武廣高速鐵路橋上鋪設無砟軌道關鍵技術研究

王森榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線站處，武漢 430063)

武廣高速鐵路橋上鋪設無砟軌道關鍵技術研究

王森榮

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司線站處，武漢 430063)

為解決武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設無砟軌道時，遇到跨越大梁縫、梁端轉角和位移過大、溫度跨度太大需設置鋼軌伸縮調節器、梁端軌道板穩定性、橋上鋪設道岔等系列問題。采用理論計算分析并結合工況實際，充分考慮設計參數的最不利因素，武廣高速鐵路實現了最大跨度168m橋上鋪設無砟軌道，在鋼箱系桿拱橋上鋪設無砟軌道，在橋上道岔區鋪設無砟軌道等技術難題，解決了大跨度橋上鋪設無砟軌道若干關鍵技術難題。

武廣高速鐵路;無砟軌道;橋梁;關鍵技術

武廣高速鐵路設計時速為350 km，全線長1 068.6 km，除武漢站和廣州南站鋪設有砟軌道外，其余均鋪設無砟軌道結構。全線大中橋679座，橋梁比例占全線44%，其橋梁的主要特點是橋梁比例大、高架橋、大跨度橋梁多，主跨超過60 m的特大橋梁有25座，主跨超過100 m的特大橋梁有15座。

武廣高速鐵路實現了在最大跨度為168 m的連續剛構橋、主跨為140 m的鋼箱系桿拱橋、高速道岔區特別是50號道岔區、橋上道岔區、無縫線路溫度跨度超過200 m的衡陽和株洲湘江特大橋上的鋼軌伸縮調節器區等均鋪設了無砟軌道結構，解決了無砟軌道跨越大梁縫、梁端扣件和道床板穩定性、橋上道岔區和鋼軌伸縮調節器區鋪設無砟軌道等關鍵技術難題。對武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設無砟軌道的若干關鍵問題進行探討。

1 無砟軌道跨越大梁縫研究

無砟軌道的扣件間距一般為600～650 mm，但由于橋梁處于線路平面小半徑曲線地段，或大跨度橋梁的溫度伸縮變形量比較大，或大跨度橋梁考慮人進梁體內檢查等因素，導致梁縫處兩相鄰扣件間距按照一般設計超過650 mm。武廣高速鐵路采用放大梁縫處單個扣件間距和設置梁端過渡板的方式，解決無砟軌道跨越大梁縫的難題，

1.1 放大梁縫處扣件節點間距

武廣高速鐵路對于扣件間距超過650 mm，但不是很大的情況下，無砟軌道跨越大梁縫采用放大梁縫處單個扣件間距至725 mm。當梁縫大于250 mm時，采用底座懸出梁端適當長度，但應滿足梁端位置距其第一組扣件的距離至少在225 mm以上，從而確保道床板端部結構的受力和耐久性滿足要求。

梁縫處單個扣件最大間距應通過對所在地區的溫度和列車等荷載作用下鋼軌強度、鋼軌豎向變形、鋼軌斷縫時的彈性擠開量、梁端轉角引起扣件上拔力等進行計算和研究確定。

1.2 采用設置梁端過渡板方式

武廣高速鐵路最大梁縫達到近400 mm，同時還有很多復雜梁縫的情況，為了使梁縫處無砟軌道結構滿足要求，當采用放大梁縫處單個扣件間距至725 mm還不能滿足要求時，武廣高速鐵路采用梁端設置過渡板的方式。梁端過渡板的設計如圖1所示。

圖1 梁端過渡板的設計圖示

武廣高速鐵路在東湖特大橋、汀泗河特大橋、胡家灣特大橋、梁家灣特大橋等設置了梁端過渡板結構，確保了列車通過大梁縫地段的安全性、穩定性和平順性(圖2)。

圖2 汀泗河特大橋上搭梁過渡板結構

梁端過渡板結構由鋼軌、扣件、過渡板、限位板、過渡板支座、橫向限位器等部分組成，其中過渡板和限位板為其核心組成部分。過渡板底面設板式支座，端部設限位結構，梁端過渡板和限位板采用鋼筋混凝土現場澆筑而成。限位板與橋梁采用鋼筋連接，并在限位板上設置限位裝置，從而確保橫向穩定性。

2 梁端無砟軌道穩定性研究

軌道結構的穩定性直接關系到列車運行的安全性，大跨度橋梁上無砟軌道結構的穩定性主要應考慮梁端扣件系統的穩定性和道床板(軌道板)的穩定性。

2.1 梁端扣件系統穩定性

橋上鋼軌扣件由于橋梁變形和梁端轉角等因素的影響，梁端的幾組扣件受到上拔力，當上拔力大于扣件彈條扣壓力時，扣件將失去穩定性，嚴重情況下扣件將被彈出，危及列車運行的安全。見圖3。

圖3 梁端變形對扣件系統的影響圖示

扣件上拔力的影響因素如表1所示，其主要影響因素為梁端轉角、同一橋墩上兩支座的沉降變形差和列車輪載作用等。

表1 梁端扣件受力的影響因素

圖4、圖5分別為不同梁端轉角和同一橋墩支座的沉降差對扣件系統受力的影響。從圖中的計算結果可以看出，梁端轉角和錯臺對梁端第1組和第2組扣件的上拔力影響最大。

圖4 不同梁端轉角對扣件系統受力

圖5 不同錯臺高度對扣件系統受力

武廣高速鐵路通過計算分析，在連續梁或大跨度橋梁與相鄰簡支梁的梁端第1組扣件的上拔力可能會超過扣件系統的抗拔力，因此均更換為具有更大抗拔力扣件。

2.2 梁端道床板穩定性

武廣高速鐵路無砟軌道道床板與底座為分離式層狀結構，當梁端扣件上拔力較大時，會引起道床板上抬，嚴重情況下可使道床板與底座脫離，影響軌道結構的穩定性。所以大跨度橋梁上鋪設無砟軌道應對道床板的穩定性進行分析。

武廣高速鐵路對道床板的穩定性計算分析，采用剛性基礎上的半無限長梁法，如圖6所示，設梁在扣件上拔力P作用下的變形在彈性范圍內發生純彎曲，則剛性基礎上長梁上抬長度和抬起量可近似微分方程采用初參數法求得。

圖6 無限長梁上抬長度及上抬位移圖示

3 無砟軌道與無縫線路設計

大跨度橋梁在溫度荷載作用下，“梁-軌”伸縮位移較大，為避免“梁-軌”之間相對位移過大而破壞軌道和橋梁結構，橋上無縫線路需設置鋼軌伸縮調節器，從而改善橋梁和軌道的運營狀態。

武廣高速鐵路橋上鋪設無縫線路的溫度跨度通過計算分析，在滿足鋼軌強度和穩定性時突破了200 m，全線無砟軌道結構地段僅在衡陽湘江特大橋和株洲西湘江特大橋上鋪設了鋼軌伸縮調節器(圖7)。

圖7 橋上鋼軌伸縮調節器區段無砟軌道

武廣高速鐵路橋上伸縮調節器區無砟軌道結構采用軌枕埋入式結構設計，其該區域內的結構設計與道岔區尖軌處相似，其無砟軌道結構從上至下為:鋼軌伸縮調節器、扣件、長枕、道床板、道床板限位結構、橋面保護層等組成。無砟軌道道床板采用分塊式設計，道床板與下部結構間設置中間隔離層并采用凹凸槽方式限位。

4 橋上鋪設無砟道岔技術研究

在武廣高速鐵路建設過程中，我國研發了時速350 km的高速道岔，并在道岔區均采用了無砟軌道結構，突破了在橋上道岔區鋪設無砟軌道的技術難題。武廣高速鐵路橋上道岔區采用了2種無砟軌道結構形式，即道岔區軌枕埋入式無砟軌道和道岔區板式無砟軌道。其道岔直線通過最高速度為350 km/h，側向通過最高速度為80 km/h。

4.1 橋上道岔布置方式研究

道岔與橋梁伸縮縫之間的最小距離直接影響道岔和橋梁的受力和變形，是橋上道岔區鋪設無砟軌道的一個關鍵控制指標。

武廣高速鐵路橋上道岔布置在一聯梁上，正線道岔全長范圍內梁體采用連續結構，道岔始端和終端距離梁端不小于18 m，如圖8所示。站線道岔在困難條件下，道岔連接部分可跨越梁縫，但應滿足尖軌尖端、尖軌跟端、心軌尖端、心軌跟端距離梁縫不小于18 m的要求。2聯鋪設無縫道岔的連續梁之間設置1孔以上簡支梁。

圖8 橋上道岔布置要求圖示(單位:m)

4.2 道岔區軌枕埋入式無砟軌道結構設計研究

武廣高速鐵路橋上共鋪設了6組道岔區軌枕埋入式無砟軌道結構，橋上道岔區鋪設軌枕埋入式無砟軌道結構如圖9所示。

圖9 橋上道岔區軌枕埋入式無砟軌道

道岔區軌枕埋入式無砟軌道結構，在道岔鋼軌和軌枕進行精調和固定后，對道床板進行現場澆筑，其具有施工方便快捷、施工機具設備要求相對低等優點。其軌道結構由鋼軌、扣件系統、岔枕、鋼筋混凝土道床板、橋面保護層、限位凹槽等部分組成。并在道床板頂面設置橫向排水坡，道床板內的縱橫向鋼筋及縱向鋼筋間根據綜合接地和軌道電路絕緣要求設置焊接接頭或絕緣卡。

橋上道床板下設置鋼筋混凝土保護層，每塊道床板設置4～6個限位凸臺，如圖10所示。道岔區道床板與保護層之間設置中間隔離層。

圖10 橋上道岔區限位擋臺布置圖示

4.3 道岔區板式無砟軌道結構設計研究

武廣高速鐵路在雷大橋特大橋上鋪設了2組道岔區板式無砟軌道結構。橋上道岔區鋪設板式無砟軌道結構如圖11所示。

圖11 橋上道岔區板式無砟軌道

道岔區板式無砟軌道結構，采用預制軌道板現場鋪設，直接對軌道板進行精調和固定后，完成岔區無砟道床的施工，最后進行道岔鋼軌的鋪設和精調。其具有施工快、不受道岔鋼軌配送的制約等優點，但對軌道板制造要求和鋪設精度要求比較高。其軌道結構由鋼軌及扣件系統、軌道板、砂漿墊層、底座板、滑動層、側向擋塊等部分組成。

軌道板采用預制結構，鋪設軌道板時不需拼裝道岔，可解決道岔供貨不足與施工工期的矛盾。

5 軌道平順性研究

大跨度橋梁與中小跨度橋梁最顯著的區別是靜活載撓度大、梁端伸縮量大、梁端轉角也可能比較大，可能造成軌道的不平順，對行車產生影響。所以需對大跨度橋上鋪設無砟軌道進行軌道平順性分析。

武廣高速鐵路對大跨度橋上無砟軌道，建立了“列車-無砟軌道-橋梁系統”耦合動力學仿真分析，其耦合動力學模型如圖12所示。采用計算機仿真分析，對列車在無砟軌道結構上運行的安全性和舒適性進行評估，對橋梁結構的動力響應進行分析。

圖12 列車-無砟軌道-橋梁耦合動力學模型

6 結論

通過對武廣高速鐵路大跨度橋上鋪設無砟軌道結構的研究與應用，已初步形成了我國高速鐵路大跨度橋上鋪設無砟軌道結構的設計理論體系和設計方法，其主要成果如下。

(1)梁縫處單個扣件間距可由600～650 mm放寬至725 mm進行控制設計。

(2)當采用放大梁縫處單個扣件間距還不能滿足要求時，可采用梁端設置過渡板的方式進行跨越大梁縫設計。

(3)梁端轉角和同一橋墩上兩支座的沉降變形差是引起梁端扣件上拔力的主要原因，當梁端扣件上拔力超限時，應更換為具有更大抗拔力的扣件。

(4)梁端道床板應考慮扣件上拔力的影響，具有足夠長度和厚度，從而保證梁端道床板的穩定性。

(5)武廣高速鐵路橋上鋪設無縫線路的溫度跨度突破了200 m;對橋上無縫線路溫度跨度進行檢算不滿足要求時，應設置鋼軌伸縮調節器。

(6)橋上道岔區無砟軌道可采用長枕埋入式或板式無砟軌道結構，道岔始端和終端距離梁端不小于18 m。

(7)大跨度橋上鋪設無砟軌道可采用“列車-無砟軌道-橋梁系統”耦合動力學進行軌道平順性評估仿真分析。

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Study on Key Technology of Paving the Ballastless Track on Bridge in Wuhan－Guangzhou High-Speed Railway

WANG Sen-rong
(Route and Station Yard Department，China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

The purpose of this study is to solve a series of technical problems when paving the ballastless track on long-span bridge of Wuhan-Guangzhou High-speed Railway，such as passing through largescale girder's juncture，installing the rail expansion joints because of the overlarge gird-end rotation and displacement and overlarge temperature-span，the stability of gird-end track slab，laying the turnout on bridge，etc.Through theoretical calculation and analysis based on operation condition and the most adverse factors，several key technical problems of paving the ballastless track on the long-span bridge were solved in Wuhan-Guangzhou High-speed Railway，that are:paving the ballastless tracks on the bridge with the longest span of 168m，paving the ballastless tracks on the bridge with steel box tied-arch，and paving the ballastless tracks on the bridge's turnout zone.

Wuhan-Guangzhou High-speed Railway;ballastless track;bridge;key technology

U238;U213.2+44

A

1004-2954(2012)07-0001-04

2012-02-13

王森榮(1980—)，男，工程師，2007年畢業于西南交通大學，工學碩士，E-mail:wsr88@126.com。