国外无碴轨道类型及特点之二

    ■ 何华武
    无碴轨道是一种少维修的轨道结构，它利用成型的组合材料代替道碴，将轮轨力分布并传递到路基基础上。无碴轨道按照结构可以分为整体结构式和直接支承式。路基上的无碴轨道一般由基础防冻层、支承层、承载层、防排水系统、轨道扣件系统，以及其他附属设施共同构成。而桥梁和隧道中的无碴轨道的系统构成具有不同的特点，本章介绍国外主刑无碴轨道系统结构。

    第四节 旭普林型无碴轨道
    一、概述
    旭普林型无碴轨道系统1974年开发，在科隆－法兰克福高速铁路上成功铺设了21km。
    旭普林无碴轨道系统与雷达型无碴轨道系统相似，都是在水硬性混凝土承载层上铺设双块埋入式无碴轨道，但采用的施工工艺不同。其特点是先灌注轨道板混凝土，然后将双块式轨枕安装就位，通过振动法将轨枕嵌入压实的混凝土中，直至到达精确的位置。

    图2－16为旭普林无碴轨道结构图。旭普林无碴轨道的轨顶到水硬性混凝土上缘的距离为588mm。
                  　　
    二、适应不同基础设施条件的旭普林无碴轨道
    （一）路基
    混凝土板在路基上的厚度为280mm，宽度为2.80m或者3.20m，根据德国铁路规定的荷载而定。在路基上铺设旭普林无碴轨道应注意以下几点：
    （1）下层路基必须稳定，在4m深度内不得出现软土或沙层。在必要情况下应作地基改良甚至换土。最小承载力应为地基承载力EV2大于45MPa。
    （2）上层路基最低应达到95%的密度，最小承载力EV2大于60MPa。
    （3）在路基上加400mm厚的基层防冻层，其密度必须达到100%、渗透系数10-5m·s-1、承载力EV2大于120MPa。
    （4）水硬性混凝地承载层厚度最少300mm，抗压强度约12～15MPa。
    （5）轨道板为钢筋混凝土板，混凝土强度应达到35MPa。
    承受荷载的钢筋混凝土板与垫层两者共同结合成为一复合板。其厚度与宽度的设计应使拉伸应力在HGT垫层的底部不大于0.8MPa，而在混凝土板底部不大于0.85MPa，以保证将开裂的风险降至最低。在水硬性混凝土承载层以下的压应力控制在0.05MPa以下。

                  　
    （二）桥上的旭普林无碴轨道
    桥上的旭普林无碴轨道如图2－18所示。
     一般情况下，桥面板受到防水层和钢筋混凝土保护层的保护。由于下部结构坚固，无弯矩，无碴轨道可以设计得更轻薄。因此，桥上旭普林无碴轨道一般设计成两层，下层与混凝土保护层永久连接；而上层与轨枕或与轨条扣件直接结为一体。两层混凝土板之间隔着人造橡胶或沥青涂层。纵向力通过限位块传递。这种设计的好处是，更换受损的无碴轨道更为方便。
    轨道板可以通过预留梯形钢筋或形成勾连的接缝与混凝土保护层相连接。混凝土保护层通常在防护墙或管道沟处通过钢筋连接到桥面板。
    在桥长为20～30m的桥上，为避免由桥体结构挠曲而给无碴轨道带来的额外应力，并保持排水畅通，混凝土板应设计成分离的构件，而不是连续板。
    （三）隧道旭普林无碴轨道
    在隧道里，旭普林无碴轨道直接安装在隧道地基上。由于温度变化小，无碴轨道设计成连续性的。

    三、旭普林无碴轨道的附属系统
    1、质量－弹簧减振系统
    根据现场需要，旭普林公司可以提供数种质量－弹簧系统，例如：支承在连续的弹性垫或单个的橡胶支座上的混凝土承载板，在两端与板式轨道基础刚性连接的分开或者连续的混凝土承载板。
    2、降噪措施
    可在钢轨之间安装吸音预制件。这些预制件单元由多孔隙的混凝土组成，根据需要还可以配上颜色。
    3、道岔
    旭普林轨道基础可以很方便地与任何标准道岔进行搭配。道岔与质量－弹簧系统也可以进行组合。

    第五节 日本板式无碴轨道
    一、概述
    日本无碴轨道技术主要以新干线板式轨道结构为代表。20世纪70年代，板式轨道作为日本铁路建设的国家标准进行推广。因此，日本的板式轨道应用非常广泛，到目前为止，其板式轨道累计铺设里程已达到2700多延长公里。目前常用的有普通A型轨道板（见图2-19）、框架型轨道板（见图2-20）、用于特殊减振区段上的防振G型轨道板（见图2-21）及早期用于路基上的RA型轨道板（见图2-22）等。

    二、日本板式轨道型式及其基本特征
    日本对各种型号的板式无碴轨道的开发是统一有序的。在多年的试验研究实践中，对不同等级的线路、不同自然条件、不同车速和不同要求开发出不同型号的板式无碴轨道。
    为了区分各种型号的无碴轨道，日本规范了轨道板的型号表示方法，其中的板式无碴轨道板按照支承方式分类可以表示为××-×××（××）。横杠前为英文字母，表示板式轨道的结构形式，横杠后的阿拉伯数字如果是2位，表示在新干线上使用，3位表示既有线上使用。十位数表示板的公称长度，个位数为扣件类型，最后一位英文字母表示适用范围（见表2-2），括号内为钢轨类型。例如：A-152表示A型轨道板，长5m，在既有线上铺设。A-155NC表示寒冷地区使用防振板。
                  　　　　　　　　　　　　　　　　

    表2-3为日本各轨道板基本特征

                  　
    注：板下胶垫刚度试件尺寸100mm×100mm×25mm。　　
                  　　
    三、日本板式轨道适用范围及几何尺寸
    表2-4和表2-5分别列出了新干线高速铁路和既有线普速铁路轨道板使用的范围及其详细结构几何尺寸。
    总体上说，日本板式轨道也是由轨道板（厚度190~200mm）、沥青砂浆垫层（30mm）基础组成，在路基上轨道板的基础使用钢筋混凝土板。从表中尺寸可以看出，日本板式轨道的厚度在不同部位有较大的差别，设计时需要根据不同环境和功能需要进行选择。

    注：1．距隧道洞口200m轨道板板下胶垫，采用A-T-43-新；
        2．*表示A-51型轨道板的板厚虽为200mm，但在轨下截面的板厚为160mm。

    注：1．括号内挡台半径适用于距隧道洞口200m及以上的地点；
        2．在露天区间和距隧道洞口200mm的轨道板缺口部，即使是普通板也贴板下胶垫（A-T-43-新）；
        3．*表示A-151型轨道板的板厚虽为200mm，但在轨下截面的板厚为160mm。
                  　　
    四、日本板式轨道特点
    （一）结构整体性能
    日本板式轨道具有无碴轨道所具有的线路稳定性、刚度均匀性好、线路平顺性、耐久性高的突出优点，并可显著减少线路的维修工作量。
    从轨道结构每延米重量看，小于有碴轨道，而板式轨道结构高度低，道床宽度小，重量轻。框架式板式较轨道为非预应力结构，便于制造。可节省钢筋和混凝土材料，降低桥梁的二期恒载，造价低廉，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小隧道的开挖断面。
    与德国博格板式轨道相比，日本板式轨道在基础上设置了凸型挡台，因此，纵向与博格板的连接不同。凸型挡台与基础混凝土板一起建造，依靠凸型挡台对轨道板进行定位，施工更为简便。日本板式轨道用的轨道板，没有在工厂内机械磨削的工序，制造相对简单。
    （二）制造和施工
    板式轨道结构中的轨道板（RC或PRC）为工厂预制，其质量容易控制，现场混凝土施工量少，施工进度较快；道床外表美观；由于其采用“由下至上”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，通过在预制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（如日本板式轨道结构中的防振G型）。但在桥上铺设时，受桥梁不同跨度的影响，需要不同长度的轨道板配合使用，无形中增加了制造成本；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；板式轨道结构中CA砂浆调整层的施工质量直接影响轨道的耐久性；板式轨道的制造、运输和施工的专业性较强，包括：轨道板的制造、运输、吊装、铺设；CA砂浆的现场搅拌、试验、运输和灌注；轨道状态整理过程中的充填式垫板树脂灌注等。
    （三）线路维修
    由于板式轨道水泥沥青（CA）砂浆调整层的存在，受自然环境因素的影响较大，在结构凸形挡台周围及轨道板底边缘的CA砂浆存在破损现象，特别是在线路纵向力较大的伸缩调节器附近。因此日本铁路除相应开发了修补用的树脂砂浆外，在设计方面，用强度高、弹性和耐久性好的合成树脂材料替代凸形挡台周围的CA砂浆。对于轨道板底的CA砂浆调整层，以灌注袋的形式取代初期的设模式的直接灌注，以减少CA砂浆层的环境暴露面，从而显著提高了板式轨道结构的耐久性，以实现无碴轨道结构少维修的设计初衷。
    五、日本板式轨道的应用
    各种型式的板式轨道在山阳、东北、上越、北陆和九州新干线的桥梁、隧道和部分路基区段上广泛应用。至1997年为止，日本新干线铁路板式轨道应用情况见表2-6。

    路基上的板式轨道必须克服路基沉降、翻浆冒泥等问题。日本从1987年就开始进行对土质路基上的板式轨道正式研究，从1990年开始进行技术性研讨，开发以省力化为目的的新路基结构。这些研究结果在1993年9月编制成《路基结构设计、施工手册（草案）》。
    为了解决路堤下沉、路堤翻浆冒泥等问题，通过各项试验研究，开发了RC路基板式轨道（见图2-23、图2-24），其结构型式较以往的结构更为简明，具有较好的荷载传递效果、较小的累积沉降、较少的材料损耗以及较好的耐久性。

    图2-25为新干线线路上使用CA砂浆垫层的普通板式轨道，图2-26为型号较新的框架式轨道板，图2-27为框架式轨道板钢筋网，图2-28为日本板式无碴轨道的扣件及其充填式垫板。
    我国在秦沈客运专线的狗河和双何特大桥上分别铺设了板式轨道结构的无碴轨道，长度分别为741m和740m，在赣龙线枫树排隧道也铺设了719m。我国台湾高速铁路的部分区段也采用了日本的框架型板式轨道。

    第六节  弹性支承块型(LVT)无碴轨道
    弹性支承块型无碴轨道是在双块式轨枕（或两个独立承块）的下部及周围设橡胶套靴，在块底与套靴间设橡胶弹性垫层，而在双块式轨枕周围及下部灌注混凝土而成型，为减振型轨道。其最初由Roger
    Sonneville提出并开发。瑞士国铁于1966年在隧道内首次试铺。法国开发的VSB——STEDET系轨道也属此类，在地铁内使用居多。1993年开通运营的英吉利海峡两单线隧道内全部铺设独立支承块式LVT型轨道（见图2-29）。目前，弹性支承块型轨道的铺设总长度约360km。

                  　　
    弹性支承块型无碴轨道在国外得到了推广应用，不仅在丹麦、葡萄牙、法国、委内瑞拉和英国的铁路得到发展，而且还在哥本哈根、亚特兰大等城市的地铁内推广应用。
    我国西康线秦岭隧道一、二线（长度为18.5km）内采用了弹性支承块式无碴轨道,现在使用状况良好。
    弹性支承块型（LVT）无碴轨道有以下特点。
    （1）轨道结构的垂直弹性由轨下和块下双层弹性垫板提供，最大程度上模拟了弹性点支承传统碎石道床的结构承载特性，轨道纵向节点支承刚度趋于均匀一致，通过双层弹性垫板的刚度和阻尼的不同组合可获得优于有碴轨道的刚度和较好的减振效果。
    （2）支承块外设橡胶套靴提供了轨道的纵横向弹性，使这种无碴轨道在水平方向的承载、动力传递和振动能量吸收方面更接近坚实均匀基础上碎石道床轨道，可以弥补无碴轨道侧向刚度过大的不足，有利于减缓钢轨的侧磨。
    （3）通过双层弹性垫板的隔离，使轨道各部件的荷载传递频率得以降低，部件的损伤程度大大降低，几何形位可在长时间内得以保持，最大程度地减少了养护维修工作量。
    （4）结构简单，施工相对容易，支承块为钢筋混凝土结构，可在工厂高精度预制，在现场只需将钢轨、扣件、带橡胶套靴的支承块加以组装、经各向准确定位后，就地灌注道床混凝土即可成型。
    （5）可维修性比刚性整体道床大大提高，如果支承块、块下垫板或橡胶套靴出现损伤，在损伤点的左右一段距离内松开扣件，抬高钢轨即可取出损伤的部件。
    （6）由于采用橡胶套靴和块下橡胶垫板，初期投资比有碴轨道大。但是在运营费方面，根据SBB的运营统计和国内前期应用的估计，总运营费用较有碴轨道可节省约50%。
    （7）如果用于露天，其缺点是雨水容易渗入套靴，列车经过时会有污水挤出，污染道床，必须采取相应的措施。
    (未完待续)