间,整体道床铺设总长度达到300km。,短木枕支承块轨道,我国铁路上采用的短木枕式无砟轨道,我国坚实基岩隧道内支承块式无砟轨道,北京和天津地铁中心水沟支承块式整体轨道,我国普通钢筋混凝土板式轨道,整体道床线路平顺稳定、耐久、减少了养护维修工作量,改善了维修人员的劳动条件。 由于历史条件的制约,设计、施工经验缺乏,我国的整体道床也出现了一定的病害。 宽轨枕也因缺乏相应的维修机具而逐渐被更换下道。,(2)90年代以来我国无砟轨道的发展,进入90年代以来,为适应我国铁路提速以及发展高
20、速铁路的需求,我国无砟轨道的研制工作步入了一个新阶段。,自1995年以来,在部科研项目基础上,选择了具有代表性的三种无砟轨道(板式、长枕埋入式和弹性支承块式无砟轨道),先后进行了试铺,取得了成功的经验。,板式轨道我国开始研究很早,20世纪70年代研究CA砂浆技术,1981年在皖赣线溶口隧道铺设了板式轨道,使用情况良好。 1999年在秦沈客专狗河、双何特大桥铺设板式轨道,研究了适应于寒冷地区的CA砂浆。,但运营中出现了不同程度病害,主要表现为CA砂浆剥离掉块、扣件螺栓拔出、凸型挡台橡胶板挤出等。 2003年在赣龙线枫树排隧道内铺设板式轨道,针对秦沈线出现的问题进行了改进,情况良好。,秦沈线板式轨
21、道,长枕埋入式无砟轨道采用预应力长轨枕,浇入钢筋混凝土道床板中,为了保证轨枕与道床的连接,在轨枕上设5个预留孔,道床板上层纵向钢筋穿过预留孔,增强轨道的整体性。 在秦沈线沙河特大桥和渝怀线鱼嘴二号隧道分别进行了试铺,使用情况良好。但个别轨枕与道床板连接处有裂纹产生。,秦沈线沙河大桥上的长枕埋入式无砟轨道实景,鱼嘴2号隧道内的长枕埋入式轨道,弹性支承块式无砟轨道作为减振型轨道,在国外的铁路隧道和城市轨道交通中得到广泛应用。 国内首先在陇海线白清隧道和安康线大瓢沟隧道铺设了试验段,取得了成功,其成果在秦岭隧道、乌鞘岭隧道等长大隧道中得到大量推广使用。,我国秦岭隧道内的弹性短枕轨道,秦岭隧道内的弹性
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