高速铁路轨道结构

1,高速铁路的轨道结构,一、高速铁路轨道结构应具备的主要性能及国外主要高速铁路的轨道结构型式 (一) 高速铁路轨道结构应具备的主要性能 1. 高平顺性 2. 高可靠性、长寿命 3. 高稳定性 (二) 国外主要高速铁路轨道结构的基本型式 1. 有碴轨道结构 2. 无碴轨道 二、高速铁路轨道的设计荷载 三、有碴轨道结构 (一) 钢轨 1. 钢轨尺寸允许偏差及平直度要求 2. 钢轨的化学成份 3. 钢轨的力学性能 4. 钢轨重量和断面 5. 钢轨焊接接头平、直度 (二) 混凝土轨枕 (三) 扣件 1. 国外高速铁路扣件型式及其主要参数 2. 京沪高速铁路扣件的基本设计参数 3. 我国铁路既有弹性扣件的基本性能,2,(四) 道床 1. 国外主要高速铁路的道床结构 2. 京沪高速铁路的道床结构 3. 碎石道床道碴材料 4. 碎石道床底碴材料 5. 有碴桥上的道床厚度 二、无碴轨道结构 (一) 无碴轨道结构的特点及其使用条件 (二) 无碴轨道在国外高速铁路上的应用 (三) 我国高速铁路的无碴轨道结构 1. 长枕埋入式无碴轨道 2. 板式无碴轨道 3. 弹性支承块式无碴轨道 (四) 我国高速铁路无碴轨道结构的扣件 (五) 轨道过渡段 1. 过渡段长度的确定 2. 技术处理措施,3,1.高速铁路轨道结构应具备的主要性能及国外主要高速铁路的轨道结构型式,1.1高速铁路轨道结构应具备的主要性能 1.1.1高平顺性 (1)提高钢轨的平直性、轨面的平顺性及钢轨焊接接头的平直性。 (2) 避免由于轨道结构的连续性、均一性遭到破坏而引起的中、长波不平顺。 (3) 提高轨道弹性的均匀性。防止由于路基、道床、轨下胶垫弹性不匀所引起的长波不平顺。,4,1.1.2高可靠性，长寿命 (1) 高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维持线路正常运营的能力。 (2) 长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大修周期。 1.1.3高稳定性 (1) 采用跨区间无缝线路是提高轨道结构的连续性，均匀性的重大举措。而无缝道岔直基本轨的温度附加力会使道岔区成为无缝线路稳定性的控制点。 (2) 高速列车的高频冲击和振动，会使轨道结构的纵、横向阻力，即轨道自身保持稳定的能力降低， (3)而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用到轨道上的横向荷载加大。,5,1.2国外主要高速铁路轨道结构的基本形式 1.2.1有碴轨道结构 (1)日本东海道新干线大部分线路为有碴轨道结构。最初采用50kg/m焊接长钢轨，每公里1720根预应力混凝土轨枕，道床碎石及底碴层总厚50cm，碴肩宽50mm。120双弹性扣件，扣压力6kN，轨下胶垫6090kN/mm。东海道新干线于1973年开始有计划地以60kg/m焊接长钢轨更换原有的50kg/m钢轨，以重型轨枕更换原有轻型轨枕。 (2)法国TGV线路采用UIC60 900A自然硬度(非淬火)钢轨，跨区间无缝线路、U41型双块式混凝土轨枕、(1667根/km)，Nabal扣件、扣压力11kN，轨下弹性垫层厚9mm、静刚度为72.65kN/mm，加强型道床断面、肩宽60cm、碴肩堆高10cm、边坡1:1.5，厚度东南线50cm(面碴30，底碴20)，大西洋线55cm(面碴35cm，底碴20cm)，道碴粒级2555mm，硬质碎石道碴。 (3)德国ICE线路采用UIC60、900A自然硬度(非淬火)钢轨，跨区间无缝线路。B70混凝土轨枕，长度2.6m，按枕间距60cm(1667根/km)铺设。型弹条扣件、扣压力11kN、弹程14mm，轨下胶垫厚6mm，静刚度为5070kN/mm，碎石道床肩宽50cm，边坡1:1.5，厚度为碎石层30cm，底碴(路基保护层)层1530cm。,6,1.2.2无碴轨道 日本山阳、东北、上越等新干线的无碴轨道形式为板式轨道。 德国科隆到法兰克福高速铁路上的无碴轨道结构主要有： Rheda型，是将预应力混凝土轨枕浇注在填充混凝土中，并支承在钢筋混凝土道床上。 Zblin型，采用双块式轨枕取代Rheda型的预应力混凝土轨枕，其余的结构组成与Rheda型基本相同。 ATD型 双块式轨枕直接置于沥青混凝土道床上，并在枕底与道床之间灌注弹性粘结材料，使两者联结成整体。 国外主要高速铁路轨道结构概况见表1.2.1。,7,表1.2.1 国外主要高速铁路轨道结构概况,8,2.高速铁路轨道的设计荷载,列车轴重是轨道结构设计的基本参数。随着列车速度的提高，由于轮轨动力效应所引起的动力附加荷载更大。因此，积极减小列车轴重，降低轮轨动力效应，已成为世界各国高速铁路共同的趋势。 欧洲铁路根据实测资料，得出了几种典型机车车辆在不同速度范围内动轮重随速度的变化趋势，如图2.0.1所示。,9,表2.0.1 高速铁路的列车轴重和动力附加系数,10,图2.0.1 典型机车车辆在不同速度范围内动轮重的实测值,欧洲铁路根据实测资料，得出几种典型机车车辆在不同速度范围内动轮重随速度的变化趋势如图2.0.1所示。,11,3.1钢轨 3.1.1钢轨尺寸允许偏差及平直度要求 表3.1.1同时列出了我国京沪高速铁路技术条件(以下称京沪技术条件)，国外高速铁路UIC860(国际铁路联盟860)、JISE1011(日本工业标准1101-1993)、TGV(法国高速铁路)、EN(欧洲标准协会)及GB2585(国标2585)和TB/T2344(部标2344)各项标准所规定的钢轨尺寸允许偏差。,3.有碴轨道结构,12,表3.1.1 世界主要高速铁路钢轨尺寸允许偏差(mm),13,表3.1.2 世界主要高速铁路钢轨平、直度规定(mm/m),表3.1.2 列出了上述各项标准对钢轨平直度所作出的规定,14,表3.1.2 钢轨的化学成分 表3.1.3列出了京沪技术条件及国外有关标准中对化学成分的规定 表3.1.3 世界主要高速铁路钢轨化学成分(%),15,表3.1.4列出了对残留元素上限值的规定。 表3.1.4 钢轨残留元素上限(%),16,3.1.3钢轨的力学性能 除了传统的力学指标抗拉强度b，延伸率5和踏面硬度之外，高速铁路还对钢轨的疲劳强度、断裂韧性，裂纹扩展速率、残余应力、落锤性能等提出了要求。京沪技术条件中有关力学性能的规定见表3.1.5。表中的各项指标值大体是参照UIC900A和EN标准制订的。 表3.1.5 钢轨的力学指标,17,日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60kg/m级。我国60kg/m钢轨在国内主要干线上已铺设5万多公里。三种60kg/m钢轨的断面尺寸及主要参数如图3.1.1a,b,c表3.1.6所示。国外高速铁路钢轨重量都为60kg/m级，故在我国高速铁路上采用60kg/m级钢轨也顺理成章。,a.UIC60kg/m轨 b.中国60kg/m轨 c.日本60kg/m轨 图3.1.1 60kg/m钢轨断面,18,表3.1.6 三种钢轨断面主要参数,19,进行断面设计通常考虑的因素是： 轨重影响钢轨的垂向抗弯刚度及抗横向倾覆稳定 轨底宽影响钢轨的抗横向倾覆稳定性 头高影响金属分配比及轨头的磨耗限值 底高影响金属分配比及底部的强度 腰厚影响轨腰部分的强度及腐蚀限值 轨头、轨腰及轨腰、轨底的连接圆弧将影响其局部应力及接头夹板的接触面。 UIC60轨和我国60kg/m钢轨的轨顶弧线是很近似的，都是五段式13-80-300-80-13弧线，只是各段弧线的长度略有差异，中国60kg/m轨中心R=300mm圆弧的宽度为20mm，R=80mm连接圆弧的宽度为15.33mm，整个轨顶弧线宽度为69.36mm，而UIC60轨的相应尺寸为21mm、15.5mm和70.6mm，轨头侧面斜度均为1:20。 可以认为，对轮轨几何接触、轮轨动力、轮轨磨耗最具影响的轨头形式尺寸而言，UIC60轨和中国的60kg/m轨没有实质性的差异。,20,3.1.5钢轨焊接接头平、直度 表3.1.6列出了世界主要高速铁路焊接接头的平、直度标准。 表3.1.6 高速铁路焊接接头平、直度标准,21,3.2混凝土轨枕 国外高速铁路混凝土轨枕的结构型式及适用速度范围列於表3.2.1。 表3.2.1 国外主要高速铁路混凝土轨枕的结构型式及适用速度范围,22,我国铁路目前生产的混凝土轨枕系列的主要设计参数列於表3.2.2。 表3.2.2 各类轨枕的主要设计参数,23,根据试验和分析，型、型混凝土枕的适用条件如表3.2.3所示。 表3.2.3 、型枕适用条件,24,京沪高速铁路参ICE的机车荷载(轴重19.5t)，设计出三种轨枕方案如表3.25 表3.2.5 三种高速铁路轨枕设计方案及型枕对比,可以看出，京沪高速铁路所需的轨枕承载能力略低于型枕，故按所需承载能力所设计的三种高速铁路轨枕其高度约比型枕低10mm，重量约轻10kg，使考虑到型枕在我国已大量生产、使用，及生产成本，使用经验考虑。建议我国高速铁路有碴轨道结构采用型混凝土轨枕。,25,3.3扣件 3.3.1国外高速铁路扣件型式及其主要参数 表3.3.1 国外主要高速铁路扣件,26,3.3.2京沪高速铁路扣件的基本设计参数 制订京沪高速铁路扣件的主要设计参数如下： 初始扣压力10kN 扣压弹性件弹程10mm 胶垫静刚度80kN/mm 每公里线路两股钢轨间的电阻4 我国铁路既有的弹条扣件、轨下橡胶垫板的型号、 主要设计性能及配套使用情况分别如表3.3.2，3.3.3。,27,表3.3.2 弹条扣件的型或及主要设计性能,注：括号内值为50kg/m钢轨。,28,表3.3.3 轨下胶垫的型号、静刚度及配套使用性能,注：垫板型号中三组数字顺次表示：钢轨类型、垫板厚度和垫板上下表面沟槽数之和。,29,3.4道床 3.4.1国外主要高速铁路的道床结构 日本东海道新干线及其它新干线，法国TGV线路，德国ICE高速线路，西班牙高速铁路的线路断面图分别示於图3.4.13.4.6。,图3.4.1 日本东海道新干线线路断面,图3.4.2 日本其它新干线线路断面,30,b 道床面碴；f 路基表层； qc 道床底碴层； a1，a2土工纤维织物隔离层； g 干净砂/砾层； ft用水硬性砂浆处理过的路基表层； s 细砂隔离层； r1，r3,r4换土的路基表层 图3.4.3 法国TGV线路不同路基条件下的线路断面,31,图3.4.4 德国ICE新线线路断面,图3.4.5 西班牙高速铁路线路断面,32,图3.4.6 日本单层道床中的基床表层,图3.4.7 强化路盘结构,日本新干线高速铁路采用的单层道床结构及强化路盘,33,3.4.2京沪高速铁路的道床结构 京沪高速铁路的道床断面如图3.4.8所示。,图3.4.9(a) 京沪高速铁路双线路堑(硬质岩石)标准横断面图,图3.4.8 道床断面图,图3.4.9(b) 京沪高速铁路双线路堤标准横断面图,34,我国于1990年重新制订TB/T2140-90铁路碎石道碴标准。标准中将道碴质量划分为一级和二级，并规定在特重型、重型轨道地段，应优先采用一级道碴。世界各国道碴标准中通用的洛杉矶磨耗率LAA相比，我国一级道碴LAA27%，法国普通铁路及TGV东南线LAA20%，TGV北线LAA17%、TGV新建线LAA16%。我国“暂规”规定的适用於京沪高速铁路特级碎石道碴材质标准见表3.4.1。,35,3.4.3 碎石道床道碴材料,表3.4.1 特级碎石道碴标准,36,3.4.4碎石道床底碴材料 铁路设计暂规中规定，用路基基床表层替代道床底碴层。当基床表层材料采用级配碎石时，其材质、粒径级配应满足我国TB/T2897铁路碎石道床底碴的各项要求。 底碴材料的粒径级配应符合表3.4.2的规定，且0.5mm筛以下的细集料中通过0.075mm筛的颗粒含量应小于等于66%，底碴材料的粒径级配与碎石道碴层及路基基床表层(即底碴层以下的填料层)粒径级配的匹配关系示于图3.4.10。,37,表3.4.2 铁路碎石道床底碴粒径级配标准,图3.4.10 道碴、底碴、基床表层材料粒径级配的合理匹配关系,38,3.4.5有碴桥上的道床厚度 常速线路上有碴桥上的道床厚度大都小於土路基上的道床厚度。因为这时道床的主要功能是扩散轨枕荷载，确定道床厚度的控制因素是路基支承表面的允许压应力，而混凝土桥面的允许压应力远远高於土路基表面。 高速铁路有碴桥上道床的主要功能是增加轨道弹性，隔振、除噪、延续道碴的破碎和粉化。扩散轨枕荷载不再是决定道床厚度的控制因素，故桥上的道床厚度都大于路基上的道床厚度。,39,德国高速铁路有碴桥轨道断面如图3.4.11,图3.4.11 德国高速铁路有碴桥轨道断面,40,法国TGV线路有碴桥轨道断面如图3.4.12,图3.4.12 法国TGV线路有碴桥轨道断面,41,日本高速铁路有碴桥轨道断面如图3.4.13所示,图3.4.13 日本高速铁路有碴桥轨道断面,42,京沪高速铁路将采用在道碴层与桥面之间铺设橡胶垫层的方案，其轨道断面图如图3.4.14。枕下道碴层与橡胶层的总厚度为35cm。橡胶层的材料、结构及参数待研究确定。,图3.4.14 京沪高速铁路有碴桥轨道断面,43,3.4.6 道床状态 “京沪高速铁路设计暂行规定”（上册）规定：线路开通前，道床密度不得小于1.75gcm3,支承刚度不得小于120KNmm,纵向阻力不得小于14KN/枕，横向阻力不得小于12KN/枕。以满足新线铺设跨区间无缝线路的要求及新建铁路按设计速度开通的要求。,44,4.无碴轨道结构,4.1无碴轨道结构的特点及其使用条件 采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒体碎石道床的轨道结构统称为无碴轨道。其优点是： 1.消除了由于散粒体道碴的破碎、粉化，道床的形变而导致轨道几何形态恶化和日益增加的轨道维修工作量。 2.整体化的轨下基础给轨道提供了更为强大的纵、横向阻力，提高了轨道的稳定性。 在刚性的整体混凝土底座上，安装厂制的橡胶垫板，橡胶靴套或现场浇注的CA砂浆垫层等弹性元件提供的轨道弹性，比在土路基上的碎石道床提供的轨道弹性更具均匀性。,45,其缺点是： 1.散粒体碎右道床可通过起、拨、捣作业，方便地对轨道几何形态的变化进行整治和修理。而无碴整体道床，只能利用扣件的有限调节量调整轨道几何尺寸的变化，因此，无碴轨道结构建成之后的永久变形受到严格的限制。 2.无碴轨道为刚性基础，其轨道整体弹性差。列车运行时其环境振动，噪声及轨道振动强烈。 3.无碴轨道的基础一旦出现变形或破坏，其整治和修复相对困难，资金和人力的投入也很大，故要求有坚实和稳固的基础。 4.无碴轨道的工程费用比有碴轨道高。,46,基于上述特点，我国现阶段在使用无碴轨道结构时需要考虑下述各点： 1.在现阶段我国高速铁路上无碴轨道将首先应用于混凝土桥梁、高架结构及有仰拱的隧道内。 2.在混凝土桥梁和高架结构上使用无碴轨道时，必须考虑无碴轨道施工完成后混凝土梁的工后徐变上拱量，并必须控制在扣件的调高量范围之内。 3.扣件是调整无碴轨道几何形变的唯一环节。一般要求隧道内无碴轨道扣件的调高量为10mm左右，桥梁、高架结构无碴轨道扣件的调高量至少为30mm，最好为50mm。 无碴轨道的几何施工精度是决定无碴轨道能否大面积推广应用的关键。,47,4.2 无碴轨道在国外高速铁路上的应用 在新建的柏林至汉诺威和法兰克福至科隆的两条高速铁路上，无碴轨道的铺设长度分别占线路总长的70%和100%。 德国无碴轨道的型式主要有Rheda型、Zblin型、ATD型和Y钢枕型，其中用于桥上和隧道内的Rheda型轨道结构如图4.2.1所示。,48,图4.2.1 德国Rheda型轨道,49,日本无碴轨道的基本型式是板式(slab)轨道，它已成为山阳、上越、东北、北陆等新干线的主型轨道结构(表4.2.1)，至今累计铺设总长已达2400km。 表4.2.1 日本新干线板式轨道铺设长度(km),50,图4.2.2 日本普通型(a)、防振型(b)、框架型(c)板式轨道,51,4.3 我国高速铁路的无碴轨道结构 在桥、隧无碴轨道结构的设计、施工、维修中应考虑下列主要原则。 1.用于桥梁、隧道内的无碴轨道结构必须与桥、隧作为一个整体进行设计。 2.充份考虑基础无永久变形或有限永久变形的要求。对于隧道，必须有坚实的仰拱及完善的排水设施。对于桥梁，必须严格控制梁的工后徐变上拱量。 3.提高扣件在垂向的弹性，使无碴轨道结构的整体弹性接近于有碴轨道。 4.提出合适的施工技术和施工机具，确保无碴轨道的施工质量。,52,我国高速铁路上优先采用的无碴轨道结构有下列三种型式： 4.3.1长枕埋入式无碴轨道,图4.3.1 长枕埋入式无碴轨道结构横断面图,53,4.3.2 板式无碴轨道,图4.3.2 板式无碴轨道结构横断面图,54,4.3.3 弹性支承块式无碴轨道,图4.3.3 弹性支承块式无碴轨道,55,4.4 我国高速铁路无碴轨道结构的扣件 长枕埋入式和弹性支承块式无碴轨道采用WJ-2弹性扣件，其组装图如图4.4.1所示。表4.4.1所示。,图4.4.1 WJ-2型弹性扣件组装图,56,图4.4.2 弹性分开式扣件组装图,57,表4.4.1 无碴轨道扣件主要技术参数,58,4.5 轨道过渡段 4.5.1过渡段长度的确定 过渡段的长度主要由路桥过渡段工后沉降差引起的轨面弯折角的限值控制。将轨面变形的弯折角控制在1.52.5以内。在过渡段台后路基工后沉降限值确定为8cm时，根据变折角的限值可得过渡段长度为2033m。对于秦沈客运专线桥上无碴轨道，确定的过渡段长度为25m。 4.5.2技术处理措施 在过渡段较软一侧，增大轨道的竖向刚度。 在过渡段较硬一侧，减小轨道的竖向刚度,