高速铁路无砟轨道的发展历程

!""#年，德国纽伦堡&英戈尔施塔特高速新线将开通。

至此，德国将有’""公里的无砟轨道在运营。

这种轨道在经历了大量试验场和现场测试后，已运用到铁路的路面、桥梁和隧道。

测试表明：这种结构具有良好的结构特性，并且减少了维修费用。

无砟轨道的优点随着列车速度的提高和需要在某种苛刻的条件下布置线路，例如需要与现有公路平行建设以减少对环境的影响，常规有砟轨道的利用受到了限制。

在法兰克福—科隆())公里的高速无砟轨道上，最大曲率半径为%%)"米、超高(*"毫米、坡度为+",，列车最高运行速度达每小时%""公里。

根据德国国铁的标准，利用常规的有砟轨道是不可能的。

在荷兰须德地区高速铁路的建设合同中，要求线路可利用率为--.，期限为!)年，在此苛刻条件下必须采用无砟轨道。

在评价轨道结构时，必须考虑到车辆和轨道之间的相互作用。

旅客从自身出发，往往关注乘坐舒适性问题。

按照(-!’年的德国标准，乘坐舒适是旅客可在笔记本上写字。

(-!’年的旧评价标准（表(）在今天看来仍然适用。

尽管如此，还是要通过力和加速度的测量来评价舒适度、轨道部件的安全性和应力危险性的客观标准。

从/01(和/01!发展到/10%，列车的轴重则从!"吨减少到(*吨以下，同时由于簧下质量的减少和悬挂系统的改进以及轮缘修理周期的缩短，动态力也减少了。

在有砟轨道，由于木枕自重轻，阻止轨道横向位移至关重要；但对混凝土板式轨道就不算问题了，因为连续地构建的钢筋预应力混凝土板式轨道具有很高的惯性矩。

针对轨道臌曲引起的安全问题，必须要考虑钢轨温度。

/01%列车采用线性涡流制动，会造成对钢轨加热。

分析表明：如果涡流制动产生附加热引起钢轨温度升高(’2，便会超无砟轨道的苏晓声图(无砟轨道表(：(-!’年德国制订的乘坐舒适度标准主观舒适度判断方法：能否在笔记本上写字？非常好手架在桌上，可用自来水笔在笔记本上写出优美的字体手不架在桌上，可用自来水笔写出可读的字体好满意手不架在桌上，可用铅笔写出可读的字体发展历程出常规混凝土轨枕轨道臌曲允许的临界温升值。

如果每小时有+趟列车通过，对同一区段每根钢轨施加+千牛制动，则附加温升高达!,-，这对常规有砟轨道是不可能接受的。

但是，对刚性强的板式轨道，则没有这样的危险。

因此，无砟板式轨道的主要优点可以概括如下：·保证高速运行时极好的乘坐舒适性；·增强抵抗超大荷载的能力；·可采用涡流制动；·没有高速时道砟搅动的问题；·维修所需渡线的平均的间距可以大大延长；·没有有砟轨道需要的杂草控制问题；·可降低结构的高度，特别在隧道内；·在丘陵山区新线建设中，可采用线路参数极端的蛇形迂回线路，从而减少桥梁和隧道工程，节省建设资金；·如果采用成熟的板式轨道设计并保证质量，可显著减少维修费用，轨道寿命可达#"年，是常规有砟轨道的寿命的!倍。

混凝土板式轨道的发展在欧洲，无砟板式轨道的开发始于上世纪#"年代中期。

在长大隧道中，钢轨必须直接铺在刚性好的岩层或混凝土基础上。

./01年开通的日本山阳新干线建设中遇到同样的问题，+"2以上轨道必须由刚性混凝土支承，板式轨道特别适用于隧道和高架桥。

./0!年，德国瑞哈德（&’(3)*）车站铺设了一种新型轨道（参见图!），这种轨道后来称为瑞哈德（&’()*）型无砟轨道。

这种轨道是将单块的混凝土轨枕，用浇注混凝土的方法，精确固定在连续配筋的混凝土板上。

尽管结构性能良好，但无砟轨道的开发和应用到.//"年时仍处于低水平。

.//.年，德国时速!,"公里客运和时速.!"公里货运的1!0公里的高速铁路开通运营，仅在新线的1座隧道中就铺设了约.,公里的&’()*型无砟轨道和,公里的456789型无砟轨道。

相比之下，有砟轨道区段的维修问题很快呈现，特别是道砟磨损，而无砟轨道区段却显现出良好的性能。

道砟恶化的原因是刚性支承造成的高接触应力，特别在桥梁上，压实很好的路基、防冻覆盖层更是如此。

另外，道砟垂直振动速度的测试表明：当列车速度由每小时.#"公里提高到每小时!,"公里时，其有效均方根值会增加一倍。

为解决这一问题，需要在有砟轨道结构中采用更高的弹性扣件。

但是，高弹性扣件系统就会大大增加有砟轨道的投资。

为此，.//1年德国铁路董事会决定：在新建高速铁路和改造线路中，必须采用无砟轨道，多方面地利用板式轨道结构的特殊优势，促进新型无砟轨道结构的开发。

新的结构在进行试验铺设前，必须进行结构设计和大量的试验室试验。

通常，必须考虑下述方面的问题。

.:弹性扣件：由于板式轨道是刚性结构，所有板式轨道都需要采用弹性扣件，使在!"吨轴重下，钢轨的弯曲变形与常规有砟轨道相似。

后者的长期实践表明，当钢轨的弯曲变形为.$,;!毫米时，可使钢轨荷载分布最佳化。

德国铁路无砟轨道的%""型标准扣件系统采用!!$,<!$,千牛=毫米弹性系数图%混凝土轨枕用锚杆固定到连续配筋的混凝土板上图!典型的&’()*型无砟轨道断面图的铁垫板下的弹性垫板，确保了钢轨弯曲变形特性。

轨钢的纵向爬行阻力必须超过&千牛，可防止连续焊接长钢轨在冬季折断时造成过大的断缝。

!’轨枕由锚杆固定到混凝土铺面或整体地嵌入：采用预制轨枕可保证精确的轨距和轨道倾角，这对高速时轮对的稳定运转和减少磨耗至关重要。

带有锚杆的轨枕具有在脱轨或轨枕恶化时易于换枕的优点（图%）。

但这种设计要求精确铺筑混凝土铺面（水平容许误差(!毫米）和减少轨枕高度的误差（(!毫米），因为在轨枕下只铺设)毫米厚土工织物来保证良好的接触。

在既有隧道中，为实现最低的结构高度，可铺设*)厘米厚的沥青铺面固定轨枕。

+,-./0/型无砟轨道采用一种宽轨枕，由其下面的混凝土块弹性固定，再用特制的砂浆把混凝土块灌筑到沥青铺面的凹槽中。

!"")年，%$"1公里长的23456789:8隧道有砟轨道改建时，采用了+,-./0/系统（图1），由于增大了隧道截面，可采用摆式列车，从而提高了运行速度。

整体结构轨道成功的实例有.;864系列（图)）和<=>795型无砟轨道。

在.;864系列中，轨枕铺在连续的钢筋混凝土板上，然后再将其埋置到!级混凝土中。

而<=>795型的结构，首先要摊铺混凝土层，然后让轨枕采用振动方式准确地调整到位。

%$混凝土板上的分散式轨座：建设<=>795型无砟轨道最基本的要求是要保证精确铺筑混凝土板。

(!毫米的高度误差比公路建设的要求还小。

这类结构的建设可以高度机械化，但需要较高的技术和专业化的施工队伍。

迄今开发的所有系统表明，不采取特殊的工程方法，达不到要求的精度。

例如：在安装弹性扣件前，需要用专用的整修器打磨混凝土表面（图#）。

从公路建设中得知，加长和变薄的有接缝的混凝土铺面，在温度差和湿度差下有卷曲的倾向，常常在接缝处出现挤压冒浆现象。

因此，在高速铁路线路中，所安装的混凝土板要求连续配筋（钢筋占混凝土板横截面的"$?@），以保证微细裂纹间隔有!米、裂纹宽度小于"$)毫米。

从不同试验段的结果看出：由于附加裂纹的发展，%年后裂纹间隔从%$%米降至*$#米，最大裂纹宽度稳定在"$%A"$1毫米。

在混凝土板上，每隔三个轨座的*$B)米间隔处开一个横槽口，可使裂纹造成的扣件销钉或锚固螺栓松动的图1+,-./0/型无砟轨道采用宽轨枕!其下用混凝土块弹性固定!再将混凝土块用特制的沙浆浇注到*)厘米厚的沥青铺面凹槽中"图)汉诺威—柏林铁路线.;864型无砟轨道结构图危险性减少到最低程度。

&$预浇筑混凝土板或框架：这种板式轨道结构采用预制的具有横向预应力的!"毫米厚混凝土板，将其铺设在水泥处理的基础或沥青铺面上，用带螺纹的支杆调整，然后用低粘度和防寒防腐的液体水泥沥青砂浆封装。

这类结构的最薄弱部分在连缝处，因此需要以合理方式连接，以减少温差和湿度差引起的卷曲和挤压冒浆现象。

在’(()年修建的*+,-./0-1试验线上（图)），接缝的一小部分被水泥砂浆填充后，外露的纵向钢筋用铝热焊焊接起来。

焊点的冷热收缩产生了纵向的预应力，可保证长期的良好特性。

但是，投资成本很高。

随着混凝土板生产方法的现代化和通过套筒连接#根纵向钢筋的工艺的简化，这种结构越来越引起工程的关注。

在234-系统，预制混凝土板长#$&5米，在每个轨座后开横向槽口，从而使产生的小裂纹间距为"$#5米，类似于连续配筋的混凝土板的特性。

在’(((年两个试验段修建后，纽伦堡6英戈尔施塔特约%5公里高速新线采用了该系统。

板式轨道的前途取决于与标准有砟轨道相比投资不能过高。

考虑到无砟轨道能减少工程结构（桥梁和隧道）、适用于高速铁路和减少维修，板式轨道优于有砟轨道，并有可能采用框架式板式轨道减少投资。

’(77年，在德国的一个试验段采用了短的预应力框架式混凝土板，用热沥青沙胶涂底，然后铺放在沥青铺面上，但这种轨道成本太高。

日本在北陆新干线隧道铺设了’%"公里这类轨道，日本的经验表明，框架式板式轨道的成本要低于一般板式轨道成本的789’&8。

随后，韩国也开发了框架式板式轨道，将在新建高速铁线上铺设。

通过框架的连接（图7）和表面的开槽，预期能够与连续配筋混凝土板一样，获得长期良好的性能。

这种结构的特殊优点是不利的气候条件对其影响甚微，并在修建后很快开通运营。

板式轨道需要改建时，有望减少限制因素。

性能用检测车对不同板式轨道进行测量的结果表明，随着投入运营的时间增加，轨道的几何参数保持稳定。

各种设计的无砟板式轨道投入运营已有%"多年。

从既有的板式结构中，可以得出的结论是：如果采用成熟的设计、施工中保证高的质量，板式轨道具有长期的良好性能和最少的维护。

图7韩国研制的框架式无砟轨道特约编辑周鼎恒。