CRTSⅠ型與CRTSⅡ型板式無砟軌道結構特點分析

李中華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津300142)

1 無砟軌道概述

根據我國《中長期鐵路網規劃》,到2020年我國鐵路將建成“四縱四橫”快速客運通道及3個區域城際快速客運系統。高速度、高密度、長距離跨線運輸是我國客運專線主要運營特點。為滿足行車安全、乘車舒適和準點行車的要求,客專和高鐵線路必須具有平順、穩定、耐久和少維修的性能[1]。而無砟軌道具有整體穩定性強、剛度均勻性好、線路平順度高、耐久性強的突出優點,并可顯著減少線路的維修工作量[2]。

無砟軌道在國外高速鐵路已經得到廣泛應用,并已在許多方面顯示出明顯的優越性,取得了良好的技術和經濟效益[3]。我國對無砟軌道也進行了大量的研究與應用,在橋上及隧道內已鋪設過若干試驗段,比如遂渝線無砟軌道綜合試驗段。隨著京津城際鐵路(見圖1)、合武客運專線、石太客運專線的開通運營,這些都將為我國客運專線和高速鐵路的設計、施工、運營打下技術基礎。

圖1 京津城際鐵路

無砟軌道結構形式種類繁多,技術性能上也各有特點[4]。目前國際上沒有對無砟軌道的統一分類法,按照無砟軌道結構進行分類,可分為整體結構式和直接支承結構式,按照施工工藝可分為現澆混凝土式和預制板式[5]。本文所要分析的CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅡ型板式無砟軌道均屬于預制板式無砟軌道,為精簡敘述,以下分別稱為Ⅰ型板式軌道和Ⅱ型板式軌道。

2 結構組成

2.1 Ⅰ型板式軌道結構組成

Ⅰ型板式軌道由鋼軌、扣件、預制軌道板、乳化瀝青水泥砂漿(CA砂漿)、混凝土凸形擋臺及底座板等部分組成,軌下設置充填式墊板[6]。Ⅰ型板式軌道結構組成示意圖見圖2。

圖2 Ⅰ型板式軌道結構組成示意圖

2.2 Ⅱ型板式軌道結構組成

路基上Ⅱ型板式軌道的層次構成依次為:級配碎石構成的防凍層(FSS)、30 cm厚的瀝青水泥砂漿層、20 cm厚的軌道板、扣件系統等(見圖3)。

圖3 路基上Ⅱ型板式軌道系統結構圖

3 板型分類

3.1 Ⅰ型板式軌道的板型分類

Ⅰ型軌道板分為預應力平板(P)、預應力框架板(PF)和鋼筋混凝土框架板(RF);按軌道板長度分為4 962 mm、3 685 mm、4 856 mm。預應力平板(見圖4)及預應力框架板采用后張、部分預應力混凝土結構;鋼筋混凝土框架板采用普通鋼筋混凝土結構;配筋按截面中心對稱布置;軌道板內預埋扣件絕緣套管和軌道板起吊用套管。

考慮到Ⅰ型板式軌道在不同地區、不同環境的使用要求,設計了適用于不同線下基礎的預應力平板、框架板、非預應力平板、框架板以及減振板等Ⅰ型板式無砟軌道結構。其中預應力平板主要用于寒冷地區,框架型(見圖5)主要用于溫暖地區,實際應用中可根據不同地區氣候環境條件進行選型。

圖4 Ⅰ型平板式無砟軌道

圖5 Ⅰ型框架板式無砟軌道

3.2 Ⅱ型板式軌道的板型分類

3.2.1 標準預制軌道板(標準板)

標準預制軌道板長6 450 mm、寬2 550 mm、厚度200 mm,混凝土的設計強度為C55,每塊板混凝土用量3.45 m3,板重約 8.6 t。

3.2.2 特殊預制軌道板(特殊板)

特殊預制軌道板為最大長4.5 m、板厚300 mm的鋼筋混凝土板,特殊預制軌道板設有減振系統(質量彈簧系統),必要時還可在特殊預制軌道板里安裝信號設備。

3.2.3 補充型預制軌道板(補償板)

由于存在著橋梁、隧道、道岔和新線與既有線路的連接處等控制點,必要時需對預制軌道板的長度進行調整,為此可生產長度從0.60 m到6.50 m不等的預制軌道板[7]。

4 各地段板式軌道斷面尺寸

4.1 各地段Ⅰ型板式軌道斷面尺寸

直線路基地段Ⅰ型板式軌道結構高度為757 mm。曲線路基地段在混凝土底座上設置超高,曲線路基地段Ⅰ型板式軌道斷面圖見圖6。直線橋隧地段Ⅰ型板式軌道結構高度為657 mm,曲線橋隧地段在混凝土底座上設置超高[8]。

4.2 各地段Ⅱ型板式軌道斷面尺寸

橋梁地段Ⅱ型板式軌道由鋼軌、扣件、Ⅱ型板、砂漿調整層、連續底座板、滑動層、側向擋塊等組成(見圖7)。梁面設置齒槽及預埋剪力筋,梁縫處設置硬泡沫塑料板。以某曲線隧道地段為例,其Ⅱ型板式軌道斷面圖見圖8。

圖6 曲線路基地段Ⅰ型板式軌道斷面圖(單位:mm)

圖7 橋梁地段Ⅱ型板式軌道結構示意圖

圖8 曲線隧道地段Ⅱ型板式軌道斷面圖(單位:mm)

5 對線下工程設計要求

5.1 對路基設計要求

5.1.1 Ⅰ型板式軌道對路基設計要求

曲線超高在混凝土底座上設置,底座兩側鋪設厚0.08 m的瀝青混凝土,路基中間設置線間集水井[9],無砟軌道范圍內的水向兩側及線間集水井排出(見圖9)。

圖9 路基地段Ⅰ型板式軌道示意圖

5.1.2 Ⅱ型板式軌道對路基設計要求

曲線超高在路基基床表層設置,直線地段采用C25混凝土填封層向線路兩側排水,曲線地段采用線間集水井排水[10]。在摩擦板、端刺及過渡板設置區域,路基填料需根據摩擦板長度不同進行個別設計。

5.2 對橋梁設計要求

5.2.1 Ⅰ型板式軌道對橋梁設計要求

曲線超高在混凝土底座上設置。底座范圍內梁面不設防水層和保護層,軌道中心線2.6 m范圍內的梁面在梁場預制時應進行拉毛處理,梁體采用預埋套筒植筋與底座連接;以Ⅰ型4962板為例,梁體預埋鋼筋(見圖10)。底座范圍外鋪設防水層及保護層,橋面采用三列排水方式。

圖10 Ⅰ型板式軌道預埋鋼筋圖(單位:mm)

5.2.2 Ⅱ型板式軌道對橋梁設計要求

曲線超高在底座混凝土板上設置,連續底座板與梁面間鋪設兩布一膜滑動層,梁縫處設置預埋剪力筋并鋪設硬泡沫塑料板,底座兩側每隔一定距離設置側向擋塊[11]。排水方式采用三列排水,橋面設置加高平臺。以32 m簡支梁為例,Ⅱ型板式軌道側向擋塊及剪力鋼筋布置圖(見圖11)。

圖11 Ⅱ型板式軌道側向擋塊及剪力鋼筋布置圖(單位:mm)

5.3 對隧道設計要求

Ⅰ型板式軌道曲線超高在混凝土底座上設置,排水方式為三列排水;Ⅱ型板式軌道曲線超高在混凝土支承層上設置,排水方式為三列排水。

6 軌道系統技術特點

6.1 Ⅰ型板式軌道技術特點

6.1.1 Ⅰ型板式軌道的整體性能

Ⅰ型板式軌道結構高度低,道床寬度小。Ⅰ型框架板式軌道可節省鋼筋和混凝土料,降低橋梁的二期恒載,造價較低,但沒有降低軌道板實際承受列車荷載的有效強度,不影響列車荷載的傳遞,在隧道內應用時可減少隧道的開挖斷面。Ⅰ型板式軌道在基礎上設置了凸形擋臺,凸形擋臺與混凝土底座板同步施工,依靠凸形擋臺對軌道板進行定位,施工相對簡便。

6.1.2 Ⅰ型板式軌道的制造和施工

Ⅰ型軌道板為工廠預制,其質量容易控制,施工速度快[12];由于其采用“由下而上”的施工方法,施工過程中不需工具軌;在特殊減振及過渡段區域,通過在軌道板底粘貼彈性橡膠墊層,易于實現下部基礎對軌道的減振要求。在橋上鋪設Ⅰ型板時,受橋梁不同跨度的影響,需要不同長度類型的軌道板配合使用;曲線地段鋪設時,線路超高順坡、曲線矢度的實現對扣件系統的要求較高;Ⅰ型板式軌道中CA砂漿調整層的施工質量直接影響軌道的耐久性;Ⅰ型板式軌道的制造、運輸和施工專業性較強,包括:Ⅰ型板的制造、運輸、吊裝、鋪設;CA砂漿的現場攪拌、試驗、運輸和灌注;軌道狀態調整過程中的充填式墊板、樹脂灌注等。

由于水泥瀝青砂漿調整層的存在,受自然環境因素的影響較大,為提高Ⅰ型板式軌道的耐久性,對于軌道板底的CA砂漿調整層,以灌注袋的形式取代初期模式的直接灌注,以減少CA砂漿層的環境暴露面,從而實現軌道結構少維修的設計初衷。

6.2 Ⅱ型板式軌道技術特點

6.2.1 Ⅱ型板式軌道的制造與施工

圖12 Ⅱ型軌道板生產車間

Ⅱ型板采用橫向預應力結構,通過設置預裂縫控制隨機裂紋產生。采用工廠化預制,其生產車間(見圖12),每塊板上有10對承軌臺,承軌臺的精度用機械打磨并由計算機控制。通過數控機床打磨工藝獲得高精度的軌道幾何,軌道板具有唯一性。軌道板之間通過縱向精軋螺紋鋼筋連接,較好地解決了板端變形問題,行車舒適度較高。

工地施工時,不需對每個軌道支撐點進行調節,使工地測量工作大大減少。工地的主要工作是瀝青水泥砂漿層的灌注,灌漿層在灌注5～6 h后即可硬化,具有可修復性,除在每個鋼軌支撐點處(軌道扣件)有調高余量外,還可以調整Ⅱ型板本身的高程。

圖13 端刺、摩擦板及過渡板縱斷面示意圖

6.2.2 各地段Ⅱ型板式軌道的技術特點

路基、隧道地段現場混凝土澆筑量較少,鋼軌調整工作量很低,施工進度快。通過高精度的測量和軌道板精調系統,軌道幾何形位精確,Ⅱ型板鋪設后軌道幾何精度高,最大限度地降低了鋪軌后的精調工作,人為因素干擾小。通過軌道板間縱向連接解決了板端部變形問題,軌道結構整體性好、線路平順度高。

橋梁地段Ⅱ型板及底座采用連續結構主要承受縱向荷載,側向擋塊作為橫向限位結構承受橫向荷載。通過設置滑動層隔離軌道系統與橋梁的相互作用,大跨連續梁地段可取消鋼軌伸縮調節器。而對于頂面無覆土且全長超過40m的橋梁結構鋪設橋上Ⅱ型板式軌道時,橋梁兩端路基上應設置端刺、摩擦板及過渡板(見圖13)。

6.3 板式軌道技術參數

兩種板式軌道都要求充填式墊板表面光滑平整、修邊整齊,兩個工作面上的承壓范圍內,因橡膠墊板引起的溝槽表面凸出量不得超過0.8 mm,充填式墊板的絕緣電阻不小于1 MΩ。充填式墊板疲勞試驗后,厚度變化率不大于5%。

兩種板式軌道CA砂漿的技術要求見表1。

表1 兩種板式軌道CA砂漿的技術要求表

6.4 Ⅱ型板式無砟軌道工程分析

京津城際鐵路采用了Ⅱ型板式無砟軌道,自開通運營以來,狀態良好。采用60 g?m-1鋼軌、Vossloh300-1型扣件,其軌道板為單向預應力、有擋肩結構,經過數控磨床對承軌臺的精密打磨,軌道幾何精度較高。通過布設精測網和精調系統,軌道幾何形位精準,行車安全性和舒適性高。

7 結束語

Ⅰ型板式軌道與Ⅱ型板式軌道在結構上差異較大,Ⅰ型板式軌道在板間設置凸形擋臺,Ⅱ型板式軌道板間通過張拉鎖件連接其縱向螺紋鋼筋。Ⅰ型板式軌道外形上分為平板和框架板,Ⅱ型板式軌道外形上分為標準板、特殊板和補償板。曲線路橋隧地段Ⅰ型板式軌道的超高均設置在混凝土底座上,曲線路橋隧地段Ⅱ型板式軌道的超高分別設置在路基基床表層、連續底座板、混凝土支承層上。除路基地段Ⅱ型板式軌道外,雙線地段兩種軌道的排水方式均采用三列排水。Ⅰ型板比Ⅱ型板制造簡單、造價稍低。Ⅱ型板式無砟軌道比Ⅰ型板式無砟軌道幾何精度高、整體性和縱向連續性好。

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