高速铁路轨道技术综述

1、2007年1月第1期(总100 铁 道 工 程 学 报J OURNAL OF RA IL W AY ENG I N EER ING SOC I ETY Jan 2007NO.1(Ser .100收稿日期:2007-01-04作者简介:卢祖文,1942年出生,男,教授级高级工程师。1966年毕业于唐山铁道学院铁道建筑系,一直在铁路系统从事工程工务工作。1984年调入铁道部工务局,历任技术处副处长、处长、副局长、局长;1998年铁道部机构改革,任运输局基础部主任;2003年到部高速铁路办公室任副主任。在铁道部工作期间,主要从事技术政策、技术标准、规章制度等的编制工作和工务管理工作。在工务工作中力推

2、 线桥结构现代化、施工作业机械化、企业管理科学化 ,全过程参加了铁路前5次大提速,并代表铁道部出席2002年度全国科技表彰大会, 铁路大提速 项目获 国家科技进步一等奖 。著有!铁路轨道结构及修理、!客运专线铁路轨道等5部著作,发表论文100多篇。文章编号:1006-2106(200701-0041-14高速铁路轨道技术综述卢祖文(铁道部高速铁路专家组, 北京100844摘要:研究目的:高速铁路的轨道必然比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性,为保证轨道结构的这些要求,轨道各部件的力学性能、使用性能和组成为结构的整体性能都比普通轨道部件高得多。本文旨在提供长期以来国内外在高速铁路轨道方面的

3、研究成果与应用经验,以期满足中国高速铁路建设和发展的需要。研究结论:对各国在高速铁路轨道结构、客运专线和高速铁路对轨道结构的要求、钢轨、轨下基础、扣件、道床等方面的技术指标做出分析和评述,并对一些关键技术的发展提出了思路。关键词:高速铁路;轨道;综述中图分类号:U 213 文献标识码:AOverall Co mm e nts on Track Technology ofH igh -s peed Rail w ayLU Zu -w en(Experts Tea m o fH igh-speed Ra il w ay ,MOR,Beiji n g 100844,ChinaAbst ract :R

4、 esearch purposes :The track of h i g h-speed rail w ay requ ires h i g her safety ,re liability and regu larity t h an t h at of ordinary ra il w ay ,so there are much h i g her requ ire m ents o fm echan ics property ,applicable property and i n tegra l property o f structure f o r the all co m po

5、nents o f track than that of o r d i n ar y track i n order to satisfy the require m en ts m en ti o ned above of track struct u re .The purposes of this paper are to prov i d e research ach ieve m ents and applied experiences regardi n g to the track of high-speed ra il w ay at ho m e and abr oad s

6、o as to satisfy the needs of constr uction and developm en t o f h i g h-speed rail w ay i n China .R esearch concl u sions :The analysis and co mm ents are m ade on the requ ire m ents and the techn ica l i n dexes o f ra i,l sub-ra il foundation,fittings and ballast bed f o r track struct u re o f

7、 passenger ded icated ra il w ay li n e and h i g h-speed ra il w ay i n m any countr i e s ,and the th i n k i n g is o ffered for deve l o p m ent of t h e key track technolog ies .K ey w ords :high-speed ra il w ay ;track ;overa ll co mm ent 高速铁路轨道结构和普通铁路轨道结构一样,由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质绝然不同的材料承

8、受来自列车车轮的作用力,它们的工作是紧密相关的。任何一个轨道零部件的性能、强度和结构的变化都会影响所有其他零部件的工作条件,并对列车运行质量产生直接的影响,因此轨道结构是一个系统,要用系统论的观点和方法进行研究。钢轨直接承受由机车车辆传来的巨大动力,并传向轨枕;轨枕承受钢轨传来的竖向垂直力、横向和纵向水平力后再将其分布于道床,并保持钢轨正常的几何位置;轮轨间的各种作用力通过轨枕和扣件的隔振、减振和衰减后传递给道床,使道碴重新排列,并将作用力扩散传递于路基。由于列车速度的提高给轨道结构的作用力与速度的n次方成正比,因此高速铁路的轨道必然要比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性,而轨道各部件的

9、力学性能、使用性能和组成为结构的卜性能都比普通轨道部件高得多。1 高速铁路轨道结构等级1.1 结构等级铁路轨道结构等级与运输条件密切相关。在铁路运输发展的初期,速度、轴重、密度都处于较低水平,对轨道结构的要求以可靠性为主,等级划分则以年通过总质量为主,兼顾列车速度的要求。近年来发展的客运专线和重载铁路,对轨道结构提出了不同侧重的要求。客运专线以旅客运输为主,除要求极高的安全性和可靠性以外,对旅客的舒适度提出了很高的要求。在轨道结构方面,则除了传统轨道不允许存在的长波不平顺以外,还对短波不平顺作出了严格的限制。为了达到这些要求,欧洲AGC计划明确要求线桥设备采用统一标准。这些标准包括:(1采用6

10、0kg/m钢轨、长度2.6m轨枕、弹性扣件、硬质道碴的轨道结构;(2利用标准列车计算桥梁荷载;(3规定统一的列车速度和轴重;(4全部采用立体交叉;(5采用大号码道岔,直向过岔速度与区间正线一致,侧向过岔速度与连接的联络线一致。1.2 轨道结构类型1.2.1 有碴轨道和无碴轨道的应用范围高速铁路轨道结构主要类型有有碴轨道和无碴轨道。有碴轨道是铁路的传统结构。它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点。但随着行车速度的提高,其缺点也逐渐显现。首先,由于有碴轨道不均匀下沉产生的120H z以下频率范围的激振严重,轨道破损和变形加剧,从而使维修工作量显著增加,维修周期明显缩短。根据德国

11、高速铁路的资料,当行车速度为250300km/h时,其线路维修费用约为行车速度为160200km/h时的2倍;速度为250 300km/h时,通过总重达3亿吨后道碴就需全部更换,而在160200k m/h时,通过总重则可达10亿吨。日本对高速铁路桥上的有碴轨道与无碴轨道维修费用进行的统计分析表明,有碴轨道的线路维修费用比无碴轨道高111%,也就是说有碴轨道的维修费用相当于无碴轨道的2倍多。基于这一情况,许多专家认为,从经济角度和维修管理角度看,高速铁路应采用无碴轨道。特别是在桥隧结构上,由于无碴轨道减少了二期恒载和建筑高度,采用无碴轨道更为有利。除此以外,无碴轨道还具有使用寿命长、线路状况良好

12、、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石碴飞溅等优点,因此无碴轨道在国外高速铁路上获得了越来越广泛的应用,其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区,无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。1.2.2 世界上一些国家铺设有碴轨道和无碴轨道的概况日本除在1964年开通的东海道新干线未采用无碴轨道外,其后修建的高速铁路采用无碴轨道的比例逐年增加:1972年开通的山阳(大阪#冈山新干线占4.9%;1975年开通的山阳(大阪#福冈新干线占68.6%;1991年开通的东北(东京#盛冈新干线占82%;1990年开通的上越(大宫#新澙新干线占90%;1997年开通的北陆(高崎#长野新干线占87.5%

13、。德国认为,当运营速度超过300km/h时,有碴轨道会出现道碴粉化现象,需要经常维修,由于维修成本增加,其最终成本要比无碴轨道高。德国在20世纪70年代修建的高速铁路,无碴轨道不足30%;而1998年开通的柏林#汉诺威高速铁路,无碴轨道比例达到80%以上。中国台湾高速铁路无碴轨道155k m,占正线长度的45%。荷兰高速铁路土质条件不好,软土较多,但也积极采用无碴轨道。法国是以有碴轨道为主的国家,目前也在铺设无碴轨道。在京沪高速铁路进行设计咨询时,法国咨询专家也建议京沪高速铁路采用无碴轨道。法国高速铁路延用了传统的有碴轨道结构,采用双块式混凝土轨枕和拉布拉弹片式扣件。在1983年开通的388k

14、m 长、速度270km/h的巴黎#里昂的TGV东南客运专线上,尽管轴重较小,为160170kN,但是平均通过总重4000万吨(约每2年就要进行一次线路修理,另外还需对钢轨定期打磨,以消除因列车高速运行时道碴旋流造成的钢轨踏面缺陷。值得注意的是,每一次修理都会造成道碴损坏(道床肩棱损坏、道碴破碎,从1986年开始就在37%的线路(硬基础的路段42 铁 道 工 程 学 报2007年1月上增加15c m厚的道碴,以便对受到严重损坏的道床上层补充道碴,为此还必须提升接触网。线路通过总重达到2.5至3.0亿吨后开始对道碴道床进行更新。与旅客列车速度为120140km/h的客货混运线路相比,上述高速线路的

15、道碴使用期约为道碴正常使用期的25%。法铁总结有碴轨道道碴飞溅的原因主要有:(1冬季在车体和转向架上有冰雪,列车进入气温较高地段冰块下落;(2线路修理作业后道床不稳定;(3小动物破坏护栏进入线路,扰动道床;(4列车高速和大风。当列车速度250k m/h以上时,在2.5m距离内飞碴已经非常严重,不能靠近。德国也是欧洲最早建设高速铁路的国家之一,和法国TGV不同的是,德国高速铁路的轨道结构以无碴轨道为主。柏林#汉诺威的高速铁路运营速度280km/h,无碴轨道占72%;科隆#法兰克福的高速铁路运营速度300k m/h,无碴轨道占85%;正在修建中的纽伦堡#英戈城高速铁路设计速度目标值330 k m/

16、h,无碴轨道占84%。实践表明,德国的无碴轨道技术是先进的和成熟的。1.2.3 无碴轨道的缺点德国在2005年出版的!轨道概论中仍然对无碴轨道的缺点进行了详细的描述,主要有:1.2.3.1 投资问题:无碴轨道的初期投入比有碴轨道高得多,即使施工方法得到优化、建设数量增大,无碴轨道的成本系数仍为有碴轨道的1.52.0。另外,有碴轨道维修的大型养路机械作业精度越来越高、作业质量越来越好、保持轨道几何状态的周期延长,这些都会增强有碴轨道的竞争力。而随着运营时间的延长,无碴轨道钢轨打磨工作量比有碴轨道大、修复工作比较复杂等都会增加投入,而这些投入在初期是无法计算的。1.2.3.2 混凝土无碴轨道为刚性

17、承载层,当达到承载强度极限时将产生断裂,并引起轨道几何尺寸的突然变化和难以预见的恶化。1.2.3.3 无碴轨道的建设和维修都远未达到自动化程度,无碴轨道的质量需要高水平的养护措施提供保障,这意味着在施工工序和质量控制方面都要增加额外的费用和时间。建立期间的质量缺陷将为整个使用寿命期留下隐患,并需要花高昂的代价进行弥补。1.2.3.4 无碴轨道作为刚性结构,在后期运营阶段允许作少量补修,如调整轨道几何状态,不仅十分困难,而且需要花费高昂代价。1.2.3.5 无碴轨道不能在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设。1.2.3.6 无碴轨道噪声水平比有碴轨道高约5dB,必须采取有效的降噪措施。1.2.3

18、.7 对脱轨或其他原因导致的严重损坏还没有特别有效的措施,而且一旦发生问题,修复时间很长。1.2.3.8 无碴轨道改进的可能性很小。1.2.3.9 在路基上铺设无碴轨道时,在任何情况下都要铺设防冻层(至少70c m厚。要延长无碴轨道的寿命周期,水凝性材料层厚度几乎不能减少。路基处理深度也比有碴轨道深。1.2.3.10 目前大部分的经济研究没有考虑无碴轨道到了寿命周期后高昂的再建费用。1.3 无缝线路无缝线路是由许多根标准长度的钢轨焊接成一定长度的长钢轨线路。无缝线路具有行车平稳、旅客舒适、节省接头材料、降低维修费用、延长线路设备和机车车辆使用寿命等优点,是铁路轨道结构的发展方向。各国铁路竞相发

19、展无缝线路,高速铁路必须采用无缝线路。从理论上讲,无缝线路可以无限长,但多年来由于技术上的限制,区间信号和道岔区存在钢轨接头,成为无缝线路的薄弱环节。随着科学技术水平的提高和铁路技术装备的加强,无绝缘轨道电路技术和装备的普及、钢轨绝缘接头的采用、高碳中锰钢轨和高碳微钒钢轨与道岔高锰钢焊接技术的突破,无缝线路实现实际上的无限长已成为现实。沪宁线利用线路大修在20世纪末实现一根全长223.2km的跨几十个区间的超长无缝线路、秦沈客运专线首创新线建设全线一次铺设无缝线路、结合秦沈客运专线的京秦改造工程实现全线一次铺设无缝线路等,说明我国铺设超长无缝线路已进入可以全面实施的阶段。新线铺设无缝线路有2种

20、基本方案。一种是短轨过渡方案,即先铺设短轨有缝线路并经初期运营,待路基、道床在列车作用下密实、稳定之后,保持道床、轨枕不动,将短轨更换为长轨条并焊接成无缝线路。这种经过短轨有缝阶段过渡而铺设的无缝线路,容易使钢轨接头部位的基床、道床受到破坏,使之在强度、弹性及其结构均匀性等方面成为固有的薄弱环节。而且这些已经形成的薄弱环节具有 记忆特征,不可能通过维修手段彻底根除,它们将长期影响线路的平顺性和均匀性,不能满足高速列车的运营要求,同时也加大了养护维修工作量。另一种是一次铺设无缝线路方案,即新铺设长钢轨一次焊接成无缝线路,在无缝线路铺设之后,基本上不承受施工列车、更不承受初期运营列车的作用,从而免

21、除了短轨过渡期形成的上述问题,保43第1期卢祖文:高速铁路轨道技术综述证高速线路的质量。世界各国高速铁路无一例外全部采用一次铺设无缝线路方案。2 各国客运专线和高速铁路的轨道结构客运专线和高速铁路轨道结构除应具有比重载铁路轨道结构更高的可靠性和稳定性以外,最大的区别在于它应具有极高的平顺性。法国、德国为提高行车速度在轨道方面采取了许多技术措施,其中大部分是围绕提高和保持轨道的平顺性进行的。当机车车辆确定之后,轮轨间动力作用和振动随轨道的不平顺幅值及波长的变化而成倍变化。从法国高速铁路的实测资料分析,轴重160170kN的高速客车在平顺性很好的轨道上以300km/h的速度行驶时,轮轨间作用力并不

22、比200kN轴重货车在中等平顺轨道上以100km/h 的速度运行时的作用力大。国外高速铁路运营实践表明,采用60kg/m钢轨轨道结构,严格控制轨道平顺性,可以满足高速行车的需要。2.1 法国法国高速铁路一般采用由U I C60钢轨、双块式混凝土枕、NABLA弹性扣件组成的有碴轨道。长轨条长280m或396m,采用铝热焊焊接,铺设跨区间无缝线路。道碴级配35/50,枕下道碴厚度最小为30c m。长大工程结构物端头设温度调节器。根据侧向通过速度230km/h、170k m/h和70k m/h的需要确定道岔号码。每2025k m设渡线,侧向过岔速度160km/h,可反向行车。20多年的运营实践表明,

23、法国高速铁路轨道结构是成功的,适应了高速行车,当试验速度达到400km/h时,各种轮轨力都低于导致线路塑性变形的限值。在轨道实际运行中有如下情况值得重视:2.1.1 在1983年开通的巴黎#里昂TGV东南客运专线(长度388km、速度270km/h、最小曲线半径4000m、最大曲线超高180mm、最小竖曲线半径25000m、最大坡度35上,尽管轴重较小(160 170kN,但是平均通过总重仅4000万吨(约2年就要进行一次线路大修。2.1.2 对钢轨要定期进行打磨,以消除因列车高速运行时道碴旋流造成的钢轨踏面缺陷,这种缺陷会因动力作用增大而造成轨道状态迅速恶化。如果不及时进行钢轨打磨,就会增加

24、线路大修工作量。2.1.3 线路大修会造成道碴损坏(道碴破碎。法国对TGV东南客运专线从1986年(仅通车3年开始就在37%的线路(硬基础的路段上增加15c m厚的道碴,以便对受到严重损坏的道床上层补充道碴,为此还必须提升接触网。2.1.4 线路通过总重达到2.53.0亿吨后,要对道床的道碴进行更换。与旅客列车速度为120140km/h 的客货混运线路相比,高速线路道碴使用期仅为道碴正常使用期的25%。2.2 德国德国高速铁路采用U I C60钢轨,钢轨在工厂用闪光对接焊焊成180m长的轨条,再在工地用铝热焊焊成无缝线路钢轨。钢轨出厂前进行超声波探伤,厂焊及工地焊的焊接接头也要进行超声波探伤。

25、钢轨及焊缝的平直度都要求达到0.3mm/m。有碴轨道采用B70型混凝土枕,长度为2.6m,轨枕间距为60c m,轨枕中间部分50c m长不承受支承。由于其支承面积大,从而大大降低了道床顶面的轨枕压应力;又由于轨枕的抗弯刚度大,从而保证了在高速条件下轨距和轨底坡的稳定性。采用SKL1和SKL4型 弹条扣件。道床最小厚度为30c m,道床肩宽为50c m。2.2.1 德国为改善道床工作条件采取的措施德国高速铁路为提高有碴轨道结构的承载能力,曾分别采取过下列改善道床工作条件的措施,有力地提高了道床抗力:2.2.1.1 采用长2.6m甚至2.8m的混凝土枕,以扩大枕底支承面积,降低道床顶面压力。2.2

26、.1.2 增加轨下胶垫弹性,使胶垫刚度从普通线路的800kN/mm降低到高速线路的80kN/mm,以降低轨枕作用到道床顶面的准静态荷载、冲击荷载和振动荷载。2.2.1.3 增加碎石道床厚度,从普通线路道床厚度30c m增加到高速铁路的35c m,以提高道床的弹性,降低碎石道碴层传递到路基保护层的压应力。2.2.1.4 铺设碴下胶垫,特别是在高架结构的有碴线路及10m长度范围内的路桥过渡段上,在道床下铺设减振胶垫,以减少道碴的破碎和粉化,碴下垫层的刚度为0.1N/mm。2.2.1.5 在碴肩的边坡涂刷塑胶,以提高道床碴肩和边坡的稳定性。正是由于有碴轨道存在的不足,为提高有碴轨道的工作性能还要采取

27、如此多的措施,增加了不少投资,所以德国高速铁路现在正大力推广并采用无碴轨道。2.2.2 德国高速铁路应引起重视的问题从德国早期修建的2条以有碴轨道为主的高速铁路(1987年开通的运行速度为250km/h的曼海姆#斯图加特高速铁路和1991年开通的运行速度为270km/h的汉诺威#维尔茨堡高速铁路运营实际情况看,有如下问题应引起重视:2.2.2.1 由于这2条高速铁路实行客货混运,为避免44 铁 道 工 程 学 报2007年1月有碴轨道轨向的迅速变化,一般情况下只容许采用60mm的欠超高,因此与法国TGV相比,德国的曲线半径比较大。2.2.2.2 尽管这2条线桥梁比例不大,但在桥梁上道碴损坏严重

28、,通过总重不到2亿吨就对汉诺威#维尔茨堡高速铁路大部分桥梁上的道床道碴进行了更换,分析原因是桥梁端部和道碴硬垫层的变形。2.2.2.3 为强化轨道结构,铺设道床底面垫层和B75型混凝土枕(长度2.8m,并配合使用loar v300型高弹性钢轨扣件。2.2.2.4 为严格控制路基沉降,必须对路基和轨道防冻层充分夯实,对这种增大了刚度的轨道可能需要提前更换道碴。2.3 日本1964年,在日本投入运营的长515k m、速度为220km/h的东海道新干线客运专线(最小曲线半径2500m、最大超高180m、最小竖曲线半径10000m、最大坡度20是有碴轨道,虽然轴重较轻(仅为160kN,但在运营15年后

29、,高架线路和桥梁上的线路已不能保持符合高速运输要求的良好状态,必须进行线路大修。2.3.1 东海道新干线出现的问题东海道新干线有碴轨道出现以上情况的原因是: 2.3.1.1 轨道结构薄弱:东海道新干线是日本第一条高速铁路,考虑到其是客运专线,轴重较轻,所以采用的轨道结构比较薄弱:钢轨断面小(54kg/m、混凝土枕短(2.4m、道床厚度薄(2025c m。2.3.1.2 轨道弹性不良:由于道床厚度不足,而作为基础的桥面板刚度又太大,在高速列车运行时产生了很大的道碴应力,加速了轨道整体结构的变形和轨道部件的折损。一方面是结构薄弱、抗力不足,一方面是动力响应急剧增大,东海道新干线曾被迫限速运行,直到

30、更换为60kg/m钢轨和增设了道碴垫层后,才恢复了正常运行。此后,日本在修建高速铁路时寻求新的途径,这就是无碴轨道。2.3.2 日本无碴轨道的特点日本把无碴轨道称作板式轨道,它具有如下结构特点:2.3.2.1 板式轨道由轨道板和钢轨组成,由扣件将其联结,轨道板由水泥沥青砂浆层(C A砂浆整体支承。2.3.2.2 轨道板为钢筋混凝土或预应力混凝土结构,考虑到运输、铺设作业及曲线地段轨道中心和轨道板中心错位等因素,轨道板标准长度为5m。2.3.2.3 为防止轨道板沿轨道纵、横向移动,要把轨道板固定在整体道床上,因此在隧道及高架桥的整体道床上设置圆柱形混凝土凸台。2.3.2.4 轨道的高低误差可通过

31、在轨道板衬垫和钢轨垫板之间插入可调高衬垫进行调整,而轨道的方向误差则可通过调节钢轨扣件及移动轨道板进行校正。2.3.2.5 在轨道板和整体道床之间采用自然重力法填充沥青。3 客运专线和高速铁路对轨道结构的要求轨道是铁路运输的重要技术设备,它支承和引导列车车轮,直接承受竖向、横向和纵向力的作用。轨道结构应该保证机车车辆在规定的最大载重和最高速度下运行时,具有足够的强度、稳定性和合理的修理周期。与其他工程结构物不同,轨道具有荷载的随机性和重复性、结构的组合性和散体性(有碴轨道、修理工作的经常性和周期性。客运专线和高速铁路有碴轨道在结构上与普通线路有碴轨道没有本质的差别,只是在部件性能、技术水平和养

32、护维修等方面标准更高、要求更严。3.1 稳定的轨道结构铁路轨道结构是连续的长大工程结构物,在客、货混运的条件下,既要保证客车较高运行速度对轨道高平顺性的要求,同时又要满足货车较大轴重对轨道重型化的要求,而货车较大轴重又时刻破坏着轨道的平顺性,威胁着客车的安全。寻求这样一个平衡点,对轨道结构而言,就是结构和部件的强化和优化。在高速客运专线条件下,轨道结构的设备和材质都有了比较大的加强,轨道各部件的静力强度已不是对轨道整体结构承载能力起控制作用的因素。但是,高速铁路轨道在不稳定重复荷载作用下,其承载能力却不一定能满足高速行车的要求,它的破坏形式主要表现为在列车荷载反复作用下,轨道各部件的疲劳折损、

33、轨道整体结构残余变形积累超限。对普通铁路的轨道结构,它和一般工程结构的显著差别是在运用条件下能够进行个别折损部件的更换和整体结构残余变形的校正,轨道结构的工作过程是一个边工作、边折损更换、边变形维修的过程。但对客运专线和高速铁路的轨道结构,必须保证最高程度的稳定。由60kg/m强韧化钢轨、重型预应力混凝土轨枕、优质弹性钢轨扣件和硬质道碴道床组成的重型轨道,不仅可以使轨道变形小、结构稳定、使用可靠、轨面平顺,而且可以起到减少振动的作用。从客运专线和高速铁路轨道承受的荷载看,采用重型轨道结构不仅可以减少线路的垂直下沉,而且可以增大轨道横向推移45第1期卢祖文:高速铁路轨道技术综述阻力,保持线路的方

34、向顺直。采用重型轨道还有减振的作用。由于高速列车施加的高频振动会使道碴 流坍、道床下沉增加,铺设重型钢轨和轨枕,则可起到隔离与补偿的作用,以减少高频振动对道床的影响。日本曾在隧道内对振动加速度进行过测试研究,得到振动加速度与轨道结构相关的经验公式可知,采用重型钢轨和轨枕可以降低振动加速度。日本在行车速度为250km/h的线路上换铺了325kg重的混凝土枕后,列车振动明显减小。铺设重型钢轨,用钢量有所增加,但重型钢轨刚度增大带来的动力坡度减小、断面增大带来的减振隔振作用和钢轨使用寿命的延长,对高速铁路是有利的。归纳起来,铺设重型钢轨具有以下优点:(1钢轨垂直刚度增大,列车荷载通过轨道可分布到较长

35、的范围,减小枕上、道床和路基应力,减缓轨道残余变形积累;(2钢轨垂直刚度增大,线路动力不平顺减小,动力附加应力减小;(3线路动力坡度小,单位行车阻力减小,对高速行车有利,并可降低能源消耗;(4钢轨断面增大,钢轨应力减小,疲劳寿命延长;(5钢轨头部断面增大,磨耗容许限度增大,钢轨磨耗寿命延长;(6轨头顶面半径增大,轮轨接触应力减小。前苏联使用重轨的经验证明:P75、P65钢轨分别比P50钢轨的维修费减少35%47%和20%40%;每米钢轨质量每增加1kg,维修养护工作量可降低1.3%,线路养护劳动力消耗可降低1.5%1.8%,单位行车阻力降低0.6%0.8%,钢轨损伤数量可分别减少50%和34%

36、;大修周期P65轨比P50轨延长44%。日本认为,60kg/m钢轨使用寿命为50kg/m钢轨的1.81.9倍。法国认为,60kg/m钢轨更换率仅相当于50kg/m 钢轨的1/6。根据我国铁路现场的对比试验,与50kg/m钢轨轨道结构相比,60kg/m钢轨轨道结构的钢轨动弯应力减少约30%,轨道的动力响应得到全面改善。3.2 平顺的运行表面为保证高速行车的需要,轨道必须为列车提供平顺的运行表面。轨道的不平顺从结构上大约可以分为3种类型,即结构不平顺、附加不平顺和动态不平顺;从波长区分则有长波不平顺和短波不平顺。结构不平顺是指由于轨道结构及部件固有的不平顺,如钢轨表面由于轧制工艺造成的钢轨垂向弯曲

37、、焊缝凸凹不平、轨道铺设和整道时形成的不平顺;附加不平顺是指在运行过程中由于各种原因形成的不平顺,如钢轨表面不均匀磨耗、钢轨踏面剥离掉块、有碴轨道因道碴飞溅在轨面辗压形成的轨面伤损、钢轨弹性垫层破损等;动态不平顺是指在列车运行中产生的不平顺。动态不平顺一般有2种情况:一种是轨道弹性不匀和荷载波动,轮轨接触点轨迹呈波浪形;另一种是存在暗坑掉板和道床不均匀的弹性下沉。这2种不平顺只有在动态情况下才会表现出来,这种动态不平顺增大了列车运行中的冲击和振动。为保证运行表面的平顺,主要从钢轨和轨下基础两方面提出要求。3.2.1 钢轨客运专线和高速铁路的轨道结构对钢轨有很高的要求,本节仅从保持轨面平顺的角度

38、进行说明。首先,钢轨应该具有足够的抵抗变形的能力。根据轨道强度计算原理,当轨道其他条件相同时,钢轨的下沉量y及轨底的弯曲应力 与钢轨断面对水平轴的惯性矩J的关系可用下列公式表示:y=AJ1/4(1=B%HJ3/4(2式中 A,B#与荷载及轨下基础有关的系数;H#轨底至中性轴间距。由式(1和式(2可知,采用60kg/m钢轨J= 3217c m4,H=81.23mm,比采用50kg/m钢轨下沉量减少11%,显然对高速行车是有利的。在客、货混运的线路上,由于货运重载,轮轨接触应力大,钢轨表面产生剥离、掉块等损伤比较普遍。客运专线和高速铁路钢轨表面不允许这些病害的存在,因此钢轨材质必须具有较高的强韧性

39、。在某些情况下,钢轨残余应力也是造成钢轨破损与变形的原因之一。因此,客运专线和高速铁路的钢轨对残余应力应有严格的限制。客运专线和高速铁路必须采用无缝线路。3.2.2 轨下基础混凝土枕、扣件和道床构成了有碴轨道的基础,而整体道床则是无碴轨道的基础。对有碴轨道,影响基础稳固的主要因素是道床。除道碴本身材料的质量外,道床顶面承受的应力是造成道床破坏的主要因素。道床顶面的应力为b=SF=R%f d%rF(3式中 b#道床顶面应力;R#轨枕顶面垂直静力;S#道床表面压力;f d#动力系数,取值2.02.5;r#分配系数,取值0.30.5;F#轨枕支承面积。由式(3可知,轨枕支承面积增大可以减小道床顶面应

40、力 b。根据美国及其他国家的研究成果,道床变形与破坏的程度与道床应力 d的34次方成正比。因此,各国理所当然地把减少道床表面应力作为减少线路变形的一种重要措施。而减少道床应力最简便的方法就是铺设重型钢轨和支承面较大的混凝土枕。发展高速铁路的国家无一例外地采用长度为2.6m的重型轨枕,德国在近年来建设的高速铁路甚至已经开始采用长度为2.8m的混凝土枕。能否能够实现高平顺性的标准是高速铁路成败的核心问题,要求高、难度大、涉及面广。国外高速铁路在工程建设和设备管理方面积累了大量的经验,但也出现过不少的挫折。这些失败的教训,很多都是因为对高平顺要求认识不够、对平顺性控制不严、采取的措施不当造成的。因此

41、,所有从事高速铁路的研究、设计、施工、监理、管理人员都应该十分重视高速铁路的平顺性问题。本节仅从不平顺波长方面说明高速铁路轨道高平顺方面的基本要求,即对各种不平顺要严格控制。与桥梁、道床、路基变形和轨道铺设精度直接相关的中长波不平顺:(1高低、轨向、水平、扭曲和轨距偏差等局部孤立存在的不平顺;(2连续成段大量存在的各种不平顺幅值的离散程度;(3敏感波长和周期性不平顺;(4轨道不平顺各波长成分的功率谱密度。与钢轨平直度和钢轨表面有关的短波不平顺:(1焊缝不平顺;(2新轨平直度;(3轨头剥离、掉块、擦伤、不均匀磨耗等表面缺陷;(4道岔不平顺。3.3 良好的轨道弹性客运专线和高速铁路轨道结构具有良好

42、的弹性是十分重要的。轨道具有良好的弹性,不仅可以使轨道具有较强的抗振动与抗冲击能力,而且有利于减少噪声干扰,因此轨道结构良好弹性是各国高速铁路追求的目标。轨道结构弹性良好包括两方面的含义:一是为高速行车引起的振动起到 吸振作用的足够的弹性;二是沿轨道纵向弹性的均匀性。有碴轨道的弹性主要由散粒道碴道床和轨下垫层提供。无碴轨道的弹性主要由混凝土基床与轨道板之间的乳化沥青水泥砂浆和轨下垫层提供。轨道各部分在列车荷载作用下都会产生振动,其振动加速度与轨道减振能力有关。轨道的减振能力包括吸振和隔振。吸振主要由道床和轨下垫层弹性完成,隔振则由中间质量(轨下部件和道床质量,其中主要是轨枕质量完成。高速铁路轨

43、道的轨下基础,有碴轨道是混凝土枕,无碴轨道是混凝土基床和轨道板(或轨枕、支承块。无论是哪种轨下基础,由于是混凝土结构,隔振效果都比较好。为扬长避短,发挥混凝土轨下基础的优点,避免刚度增大的不利影响,重要的问题是要改善道床状态和提高轨下垫层的弹性。轨道弹性的综合指标是用钢轨支点弹性系数D 来表示的。D值反映压力与沉落量之间的比例关系,在数值上它等于使轨枕垫板顶面产生单位弹性下沉所必须施加于垫板顶面的压力值。钢轨支点弹性系数的影响因素很多,随机性很强,其量值一般在一定范围内波动。总的来说,D值愈大,表明轨道弹性愈差;反之,轨道弹性愈好。有碴轨道混凝土枕线路的D值用下式表示:D线=D道%D垫D道+D

44、垫(4式中 D线#混凝土枕线路钢轨支点弹性系数(N/c m;D道#道床弹性系数(N/c m;D垫#轨下垫层弹性系数(N/c m。式(4和大量测试结果表明,改善道床和轨下垫层弹性对以下3个方面有明显作用:(1对混凝土枕所受荷载有直接的缓冲和减振作用;(2可以明显减小轨道下沉量和减少下沉的不均匀性;(3对减小车辆簧下振动加速度有明显作用。对客运专线和高速铁路而言,除轨道结构本身应具有良好的弹性外,轨道结构弹性的均匀性也是十分重要的。对此,要注意如下问题:(1采用硬质道碴。由于道碴磨耗而引起的残余下沉积累的剧烈程度与道碴材料的接触强度和道碴接触处的应力有关,因此必须严格按照技术标准选择硬质道碴。(2

45、采用同样材质道碴。铺设在碎石道床上的轨枕与道碴之间的接触是极不均匀的,轨枕与道碴间和道碴颗粒之间的接触应力波动很大,接触应力特别大的道碴棱角磨碎加剧,造成不均匀下沉,如有材质不良道碴混入其中,这种情况会更加严重,所以道碴材质应均匀。(3道床密实度均匀。采用相同或相当的机械和工艺夯实道床,以使道床获得良好的、均匀的密实度。(4轨下垫层厚度一致,弹性均匀。3.4 可靠的轨道部件无庸置疑,客运专线和高速铁路轨道结构是极为重要的工程结构,要求其具有极高的安全可靠性,对组成轨道结构的各部件自然也提出了极严格的性能和质量要求。本节仅从安全、可靠的角度进行说明。为此引入安全使用寿命的概念:在列车运行荷载作用

46、下,轨道结构及其部件产生应力和变形。不同的轨道结构,整体结构和各部件的应力和变形有很大的差异。由于运输条件的变化和轮轨关系都具有很强的随机性,轨道在一定的运输条件下安全地完成规定任务的概率(即系统的可靠度应该达到规定的要求。轨道的破损表现为轨道整体结构变形和轨道部件折损。轨道整体结构变形包括弹性变形和永久变形。轨道的永久变形不仅影响列车的平稳运行,而且当这种变形积累到一定程度后,还将大大削弱线路的强度和稳定性,威胁行车安全。轨道结构和一般工程结构的显著差别是在运营条件下,要随时消除这些永久变形。对高速铁路来讲,轨道变形的速率应非常缓慢,而一旦发生永久变形,必须及时消除。为保证列车安全、可靠运行

47、,对轨道结构应具备的状态和各部件的关系都规定了严格的技术标准。钢轨及其轨道部件的状态与行车安全有直接的关系,它们必须绝对保证技术性能优良,使用安全可靠。但是,由于运输条件复杂、轨道部件材质有离散性和使用环境恶劣,轨道部件出现伤损是不可避免的,但这些伤损的出现又是有一定规律的,因此就产生了安全使用寿命的概念。钢轨伤损是行车安全的最大隐患。钢轨伤损的种类很多,又以钢轨折损对行车安全威胁最大。钢轨折损数量愈多,行车的安全度愈低,修复、抽换伤损轨的费用及中断行车时间所造成的损失愈大。从行车安全、换轨修理的综合技术经济指标考虑,当平均每公里线路钢轨的折损数量超过一定限度,则这批钢轨将被认定已无继续使用的

48、技术经济价值,必须结合线路换轨大修成批更换。这批钢轨从上道使用直至被成批更换下道的整个使用期内,线路的累计通过总质量称为钢轨的安全使用寿命。根据铁路的重要性、运输性质及行车速度的不同,对钢轨使用所要求的安全度指标是不同的。在各种不同的线路中,高速铁路的安全度最高,因而安全使用寿命内线路累计通过总质量应该最小。混凝土枕设计中的控制截面是轨枕的轨下截面和中间截面。这2个截面所受荷载弯矩的大小取决于机车车辆轴重、行车速度、轨道状态和道床支承情况等的不同,同时,轨枕截面所受荷载弯矩在很大范围内波动,不仅每一根轨枕所受的荷载不同,而且同一根轨枕的轨下截面或中间截面在每一次轮载作用下所受到的荷载弯矩也是不

49、同的。在这种不稳定重复荷载作用下,轨枕在预计使用期内达到失效状态的概率应不大于某一预定值。这是混凝土枕按使用安全度设计理论设计的基本含义。轨枕失效状态是指轨枕截面达到这种状态后轨枕的使用情况已经比较恶劣,以致难以保证轨枕的正常使用。在预应力混凝土枕设计中,轨枕截面的失效状态具体规定为:(1轨枕截面受拉钢筋处混凝土在不稳定重复荷载弯矩作用下出现宽度大于0.3mm的裂缝;(2轨枕截面受拉钢筋处混凝土在不稳定重复荷载弯矩作用下出现宽度大于0.03mm的残余裂缝。轨道结构在运行中除要确保轨道部件的可靠性外,各部件的良好整合也是十分重要的。轨道结构是由不同形状、不同材料组成的,在承受各种力的作用时表现出

50、不同的功能,但它们的工作状态又都是互相关联的。例如钢轨扣件是把钢轨固结在轨枕上的部件,它既要有足够的扣压力使钢轨和轨枕形成整体,同时又要与轨下垫层有良好的配合,二者之间的弹性必须一致。如果工作性能不匹配或任何一个部件损坏,都会改变其他部件的受力状态,从而破坏轨道结构的整体性和工作性能。从这个角度分析,也可看出轨道部件安全可靠性对整个结构安全可靠性的重要作用。3.5 便利的养护维修客运专线和高速铁路的轨道结构有有碴轨道和无碴轨道,结构的不同将带来养护维修方式的绝然不同。但从运营需要看,却具有一定的共同要求。3.5.1 养护维修方便客运专线和高速铁路轨道结构的重要特点之一是高可靠性。高速列车运行时

51、,不允许出现任何超过技术标准的偏差,一旦出现则必须在第一时间内迅速处理。因此,在研究和配置轨道结构及部件时,就要考虑养护维修的方便。传统轨道结构具有边运营、边变形、边修理的特点,而客运专线和高速铁路在运行中是不允许维修人员进入隔离带的,因此客运专线和高速铁路应该是边运营、边变形,在下一轮维修或保养前不允许出现超过技术标准的偏差,当出现意外情况时,修理和更换部件要具有最便利的条件。这就是为什么研究轨道结构时要同时研究维修作业手段和工艺的原因。3.5.2 天窗维修制度高速行车的振动使轨道结构破坏加剧,随时会发生各种类型的变形和折损。线路修理就是要在一定的条件下,以保证线路通过能力为前提,以确保列车

52、运行安全畅通为目的,将系统内、外各相关要素统一于有机集合体内,完成一个共同的任务。线路修理体系作为一个系统,总是相对地处在稳态过程,绝对地处于动态过程。它随时和整个运输系统内的其他子系统进行物质的、能量的和信息的交换,并适应环境的变化,每次的适应都标志着线路修理工作和运输工作的进步。高速铁路轨道修理工作是运输能力的一部分,在设计一条新线计算运输能力时就应预留足够的 天窗。根据各国高速铁路的实践,一般每天安排46h。法国铁路在这个 天窗时间外还安排11.5h的检查 天窗。3.5.3 轨面平顺性客运专线和高速铁路要特别注意保持轨面的平顺性。研究表明,轨面不平顺(焊接接头不平顺、各种原因引起的轨面凸

53、凹不平顺等将使列车簧下质量产生共振,造成列车与轨道的振动及行车噪声的产生,影响行车平稳和舒适。日本文献认为,其振动加速度与行车速度的1.5次方成正比。因此,高速铁路对轨面平顺性的要求十分严格。当轨面不平顺较大时,还会产生巨大的轮轨冲击力。这些冲击力不但影响行车平稳,而且还会危及行车安全和造成轮轨部件的损伤。基于这些原因,各国高速铁路都对轨面不平顺作了严格的规定。当轨面不平顺超限时,需用钢轨打磨列车或小型打磨机械对轨面进行整修。3.5.4 长、短波不平顺既要重视轨面短波不平顺,也要重视线路长波不平顺给高速行车带来的影响。所谓长波不平顺是指波长20m以上的不平顺。高速铁路之所以要重视长波不平顺的不

54、利影响,是由于某些波长的长波不平顺会引起列车的共振,从而恶化旅客的乘坐舒适度。车体都有自振(固有频率,当列车以速度v运行时,可能使列车产生横向共振摇摆的线路横向不平顺敏感波长l为l=v3.6%f(5式中 v#行车速度(km/h;l#线路不平顺敏感长度(m;f#车体横向自振频率。从理论上讲,各种速度都对应一个敏感波长。当列车速度较低时,敏感波长不平顺通过正常维修可得到控制,旅客不会感到不适。高速行车时,遇有较长的线路不平顺敏感波长时,车体发生共振,横向加速度增大,旅客会感到不适。因此,高速铁路不仅要注意控制10m左右弦长的线路不平顺,也要注意消除相应敏感波长的线路不平顺,以提高旅客的舒适性。至于

55、要消除多长波段的线路不平顺,要根据高速列车的行车速度和车体的自振频率来确定。4 钢轨钢轨是轨道结构的主要部件之一。钢轨支承并引导机车车辆的车轮,直接承受来自车轮和其他方面的力并传递给轨枕,同时为车轮的滚动提供阻力最小的表面,对高速铁路而言,钢轨要提供的轮轨踏面平顺性和钢轨内侧工作边平顺性比普通铁路高得多,为保证列车高速运行的平顺性,从线路下部基础、轨道上部结构以及各轨道部件都要为钢轨的正常工作提供良好条件.而钢轨本身,其内在质量、材质性能、断面公差、平直程度等都是十分重要的特性。钢轨在技术上要能保证足够的强度、韧性、耐磨性、稳定性和平顺性,在经济上要能保证合理的大修周期,减少养护维修工作量。4

56、.1 高速铁路对钢轨的基本要求4.1.1 钢轨使用的一般要求钢轨在极其复杂的受力条件下工作,而钢轨状态的好坏又直接影响行车安全,因此对钢轨使用要求是十分严格的,而且钢轨有的性能之间是矛盾的,要综合比较才能达到合理选择的目的。钢轨应满足以下使用要求:(1较高强度和抗磨耗性能,以达到较高的承载能力和较长的使用寿命。(2较高的抗疲劳伤损的安全可靠性,防止轨头内侧剥离及可能由此引起的钢轨横向断裂。(3较强的抗不均匀磨耗性能和钢轨全长范围内硬度的均匀性,避免引起波纹、波浪等不均匀磨耗。(4良好的焊接性能,以便采用无缝线路。(5良好的道岔机加工性能以获得良好的道岔质量。(6化学成分便于进行热处理,以提高钢

57、轨的强韧性。(7严格的尺寸公差及钢轨工作边平顺性,减少轨道周期性不平顺。4.1.2 高速铁路对钢轨的要求高速铁路目前已遍及10多个国家,投入运营的高速铁路达到5000多公里,由于各国高速铁路运输条件不尽相同,结构各有特点,对钢轨的选材也有差异,但由于高速铁路又都具有曲线半径大、列车运行速度高的共同特点,因此对钢轨质量都有很高的要求,主要表现在钢质纯净度、钢轨的内在和表面质量、几何尺寸精度和外观平直度:(1保证材质高纯净,提高钢轨可靠性;(2保证轧制高精度,提高钢轨质量。4.2 高速铁路对钢轨断面的要求钢轨断面的演变经历了漫长的过程,直到1858年,钢轨的形状才基本固定为工字形断面。在工业革命的

58、推动下,冶金技术迅速发展,贝塞麦转炉的出现为人们提供了廉价钢,这时轧机也开始出现,用两辊轧机轧制各种断面形状的钢材比用锻造方法生产钢轨可大大提高生产效率和产品尺寸精度。1865年美国首先用轧制方法生产钢轨。从那时到现在,经历了近140年,钢轨断面几经修改变化,但基本保持了1865年所设计的工字形断面形状。只是随着列车轴重和密度的增加,钢轨断面逐渐增大;随着列车速度的提高,钢轨断面形状与轮踏面形状的配合更为重要,钢轨断面形状也逐步优化。从钢轨单位质量看,各国普遍的经验是:在大轴重、大运量的重载线路上应采用6075kg/m钢轨;在列车速度小于160km/h的普通客运线路上采用50 60kg/m钢轨;在列车运行速度超过160km/h的线路上应采用6065kg/m钢轨。选择钢轨断面实质上是合理分配金属材料在轨头、轨腰、轨底的比例,主要考虑钢轨的刚度、稳定性、耐磨性和轮轨关系。高速铁路钢轨的断面应在既有铁