德國鐵路無碴軌道技術(shù)分析及建議
2006-06-08 00:00
摘要：由于無碴軌道具有維修量小，穩(wěn)定性好，使用壽命長，全壽命周期費用低，結(jié)構(gòu)高度低，橫向軌道阻力大，可避免飛碴，超高、坡度設(shè)置靈活等優(yōu)點，在德國高速鐵路建設(shè)中受到重視，得到了廣泛應(yīng)用，并形成了Rheda、Zt~BLIN、BERLIN、B6GL等系列產(chǎn)品。學習借鑒德國無碴軌道技術(shù)，對于提高我國客運專線建設(shè)水平，加快無碴軌道技術(shù)發(fā)展，具有重要意義。簡要論述德國無碴軌道技術(shù)，重點介紹目前應(yīng)用較多的Rheda型無碴軌道。
關(guān)鍵詞：德國鐵路；無碴軌道；技術(shù)；綜述
中圖分類號：U213．2 文獻標識碼：C文章編號：1004—2954 (2005)02—0001—06
Technical Analysis of Ballastless Track of DB and ProposalsXin Xuezhong
Abstract Ballastless track features little maintenance，high reliability，long service life，low cost compared to its service life， low structure height， large transverse track resistance， ballast splashing—proof，and flexible superelevation and gradient．So，it is widely used in Germany， and a series of such track have been estahlished，such as Rheda， ZfiBLIN， BERLIN， and B6GIJ_ It is of great impo~ance for US to learn such technology from Germany for promoting ballastless track development and improving construction level of passenger dedicated railway in China． A description is given of ballastless track technology of Germany，in particular Rheda． Keywords Germ any railway；ballastless track；technology；sum—mary Author’S address Science and Technology Dept．， Ministry ofRailways，Beijing 100844
1 概況
德國鐵路開展無碴軌道的研究始于上世紀60年代末，1972年首次在Rheda車站試鋪了無碴軌道結(jié)構(gòu) (故稱“Rheda”型)。1991年德鐵高速運輸?shù)哪甏_始時，無碴軌道只在新建的漢諾威一烏茲堡線的3座隧道和曼海姆一斯圖加特新線的1座隧道內(nèi)鋪設(shè)，當時在德國全部高速線總共只有19．7 km的無碴軌道。隨后于1993和1994年在經(jīng)改造的柏林一漢堡、柏林一哈爾勒和烏茲堡一阿沙分堡新線上部分區(qū)段鋪設(shè)了無碴軌道。
20世紀90年代后期在新建高速線上，特別是客貨混運的線路上，有碴軌道的道碴呈現(xiàn)明顯的磨損粉碎而發(fā)白的現(xiàn)象，養(yǎng)護維修工作量顯著增加。通過德鐵有關(guān)方面努力，首次在設(shè)計時速280 km的柏林一漢諾威高速線全面推廣應(yīng)用無碴軌道結(jié)構(gòu)，線路全長264 km，其中無碴軌道190 km(包括30組道岔區(qū))，于1998年9月投入運營。設(shè)計速度330 km／h、運營速度300 km／h的科隆一法蘭克福高速客運專線，新建線路長度177 km(隧道占19％ 、橋梁占3％)，其中150 km采用了無碴軌道結(jié)構(gòu)。正在新建、計劃于2006年竣工的紐倫堡一英格施塔特(Ingolstadt)高速線，設(shè)計速度330 km／h，運營速度300 km／h，其新建線路89 km，其中無碴軌道75 km(含全部25．6 km的隧道和475 m的橋梁區(qū)段)。包括正在新建的高速線，目前德鐵路網(wǎng)將近有430 km的無碴軌道，其中包括80組道岔區(qū)。
德國鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)發(fā)展遵循了循序漸進的發(fā)展思路。從60～70年代開始至今，德鐵充分發(fā)揮各企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，提出了多種無碴軌道結(jié)構(gòu)型式，批準在既有線上試鋪和試驗觀測，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，最終確定大規(guī)模鋪設(shè)應(yīng)用的正式軌道結(jié)構(gòu)型式。另外，對于新建高速線路，在建設(shè)初期就確定了軌道結(jié)構(gòu)型式，在此前提下，線路平縱斷面參數(shù)、路基、橋梁和隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計、通信信號系統(tǒng)以及養(yǎng)護維修體制等方面都圍繞軌道結(jié)構(gòu)的特性進行綜合考慮，從而為無碴軌道的全面推廣應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
2 無碴軌道結(jié)構(gòu)類型
德鐵曾試鋪過約17種無碴軌道結(jié)構(gòu)，其提出的結(jié)構(gòu)型式多種多樣。無碴軌道的基礎(chǔ)分鋼筋混凝土 (BTS)和瀝青混凝土(ATS)兩類。鋼軌的支承方式多為分散支承(即點支承)，連續(xù)支承方式(如INFUNDO、SFF型等)仍處在試鋪階段，未在路網(wǎng)上正式使用。
對于分散支承方式的無碴軌道，其道床結(jié)構(gòu)大體上可分為兩大類，一類為整體結(jié)構(gòu)(Compact)，另一類為直接支承結(jié)構(gòu)(Supported)。根據(jù)分散支承方式的無碴軌道分類，表1列出德鐵目前批準可在路網(wǎng)正式應(yīng)用和可試鋪進行運營考驗的無碴軌道結(jié)構(gòu)類型。
Rheda型無碴軌道為鋼筋混凝土底座上的整體結(jié)構(gòu)型式之一，在大量試鋪和長期觀測試驗的基礎(chǔ)上，在德鐵高速線土質(zhì)路基、橋梁和隧道區(qū)段全面推廣應(yīng)用，所鋪設(shè)的360 km 無碴軌道(含80多組道岔區(qū))中， Rheda型約占一半以上。Rheda型無碴軌道結(jié)構(gòu)從1972開始試鋪的普通型(帶槽形板、埋入軌枕)到目前研發(fā)的2000型(無槽形板、埋入支承塊)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展歷程(圖1)。
Rheda一2000型無碴軌道(斷面見圖2，施工過程之一見圖3)由2根桁架形配筋組成的特殊雙塊式軌枕取代了原Rheda型中的整體軌枕，取消了原結(jié)構(gòu)中可能開裂和滲水的槽形板，統(tǒng)一了隧道、橋梁和路基上的型式，也可在道岔和伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)段應(yīng)用；同時，軌道結(jié)構(gòu)高度從原來的650 mm降低為472 mm。Rheda一2000型中的支承塊只保留承軌和預埋扣件螺栓部位的預制混凝土，其余為桁架式的鋼筋骨架，使其與現(xiàn)場灌筑混凝土的新、老界面減至最少，有利于提高施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的整體性。建筑高度的下降，對降低軌道本身和線路的造價都是有利的。
最典型的直接支承方式的無碴軌道結(jié)構(gòu)為ATD、GETRAC型，如圖4、圖5所示，上部的軌枕或支承塊直接置于鋼筋混凝土／瀝青混凝土支承層上，成為一個獨立的組成部分，在中部有多種方式設(shè)限位裝置，以限制軌排縱、橫向移動。
由B6gl公司開發(fā)的博格板式無碴軌道結(jié)構(gòu)由預制軌道板組成，軌道板結(jié)構(gòu)高度(從水硬性材料支撐頂面到鋼軌頂面)474 mm，分為標準預制板、特殊預制板和補償預制板3種形式，標準板的外形尺寸6 450mm x2 550 mm×200 mm，軌道板之間用鋼筋連接，板底充填水泥瀝青砂漿層，如圖6所示。與現(xiàn)場澆筑的混凝土軌道板相比，博格板具有工廠化生產(chǎn)，加工精度高，固化時間短，不需要費時費工的現(xiàn)場制模和澆筑，必要時可進行軌道板高程調(diào)整等優(yōu)勢，但廠房和設(shè)備等一次性投入較高。博格板式無碴軌道為二十多年前開發(fā)的一種軌道板，但一直限于小段試鋪，最近得到EBA批準，在紐倫堡至英格施塔特新建線路得到大量使用，鋪設(shè)長達70 km，共計使用了約11 000塊不同的軌道板，下部結(jié)構(gòu)則有路基、橋梁、隧道等。
loarv300型扣件是目前德鐵無碴軌道的標準型式 (圖7)，一般區(qū)段的無碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計必須與標準扣件型式相匹配。此扣件的高低最大調(diào)整量+26／一4mm，軌距調(diào)整量±4 mm，橡膠墊板厚度12 mm，靜剛度值(22．5±2．5)kN／mm。德鐵使用其他型式的扣件還有336、A8、ERL／BWG和Krupp型等。
3 無碴軌道的主要技術(shù)要求
在滿足安全、舒適和環(huán)保要求的前提下，德鐵要求各類無碴軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須滿足下列基本要求：
(1)建設(shè)成本低；
(2)設(shè)計使用壽命60年；
(3)軌道彈性均勻；
(4)軌道狀態(tài)穩(wěn)定，可持久保持；
(5)最大限度地減少維修工作量；
(6)滿足高速列車渦流制動的要求；
(7)為將來列車運行速度的提高提供足夠的技術(shù)儲備。
德鐵對無碴軌道的研究與推廣應(yīng)用最開始主要針對土質(zhì)路基和隧道區(qū)段，以后逐步擴大到預應(yīng)力混凝土橋上，全區(qū)間無碴軌道的應(yīng)用為線路剛度的平順過渡，提高列車高速運行的平穩(wěn)性和舒適性創(chuàng)造了有利條件。針對不同結(jié)構(gòu)物(土質(zhì)路基、橋梁和隧道)上的無碴軌道結(jié)構(gòu)，德鐵對下部結(jié)構(gòu)物及上部軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工在規(guī)范上均有明確的技術(shù)要求。
3．1 土質(zhì)路基上的無碴軌道
無碴軌道線路狀態(tài)的調(diào)整由于只能通過扣件系統(tǒng)進行，因此相比有碴軌道而言，其對下部基礎(chǔ)的變形要求更為嚴格。德鐵在土質(zhì)路基上鋪設(shè)無碴軌道結(jié)構(gòu)時，對路基殘余變形量有如下規(guī)定：
(1)長期運營中的路基殘余變形量必須小于等于扣件的調(diào)高量減去5 mm(為列車荷載產(chǎn)生變形所留出的余量)；
(2)如在長度大于20 m的線路范圍產(chǎn)生較均勻的軌道下沉，則路基殘余變形量影響達到第(1)項的2倍；
(3)路基的下沉能按豎曲線R=0．4v (13為線路的設(shè)計速度)進行圓順；
(4)如路基殘余變形量大于扣件調(diào)高量減去余量的4倍或變形量無法進行圓順的路基上不能鋪設(shè)無碴軌道。對于使路基產(chǎn)生不可預測的殘余變形區(qū)段、地下水位高出鋼軌頂面以下1．5 m的路基區(qū)段均不應(yīng)鋪設(shè)無碴軌道。
為提高列車動力作用下土質(zhì)路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最大限度地控制工后沉降量，路基結(jié)構(gòu)采用自下至上剛度逐步提高的多層支承系統(tǒng)，包括：鋼筋混凝土(BTS)／瀝青混凝土支承層 (ATS)、素混凝土支承層(HBS)及防凍層(FPL)(圖8)等，針對新線、既有線的無碴和有碴線路，各層的變形模量(E )和壓實系數(shù)(D。 )均有明確的規(guī)定。圖9和l0所示為德國新建線路土質(zhì)路基上的無碴軌道標準橫斷面圖。
3．2 隧道內(nèi)無碴軌道
20世紀90年代初，德鐵開始在高速線(漢諾威一維爾茲堡、曼海姆一斯圖加特)的4座隧道內(nèi)鋪設(shè)無碴軌道，其隧道凈空面積為82 in ，線路橫斷面如圖ll所示，采用帶槽形板的軌道結(jié)構(gòu)，中部設(shè)凹槽方式限位，由于隧道內(nèi)的溫度變化較小，凹槽內(nèi)部未配筋。
德鐵隧道內(nèi)大規(guī)模鋪設(shè)是從柏林一漢諾威高速線 (隧道凈空面積82 m )開始，以后在運營時速300 km的科隆一法蘭克福、紐倫堡一英格城客運高速線上全面應(yīng)用，隧道凈空面積也增加到92 m ，德鐵正式批準的5種無碴軌道結(jié)構(gòu)均在高速線隧道內(nèi)有規(guī)模鋪設(shè)。德鐵規(guī)定在巖層斷裂、基礎(chǔ)不穩(wěn)定及地下水涌流的隧道內(nèi)，原則上不宜采用無碴軌道。圖12為隧道內(nèi)的ZtiBLIN型無碴軌道結(jié)構(gòu)，圖13為隧道內(nèi)Rheda型無碴軌道結(jié)構(gòu)。
3．3 橋上無碴軌道
德鐵上世紀90年代開始橋上無碴軌道的研究和試鋪?？紤]橋上無縫線路梁軌間的相互作用，通過降低鋼軌扣件的扣壓力，以減小傳遞到墩臺的縱向力。根據(jù)橋梁跨度的大小(以25 m為界)，無碴軌道結(jié)構(gòu)有所不同。對于25 m 以下的橋梁，一般采用簡化Rhe—da型。
為了減小預應(yīng)力混凝土橋梁徐變上拱的變化對橋上無碴軌道幾何狀態(tài)的影響，必須等待橋梁的上拱度變化基本完成之后再鋪設(shè)無碴軌道(即盡量延長粱體預應(yīng)力張拉完畢至無碴軌道鋪設(shè)的時間間隔)。對于橋上鋪設(shè)無碴軌道后，預應(yīng)力混凝土梁徐變上拱的限值控制在L／5 000(為橋梁跨度)。
為最大限度地減小由于混凝土橋梁梁端轉(zhuǎn)角與梁端懸出長度引起的上部無碴軌道狀態(tài)的變化 (圖14)，橋梁設(shè)計嚴格控制梁端支座斷面的轉(zhuǎn)角，單線橋：0．3％o(相當于撓跨比，／L=1／10 600)；雙線橋：0．5%。(相當于撓跨比，／L=1／6400)。同時盡量減小梁端懸出長度。圖15、16和圖17為橋上無碴軌道標準橫斷面(以Rheda型示例)。
4 我國發(fā)展無碴軌道建議
德鐵無碴軌道從理論分析、室內(nèi)試驗、運營線上短區(qū)段試鋪到目前大規(guī)模鋪設(shè)經(jīng)過近40年的發(fā)展歷程，盡管由于初期技術(shù)不成熟，造價相對較高而引起了較多的批評，但隨著高速線有碴軌道道碴磨損速率加快，維修工作量增大，以及無碴軌道技術(shù)的逐漸成熟，區(qū)段試鋪無碴軌道取得良好效果，自20世紀90年代后，在時速250 km以上的新建高速線全面推廣應(yīng)用無碴軌道結(jié)構(gòu)得到廣泛認同。
隨著我國列車運行速度的不斷提高和客運專線建設(shè)，研究和應(yīng)用穩(wěn)定性、剛度均勻性、耐久性好，維修工作量顯著減少的無碴軌道意義重大。目前我國鐵路提出的3種新型無碴軌道結(jié)構(gòu)的試驗僅局限在橋上和隧道內(nèi)，土質(zhì)路基上無碴軌道仍在前期理論研究階段，道岔區(qū)、伸縮調(diào)節(jié)器等特殊區(qū)段無碴軌道的研究尚未進行，要達到全區(qū)間大規(guī)模鋪設(shè)無碴軌道的目標還有大量的工作要做。為提高我國客運專線建設(shè)水平，在較短時間內(nèi)掌握無碴軌道關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)德國經(jīng)驗建議如下。
(1)積極學習借鑒國外先進成熟技術(shù)，促進我國無碴軌道技術(shù)發(fā)展。通過國內(nèi)外聯(lián)合設(shè)計、國外設(shè)計咨詢、國外監(jiān)理等多種形式的無碴軌道試驗段建設(shè)，系統(tǒng)學習國外先進技術(shù)，掌握其核心技術(shù)。
(2)通過室內(nèi)試驗、工程建設(shè)和運營考核，研究開發(fā)適合我國路情的無碴軌道系列產(chǎn)品，建立具有中國運營特點的線路體系(包括線上和線下工程等)。
(3)研究解決無碴軌道重點難點技術(shù)問題，如土質(zhì)路基上的無碴軌道、道岔區(qū)、伸縮調(diào)節(jié)器等特殊區(qū)段無碴軌道試驗研究，扣件墊板和相關(guān)理論研究等。研究梁與梁、路橋、有碴無碴、不同的地基之間過渡措施，無碴軌道與信號系統(tǒng)的適應(yīng)性問題。
(4)研究制定不同無碴軌道及相應(yīng)下部結(jié)構(gòu)物設(shè)計、施工和養(yǎng)修規(guī)定，逐步確定不同地基和土層條件下的合理工期。
(5)選派技術(shù)、管理人員赴國外學習交流，參加國外無碴軌道建設(shè)，及時了解國外發(fā)展動態(tài)。
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