中國高速鐵路無砟軌道的發展及應用

王繼軍 姚 力 王 夢

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京100081;2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

我國高速鐵路經過10余年的快速發展，即將形成以北京-上海、上海-昆明等線路為代表的“八縱八橫”高速鐵路網，實現全國相鄰大中城市間1～4 h交通圈，城市群內0.5～2 h交通圈。截至2019年底，鐵路營業里程達到13.9萬km以上，其中高速鐵路里程已達到3.5萬km。

無砟軌道采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒體碎石道床，具有高穩定性、高耐久性、少維修等突出優點，在世界各國鐵路尤其是高速鐵路中得到了廣泛應用。我國鐵路在綜合交通運輸體系中處于骨干地位，為保證路網的穩定運營，對無砟軌道技術開展了長期研究和試驗，并進行了大量工程應用。

1 普速鐵路無砟軌道早期實踐

為減少線路維修工作量，延長軌道結構及部件的使用壽命，我國從20世紀50年代起就開始進行無砟軌道的研究和設計，初期曾嘗試采用了支承塊式、短木枕式、整體灌注式等結構形式，并對支承塊式無砟軌道[1-2]進行了推廣應用。此外，還進行了縱向軌枕埋入式無砟軌道、瀝青混凝土鋪裝寬枕無砟軌道、瀝青灌注固化道床、板式無砟軌道及橋上無砟無枕結構等的研究和試驗[3-4]。

30多年間,我國在普速鐵路無砟軌道的結構設計、施工工藝、下部基礎的技術要求以及基礎下沉引起傷損的整治等方面積累了豐富的寶貴經驗,為后續高速鐵路無砟軌道新技術的研究與發展奠定了基礎。

2 高速鐵路無砟軌道研究與試驗

20世紀90年代,隨著京滬高速鐵路可行性研究的深入，高速鐵路無砟軌道研發被提上日程[5]，在大量試驗研究基礎上，初步提出了彈性支承塊式、長枕埋入式和板式3種無砟軌道型式[6]，并提出了高速鐵路在剛性基礎上鋪設無砟軌道的選型原則、設計荷載、軌道剛度、幾何參數和配套扣件系統。

1999年，我國在西康鐵路秦嶺隧道鋪設了彈性支承塊式無砟軌道試驗段，在秦沈客運專線沙河特大橋鋪設了長枕埋入式無砟軌道試驗段，在秦沈客運專線狗河特大橋和雙何特大橋鋪設了板式無砟軌道試驗段。并由自主研發的“中華之星”動車組創造了321.5 km/h的試驗速度。

為進一步完善新型無砟軌道技術，2003年，我國在渝懷鐵路魚嘴2號隧道鋪設了長枕埋入式無砟軌道，在贛龍鐵路楓樹排隧道鋪設了板式無砟軌道[7]。至此，我國在橋梁和隧道地段已完成高速鐵路無砟軌道的試鋪及試驗。

2004年，我國在設計速度200 km/h的遂渝鐵路鋪設了13.2 km的無砟軌道綜合試驗段[8]，第一次成區段鋪設了雙塊式無砟軌道、單元板式無砟軌道(含預應力混凝土平板、預應力混凝土框架板、普通混凝土框架板)、縱連板式無砟軌道以及岔區長枕埋入式無砟軌道，實現了無砟軌道在路基、橋梁、隧道和道岔區的成段鋪設。采用無砟軌道絕緣化處理技術解決了無砟軌道與ZPW-2000軌道電路的適應性問題，研制了無砟軌道配套WJ-8型有擋肩和 WJ-7型無擋肩扣件系統，研制了12號、18號無砟道岔系統，研發了無砟軌道制造、施工配套裝備，為客運專線大規模、成區段鋪設無砟軌道提供了有力技術支撐。至此，我國形成了時速200 km級無砟軌道設計、制造、施工的成套技術。

3 高速鐵路無砟軌道規模應用及自主創新

3.1 引進技術國產化

2004年，國務院批復了《中長期鐵路規劃網》，為高速鐵路建設創造了空前有利的條件。為滿足“四縱四橫”主通道的建設需求，我國引進了無砟軌道技術。

2006年，我國啟動了客運專線無砟軌道技術再創新工程[9]，在前期近50年的研究實踐基礎上，結合引進技術，系統開展了高速鐵路無砟軌道結構設計方案、設計理論和方法、工程材料、軌道結構及接口設計技術、制造施工裝備及工藝、養護維修技術等研究，建立了溫暖地區武廣高速鐵路武漢綜合試驗段和嚴寒地區濱綏鐵路成高子無砟軌道試驗段。結合我國氣候環境條件，形成了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道建造成套技術，進一步豐富了我國無砟軌道技術體系，為高速鐵路無砟軌道大規模建設奠定了基礎。

截至2019年底，CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道的運營里程分別達到 2 320 km、4 350 km和 11 647 km，有力支撐了我國高速鐵路建設，并為自主研發新型無砟軌道提供了寶貴的經驗。

3.2 自主研發無砟軌道技術

受氣候及地質條件差異等的影響，引進技術的無砟軌道出現了高溫上拱、低溫斷裂、結構層離縫失效、大跨梁端限位結構破損等問題，在環境適應性、結構耐久性和可維修性等方面存在不足。為全面解決上述問題， 2009年以來，我國先后結合成灌、盤營等鐵路建設，開展了新型無砟軌道結構的研發[10]，系統開展了設計理論及關鍵參數、軌道結構及其與下部基礎接口設計技術、自密實混凝土等工程材料、軌道板制造技術、軌道結構施工關鍵技術、室內外試驗、運營線路長期監測和養護維修技術等的研究，形成了CRTSⅢ型板式無砟軌道設計、制造、施工、養修等成套技術，使我國一舉成為高速鐵路無砟軌道系統原創國。

CRTSⅢ型板式無砟軌道系統由鋼軌、扣件、預制軌道板、自密實混凝土層、隔離層及設置限位凹槽的鋼筋混凝土底座等部分組成，如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結構示意圖

軌道板頂面設混凝土擋肩，配套采用有擋肩扣件系統，底面預留連接鋼筋；軌道板下灌注自密實混凝土，并與軌道板形成復合結構；底座設置限位凹槽，與灌注自密實混凝土形成的凸臺構成限位結構；復合結構與底座之間設置隔離層，底座限位凹槽四側面設置彈性緩沖墊層。主要技術特點如下：

(1) 采用單元式復合軌道板結構，并與設置凹槽的底座形成凸凹限位結構，受力體系合理，結構穩定可靠。

(2)復合軌道板和底座均分段設置，可適應溫暖、寒冷、嚴寒等不同氣候條件，環境適應性強。

(3) 采用自密實混凝土作為充填材料，無砟道床主體均為鋼筋混凝土結構，結構耐久性好。

(4) 復合軌道板與底座之間設置隔離層，限位凹槽周邊設置彈性緩沖墊層，可協調層間變形差異，緩和層間沖擊，并可提供特殊條件下的可修復性。

截至2019年底，CRTSⅢ型板式無砟軌道已應用于京沈、京雄、鄭徐、商合杭、昌贛等高速鐵路，開通運營里程超過 3 200 km，并以此為平臺創造了動車組420 km/h交會及重聯運營試驗速度兩項世界紀錄。多條線路運營實踐表明，CRTSⅢ型板式無砟軌道結構穩定可靠，養護維修工作量明顯少于其他無砟軌道。

3.3 大跨度橋梁無砟軌道技術

目前，我國已在高速鐵路主跨110 m簡支鋼桁梁橋、140 m鋼箱系桿拱橋、200 m剛構連續梁橋、228 m連續梁拱橋、324 m鋼箱桁梁斜拉橋等不同類型大跨度橋梁上鋪設了無砟軌道，研發了大跨度橋上無砟軌道鋪設精度控制技術，并針對性制定了靜態驗收和養護維修標準[11]。

4 結束語

經過60余年的科學研究和工程實踐，我國已積累了嚴寒、寒冷、大風、沙漠、凍土、濕陷性黃土、大跨度橋梁等不同氣候和下部基礎條件下鋪設無砟軌道的豐富經驗，形成了適用于不同運營條件的無砟軌道成套技術，構建了涵蓋勘察、設計、工程材料、制造、施工、驗收、維護等的較為完善的技術標準體系，在高速鐵路建設中累計應用超過2.1萬km，有力支撐了我國高速鐵路網的建設。同時，隨著 “一帶一路”倡議和“高鐵走出去”戰略的實施，我國無砟軌道技術已走出國門，應用于印度尼西亞雅加達至萬隆高速鐵路、莫斯科至喀山高速鐵路等國際工程。目前，我國正在積極推進智能建造、全生命周期管理等技術在無砟軌道中的應用。隨著技術研究和工程應用的不斷深入，我國無砟軌道技術必將得到進一步的發展和完善。