高速铁路有砟无砟轨道结构及精调文档格式.docx
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从津田沼、日野土木试验所内的实尺模型试验到既有线、新干线的桥梁、隧道和路基上的各种形式无碴轨道结构的试铺,总共建立了20多处近30km的试验段,开展了大量的室内、营业线上动力测试和长期观测的试验研究工作,并在试验结果的基础上,不断的改进、完善结构设计参数和技术条件,最终将普通A型(图4-3)、框架形(图4-4)等板式轨道结构作为标准定型,在山阳、东北、上越、北陆和九州新干线的桥梁、隧道和路基上大量使用。
在20世纪60年代后期到70年代中期,为解决新干线的噪声振动问题,实现高速铁路发展与社会环保兼容的目的,日本在东北新干线开工前建立了“小山试验线”,铺设了长度各200m的24种形式的轨道结构(其中包括11种板式无碴轨道),观测其噪声振动效果,在进行技术、经济分析后,将防振G型板式轨道(图4-5)作为标准形式在减振降噪区段推广铺设。
图4-3普通A型轨道板图4-4框架型轨道板
图4-5防振G型轨道
日本板式轨道结构在土质路基上的发展与桥上、隧上板式轨道是同时起步的。
1968年提出RA型板式轨道,并在铁道综合技术研究所进行性能试验。
1971年在东海道本线100m的营业线上进行初次试铺,1974年在东海道新干线含慧桥站内共铺设2.3km,共有14处作为现场试铺。
但在个别试验段上发生了基础下沉、轨道板陷入铺装底座内等问题,为此开展了长期深入的研究。
直到1993年,改进后的板式轨道结构(图4-5)在北陆新干线正式应用,铺设长度约10.8km,占北陆新干线高崎—长野段总长的4%,为土质路基上轨道的25%。
图4-6土质路基上RA型板式轨道
总之,日本定型的板式轨道包括A型、框架型轨道板,适用于土质路基上的RA型轨道板和特殊减振区段用的防振G型轨道板,构成了适用于不同使用范围的轨道板系列。
截止到目前,板式轨道累计铺设里程已达2700多km。
日本在大量铺设板式轨道的同时,还开发了B型弹性轨枕直结轨道,在东北、上越新干线上都有铺设。
为了扩大铺设,必须降低造价。
最后,开发了简化结构的D型弹性轨枕直接轨道(图4-7),造价为B型的3/4,减振性能较防振G型板式轨道还略有改善;
同时解决了原结构部件更换困难的问题,更适合推广。
图4-7D型弹性轨枕直结轨道
近年来,日本正大力研究一种“梯子形”轨道。
由两根纵向轨枕(梁)支承钢轨,横向每隔3m用钢管将两根纵向枕连结成梯子形;
在桥上纵向枕与轨道基础(梁面)之间每隔1.5m设减振支承装置组成“浮置式梯子形轨道”。
其主要特点是:
低振动、低噪声;
变传统横向轨枕支承钢轨的方式为纵向支承;
轨道自重轻,约为有碴轨道的1/4;
轨道高度的调整除利用扣件的调整量外,减振支承装置也有一定的调高功能。
铺设在桥梁上的浮置式梯子形轨道,使整体结构系统实现了从“重型和传统”到“轻型和现代化”的根本变革。
路基上的梯子形轨道,其纵向轨枕下仍然铺设有道碴,属于有碴道床与整体轨下基础的混合式结构。
可见,轨道结构的发展出现了多样化形式。
目前,梯子形轨道已完成结构的力学分析、组成部件及实尺轨道的实验室基础试验,并在美国TTC运输中心的环形线上完成了35t重轴的快速耐久性试验,通过吨位超过1亿吨。
日后,还将对高速运行的适应性以及用橡胶支承取代减振装置以降低造价等实用性作进一步研究。
2.德国
德国也是研究无碴轨道较早的国家之一。
德国铁路开展无碴轨道的研究始于上世纪60年代末,1972年首次在Rheda车站试铺了无碴轨道结构(故称“Rheda”型)。
德国铁路、高校研究所以及工业界自20世纪70年代一直进行无碴轨道的研究,目前德国有20多家企业参与无碴轨道新结构的开发,形成了市场竞争的局面,推进了新技术的发展,其提出的结构型式多种多样。
德国曾试铺过10余种无碴轨道结构,其轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。
钢轨的支承方式多为分散支承(即点支承),连续支承方式仍处在试铺阶段,未在路网上正式使用。
对于分散支承方式的无碴轨道,其道床结构大体上可分为两大类,一类为整体结构,另一类为直接支承方式,表4-7列出了德国铁路目前批准可在路网正式应用和可试铺进行运营考验的无碴轨道结构类型。
表4-7德国铁路无碴轨道的结构类型
整体结构
直接支承结构
现浇混凝土
(含轨枕或支承块)
(不含轨枕或支承块)
预制板
轨枕或支承块
RHEDA*
FFC
Bö
GL*
ATD*
Zü
BLIN*
BES
GETRAC*
BERLIN*
BTE
BTD
HEITKAMP
HOCHETIEF
SATO
RESENGLEIS
WALTER
注:
带*的为EBA批准可在路网正式应用的无碴轨道结构型式,其余均在试铺运营考验阶段。
Rheda型无碴轨道(图4-8)为钢筋混凝土底座上的整体结构型式之一,在大量试铺和长期观测试验的基础上,在德国铁路高速线土质路基、桥梁和隧道区段全面推广应用,所铺设的360km无碴轨道(含80多组道岔区)中,Rheda型约占一半以上。
Rheda型无碴轨道结构从1972年开始试铺的普通型(带槽形板、埋入轨枕)到目前研发的2000型(无槽形板、埋入支承块)经历了近30年的发展里程。
图4-8普通Rheda型无碴轨道
最近开发的Rheda-2000型无碴轨道(图4-9)已投入商业应用,如在荷兰及我国台湾高速铁路上都有应用。
其结构特点是:
由2根桁架型配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原Rheda型中的整体轨枕;
取消了原结构中可能开裂和渗水的槽形板,统一了隧道、桥梁和路基上的形式,也可在道岔和伸缩调节器区段应用;
同时,轨道结构高度从原来得650mm降低为472mm。
Rheda-2000型中的支承块只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土,其余为桁架式的钢筋骨架,使其与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少,有利于提高施工质量和结构的整体性。
建筑高度的下降,对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。
将无碴轨道的造价控制到有碴轨道的1.3~1.4倍是德铁力争的目标。
图4-9Rheda-2000型无碴轨道
最典型的直接支承方式无碴轨道结构为ATD、GETRAC型,如图4-10、图4-11所示,上部的轨枕或支承块直接置于钢筋混凝土/沥青混凝土支承层上,成为一个独立的组成部分,在中部有多种方式设限位装置,以限制轨排纵、横向移动。
图4-10ATD型无碴轨道结构(单位:
mm)
图4-11GETRAC型无碴轨道结构(单位:
由Bö
gl公司开发的博格板式无碴轨道结构由预制轨道板组成,轨道板结构高度(从水硬性材料支撑顶面到钢轨顶面)474mm,分为标准预制板、特殊预制板和补偿预制板三种型式,标准板的外形尺寸6450mm×
2500mm×
200mm,轨道板之间用钢筋连接,板底充填水泥沥青砂浆层。
与现场浇筑的混凝土轨道板相比,博格板具有工厂化生产,加工精度高,固化时间短,不需要费时费工的现场制模和浇筑,必要时可进行轨道板高程调整等优势,但厂房和设备等一次性投入较高。
博格板式无碴轨道为二十多年前开发的一种轨道板,但一直限于小段试铺,最近得到EBA批准,在纽伦堡至英格施塔特新建线路得到大量使用,下部结构则有路基、桥梁、隧道等。
Ioarv300型扣件是目前德国铁路无碴轨道的标准型式,一般区段的无碴轨道结构设计必须与标准扣件形式相匹配。
此扣件的高低最大调整量为+26/-4mm,轨距调整量为±
4mm,橡胶垫板厚度12mm,静刚度值(22.5±
2.5)kN/mm。
德国铁路使用的其他型式的扣件还有336、A8、ERL/BWG和Krupp型等。
从20世纪80年代开始,原联邦德国铁路实施私有化计划,即新建和扩建铁路由联邦拨款,而养护维修则由德国铁路出资时,德国铁路董事会开始大力谋求新建铁路和扩建线路要尽量采用少维修轨道,这项措施极大地推动了无碴轨道的发展。
德国在修建高速铁路的初期,无碴轨道仅占正线的30%以下,但1998年开通的柏林—汉诺威高速铁路,无碴轨道已达80%以上。
与其他国家不同的是,德国铁路首先在车站试铺无碴轨道,接着解决了土质路基铺设无碴轨道的技术问题,然后逐步推广到隧道和桥梁上,从而为全区间铺设无碴轨道创造了有利条件。
基于高速铁路有碴轨道线路的维修工作量大,道碴粉化及道床累积变形速率加快,德国铁路根据其咨询公司对现行的有碴轨道和无碴轨道的综合技术经济比较得出的建议,决定在所有隧道内、道岔区、制动区间以及300km/h的高速线上均采用无碴轨道。
目前德国铁路累积铺设无碴轨道360km/h(含80多组道岔区),其中成规模铺设的线路包括科隆—法兰克福(300km/h,2002年开通)、柏林—汉诺威(250km/h,1998年开通)、纽伦堡—英戈城(在建中)。
二、国内无碴轨道结构
国内对无碴轨道的研究始于20世纪60年代,与国外的研究几乎同时起步。
我国初期曾试铺设过支承块式、短木枕式、整体灌筑式等整体道床以及框架式沥青道床等几种形式,但正式推广应用的仅有支承块式整体道床。
支承块式整体道床在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过1km的隧道内铺设,总铺设长度约300km。
我国20世纪80年代曾试铺过沥青整体道床、由沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床以及由沥青灌注的固化道床等,并未正式推广。
此外,在桥梁上试铺过无碴无枕结构,在京九线九江长江大桥引桥上全部采用了这种结构,长度约7km。
1994年以后,随着京沪高速铁路可行性研究的进程,无碴轨道在我国重新被关注。
参照国外经验及结构型式,提出了板式、长枕埋入式、弹性支承块式三种结构形式的无碴轨道及其设计参数。
在秦沈客运专线选定了三座特大桥作为无碴轨道的试铺段。
其中,沙河特大桥(直线、长692m)试铺长枕埋入式无碴轨道;
狗河特大桥(直线、长741m)和双河特大桥(曲线、长740m)试铺板式轨道。
之前,我国最长的西康县秦岭隧道(长度为18.5km)内采用了弹性支承块式无碴轨道,已于2001年正式开通运营。
1.长枕埋入式(图4-14)
长枕埋入式无碴轨道由预应力混凝土轨枕、混凝土道床板和混凝土底座组成。
其结构内没有易受环境或温度影响的橡胶、乳化沥青等材料,结构整体性和耐用性较好。
混凝土枕制造和现场灌注混凝土的技术和设备均是成熟、配套的。
采用我国较成熟的“钢轨支撑架”法自上而下施工,能适应曲线区段超高、超高顺坡和竖曲线区段顺坡等的铺设要求,道床板分块长度与桥梁跨度的匹配较为灵活,轨道维修主要是扣件涂油、调整等少量作业。
道床板和底座均为就地灌注而成,故现场施工量较大,施工进度相对较慢。
混凝土表面为人工抹面成形,外观平整度不如板式。
如在道床板下设弹性垫层,则施工较为复杂。
图4-14桥上长枕埋入式无碴轨道结构(单位:
2.板式(图4-15)
板式无碴轨道由预制的轨道板、CA砂浆填充层、混凝土底座和轨道板之间的凸形挡台组成。
其轨道结构高度低,自重轻,可减小桥梁的二期恒载。
轨道板为预制件,质量容易控制。
现场的施工量少,施工进度较快,CA砂浆的灌注日进度可达200m。
对需要减振的地段,采用减振型轨道板,因在工厂已完成板下弹性垫层的粘贴,故不增加现场的作业量和难度。
道床外表美观,轨道稳定、维修工作量小。
图4-15桥上板式无碴轨道结构(单位:
3.弹性支承块式(图4-16)
弹性支承块式无碴轨道由弹性支承块(混凝土支承块、块下弹性垫层和橡胶靴套)、混凝土道床板、混凝土底座等组成。
其结构组成与长枕埋入式类似。
由于支承钢轨部分采用弹性支承块,轨道的垂直刚度由轨下和块下双层弹性垫板提供,通过双层垫板刚度的合理选择,使轨道的刚度满足使用要求。
橡胶靴套提供了轨道的纵、横向弹性变形,使轨道在承载、动力传递和能量吸收方面更接近于有碴轨道,产生低振动的效应。
弹性支承块的现场混凝土施工量大,进度较慢。
在露天条件下使用,雨水流入靴套内只能靠轮载的挤压排除,但其对轨道的正常使用以及对橡胶耐久性等的影响尚有待考证,故一般将其限制在隧道内使用。
图4-16弹性支承块式无碴轨道结构(单位:
mm
另外,为适应高速铁路的线路条件,在渝怀线鱼嘴2号隧道、赣龙线枫树排隧道分别铺设了长枕埋入式和板式轨道的试验段。
同时在线路开通后要对隧道内的无碴轨道结构进行动力测试与长期观测。
至此,我国铁路在桥梁和隧道内都有了相应的无碴轨道结构试铺段,但对土质路基上的无碴轨道目前尚处于前期理论研究,道岔区、伸缩调节器等特殊区段无碴轨道的研究尚未进行,同时,对试铺的几种无碴轨道结构尚需不断改进、不断完善,要达到全区间大规模铺设无碴轨道的目标还有大量的工作要做。
目前,我国主要采用的无砟轨道类型有CRTSⅠ型板式无砟轨道、CRTSⅡ型板式无砟轨道、CRTSⅠ型双块式无砟轨道、CRTSⅡ型双块式无砟轨道。
具体情况见附图:
CRTSⅠ型板式无砟轨道
CRTSⅡ型板式无砟轨道
CRTSⅠ型双块式无砟轨道
CRTSⅡ型双块式无砟轨道
我国无砟轨道采用的主要扣件类型有:
WJ-7无挡肩型、WJ-8型有档肩型、300-1有挡肩型和SFC无挡肩型扣件。
WJ-7无挡肩型属于有螺栓、无挡肩、带铁垫板、弹性分开式扣件,其优点是通用性强、调整量大、无级调整、绝缘性能优良;
WJ-8型有档肩型属于有螺栓、有挡肩、带铁垫板、弹性不分开式扣件,其优点通用性强、调整量大、结构稳定、绝缘性能优良;
300型扣件为无砟轨道扣件,属承轨槽带挡肩的弹性不分开式扣件,分300-1a型和300-1U型两种,300-1a型应用于CRTSII型板式无砟轨道300-1U型应用于双块式无砟轨道。
WJ-7无挡肩型
WJ-8型有档肩型
300-1有挡肩型
SFC无挡肩型扣件
SFC无挡肩型
第三节无砟轨道养护维修标准和方法
一、无砟轨道养护维修标准
1、无砟轨道道床伤损形式及伤损等级判定标准
CRTSⅠ型板式无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准表-1
伤损部位
伤损形式
判定项目
评定等级
备注
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
预应力
轨道板
裂缝
宽度(mm)
0.1
0.2
0.3
掉块、缺损或封端脱落应适时修补
锚穴封端离缝
0.5
1.0
普通轨道板
凸形挡台
底座
底座伸缩缝
离缝
2.0
3.0
路基、隧道地段
水泥乳化
沥青砂浆
1.5
掉块、缺损或剥落应适时修补
横向深度(mm)
20~50
50~100
≥100
对角长度(mm)
20~30
30~50
≥50
凸形挡台周
围填充树脂
缺损应适时修补
CRTSⅡ型板式无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准表-2
预裂缝处的裂缝除外,掉块或缺损应适时修补
板间接缝
掉块或缺损应适时修补
支承层
底座板
侧向挡块
挤塑板
深度(mm)
双块式无砟轨道道床伤损形式及伤损等级判定标准表-3
双块式轨枕
掉块、缺损应适时修补,挡肩失效应及时修补
道床板
轨枕界面裂缝
2、WJ-7型扣件组成及主要技术要求
对T型螺栓应进行定期涂油,防止螺栓锈蚀,油脂性能应符合相关规定。
预埋套管中应保证有一定的防护油脂,油脂性能应符合相关规定。
安装铁垫板时,轨底坡方向应朝向轨道内侧。
弹条安装标准:
弹条中部前端下颚与绝缘块不宜接触,两者间隙不得大于0.5mm;
或使用扭矩扳手检测T型螺栓扭矩时,W1型弹条为100~140N·
m,X2型弹条为70~90N·
m。
弹条养护标准:
弹条中部前端下颚与绝缘块不宜接触,两者间隙不得大于1mm;
锚固螺栓扭矩为300~350N·
钢轨与绝缘块、绝缘块与铁垫板挡肩间缝隙之和不得大于1mm。
钢轨左右位置调整量:
±
6mm。
钢轨高低位置调整量:
-4/+26mm。
3、WJ-8型扣件组成及主要技术要求
夹板处应采用接头轨距挡板和绝缘轨距块。
弹条中部前端下颚与绝缘轨距块不宜接触,两者间隙不得大于0.5mm;
或使用扭矩扳手检测螺旋道钉扭矩时,W1型弹条为130~170N·
m,X2型弹条为90~120N·
弹条中部前端下颚与绝缘轨距块不宜接触,两者间隙不得大于1mm;
轨距挡板应与承轨槽挡肩密贴,间隙不得大于1mm;
钢轨与绝缘轨距块、绝缘轨距块与铁垫板挡肩间缝隙之和不得大于1mm。
5mm。
4、300-1型扣件组成及主要技术要求
弹条中部前端与轨距挡板前端突起部分不宜接触,两者间隙不得大于0.5mm;
或使用扭矩扳手检测螺旋道钉扭矩时,SKL15型弹条为210~250N·
m,SKLB15型弹条为150~180N·
弹条中部前端与轨距挡板前端突起部分不宜接触,两者间隙不得大于1mm;
或使用扭矩扳手检测螺旋道钉扭矩时,SKL15型弹条为210~250N·
m,SKLB15型弹条为150~180N·
轨距挡板应与承轨槽挡肩密贴,钢轨与轨距挡板间隙不得大于1mm。
8mm。
5、SFC型扣件组成及主要技术要求
弹条初装扣压力不得小于9kN;
养护过程中弹条扣压力不得小于8kN。
锚固螺栓扭矩为150~200N·
30mm。
二、无砟轨道养护维修方法
WJ-7型扣件养护维修方法
1、测量操作方法
1、测量的前期准备工作
⑴输入并核对设计数据(平曲线、竖曲线、超高、控制点,如存在断链,需分别输入,上、下行线也要分别输入)。
⑵设置项目属性,如平面位置和高程测量基准等。
⑶定期对全站仪及小车进行保养、检定。
2、测量的现场工作
⑴检查钢轨表面状态,检查扣件弹条与轨距挡班板密贴。
⑵正倒镜检查全站仪水平角和竖角偏差,如果超过3秒,在气象条件较好的情况下进行组合校准及水平轴倾斜误差(α)校准;
检查全站仪ATR照准是否准确,有无ATR的偏差也应小于3秒。
⑶使用至少8个CPIII控制点自由设站,如果现场条件不满足,至少应有6个CPIII控制点,其中前后至少各使用一个60米以上的控制点。
根据天气条件确定最大目标距离。
状况好时控制在60m以内,不好时将距离缩短。
⑷设站的同时组装轨检小车,将双轮部分靠近低轨。
⑸在稳固的轨道上校准超高传感器,一般每天开始测量前校准一次,如气温变化迅速,可再次校准;
校准后可在同一点进行正反两次测量,测量值之和应在0.3mm以内。
⑹将全站仪对准轨检小车棱镜,检查通信,关闭全站仪强力搜索,并锁定棱镜。
⑺放样60米以上的一个控制点对设站进行检核。
⑻进入施工模式,看偏差数据是否稳定,如不稳定(变化范围超过0.7mm),将小车向前推,找到数据相对稳定的距离,根据此距离再次重新设站。
⑼按指定间距,在设站区间内逐点采集数据。
⑽检核全站仪设站,看与上次检核结果的偏差。
⑾全站仪搬站并重新设站,检核设站后,重复测量上一次设站已经测量过的5-10个点,如果偏差大于2mm,需重新设站。
⑿重复上述操作,条件较差时可增加全站仪检核次数。
3
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