孫　立

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063）

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不同區(qū)域無(wú)砟軌道適應(yīng)性研究

孫立

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063）

摘要無(wú)砟軌道是目前我國(guó)高速鐵路主要的軌道結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)地域廣闊，氣候條件復(fù)雜，因此在修建高速鐵路過(guò)程中，針對(duì)各個(gè)地區(qū)的氣候特點(diǎn)，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式尤為重要。本文在分析無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)無(wú)砟軌道的溫度場(chǎng)區(qū)域劃分方案，對(duì)我國(guó)夏炎冬暖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)4個(gè)溫度場(chǎng)區(qū)域展開(kāi)無(wú)砟軌道的適應(yīng)性研究，提出了各個(gè)溫度場(chǎng)區(qū)域無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式的推薦方案及選型要點(diǎn)：夏炎冬曖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)推薦采用雙塊式無(wú)砟軌道和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道；嚴(yán)寒地區(qū)推薦采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，若夏季施工，可選擇鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道。

關(guān)鍵詞無(wú)砟軌道；溫度場(chǎng)；適應(yīng)性；軌道選型；高速鐵路

無(wú)砟軌道具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，剛度均勻性好，結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)，維修工作量少的特點(diǎn)，是目前我國(guó)高速鐵路主要的軌道結(jié)構(gòu)形式。溫度荷載是無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)的主要荷載之一。我國(guó)高鐵跨越不同氣候帶，各地區(qū)氣候條件差異較大，因此在大規(guī)模修建高速鐵路的背景下，選擇技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式尤為重要。但是目前國(guó)內(nèi)對(duì)不同區(qū)域的無(wú)砟軌道適應(yīng)性的研究還較少［1-4］，日本、德國(guó)、法國(guó)等高鐵技術(shù)原創(chuàng)國(guó)家由于國(guó)土面積、氣候條件的局限性，未遇到我國(guó)面臨的高寒高溫氣候問(wèn)題，所以沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

本文在分析國(guó)內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國(guó)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)區(qū)域劃分方案，系統(tǒng)開(kāi)展了不同區(qū)域無(wú)砟軌道的適應(yīng)性研究，為我國(guó)不同區(qū)域的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)選型提供參考。

1　我國(guó)無(wú)砟軌道主要類(lèi)型及技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)砟軌道技術(shù)是隨著高速鐵路的發(fā)展而產(chǎn)生的。目前我國(guó)主要的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式：雙塊式無(wú)砟軌道、CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道、CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，其中CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道為我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)［5］。我國(guó)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型見(jiàn)表1。

表1　我國(guó)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型

1. 1雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

雙塊式無(wú)砟軌道是直接將雙塊式軌枕澆筑在混凝土道床中，主要由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕、道床板、底座或支承層等組成。雙塊式無(wú)砟軌道見(jiàn)圖1。

圖1　雙塊式無(wú)砟軌道

雙塊式無(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)材料主要為混凝土，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)耐久性好；②由下往上施工，可施工性好，與下部結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)；③結(jié)構(gòu)受力合理，計(jì)算參數(shù)明確，可靠性好；④工程造價(jià)相對(duì)較低。

雙塊式無(wú)砟軌道的缺點(diǎn)：①路基地段若采用連續(xù)道床板結(jié)構(gòu)，混凝土裂紋控制困難；②預(yù)制雙塊式軌枕與現(xiàn)場(chǎng)澆筑道床板混凝土連接的可靠性在重載情況下需要進(jìn)一步研究；③軌枕存放期間，桁架鋼筋易銹蝕。

1. 2 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道是將預(yù)制軌道板通過(guò)水泥乳化瀝青砂漿，鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)澆筑的具有限位凸形擋臺(tái)的鋼筋混凝土底座上，主要由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿、混凝土底座、凸形擋臺(tái)及周?chē)畛錁?shù)脂組成。CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道見(jiàn)圖2。

圖2　CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn)：①路、橋、隧地段均為單元結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力合理；②當(dāng)軌道沉降量超出扣件調(diào)整量一定范圍時(shí)，可在軌道板與CA砂漿之間灌注填充材料，可維修性相對(duì)較好。

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的缺點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)可靠性受CA砂漿質(zhì)量影響較大，而CA砂漿質(zhì)量受氣候、材料、施工工藝影響較大；②因梁中采用圓形凸臺(tái)、梁端采用半圓形凸臺(tái)進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)限位，故在大跨度橋梁地段其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；③框架板存在噪聲大、排水不通暢的問(wèn)題，尤其不適用于路基地段。

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道和雙塊式無(wú)砟軌道主要鋪設(shè)在京廣深高速鐵路信陽(yáng)至深圳段、哈大高鐵、蘭新高鐵等項(xiàng)目，目前服役狀態(tài)較好，除了局部路基地段由于排水問(wèn)題導(dǎo)致的軌道病害外，軌道結(jié)構(gòu)基本上沒(méi)有較大的維修工作量，很好地滿(mǎn)足了高速鐵路的運(yùn)營(yíng)要求。

1. 3 CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道是將預(yù)制軌道板通過(guò)水泥乳化瀝青砂漿調(diào)整層，鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪的混凝土支承層或現(xiàn)場(chǎng)澆筑的鋼筋混凝土底座上。路基、隧道地段CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道主要由鋼軌、彈性扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿、支承層等部分組成。橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)與路基地段有所不同，軌道板仍進(jìn)行縱向聯(lián)結(jié)，下部設(shè)連續(xù)澆筑的鋼筋混凝土底座，并在底座與梁面保護(hù)層之間設(shè)置滑動(dòng)層，底座板兩側(cè)設(shè)置側(cè)向限位擋塊。CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道見(jiàn)圖3。

圖3　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)于大跨度橋梁適應(yīng)性好，一定范圍內(nèi)大跨度橋梁可以減少設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，有利于線(xiàn)路平順性；②軌道板預(yù)制精度高，可減少鋪板后軌道板調(diào)整量。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的缺點(diǎn)：①縱連結(jié)構(gòu)，尤其是在橋梁地段軌道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜；②底座板、軌道板均為縱向受力連續(xù)體，特殊情況下斷板修復(fù)困難；③CA砂漿、“二布一膜”等有機(jī)材料均參與結(jié)構(gòu)縱、橫向受力，影響結(jié)構(gòu)可使用性，因此對(duì)材料性能、耐久性、施工工藝要求更嚴(yán)格。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道主要鋪設(shè)在京滬高速鐵路、京廣深高速鐵路北京至信陽(yáng)段等設(shè)計(jì)速度350 km/h的高速鐵路上，目前總體情況滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。不過(guò)，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的累積，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在路橋隧地段統(tǒng)一采用縱連結(jié)構(gòu)，其溫度效應(yīng)較大的弱點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)，尤其是在個(gè)別施工質(zhì)量較差的地段，軌道維修工作量較大。

1. 4 CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道是將預(yù)制軌道板和自密實(shí)混凝土復(fù)合在一起的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，主要由鋼軌、彈性扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土、鋼筋混凝土底座等組成。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道見(jiàn)圖4。

圖4　CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)受力合理；②自密實(shí)混凝土與CA砂漿等有機(jī)材料相比耐久性好；③結(jié)構(gòu)可維修性好。

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的缺點(diǎn)：①自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)在作為調(diào)整層的同時(shí)，與軌道板通過(guò)門(mén)型鋼筋進(jìn)行連接，形成了復(fù)合結(jié)構(gòu)。作為調(diào)整層，自密實(shí)混凝土還承擔(dān)了一定的結(jié)構(gòu)功能，這將導(dǎo)致自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)成為整個(gè)軌道結(jié)構(gòu)最薄弱的環(huán)節(jié)。②結(jié)構(gòu)整體性對(duì)于軌道板與自密實(shí)混凝土的復(fù)合作用依賴(lài)過(guò)大。

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道經(jīng)過(guò)成灌鐵路、武漢城市圈城際鐵路、鄭徐客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)等項(xiàng)目工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，證明了其是一種高安全性、高耐久性、可維修性好的軌道結(jié)構(gòu)。目前，CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道已經(jīng)成為我國(guó)新建高速鐵路的主要無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式。

2　無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)區(qū)域劃分

根據(jù)縱連式和單元式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮各個(gè)地區(qū)高溫、低溫、實(shí)測(cè)溫度梯度等因素，用累年最冷月（1月）和最熱月（7月）的最低氣溫、最高氣溫，以及平均溫度和軌道板溫度梯度值作為分區(qū)主要指標(biāo)，將全國(guó)鐵路無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)劃分為4個(gè)區(qū)域（不含臺(tái)灣地區(qū)）：夏炎冬暖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，見(jiàn)圖5。鐵路無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)分區(qū)如表2所示［6］。

圖5　全國(guó)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)區(qū)域（不含臺(tái)灣地區(qū)）

表2　鐵路無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)分區(qū)

3　不同區(qū)域無(wú)砟軌道適應(yīng)性分析

3. 1夏炎冬暖和夏炎冬冷地區(qū)

夏炎冬暖和夏炎冬冷地區(qū)主要包括我國(guó)華東地區(qū)、華中地區(qū)、華南地區(qū)和西南大部分地區(qū)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)：夏季氣溫較高且高溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，季節(jié)性的凍融循環(huán)現(xiàn)象不突出，整體溫度荷載相對(duì)較小。由于高溫會(huì)對(duì)縱連式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形成較大的縱向溫度荷載，尤其是持續(xù)高溫現(xiàn)象易引起縱連軌道板的上拱等問(wèn)題［7-8］，因此該區(qū)域推薦采用單元式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)?？紤]到特大跨度橋梁和特大溫度跨度橋梁上鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道易出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期間梁端凸形擋臺(tái)拉裂等問(wèn)題，因此推薦采用雙塊式無(wú)砟軌道和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。但還需考慮以下情況：

1）對(duì)于設(shè)計(jì)速度250 km/h高速鐵路，如果在近期兼顧貨運(yùn)線(xiàn)路，建議不予鋪設(shè)板式無(wú)砟軌道系列。

2）設(shè)計(jì)速度200 km/h及以上的高速鐵路（近期兼顧貨運(yùn)），區(qū)間路基及橋梁地段采用有砟軌道，長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m的隧道及長(zhǎng)大隧道群地段推薦采用雙塊式無(wú)砟軌道。

3）經(jīng)濟(jì)性方面，雙塊式無(wú)砟軌道優(yōu)于CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。

3. 2寒冷地區(qū)

寒冷地區(qū)主要包括我國(guó)華北地區(qū)和西北部分地區(qū)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)：夏季氣溫較高，冬季氣溫較低，全年平均氣溫適中。該區(qū)域冬季凍融循環(huán)較為頻繁，整體溫度荷載相對(duì)較大?？紤]到特大跨度橋梁和特大溫度跨度橋梁上鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道易出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)期間梁端凸形擋臺(tái)拉裂等問(wèn)題，因此在該區(qū)域同樣推薦采用雙塊式無(wú)砟軌道和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。其它需考慮的情況與3. 1節(jié)的3點(diǎn)內(nèi)容相同。

3. 3嚴(yán)寒地區(qū)

嚴(yán)寒區(qū)域主要包括我國(guó)東北地區(qū)、內(nèi)蒙古地區(qū)、新疆西藏部分地區(qū)和青海地區(qū)，主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)：冬季十分寒冷，最低氣溫普遍能達(dá)到- 30℃或更低，夏季高溫時(shí)間較短，但高溫天氣中絕大多數(shù)地區(qū)也能達(dá)到35℃以上，因此全年氣溫變化幅度較大。縱連式軌道結(jié)構(gòu)對(duì)整體溫度變化較敏感，極端低溫下溫度荷載易造成軌道結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，因此在該區(qū)域不宜采用縱連式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

由于雙塊式無(wú)砟軌道道床板采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)圬工量較大，施工相對(duì)較慢，嚴(yán)寒地區(qū)溫差較大，冰雪凍害嚴(yán)重，存在混凝土裂紋控制問(wèn)題。雖然板式無(wú)砟軌道底座也存在類(lèi)似問(wèn)題，但由于底座受上部預(yù)制軌道板的遮擋，嚴(yán)寒氣候條件和凍融循環(huán)的影響相對(duì)直接暴露在空氣中的道床板來(lái)說(shuō)較?。?］。同時(shí)考慮到在嚴(yán)寒地區(qū)砂漿耐久性能不足［10］，建議不予鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道。因此嚴(yán)寒地區(qū)推薦采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，若夏季施工可選擇鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道。

4　結(jié)論

根據(jù)各種無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點(diǎn)，本文在我國(guó)無(wú)砟軌道溫度場(chǎng)區(qū)域劃分方案的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)開(kāi)展了不同區(qū)域無(wú)砟軌道的適應(yīng)性研究，得到以下結(jié)論：

1）夏炎冬暖地區(qū)、夏炎冬冷地區(qū)和寒冷地區(qū)推薦采用雙塊式無(wú)砟軌道和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。

2）嚴(yán)寒地區(qū)推薦采用CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，若夏季施工可選擇鋪設(shè)雙塊式無(wú)砟軌道。

3）對(duì)于設(shè)計(jì)速度250 km/h高速鐵路，如果在近期兼顧貨運(yùn)線(xiàn)路，建議不予鋪設(shè)板式無(wú)砟軌道系列。設(shè)計(jì)速度200 km/h及以上的高速鐵路（近期兼顧貨運(yùn)），區(qū)間長(zhǎng)度超過(guò)1 000 m的隧道及長(zhǎng)大隧道群地段推薦采用雙塊式無(wú)砟軌道。

4）經(jīng)濟(jì)性方面，雙塊式無(wú)砟軌道優(yōu)于CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。

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（責(zé)任審編鄭冰）

Study on Adaptability of Ballastless Track in Various Regions

SUN Li
（China Railway Siyuan Survey and Design Croup Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China）

AbstractIn China，ballastless track is the mostly utilized track form in high speed railway. Our country has large territory and complex climate condition. T hus in the course of the construction of high speed railway，technical and economical form of railway track need to be selected with the consideration of different climate conditions of different areas. Based on the analysis of the property of different track forms，the applicability of ballastless track in four different temperature fields according to the classification scheme of ballast track temperature field was studied，including hot summer and warm winter zone，hot summer and cold winter zone，cold zone and cold serious zone. Recommend project on ballastless track form in different temperature fields and key point on structure selection were put forward in this paper，which were using double-block ballastless track and CRT SⅢslab-type ballastless track in hot summer and warm winter zone，hot summer and cold winter zone，and cold zone，using CRT SⅢslab-type ballastless track in cold serious zone and using double-block ballastless track during summer construction.

Key wordsBallastless track；T emperature field；Adaptability；T rack selection；High speed railway

中圖分類(lèi)號(hào)U213. 2+44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 09

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0039-04

收稿日期：2016-03-31；修回日期：2016-04-10

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡(jiǎn)介：孫立（1969—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。