國內(nèi)外高速鐵路橋上有砟軌道軌枕結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀分析

蔡小培,曲 村,高 亮

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

1 研究背景

國內(nèi)外高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)主要采用2種形式：有砟軌道與無砟軌道。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看,2種軌道結(jié)構(gòu)都能運(yùn)行時(shí)速300 km的高速列車。對于高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu),我國已進(jìn)行了長期系統(tǒng)的研究,初步形成了較為完善的技術(shù)體系；而對于高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu),路基及隧道中的研究較多,橋梁上的研究相對較少。因此,需要根據(jù)我國現(xiàn)階段的具體國情和鐵路的技術(shù)水平,結(jié)合我國高速鐵路建設(shè),對橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)的適用性及合理性進(jìn)行深入研究。

本文主要結(jié)合軌枕應(yīng)用情況、技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)性、養(yǎng)護(hù)維修等多方面指標(biāo)對Ⅲ型軌枕、彈性軌枕、寬軌枕、梯子式軌枕、框架式軌枕、德國B系列軌枕及法國雙塊式軌枕等7種主要軌枕形式的國內(nèi)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹,并對各種軌枕形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深入的分析和比較。

2 各種軌枕結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)綜述

2.1 Ⅲ型軌枕

Ⅲ型軌枕從1988年開始由鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院、鐵道部科學(xué)研究院等單位研制,分有擋肩和無擋肩2種[1,2],Ⅲa型為有擋肩,配套使用Ⅱ型扣件；Ⅲb型為無擋肩,配套使用Ⅲ型扣件[3]。軌枕長度原設(shè)計(jì)為2.6 m,為適應(yīng)不同鐵路的需要,現(xiàn)有2.5 m和2.6 m 2種長度,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相同[1]。Ⅲ型軌枕如圖1所示[1,4]。

圖1 Ⅲ型混凝土軌枕(單位：mm)

Ⅲ型軌枕在線路中應(yīng)用非常廣泛,《鐵路200 km/h既有線技術(shù)管理暫行辦法》明確規(guī)定200 km/h既有線提速應(yīng)采用Ⅲ型軌枕,宜按1 667 根/km配置。鄭州鐵路局在2006年鐵路第六次提速施工中,用42 d就更換了隴海線(鄭州—張閣莊段)25.9萬根Ⅲ型軌枕,平均每天6 000多根,最多一天達(dá)到9 200多根[5]。

Ⅲ型軌枕制造方便,便于運(yùn)輸,生產(chǎn)成本較低。鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)、維修方便,適合于大型機(jī)械施工。在普通線路和提速線路上使用時(shí),病害較少,養(yǎng)護(hù)維修成本較低；在高速鐵路橋上鋪設(shè)時(shí),軌道所受的動(dòng)力響應(yīng)較大,養(yǎng)護(hù)維修工作量還難以把握,需要根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果加以推測。

Ⅲ型軌枕有利于軌道受力狀態(tài)的改善、道床殘余變形的減緩,線路平順度得到大大增強(qiáng)。Ⅲ型軌枕有利于保持軌道的幾何尺寸,減少軌枕鋪設(shè)數(shù)量,改善軌枕結(jié)構(gòu),延長線路養(yǎng)護(hù)周期,節(jié)省維修工作量[1,6],降低成本。線路設(shè)備質(zhì)量提高,運(yùn)輸生產(chǎn)安全性增大。但我國的Ⅲ型軌枕最早是按重載軌道條件設(shè)計(jì)的,在時(shí)速300 km及以上的線路上進(jìn)行的試驗(yàn)、試鋪及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不是很豐富,需要通過理論結(jié)合試驗(yàn)的方式進(jìn)行更深入的研究。

2.2 彈性軌枕

在高架橋等剛性混凝土基礎(chǔ)上鋪設(shè)的有砟軌道,以降低其軌道剛度、提高軌道彈性、緩和列車沖擊作用、減輕道床振動(dòng)、減少道砟粉化、減輕養(yǎng)護(hù)工作量和降低軌道振動(dòng)、噪聲為主要目的,彈性軌枕的研發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)今高速鐵路有砟軌道的一個(gè)重大技術(shù)動(dòng)向[7]。

為達(dá)到上述目的,一般考慮在軌枕底面設(shè)置彈性墊層,即在混凝土軌枕底面粘貼橡膠墊層[7],如我國鐵路既有線鋪設(shè)的混凝土軌枕枕下彈性墊板,如圖2所示[7]。日本新干線研發(fā)并鋪設(shè)了除在軌枕底面外還在軌枕側(cè)面也覆置彈性橡膠層的彈性軌枕,以降低高速有砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量并防止軌道和結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)噪聲,如圖3所示[7]。在我國膠濟(jì)線上使用的TDZⅢ型復(fù)合彈性軌枕如圖4所示[8]。

圖2 我國鐵路既有線彈性軌枕(單位：mm)

圖3 日本新干線彈性軌枕

圖4 TDZⅢ型復(fù)合彈性軌枕

國內(nèi)外都對彈性軌枕進(jìn)行了理論研究與實(shí)踐試鋪,總體認(rèn)為彈性軌枕明顯降低了軌道剛度,提高了軌道彈性[9],保證行車的平穩(wěn)性、安全性,有利于強(qiáng)化有砟軌道,改善軌道的振動(dòng)沖擊作用,具有良好的減振、隔振效果,同時(shí)降低輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲；有利于減緩道床殘余變形積累速率,降低道床的振動(dòng)加速度和振動(dòng)能量,減少由鋼軌傳遞來的道床壓應(yīng)力和路基壓應(yīng)力,減少線路養(yǎng)護(hù)維修工作量及其費(fèi)用,延長線路綜合維修周期。

彈性軌枕也存在造價(jià)較高[10,11]的不利因素。由于防振橡膠層的影響,道床橫向阻力一般比普通軌枕偏小[7],可能導(dǎo)致軌道穩(wěn)定性減弱,列車運(yùn)行平穩(wěn)性、舒適性等受到影響。因此需要結(jié)合我國高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)特征,對其進(jìn)行進(jìn)一步的理論與試驗(yàn)研究。

2.3 寬軌枕

混凝土寬軌枕是一塊預(yù)制的混凝土板,與混凝土軌枕外形相似,又稱軌枕板[1]。其制造工藝與混凝土軌枕基本相同。寬軌枕長度與普通混凝土軌枕長度相同,均為2.5 m,而寬度約為后者的2倍[1]。寬軌枕由于寬度較大,直接鋪設(shè)在預(yù)先壓實(shí)的道床面上,在制造中對其厚度的控制要求較嚴(yán)格[1]。

混凝土寬軌枕在道床上是密排鋪設(shè),每塊枕上安裝1對扣件,由鋼軌傳來的力處于寬軌枕軸線的對稱位置,可避免荷載的偏心。混凝土寬軌枕軌道如圖5、圖6所示[1,12,13]。

圖5 混凝土寬軌枕示意

圖6 混凝土寬軌枕軌道

到目前為止,在德國鐵路網(wǎng)的2條試驗(yàn)線路上鋪設(shè)了寬軌枕軌道,約12 km長,并對此2條線路都進(jìn)行了大量的測試。測試項(xiàng)目包括：動(dòng)力測試、軌枕支撐的不對稱性檢測以及噪聲測試。同時(shí)還將測量結(jié)果與相鄰的參考軌道獲取的測試結(jié)果相比較[14]。當(dāng)列車運(yùn)量達(dá)到2 000萬t時(shí),測量出寬軌枕道床的沉降值只相當(dāng)于普通軌枕軌道的一半,此后軌道保持穩(wěn)定,列車最后的1億t運(yùn)量沒有引起軌道的任何變化。直到現(xiàn)在,沒有對軌道進(jìn)行過任何養(yǎng)護(hù)工作,而且運(yùn)行噪聲一直在減小[14]。

寬軌枕的應(yīng)用有一定的前提：首先要求基床堅(jiān)固穩(wěn)定,因此最宜用于隧道。如用到既有干線及大型客站,則路基必須穩(wěn)定,排水良好。對路基不穩(wěn)定地段,必須進(jìn)行加固。道床必須優(yōu)選材質(zhì)并進(jìn)行壓實(shí),然后鋪設(shè)寬軌枕軌道。

混凝土寬軌枕軌道可適用于運(yùn)輸繁忙、行車密度大的線路,與道砟具有較大的接觸面積,能很好地保持線路的幾何形位。軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量很少[15],從而減輕和改善了養(yǎng)護(hù)工作條件,減少作業(yè)次數(shù),節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。其混凝土用量較傳統(tǒng)有砟軌道軌枕多,產(chǎn)品造價(jià)可能較高。寬軌枕與道砟的接觸面大,但軌枕之間的間隙小,難以采用大型養(yǎng)路機(jī)械對道砟進(jìn)行維修作業(yè)。其能否用于我國高速鐵路橋上有砟軌道上,需要進(jìn)行理論分析研究。同時(shí)還要考慮寬軌枕的質(zhì)量大,增加了橋梁的二期恒載的影響,以及其對施工養(yǎng)護(hù)的較高要求。

2.4 梯子式軌枕

日本最早研制了梯子式軌枕結(jié)構(gòu),改變了傳統(tǒng)的橫向軌枕間隔放置來支承鋼軌的方式,改用混凝土縱梁連續(xù)支撐和固定鋼軌[10],左右縱梁之間用鋼管材料進(jìn)行橫向剛性連接,組成“梯子式”一體化結(jié)構(gòu)[16],如圖7所示[10,17]。

圖7 梯子式軌枕的外觀

這種線路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有可能使高架橋、普通線路產(chǎn)生革命性的變化[16]。通過減振裝置將梯子式軌枕支持在路基上,可使噪聲得到有效控制。采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,使得結(jié)構(gòu)功能大大優(yōu)化,結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕,有可能設(shè)計(jì)輕型、美觀的高架線路。

梯子式軌枕從橫向軌枕及軌道板的理論出發(fā),包含了兩者的優(yōu)點(diǎn)[16]。既能保證維修工作量比傳統(tǒng)有砟軌道的少,養(yǎng)護(hù)成本低,又比板式軌道、整體道床等少維修軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕[16]。結(jié)合減振降噪設(shè)備,梯子式軌枕更能適應(yīng)城市軌道交通的要求[16]。

為了評估梯子式軌枕結(jié)構(gòu)的耐久性和對梯子式軌枕維護(hù)減少的影響,日本方面在美國的科羅拉多州的普韋布羅試驗(yàn)線(TTCI)進(jìn)行了加速耐力的測試[18],使用重載貨運(yùn)列車,靜輪載是175 kN,列車時(shí)速64 km,如圖8所示[13]。

圖8 梯子式軌枕在TTCI試驗(yàn)

TTCI運(yùn)行試驗(yàn)的軌道沉降試驗(yàn)結(jié)果是[18,19]：總共通過的噸數(shù)達(dá)到了1.5億t,梯子式軌枕沒有一個(gè)單一的裂紋或任何其他損害,并且所有鋼管連接器仍然完好,只是在初期發(fā)生了3 mm的沉降；而采用橫向軌枕的軌道通過1.5億t時(shí)已進(jìn)行多次維護(hù)[19]。

根據(jù)國外資料顯示,梯子式軌枕在提高線路穩(wěn)定性、剛度均勻性和耐久性、減輕橋上二期恒載、保持線路幾何形位等方面有顯著的效果,在國外普通鐵路和我國城市軌道交通上已有應(yīng)用,但缺少高速鐵路有砟軌道的實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

梯子式軌枕能有效減小高架區(qū)間、隧道區(qū)間、路基狀況不良區(qū)間的維護(hù)工作量,延長線路的維護(hù)周期,降低養(yǎng)護(hù)維修成本。但由于單組梯子式軌枕鋼筋用量較多、結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大,需要特殊設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行制造、運(yùn)輸、吊裝和鋪設(shè),且損壞時(shí)需要更換整組軌枕。此外,還需要研究針對梯子式軌枕結(jié)構(gòu)的大型養(yǎng)護(hù)維修設(shè)備及施工工藝。

2.5 框架式軌枕

框架式軌枕是不同于傳統(tǒng)橫向軌枕的一種新型結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)加大了軌下部件與道砟層的承壓面積,降低了道床所承受的壓力,起到了減緩道床變形的作用,從而減少了軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量。

奧地利研發(fā)了如圖9所示的框架式軌枕[12],每根軌枕設(shè)置4套扣件,這使得軌道在水平面內(nèi)具有很大的剛度,保證了直線線形的穩(wěn)定性。在框架式軌枕底部,將彈性襯墊與混凝土結(jié)構(gòu)聯(lián)合使用,以改善道砟與混凝土的接觸面[20]。

圖9 框架式軌枕

從維也納到布達(dá)佩斯鐵路線上的第一條框架式軌枕試驗(yàn)路段僅長130 m,無法進(jìn)行更深入的研究[20]。盡管如此,它還是證實(shí)在同樣的運(yùn)量下,與相鄰的標(biāo)準(zhǔn)軌道相比,框架式軌枕的下沉和不平順度要低得多[20]。傳統(tǒng)軌道出現(xiàn)的下沉尤其深,只運(yùn)行1年以后,就必須在橫向軌枕軌道的整個(gè)長度上進(jìn)行搗實(shí)。然而,試驗(yàn)證明框架式軌枕軌道的形狀仍保持良好,據(jù)國外資料報(bào)道運(yùn)行近3年后,還是處于良好狀態(tài)[20]。

由于框架式軌枕結(jié)構(gòu)本身特性,混凝土和鋼筋的用量均較大,生產(chǎn)成本較高。此外,扣件系統(tǒng)布置比普通軌枕更加密集,進(jìn)一步增加了成本。我國還沒有專門用于框架式軌枕的大型養(yǎng)路機(jī)械,如鋪設(shè)此種軌枕,需要進(jìn)行專門研發(fā)或從國外直接進(jìn)口鋪架、養(yǎng)護(hù)機(jī)械,因此軌道施工、養(yǎng)護(hù)、維修成本較高。框架式軌枕軌道的成本比傳統(tǒng)軌道要高一些,但在節(jié)省維護(hù)的成本和減少道砟消耗方面還是有利的[21]。

框架式軌枕的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在減少了在軌枕下的壓力而且基本上避免了應(yīng)力的變化,巨大的水平抗力和框架剛度提供了持久不變的直線線形,沉降及沉降差的減少可使線路更加持久地保持軌道幾何形位,從而也保證了下部構(gòu)造更長的使用壽命[12]。

框架式軌枕至今還沒有在高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)上使用的先例[20]。此外,框架式軌枕混凝土結(jié)構(gòu)特殊,混凝土用量大,需要特殊設(shè)備進(jìn)行制造、運(yùn)輸、吊裝、鋪設(shè)和維護(hù)[20],制造成本和施工難度較高。框架式軌枕橫向、縱向均有連接,扣件數(shù)量多且布置與傳統(tǒng)軌道不同,軌道受力特性較為復(fù)雜。因此,需結(jié)合我國具體國情,對框架式軌枕進(jìn)行適應(yīng)性分析,還要考慮框架式軌枕的重力對橋梁二期恒載的影響以及其經(jīng)濟(jì)性問題。

2.6 德國B系列軌枕

德國于1987年至1991年開通的運(yùn)行速度為250 km/h至270 km/h的曼海姆—斯圖加特和漢諾威—維爾茨堡新線,鋪設(shè)了30 cm厚道床的UIC60 B70W 型標(biāo)準(zhǔn)軌道[22]。結(jié)果,在橋梁上,通過運(yùn)量總重不到2億t時(shí)道砟就受到嚴(yán)重?fù)p壞,不得不對大部分橋梁上的道砟進(jìn)行更換[22]。之后,德國采取的措施之一是通過擴(kuò)大枕底支承面積、增大軌枕質(zhì)量來降低道床頂面壓力,減少道砟的粉化。

德國1970年開發(fā)了B70型主導(dǎo)型混凝土軌枕[23],隨之又開發(fā)了B90型和B75型軌枕,如圖10所示[24]。軌枕的寬度由B70的300 mm發(fā)展到B75的330 mm,長度由2.6 m發(fā)展到2.8 m,軌枕的有效支承面積由5 930 cm2發(fā)展到7 560 cm2[25]。在漢諾威—柏林新建高速鐵路中B75軌枕的軌枕間距加大到630 mm,軌道彈性得到了改善。按照德國試驗(yàn)結(jié)果[13,26],當(dāng)?shù)来矇簯?yīng)力減小約10%時(shí),線路狀態(tài)惡化速率就降低1.21～1.46倍。

圖10 德國B系列軌枕(單位：mm)

從德國高速鐵路軌枕結(jié)構(gòu)的發(fā)展看,軌枕底面積及長度不斷增加,以減小枕下道床的壓力,減緩道砟的粉化。因此,從軌枕截面形式上考慮,對軌枕尺寸進(jìn)行優(yōu)化,有利于減小道床頂部的壓應(yīng)力。

德國的B系列軌枕基本形式與我國Ⅲ型軌枕相似,施工、養(yǎng)護(hù)、維修方便,綜合成本較低,但都有一定的適用條件。B70軌枕與我國Ⅲ型軌枕相比,其接觸面積、線路的縱橫向阻力等較小。B75軌枕,其長度較長,受橋梁的限界制約。由于我國高速鐵路建設(shè)的特殊性,B系列軌枕無法直接應(yīng)用于我國高速鐵路橋上有砟軌道結(jié)構(gòu)中。但是,德國的B系列軌枕的發(fā)展趨勢為我國高速鐵路橋上有砟軌道軌枕結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)提供了有益的借鑒。

2.7 法國雙塊式軌枕

早在60年代初,法國、荷蘭、瑞士、捷克等國家就開始研究應(yīng)用雙塊式軌枕[27]。當(dāng)時(shí)各國學(xué)者立意之主導(dǎo)思想是結(jié)構(gòu)新穎和節(jié)省生產(chǎn)投入。如法國早期的“Vogneus”型雙塊式軌枕采用中間連接鐵為角鋼,瑞士和匈牙利的中間連接鐵則采用圓管或圓管內(nèi)灌注水泥砂漿,捷克除采用中間連接鐵為2個(gè)槽鋼的方案外還試制了雙鉸式即中間連接為鋼筋混凝土塊,然后沿軌枕全長貫穿以預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉錨固[27]。荷蘭在20世紀(jì)60年代初試驗(yàn)研究了Zlg-Zag型軌枕(即中文譯成“之”字形軌枕),它是在梅花式的塊體支承之間采用中間連接鐵的方案[27]。

法國現(xiàn)有的雙塊式軌枕由2個(gè)鋼筋混凝土塊體用1根鋼桿連接而成[1]。這種軌枕整體性不如整體式混凝土軌枕[1]。但由于它用混凝土和鋼材組合而成,能充分發(fā)揮各自的力學(xué)性能優(yōu)勢[1]。圖11為法國鐵路上采用的雙塊式混凝土軌枕[1,10]。

法國在高速鐵路軌枕方面主要是加大軌枕的支承面積,減少道砟壓應(yīng)力。用于高速鐵路的U41型雙塊式軌枕比一般線路的軌枕底面積增加了928 cm2。

雙塊式軌枕可以應(yīng)用大型養(yǎng)路機(jī)械進(jìn)行快速施工,養(yǎng)護(hù)、維修成本較低。但法國高速鐵路應(yīng)用雙塊式軌枕運(yùn)營以來取得的成功,主要取決于較高的養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)和維修措施。此外,法鐵近年來發(fā)現(xiàn)雙塊式軌枕保持軌距的能力相對整體式軌枕差,雙塊式軌枕中部柔性連接的強(qiáng)度以及抑制軌道橫向變形的能力也都受到質(zhì)疑,法國開始逐漸推廣整體式軌枕。

瑞典鐵路原來大量采用雙塊式SJ—101型混凝土軌枕及相應(yīng)的長弓型扣件,但開行X2000型高速擺式列車后,這種軌枕下的道床變形、穩(wěn)定狀態(tài)不是很好,現(xiàn)在已決定淘汰SJ—101型軌枕,代之以新型的單塊式混凝土軌枕[10]。

圖11 法國雙塊式軌枕(單位：mm)

3 軌枕結(jié)構(gòu)對比分析

本文對國內(nèi)外的Ⅲ型軌枕、彈性軌枕、寬軌枕、梯子式軌枕、框架式軌枕、德國B系列軌枕及法國雙塊式軌枕等7種軌枕形式進(jìn)行了介紹和分析。由研究現(xiàn)狀分析可知,國內(nèi)外對于高速鐵路有砟軌道軌枕結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢主要是：通過增大軌枕長度(如德國B系列軌枕)或?qū)挾?如寬軌枕)來提高軌枕與道砟層的承壓面積(如框架式軌枕),以降低道床所承受的壓力,起到減緩道床變形的作用,從而減少了軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量；或者通過在軌枕與道床之間增加彈性墊層(如彈性軌枕),減少由鋼軌傳遞來的道床壓應(yīng)力和路基壓應(yīng)力,減少線路養(yǎng)護(hù)維修工作量,延長線路綜合維修周期。

各種類型軌枕相對于Ⅲ型軌枕的各項(xiàng)指標(biāo)比較見表1。

表1 各種類型軌枕相對于Ⅲ型軌枕的各項(xiàng)指標(biāo)比較

由表1對比可知：Ⅲ型軌枕、彈性軌枕、梯子式軌枕、德國B系列軌枕和法國雙塊式軌枕的實(shí)際應(yīng)用相對較為成熟；彈性軌枕能夠很好的改善軌道剛度和車、軌、橋之間的動(dòng)力特性,而寬軌枕、梯子式軌枕和框架式軌枕的改善能力則稍好；寬軌枕能夠很均勻的將上部荷載傳遞到下部道床結(jié)構(gòu),彈性軌枕、梯子式軌枕和框架式軌枕荷載傳遞的也較為均勻；當(dāng)橋上鋪設(shè)寬軌枕和框架式軌枕時(shí),橋梁上的二期恒載較大,而鋪設(shè)梯子式軌枕和雙塊式軌枕時(shí)二期恒載相對較小；彈性軌枕、寬軌枕和框架式軌枕的生產(chǎn)制造成本都相對較高；寬軌枕和框架式軌枕的養(yǎng)護(hù)、維修成本也比較高,而彈性軌枕的養(yǎng)護(hù)、維修成本則相對較低；寬軌枕、框架式軌枕和梯子式軌枕的機(jī)械化施工及維修的難度較高；彈性軌枕的減振、吸聲和降噪的性能很好,而寬軌枕和梯子式軌枕也相對較好。

具體采用何種軌枕形式應(yīng)用于我國的高速鐵路橋上有砟軌道,還應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合靜、動(dòng)力學(xué)仿真分析和現(xiàn)場試驗(yàn)綜合考慮。

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