自主創新CRTSⅢ型板式無砟軌道系統研發及應用

■ 趙有明 葉陽升 王繼軍 江成 王夢

自主創新CRTSⅢ型板式無砟軌道系統研發及應用

■ 趙有明 葉陽升 王繼軍 江成 王夢

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國自主研發的新型無砟軌道，通過軌道結構及接口、軌道板制造、自密實混凝土制備及施工、布板及精調等關鍵技術的系統創新，基本形成了設計、制造、施工等成套技術，建立了系統的標準體系和知識產權保護體系。盤營客運專線綜合試驗期間，動車組列車最高試驗速度397 km/h，系統驗證了軌道結構對高速行車的適應性，并在我國高速鐵路建設中推廣應用。

高速鐵路；CRTSⅢ型；無砟軌道；復合板；自密實混凝土

1 研發背景

我國客運專線無砟軌道技術再創新研究在無砟軌道設計理論和方法、無砟軌道結構及接口設計技術、工程材料及制造、施工裝備和工藝等方面取得了一系列研究成果。針對我國鐵路的運營條件、地域條件相繼研發了CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式及雙塊式無砟軌道系統，形成了無砟軌道設計、制造、施工、檢測等成套技術，并在我國高速鐵路建設中全面推廣應用。隨著我國多條高速鐵路的陸續投入運營及對無砟軌道系統技術研究的進一步深入，我國已具備開展具有完全自主知識產權的新型無砟軌道系統技術研發工作的條件。

2008年針對設計時速200 km及以下的城際鐵路運營條件，基于結構設計優化，降低軌道工程建設成本，開展了無砟軌道結構優化試驗研究，結合成都—都江堰鐵路工程建設，研發應用了CRTSⅢ型板式無砟軌道結構系統，并建立無砟軌道試驗段。2010年3月，對采用CRTSⅢ型板式無砟軌道的成都—都江堰鐵路進行了聯調聯試，動車組最高試驗速度達到252 km/h[1]。

為形成具有我國自主知識產權的高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統，發展和完善我國高速鐵路無砟軌道技術體系，2011年，原鐵道部立項開展《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統深化試驗研究》，依托盤營客運專線工程，系統開展了高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道設計理論及關鍵參數研究、軌道結構及接口技術研究、關鍵工程材料研究、軌道板制造技術研究、軌道結構施工關鍵技術研究、室內外試驗及長期監測研究、養護維修技術研究、結構耐久性研究和技術經濟性分析，形成了高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道成套技術[2]，并在沈丹、成綿樂（眉樂段）、鄭徐、京沈等高速線路推廣應用。

2 結構組成及技術特點

2.1 結構組成

CRTSⅢ型板式無砟軌道系統經過前期研究、工程建設及運營實踐，已基本定型，路、橋、隧等不同下部基礎上均采用單元分段式結構，軌道結構由鋼軌、扣件系統、混凝土軌道板、自密實混凝土層和底座等部分組成（見圖1）。預制混凝土軌道板底面預留連接鋼筋，與軌道板下澆筑的自密實混凝土形成復合結構；混凝土底座現場分段澆筑，對應每塊軌道板設置2個限位凹槽，與后期澆筑自密實混凝土形成的凸臺形成限位結構；底座和自密實混凝土層之間設置隔離層。其主要結構特征如下：

（1）預制軌道板與現澆自密實混凝土層形成“復合板”結構。

（2）沿線路縱向，復合板與混凝土底座為單元結構。

（3）復合板與設置凹槽、頂面設隔離層的混凝土底座形成凹凸結構，為軌道提供水平限位和特殊情況下的修復便捷性。

（4）預制軌道板提供與軌道電路、綜合接地的接口。

其中，預制軌道板與現澆自密實混凝土層形成“復合板”結構是CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的基本特征。

2.2 技術特點

綜合分析我國高鐵目前采用的幾種無砟軌道技術特點，CRTSⅢ型板式無砟軌道系統具有如下技術特點：

（1）軌道板工廠化預制，可充分利用板式無砟軌道的技術優勢。

（2）采用單元式復合結構，受力體系合理，結構穩定。

（3）采用自密實混凝土作為充填材料，無砟道床主體為鋼筋混凝土結構；底座與復合板間設有隔離層，可減少層間離縫；耐久性較好，動力性能與其他類型無砟軌道相當。

（4）軌道結構可適應溫暖、寒冷和嚴寒地區等不同氣候條件，具有較好的環境適應性。

（5）軌道結構工程造價適宜，性價比較好。

（6）復合板與頂面設隔離層的底座間可分離，特殊情況下的修復性較好。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結構分層

3 系統創新

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道充分借鑒了CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道結構的優點，并在設計理論、結構設計、工程材料、建造技術等方面進行了系統創新。

3.1 理論創新

3.1.1 復合板形成機理及性能演化規律

預制軌道板與現澆自密實混凝土形成復合結構是CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的基本特征，也是決定軌道結構靜動力特性的關鍵因素。因此，復合板的形成機理及性能演化規律成為CRTSⅢ型板式無砟軌道結構理論體系需要解決的首要問題。課題組系統研究了混凝土強度等級、界面粗糙度、層間是否配置連接鋼筋等因素對界面抗剪和抗拉性能的影響，并結合軌道結構受力特性分析，提出自密實混凝土收縮限值，并提出軌道板底面應進行拉毛處理并預留連接鋼筋的技術措施，有力保證了復合板的形成和長期性能。同時，結合西寶客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段進行了動力性能試驗，試驗結果表明，軌道板與自密實混凝土層共同受力、共同變形、共同振動，軌道板與自密實混凝土層形成有機整體[3]。

3.1.2 路基區段軌道結構選型[4]

路基區段無砟軌道結構有單元和縱向連續2種結構形式。單元分段式結構能夠有效釋放溫度荷載對軌道結構的影響，但需要設置鋼筋混凝土底座和限位結構，影響結構的施工性和經濟性；縱向連續結構下部采用不配筋的支承層結構，通過縱向連續的整體性保證結構的橫向穩定性，軌道結構施工性和經濟性較好，但溫度荷載對軌道結構的受力和變形影響較大。課題組通過2種軌道結構形式靜動力特性的對比分析，結合路基縱向連續結構高溫季節出現的溫度變形現象及前期工程實踐，提出路基區段采用單元分段式結構，并結合軌道結構穩定性及底座受力特性，提出底座分段長度的合理取值范圍。

3.1.3 軌道結構關鍵參數及部件功能定位

針對CRTSⅢ型板式無砟軌道結構中軌道板與自密實混凝土形成復合板結構的受力特點，在客運專線無砟軌道技術再創新“梁-板”有限元模型基礎上，提出采用“梁-實體”有限元模型進行荷載作用下軌道結構響應的計算分析，系統研究了列車荷載、溫度梯度及整體溫度等荷載及其耦合作用下，軌道結構各組成部分的受力特性，結合我國高速鐵路線下基礎特點，研究確定了軌道結構設計參數，明確了軌道結構各組成部分的功能定位。

3.2 設計技術創新

3.2.1 軌道結構及接口設計

針對我國高速鐵路不同工程條件和環境條件，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自主創新了路、橋、隧等不同線下基礎上單元分段式結構設計，提出無砟軌道與線下基礎、排水等站前工程和軌道電路、綜合接地等站后工程的相關接口技術要求；并在室內試驗基礎上，完成了減振型CRTSⅢ型板式無砟軌道及過渡段結構和剛度設計，應用于蘭新二線嘉峪關穿越長城隧道減振區段。

3.2.2 軌道板設計

結合高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道受力特點和我國南北差異較大的環境條件，研制了具有良好環境適應性和耐久性的雙向預應力混凝土軌道板，并在后張預應力軌道板規模化工程應用基礎上，研發了雙向先張預應力軌道板，完善了我國高速鐵路板式無砟軌道預應力軌道板技術體系。

3.3 工程材料創新

3.3.1 自密實混凝土

自密實混凝土層是CRTSⅢ型板式無砟軌道結構的重要組成部分，其位于底面預留連接鋼筋的預制軌道板和具有較強吸水性能的土工布隔離層之間，封閉腔體、層內鋼筋網片、板底連接鋼筋及土工布吸水性能等具體條件要求自密實混凝土具有良好的自流平性能、穩泡性能、間隙通過性能、自充填性能、黏聚性、保水性和流動性。課題組針對CRTSⅢ型板式無砟軌道結構中自密實混凝土的功能定位，提出了擴展時間T500及坍落擴展度等新拌混凝土性能、56 d抗壓強度及收縮值等硬化混凝土性能和工藝性試驗等相關技術要求，確定了自密實混凝土配合比設計原則及設計流程，為規模化和工程化應用提供了技術支撐。

3.3.2 軌道板混凝土性能提升技術

軌道板與自密實混凝土層的黏結性能直接影響軌道結構的服役狀態，為提高界面黏結性能，課題組通過活性礦物摻和料作用機理研究，提出功能化膠凝材料的技術途徑，使水泥和復合摻和料構成的膠凝材料體系具有較好的級配組成和活性，研制出低黏度、高觸變性的軌道板混凝土，提高了軌道板混凝土澆筑效率，拉毛后板底粗骨料外露、基底密實，外觀質量良好。

3.4 建造技術創新

3.4.1 布板及精調技術

根據線路平、縱面線形及下部基礎情況，基于軌道結構單元分段式結構特點，綜合考慮基礎分界點、梁縫等因素，自主研發了CRTSⅢ型板式無砟軌道設計布板、施工布板及軌道板精調軟件。基于布板及精調軟件，可進行全線軌道板優化配置，從而減少異形板類型；可進行曲線區段軌道板模板擋肩調整量計算，為軌道板場生產提供指導；可基于線路設計參數，指導底座標高控制及軌道板和鋼軌精調；同時，可提供全線軌道結構各層關鍵控制點的空間坐標，為BIM技術在鐵路系統的工程應用提供支撐。

3.4.2 軌道板制造技術

CRTSⅢ型板式無砟軌道采用有擋肩WJ-8型扣件系統，為減小軌道精調工作量，并為運營階段養護維修提供充足的調整空間，曲線區段軌道板采用了模板擋肩調整技術，并自主研制了軌道板一維（水平）、二維（垂直和水平）可調模板，通過模板承軌部位調整實現曲線軌道板的一次制造精度。

同時，結合雙線先張預應力軌道板結構特點，自主創新了“矩陣單元”生產工藝[5]，每個張拉臺座設置8塊軌道板模板，呈“2×4矩陣”布置；軌道板預應力筋定長下料，端部不露出軌道板側面，兩端通過螺紋與張拉桿相連；相鄰模板對應張拉桿之間設置連接器，實現張拉端張拉梁與固定端反力墻之間傳力的連續性；預應力鋼筋整體張拉，同步放張；軌道板混凝土逐模澆筑、逐模振動；矩陣單元整體養護。通過軌道板生產工藝和配套工裝設備的系統研究，形成了24 h生產工藝，國際上首次實現了雙向先張預應力軌道板的規模化生產。

3.4.3 自密實混凝土制備及灌注技術

自密實混凝土層是CRTSⅢ型板式無砟軌道結構實體質量的關鍵，課題組結合盤營客運專線、湖北省內城際鐵路、成綿樂客運專線（眉樂段）、西寶客運專線試驗段、鄭徐客運專線等工程實踐，基于當地原材料資源，形成了適應不同環境條件的自密實混凝土制備技術；創新了軌道板中部單孔灌注、復合透氣型模板封邊的灌注工藝，并確定了自密實混凝土終灌條件，明確了軌道板扣壓和防側移裝置的技術要求。為進一步減少現場施工損耗，保證灌注質量，研發了自密實混凝土移動攪拌站，在降低原材料損耗的同時，提高了施工效率。

3.5 主要創新成果

在系統研究成果基礎上，后張法預應力軌道板、先張法預應力軌道板、自密實混凝土、隔離層用土工布、三元乙丙橡膠彈性緩沖墊層、嵌縫材料、減振墊層等7項軌道結構部件及工程材料暫行技術條件已頒布實施，隨著軌道結構通用參考圖、軌道結構施工技術指南及軌道工程施工質量驗收標準的編制，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道標準體系已基本形成。

在高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統研發的同時，針對無砟軌道系統、預應力混凝土軌道板、軌道板制造及檢測、自密實混凝土制備及工裝、無砟軌道施工工藝工法及配套裝備等申請了系列專利保護，其中無砟軌道系統及預應力混凝土軌道板已申請國際專利，相關知識產權的保護為我國高速鐵路“走出去”戰略的實施提供了有力支撐。

4 系統驗證

2013年6月，首次規模化采用CRTSⅢ型板式無砟軌道系統的盤營客運專線進入聯調聯試階段，最高檢測速度350 km/h的軌道幾何狀態及動車組動力學響應測試結果表明，上行TQI平均值為2．7 mm、下行為2．63 mm，軌道平順性較高，軌道幾何狀態滿足列車350 km/h運行安全要求；脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力最大值均未超出限度值，轉向架構架橫向加速度未出現連續6次以上峰值≥8．0 m/s2，垂向平穩性指標、橫向平穩性指標均為優[6]。綜合試驗期間，動車組最高試驗速度達397 km/h。開通1年多來，無砟軌道系統狀態良好，結構穩定，軌道幾何狀態保持良好，維修工作量小，列車運行平穩、舒適。

5 結束語

高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道是在客運專線無砟軌道技術再創新基礎上，系統總結和分析各種無砟軌道技術特點，我國自主研發的一種新型無砟軌道，是對我國高速鐵路無砟軌道技術體系的豐富、發展和完善，高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統的研發有利于提高無砟軌道結構的環境適應性、耐久性和技術經濟性，有利于提高我國在世界高速鐵路市場的競爭力，有利于我國高速鐵路“走出去”戰略的順利實施。目前，CRTSⅢ型板式無砟軌道正以其較好的綜合性能贏得越來越多的應用，也必將在不斷的應用和完善中走向成熟。

[1] 顏華，李保友，楊明輝，等． 成都至都江堰鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術總結[R]． 成都：中鐵二院工程集團有限責任公司，2010．

[2] 盧春房，江成，王繼軍，等． 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術系統研究[R]． 北京：中國鐵道科學研究院，2014．

[3] 趙有明，王繼軍，王夢，等． 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術深化研究[R]． 北京：中國鐵道科學研究院，2014．

[4] 高亮，趙磊，曲村，等． 路基上CRTSⅢ型板式無砟軌道設計方案比較分析[J]． 同濟大學學報（自然科學版），2013，41(6)：848-855．

[5] 王繼軍，王夢，趙勇，等． 先張法預應力體系無砟軌道結構系統試驗研究[R]． 北京：中國鐵道科學研究院，2014．

[6] 王繼軍，趙勇，江成，等． 盤錦至營口客運專線CRTSⅢ型板式無砟軌道系統動力性能試驗研究[R]． 北京：中國鐵道科學研究院，2013．

趙有明：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

葉陽升：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

王繼軍：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

江 成：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

王 夢：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，助理研究員，北京，100081

責任編輯 苑曉蒙

U214.3

A

1672-061X（2015）02-0040-04

鐵道部科技研究開發計劃項目（2011G003）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎特等獎。