無碴軌道

作為最主要的無碴軌道結構型式之一，板式軌道在日本新幹線應用廣泛。經過30餘年的經驗積累，日本新幹線板式軌道在設計、施工及養護維修等方面日趨成熟。自20世紀，累計鋪設里程已達2700多千米。國內對板式無碴軌道的研究是隨着對高速鐵路的研究不斷深入進行的，已在秦沈線狗河特大橋（741）、雙何特大橋（740），贛龍線楓樹排隧道（719），遂渝線，並在京滬高鐵上實現大規模鋪設。

板式無碴軌道由60kg/m鋼軌、彈性分開式扣件、軌道板、乳化瀝青水泥砂漿（CA砂漿）、混凝土凸形擋台及混凝土底座等部分組成，軌下設置充填式墊板。對無碴軌道的研究尚處於起步階段，沒有形成規範的無碴軌道計算理論，在本線板式無碴軌道設計過程中，我們在對中國內的三重疊合梁模型、德國的當量疊合梁模型深入研究基礎上，採用更為接近實際的有限元梁—板模型。 ^[1] 

石太客運專線作為中國國內一條集高速客運與重載貨運於一體的客運專線，將首次大規模鋪設板式無碴軌道，而當前國內尚沒有形成規範的無碴軌道計算理論，因此需深入研究板式無碴軌道受力規律，以保證設計經濟、合理。採用有限元理論，建立了板式無碴軌道的梁—板模型，應用大型有限元工具軟件A9BCB對模型進行求解。

應用有限單元理論建立板式無碴軌道結構的整體模型：鋼軌採用彈性點支承梁模擬；扣件採用線性離散彈簧模擬；軌道板採用板單元進行模擬；CA砂漿調整層採用實體單元模擬；底座採用彈性地基板模擬，以反映下部基礎對軌道結構的支承作用；地基係數採用k30進行計算。

為獲得最優的軌道結構，採用有限元梁—板模型研究了主要參數對軌道結構各組成部分力學響應的影響規律。如果沒有特殊説明，荷載作用於板中，CA砂漿彈性模量取300MPa，其它基本參數，計算結果中軌道板或底座彎矩均為每米範圍所受的彎矩值，單位取KN·m/m。

根據試算，荷載作用於板中和板端兩個位置時軌道結構受力為最不利情況，荷載作用於板中時，軌道板縱向正彎矩、底座縱橫向負彎矩較大；荷載作用於板端時，軌道板縱向負彎 矩、軌道板橫向正負彎矩、CA砂漿最大反力以及底座橫向縱橫向正彎矩較大。設計中，應該綜合考慮這兩種荷載作用工況下的最大值。

扣件剛度分別採用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm進行分析。軌道板和底座的彎矩以及CA砂漿最大反力都隨着扣件剛度的增大而增大，但是當扣件剛度大於40KN/mm時，隨着扣件剛度增大，軌道板和底座的彎矩變化趨緩，底座的橫向負彎矩當扣件剛度大於60KN/mm時反而有所減小。

軌道板寬度分別採用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m進行分析。

隨着軌道板寬度的增大，軌道板縱向彎矩逐漸減小；軌道板橫向正彎矩當軌道板寬度小於2.4m時隨軌道板寬度的增大而增大，當軌道板寬度大於2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小；軌道板橫向負彎矩當軌道板寬度 小於2.2m時隨軌道板寬度的增大而減小，當軌道板寬度大於2.2m時隨軌道板寬度的增大而增大；CA砂漿反力當軌道板寬度小於2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小，當軌道板寬度大於2.4m時變化不明顯；隨着軌道板寬度的增大，底座縱橫向正彎矩均逐漸減小，縱橫向負彎矩變化不明顯。

軌道板寬度為2.0m時，各別力學指標明顯偏大，説明軌道板不宜太窄，同時可以看到軌道板寬2.2~2.4m是力學指標變化的一個轉折點，因此結合力學計算及結構設計，從技術經濟角度綜合分析，軌道板寬度取2.2~2.4m是合適的。

CA砂漿彈性模量分別採用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa進行分析。

隨着CA砂漿彈性模量的增大，軌道板彎矩減小，CA砂漿本身的反力增大，底座彎矩增大，其中軌道板縱向負彎矩和底座縱橫向負彎矩變化不明顯。

當CA砂漿彈性模量大於300MPa時，各力學指標變化趨緩，計算時其最大值可取300MPa，同時考慮CA砂漿彈性模量的離散性和軌道板受力的最不利情況，最小值取100MPa。

地基彈性係數採用K30，分別按50MPa/m、190MPa/m,500MPa/m,1000MPa/m進行分析。

從表6可知，隨着地基彈性係數增大，除軌道板橫向負彎矩增大外軌道板其它彎矩減小，CA砂漿反力變化不明顯，底座彎矩減小。由此可知，隧道、橋樑地段由於基礎剛度較土質路基大，對軌道結構整體而言受力是有利 的。

列車豎向荷載作用下板式軌道最不利彎矩計算

基本參數取值，同時考慮荷載作用位置以及CA砂漿彈性模量的離散性對計算結果的影響，計算列車豎向荷載作用下板式軌道的最不利彎矩。

在板式軌道力學計算中，荷載作用位置、扣件剛度、軌道板寬度、CA砂漿彈性模量以及地基彈性係數等基本參數的取值是影響計算結果正確與否的主要因素，只有基本參數合理才能保證計算結果的準確，為結構設計提供依據。

計算列車豎向荷載作用下軌道板和底座的最不利彎矩時，荷載作用位置應分別考慮位於板中及板端兩種工況；CA砂漿彈性模量應考慮離散性，按100MPa和300MPa分別計算。

路基地段地基彈性係數採用K30時取190MPa/m是最不利情況，計算結果較隧道和橋樑地段偏大。

無碴軌道具有高穩定性、少維修、壽命長的優點，並在國外鐵路獲得了廣泛應用，2005年德國出版的《軌道概論》對無碴軌道的缺點做了如下總結：

1)Rheda投資要比有碴軌道多1.5倍以上。科隆一法蘭克福線預算46億歐元，實際費用大約為60億歐元，增加大約30%，如此高的初期投資包括巨大的資本成本。有碴軌道成本為350歐元/m，無碴軌道最低為500歐元/m，最大為750—1100歐元/m。即使施工方法得到優化，建設長度增加，成本系數仍達到1.5—2.0。

無碴軌道相對有碴軌道的經濟效益僅能從有碴軌道需要增加的維修費用計算得到。現有碴軌道的維修在很大程度上實現了機械化和自動化，比手工作業費用要低，並能夠持久地保持軌道幾何狀態；無碴軌道也需要維修，鋼軌打磨工作量相對有碴軌道要增加，隨着無碴軌道使用時間的增加，傷損將增多，經濟效益相對來説將降低，而且無碴軌道的修復工作比較複雜，並需要大量費用和時間，一旦損壞引起長期關閉線路帶來的投入將相當大，也是初期無法計算或預料的。

隧道內的無碴軌道相對有碴軌道具有良好的經濟效益。但橋上和路基上的無碴軌道往往經濟效益差一些，限制基礎的長期沉降需要額外的費用，比有碴軌道要增加2.0～2.5倍。

2)混凝土無碴軌道為剛性承載層，當達到承載強度極限時將產生斷裂，並引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預見的惡化。

3)總體上來説，無碴軌道建設和維修都沒有達到自動化程度。無碴軌道的質量需要高水平的養護措施提供保障。這意味着在施工工序和質量控制方面都要增加額外的費用和時間。建設期間的質量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，並需要花費高昂的代價進行彌補。

4)無碴軌道作為剛性結構，在後期運營階段僅允許做少量的完善，比如改善軌道幾何狀態，不僅十分困難，而且需要花費高昂代價。

5)無碴軌道不能在粘土深路塹、鬆軟土路堤或地震區域鋪設。

6)無碴軌道噪聲水平比有碴軌道高5dB，必須採取有效的降噪措施。

7)對脱軌或其他原因導致的嚴重損壞還沒有特別有效的措施，修復代價也十分昂貴。混凝土的養生和硬化需要很長的時間。也就是説，嚴重的事故將導致線路關閉時間比較長，對運輸影響比較大。

8)無碴軌道最嚴重的缺點是改進的可能性受到限制。

9)無碴軌道的另外一個缺點是，在路基上鋪設時，任何情況下都要鋪設防凍層(至少70cm厚)。要延長無碴軌道的壽命週期，水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有碴軌道深。

10)大部分經濟研究沒有考慮無碴軌道到了壽命週期後高昂的再建費用。既有無碴軌道類型眾多也似乎是個缺點。逐漸採用雙塊式無砟軌道即Ⅰ型雙塊式代替的。

中國的無碴軌道主要從2002年開始應用。主要是中國國內技術，參照國外的成熟的設計經驗，以秦沈線為契機，設計了兩種類型的無碴軌道，主要是日本的板式軌道；還有鐵科設計的長枕式無碴軌道。當然在這之前，無碴軌道技術在秦嶺隧道等都已有應用。

無碴軌道設計主要有幾下的幾個難點，一個軌道部件的設計，另一個道牀設計。03年後就有了一個客運專線的想法，希望有一個跨越式發展，從原來的120km/h提高了200~250km/h。對於軌道部件的強度、穩定性及調整性都有了較高的要求。

對於無碴軌道技術，鐵道部最初的想法是全部引進國外的技術。主要是日本和德國的技術。德國的主要的雙塊式（redar200）和博格板，日本主要是板式軌道。引進國外技術同時，對於部分的技術也應引進，因此國外的單位負責培訓。鐵道部已經組織了多次軌道工程技術的培訓。

客運專線對於軌道部件的最大的特點是要求高平順，因此對於軌道部件要求，精細製造和設計。軌道主要有3個主要部件，軌枕、扣件和道岔技術。

客運專線還有一個特別之處就是軌道電路。由於信號制式要求，要求軌道採用必要的絕緣措施，因此要求部件和道牀設計應具有高絕緣性。

路基上無碴軌道部件設計主要解決路基沉降的問題，因此往往在客運專線中，多用以橋代路的方式，反而節約投資。博格板和雙塊式具有較好的整體性，在德國有多年的應用經驗，是一個成功的事例。

我國對無碴軌道的研究始於20世紀60年代，與國外的研究幾乎同時起步。初期曾試鋪過支承塊式、短木枕式、整體灌注式等整體道牀及框架式瀝青道牀等多種形式。正式推廣應用的僅有支承塊式整體道牀，在成昆線、京原線、京通線、南疆線等長度超過1km的隧道內鋪設，總鋪設長度約300km。20世紀80年代曾試鋪過由瀝青混凝土鋪裝層與寬枕組成的瀝青混凝土整體道牀，全部鋪設在大型客站和隧道內，總長約10km。此外，還鋪設過由瀝青灌築的固化道牀，但未正式推廣。在京九線九江長江大橋引橋上還鋪設過無碴無枕結構，長度約7km。

在此20多年期間，我國在無碴軌道的結構設計、施工方法、軌道基礎的技術要求及出現基礎沉降病害時的整治等方面積累了寶貴的經驗，為發展無碴軌道新技術奠定了基礎。

1995年我國開始了對彈性支承塊式無碴軌道的研究，1996-1997年，先後在隴海線白清隧道和安康線大瓢溝隧道鋪設試驗段。在秦嶺隧道一線、秦嶺隧道二線正式使用，一、二線合計無碴軌道長度為36.8km，並先後於2001年、2003年開通運行。以後又陸續在寧西線（南京-西安）、蘭武複線、宜萬線、湘渝線等隧道內及城市軌道中得到廣泛應用，已經鋪設和正在鋪設的這種無碴軌道累計近200km。

隨着京滬高速鐵路可行性研究的進展，無碴軌道在我國得到更大的關注。在“九五”國家科技攻關專題“高速鐵路無碴軌道設計參數的研究”中，提出了適用於高速鐵路橋隧結構上的3中無碴軌道，即長枕埋入式、彈性支承塊式和板式。

1999年完成的“秦沈客運專線橋上無碴軌道設計、施工技術條件”的研究與編制，在秦沈客運專線上試鋪了三段。其中，沙河特大橋（長692米）試鋪長軌埋入式無碴軌道；狗河特大橋（長741米）直線和雙河特大橋（長740米）曲線上的板式軌道。

為適應高速鐵路的線路條件，已在渝懷線魚嘴2號隧道、贛龍線楓樹排隧道分別鋪設了長枕埋入式和板式軌道試驗段，隧道長度分別為710米和719米。計劃在線路開通後對隧道內的無碴軌道結構進行動力測試和與長期觀測。

與有碴軌道相比，無碴軌道具有如下技術特點：

（1） 採用整體化道牀，從根本上克服了有碴道牀易變形、粉化、髒污及需要頻繁維修的缺點，軌道穩定性好，線路養護維修工作量顯著減少，養護維修費用只佔有碴軌道養護維修費用的20%~30%，線路利用率高。

（2） 鋼軌扣件與整體化道牀連接，施工後的軌道狀態及幾何形位能長久保持，提高列車運行的安全性；客貨混跑時的曲線過超高和欠超高不會引起軌道位置的改變。

（3） 耐久性好，延長了使用壽命，在使用期結束時可整體更換。（4） 鋼軌剛度的均勻性好，能滿足高速運行舒適性和對軌道高平順性的要求。

（5） 軌道結構高度低、自重輕，可減輕橋樑二期恆載，降低隧道淨空。

（6） 避免環境破壞及高速運行時的道碴飛濺。

（7） 無碴軌道可供一切軌道車輛使用。

（8） 從壽命週期成本綜合考慮，經濟效益體現於以下幾個方面：額外運營費用低；交通系統的磨損程度相對較小；乘客滿意會帶來更高的利益。

（9） 軌道必須建於堅實、穩定、不變形或有限變形的基礎上，一旦基礎變形下沉超出軌道可調整範圍或導致軌道結構損傷等，其修復和整治將十分困難。

（10） 振動噪聲相對較大。

（11） 初期投資相對較大。