CRTSⅠ型与CRTSⅡ型板式无砟轨道结构特点分析

李中华

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300142)

1 无砟轨道概述

根据我国《中长期铁路网规划》,到2020年我国铁路将建成“四纵四横”快速客运通道及3个区域城际快速客运系统。高速度、高密度、长距离跨线运输是我国客运专线主要运营特点。为满足行车安全、乘车舒适和准点行车的要求,客专和高铁线路必须具有平顺、稳定、耐久和少维修的性能[1]。而无砟轨道具有整体稳定性强、刚度均匀性好、线路平顺度高、耐久性强的突出优点,并可显著减少线路的维修工作量[2]。

无砟轨道在国外高速铁路已经得到广泛应用,并已在许多方面显示出明显的优越性,取得了良好的技术和经济效益[3]。我国对无砟轨道也进行了大量的研究与应用,在桥上及隧道内已铺设过若干试验段,比如遂渝线无砟轨道综合试验段。随着京津城际铁路(见图1)、合武客运专线、石太客运专线的开通运营,这些都将为我国客运专线和高速铁路的设计、施工、运营打下技术基础。

图1 京津城际铁路

无砟轨道结构形式种类繁多,技术性能上也各有特点[4]。目前国际上没有对无砟轨道的统一分类法,按照无砟轨道结构进行分类,可分为整体结构式和直接支承结构式,按照施工工艺可分为现浇混凝土式和预制板式[5]。本文所要分析的CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅡ型板式无砟轨道均属于预制板式无砟轨道,为精简叙述,以下分别称为Ⅰ型板式轨道和Ⅱ型板式轨道。

2 结构组成

2.1 Ⅰ型板式轨道结构组成

Ⅰ型板式轨道由钢轨、扣件、预制轨道板、乳化沥青水泥砂浆(CA砂浆)、混凝土凸形挡台及底座板等部分组成,轨下设置充填式垫板[6]。Ⅰ型板式轨道结构组成示意图见图2。

图2 Ⅰ型板式轨道结构组成示意图

2.2 Ⅱ型板式轨道结构组成

路基上Ⅱ型板式轨道的层次构成依次为:级配碎石构成的防冻层(FSS)、30 cm厚的沥青水泥砂浆层、20 cm厚的轨道板、扣件系统等(见图3)。

图3 路基上Ⅱ型板式轨道系统结构图

3 板型分类

3.1 Ⅰ型板式轨道的板型分类

Ⅰ型轨道板分为预应力平板(P)、预应力框架板(PF)和钢筋混凝土框架板(RF);按轨道板长度分为4 962 mm、3 685 mm、4 856 mm。预应力平板(见图4)及预应力框架板采用后张、部分预应力混凝土结构;钢筋混凝土框架板采用普通钢筋混凝土结构;配筋按截面中心对称布置;轨道板内预埋扣件绝缘套管和轨道板起吊用套管。

考虑到Ⅰ型板式轨道在不同地区、不同环境的使用要求,设计了适用于不同线下基础的预应力平板、框架板、非预应力平板、框架板以及减振板等Ⅰ型板式无砟轨道结构。其中预应力平板主要用于寒冷地区,框架型(见图5)主要用于温暖地区,实际应用中可根据不同地区气候环境条件进行选型。

图4 Ⅰ型平板式无砟轨道

图5 Ⅰ型框架板式无砟轨道

3.2 Ⅱ型板式轨道的板型分类

3.2.1 标准预制轨道板(标准板)

标准预制轨道板长6 450 mm、宽2 550 mm、厚度200 mm,混凝土的设计强度为C55,每块板混凝土用量3.45 m3,板重约 8.6 t。

3.2.2 特殊预制轨道板(特殊板)

特殊预制轨道板为最大长4.5 m、板厚300 mm的钢筋混凝土板,特殊预制轨道板设有减振系统(质量弹簧系统),必要时还可在特殊预制轨道板里安装信号设备。

3.2.3 补充型预制轨道板(补偿板)

由于存在着桥梁、隧道、道岔和新线与既有线路的连接处等控制点,必要时需对预制轨道板的长度进行调整,为此可生产长度从0.60 m到6.50 m不等的预制轨道板[7]。

4 各地段板式轨道断面尺寸

4.1 各地段Ⅰ型板式轨道断面尺寸

直线路基地段Ⅰ型板式轨道结构高度为757 mm。曲线路基地段在混凝土底座上设置超高,曲线路基地段Ⅰ型板式轨道断面图见图6。直线桥隧地段Ⅰ型板式轨道结构高度为657 mm,曲线桥隧地段在混凝土底座上设置超高[8]。

4.2 各地段Ⅱ型板式轨道断面尺寸

桥梁地段Ⅱ型板式轨道由钢轨、扣件、Ⅱ型板、砂浆调整层、连续底座板、滑动层、侧向挡块等组成(见图7)。梁面设置齿槽及预埋剪力筋,梁缝处设置硬泡沫塑料板。以某曲线隧道地段为例,其Ⅱ型板式轨道断面图见图8。

图6 曲线路基地段Ⅰ型板式轨道断面图(单位:mm)

图7 桥梁地段Ⅱ型板式轨道结构示意图

图8 曲线隧道地段Ⅱ型板式轨道断面图(单位:mm)

5 对线下工程设计要求

5.1 对路基设计要求

5.1.1 Ⅰ型板式轨道对路基设计要求

曲线超高在混凝土底座上设置,底座两侧铺设厚0.08 m的沥青混凝土,路基中间设置线间集水井[9],无砟轨道范围内的水向两侧及线间集水井排出(见图9)。

图9 路基地段Ⅰ型板式轨道示意图

5.1.2 Ⅱ型板式轨道对路基设计要求

曲线超高在路基基床表层设置,直线地段采用C25混凝土填封层向线路两侧排水,曲线地段采用线间集水井排水[10]。在摩擦板、端刺及过渡板设置区域,路基填料需根据摩擦板长度不同进行个别设计。

5.2 对桥梁设计要求

5.2.1 Ⅰ型板式轨道对桥梁设计要求

曲线超高在混凝土底座上设置。底座范围内梁面不设防水层和保护层,轨道中心线2.6 m范围内的梁面在梁场预制时应进行拉毛处理,梁体采用预埋套筒植筋与底座连接;以Ⅰ型4962板为例,梁体预埋钢筋(见图10)。底座范围外铺设防水层及保护层,桥面采用三列排水方式。

图10 Ⅰ型板式轨道预埋钢筋图(单位:mm)

5.2.2 Ⅱ型板式轨道对桥梁设计要求

曲线超高在底座混凝土板上设置,连续底座板与梁面间铺设两布一膜滑动层,梁缝处设置预埋剪力筋并铺设硬泡沫塑料板,底座两侧每隔一定距离设置侧向挡块[11]。排水方式采用三列排水,桥面设置加高平台。以32 m简支梁为例,Ⅱ型板式轨道侧向挡块及剪力钢筋布置图(见图11)。

图11 Ⅱ型板式轨道侧向挡块及剪力钢筋布置图(单位:mm)

5.3 对隧道设计要求

Ⅰ型板式轨道曲线超高在混凝土底座上设置,排水方式为三列排水;Ⅱ型板式轨道曲线超高在混凝土支承层上设置,排水方式为三列排水。

6 轨道系统技术特点

6.1 Ⅰ型板式轨道技术特点

6.1.1 Ⅰ型板式轨道的整体性能

Ⅰ型板式轨道结构高度低,道床宽度小。Ⅰ型框架板式轨道可节省钢筋和混凝土料,降低桥梁的二期恒载,造价较低,但没有降低轨道板实际承受列车荷载的有效强度,不影响列车荷载的传递,在隧道内应用时可减少隧道的开挖断面。Ⅰ型板式轨道在基础上设置了凸形挡台,凸形挡台与混凝土底座板同步施工,依靠凸形挡台对轨道板进行定位,施工相对简便。

6.1.2 Ⅰ型板式轨道的制造和施工

Ⅰ型轨道板为工厂预制,其质量容易控制,施工速度快[12];由于其采用“由下而上”的施工方法,施工过程中不需工具轨;在特殊减振及过渡段区域,通过在轨道板底粘贴弹性橡胶垫层,易于实现下部基础对轨道的减振要求。在桥上铺设Ⅰ型板时,受桥梁不同跨度的影响,需要不同长度类型的轨道板配合使用;曲线地段铺设时,线路超高顺坡、曲线矢度的实现对扣件系统的要求较高;Ⅰ型板式轨道中CA砂浆调整层的施工质量直接影响轨道的耐久性;Ⅰ型板式轨道的制造、运输和施工专业性较强,包括:Ⅰ型板的制造、运输、吊装、铺设;CA砂浆的现场搅拌、试验、运输和灌注;轨道状态调整过程中的充填式垫板、树脂灌注等。

由于水泥沥青砂浆调整层的存在,受自然环境因素的影响较大,为提高Ⅰ型板式轨道的耐久性,对于轨道板底的CA砂浆调整层,以灌注袋的形式取代初期模式的直接灌注,以减少CA砂浆层的环境暴露面,从而实现轨道结构少维修的设计初衷。

6.2 Ⅱ型板式轨道技术特点

6.2.1 Ⅱ型板式轨道的制造与施工

图12 Ⅱ型轨道板生产车间

Ⅱ型板采用横向预应力结构,通过设置预裂缝控制随机裂纹产生。采用工厂化预制,其生产车间(见图12),每块板上有10对承轨台,承轨台的精度用机械打磨并由计算机控制。通过数控机床打磨工艺获得高精度的轨道几何,轨道板具有唯一性。轨道板之间通过纵向精轧螺纹钢筋连接,较好地解决了板端变形问题,行车舒适度较高。

工地施工时,不需对每个轨道支撑点进行调节,使工地测量工作大大减少。工地的主要工作是沥青水泥砂浆层的灌注,灌浆层在灌注5～6 h后即可硬化,具有可修复性,除在每个钢轨支撑点处(轨道扣件)有调高余量外,还可以调整Ⅱ型板本身的高程。

图13 端刺、摩擦板及过渡板纵断面示意图

6.2.2 各地段Ⅱ型板式轨道的技术特点

路基、隧道地段现场混凝土浇筑量较少,钢轨调整工作量很低,施工进度快。通过高精度的测量和轨道板精调系统,轨道几何形位精确,Ⅱ型板铺设后轨道几何精度高,最大限度地降低了铺轨后的精调工作,人为因素干扰小。通过轨道板间纵向连接解决了板端部变形问题,轨道结构整体性好、线路平顺度高。

桥梁地段Ⅱ型板及底座采用连续结构主要承受纵向荷载,侧向挡块作为横向限位结构承受横向荷载。通过设置滑动层隔离轨道系统与桥梁的相互作用,大跨连续梁地段可取消钢轨伸缩调节器。而对于顶面无覆土且全长超过40m的桥梁结构铺设桥上Ⅱ型板式轨道时,桥梁两端路基上应设置端刺、摩擦板及过渡板(见图13)。

6.3 板式轨道技术参数

两种板式轨道都要求充填式垫板表面光滑平整、修边整齐,两个工作面上的承压范围内,因橡胶垫板引起的沟槽表面凸出量不得超过0.8 mm,充填式垫板的绝缘电阻不小于1 MΩ。充填式垫板疲劳试验后,厚度变化率不大于5%。

两种板式轨道CA砂浆的技术要求见表1。

表1 两种板式轨道CA砂浆的技术要求表

6.4 Ⅱ型板式无砟轨道工程分析

京津城际铁路采用了Ⅱ型板式无砟轨道,自开通运营以来,状态良好。采用60 g◦m-1钢轨、Vossloh300-1型扣件,其轨道板为单向预应力、有挡肩结构,经过数控磨床对承轨台的精密打磨,轨道几何精度较高。通过布设精测网和精调系统,轨道几何形位精准,行车安全性和舒适性高。

7 结束语

Ⅰ型板式轨道与Ⅱ型板式轨道在结构上差异较大,Ⅰ型板式轨道在板间设置凸形挡台,Ⅱ型板式轨道板间通过张拉锁件连接其纵向螺纹钢筋。Ⅰ型板式轨道外形上分为平板和框架板,Ⅱ型板式轨道外形上分为标准板、特殊板和补偿板。曲线路桥隧地段Ⅰ型板式轨道的超高均设置在混凝土底座上,曲线路桥隧地段Ⅱ型板式轨道的超高分别设置在路基基床表层、连续底座板、混凝土支承层上。除路基地段Ⅱ型板式轨道外,双线地段两种轨道的排水方式均采用三列排水。Ⅰ型板比Ⅱ型板制造简单、造价稍低。Ⅱ型板式无砟轨道比Ⅰ型板式无砟轨道几何精度高、整体性和纵向连续性好。

[1]中华人民共和国铁道部.铁建设函[2005]754号客运专线无砟轨道设计指南[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2]中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]47号新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2007.

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