国内外高速铁路桥上有砟轨道轨枕结构研究现状分析

蔡小培,曲 村,高 亮

(北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044)

1 研究背景

国内外高速铁路轨道结构主要采用2种形式：有砟轨道与无砟轨道。从实践经验看,2种轨道结构都能运行时速300 km的高速列车。对于高速铁路无砟轨道结构,我国已进行了长期系统的研究,初步形成了较为完善的技术体系；而对于高速铁路有砟轨道结构,路基及隧道中的研究较多,桥梁上的研究相对较少。因此,需要根据我国现阶段的具体国情和铁路的技术水平,结合我国高速铁路建设,对桥上有砟轨道结构的适用性及合理性进行深入研究。

本文主要结合轨枕应用情况、技术特性、经济性、养护维修等多方面指标对Ⅲ型轨枕、弹性轨枕、宽轨枕、梯子式轨枕、框架式轨枕、德国B系列轨枕及法国双块式轨枕等7种主要轨枕形式的国内外研究和应用现状进行介绍,并对各种轨枕形式的优缺点进行深入的分析和比较。

2 各种轨枕结构的特点综述

2.1 Ⅲ型轨枕

Ⅲ型轨枕从1988年开始由铁道部专业设计院、铁道部科学研究院等单位研制,分有挡肩和无挡肩2种[1,2],Ⅲa型为有挡肩,配套使用Ⅱ型扣件；Ⅲb型为无挡肩,配套使用Ⅲ型扣件[3]。轨枕长度原设计为2.6 m,为适应不同铁路的需要,现有2.5 m和2.6 m 2种长度,结构强度相同[1]。Ⅲ型轨枕如图1所示[1,4]。

图1 Ⅲ型混凝土轨枕(单位：mm)

Ⅲ型轨枕在线路中应用非常广泛,《铁路200 km/h既有线技术管理暂行办法》明确规定200 km/h既有线提速应采用Ⅲ型轨枕,宜按1 667 根/km配置。郑州铁路局在2006年铁路第六次提速施工中,用42 d就更换了陇海线(郑州—张阁庄段)25.9万根Ⅲ型轨枕,平均每天6 000多根,最多一天达到9 200多根[5]。

Ⅲ型轨枕制造方便,便于运输,生产成本较低。铺设、养护、维修方便,适合于大型机械施工。在普通线路和提速线路上使用时,病害较少,养护维修成本较低；在高速铁路桥上铺设时,轨道所受的动力响应较大,养护维修工作量还难以把握,需要根据动力学计算结果加以推测。

Ⅲ型轨枕有利于轨道受力状态的改善、道床残余变形的减缓,线路平顺度得到大大增强。Ⅲ型轨枕有利于保持轨道的几何尺寸,减少轨枕铺设数量,改善轨枕结构,延长线路养护周期,节省维修工作量[1,6],降低成本。线路设备质量提高,运输生产安全性增大。但我国的Ⅲ型轨枕最早是按重载轨道条件设计的,在时速300 km及以上的线路上进行的试验、试铺及应用经验还不是很丰富,需要通过理论结合试验的方式进行更深入的研究。

2.2 弹性轨枕

在高架桥等刚性混凝土基础上铺设的有砟轨道,以降低其轨道刚度、提高轨道弹性、缓和列车冲击作用、减轻道床振动、减少道砟粉化、减轻养护工作量和降低轨道振动、噪声为主要目的,弹性轨枕的研发与应用已成为当今高速铁路有砟轨道的一个重大技术动向[7]。

为达到上述目的,一般考虑在轨枕底面设置弹性垫层,即在混凝土轨枕底面粘贴橡胶垫层[7],如我国铁路既有线铺设的混凝土轨枕枕下弹性垫板,如图2所示[7]。日本新干线研发并铺设了除在轨枕底面外还在轨枕侧面也覆置弹性橡胶层的弹性轨枕,以降低高速有砟轨道的养护维修工作量并防止轨道和结构物的振动噪声,如图3所示[7]。在我国胶济线上使用的TDZⅢ型复合弹性轨枕如图4所示[8]。

图2 我国铁路既有线弹性轨枕(单位：mm)

图3 日本新干线弹性轨枕

图4 TDZⅢ型复合弹性轨枕

国内外都对弹性轨枕进行了理论研究与实践试铺,总体认为弹性轨枕明显降低了轨道刚度,提高了轨道弹性[9],保证行车的平稳性、安全性,有利于强化有砟轨道,改善轨道的振动冲击作用,具有良好的减振、隔振效果,同时降低轮轨系统的振动噪声；有利于减缓道床残余变形积累速率,降低道床的振动加速度和振动能量,减少由钢轨传递来的道床压应力和路基压应力,减少线路养护维修工作量及其费用,延长线路综合维修周期。

弹性轨枕也存在造价较高[10,11]的不利因素。由于防振橡胶层的影响,道床横向阻力一般比普通轨枕偏小[7],可能导致轨道稳定性减弱,列车运行平稳性、舒适性等受到影响。因此需要结合我国高速铁路桥梁结构特征,对其进行进一步的理论与试验研究。

2.3 宽轨枕

混凝土宽轨枕是一块预制的混凝土板,与混凝土轨枕外形相似,又称轨枕板[1]。其制造工艺与混凝土轨枕基本相同。宽轨枕长度与普通混凝土轨枕长度相同,均为2.5 m,而宽度约为后者的2倍[1]。宽轨枕由于宽度较大,直接铺设在预先压实的道床面上,在制造中对其厚度的控制要求较严格[1]。

混凝土宽轨枕在道床上是密排铺设,每块枕上安装1对扣件,由钢轨传来的力处于宽轨枕轴线的对称位置,可避免荷载的偏心。混凝土宽轨枕轨道如图5、图6所示[1,12,13]。

图5 混凝土宽轨枕示意

图6 混凝土宽轨枕轨道

到目前为止,在德国铁路网的2条试验线路上铺设了宽轨枕轨道,约12 km长,并对此2条线路都进行了大量的测试。测试项目包括：动力测试、轨枕支撑的不对称性检测以及噪声测试。同时还将测量结果与相邻的参考轨道获取的测试结果相比较[14]。当列车运量达到2 000万t时,测量出宽轨枕道床的沉降值只相当于普通轨枕轨道的一半,此后轨道保持稳定,列车最后的1亿t运量没有引起轨道的任何变化。直到现在,没有对轨道进行过任何养护工作,而且运行噪声一直在减小[14]。

宽轨枕的应用有一定的前提：首先要求基床坚固稳定,因此最宜用于隧道。如用到既有干线及大型客站,则路基必须稳定,排水良好。对路基不稳定地段,必须进行加固。道床必须优选材质并进行压实,然后铺设宽轨枕轨道。

混凝土宽轨枕轨道可适用于运输繁忙、行车密度大的线路,与道砟具有较大的接触面积,能很好地保持线路的几何形位。轨道的养护维修工作量很少[15],从而减轻和改善了养护工作条件,减少作业次数,节省养护费用。其混凝土用量较传统有砟轨道轨枕多,产品造价可能较高。宽轨枕与道砟的接触面大,但轨枕之间的间隙小,难以采用大型养路机械对道砟进行维修作业。其能否用于我国高速铁路桥上有砟轨道上,需要进行理论分析研究。同时还要考虑宽轨枕的质量大,增加了桥梁的二期恒载的影响,以及其对施工养护的较高要求。

2.4 梯子式轨枕

日本最早研制了梯子式轨枕结构,改变了传统的横向轨枕间隔放置来支承钢轨的方式,改用混凝土纵梁连续支撑和固定钢轨[10],左右纵梁之间用钢管材料进行横向刚性连接,组成“梯子式”一体化结构[16],如图7所示[10,17]。

图7 梯子式轨枕的外观

这种线路结构系统有可能使高架桥、普通线路产生革命性的变化[16]。通过减振装置将梯子式轨枕支持在路基上,可使噪声得到有效控制。采用极限状态设计法,使得结构功能大大优化,结构质量减轻,有可能设计轻型、美观的高架线路。

梯子式轨枕从横向轨枕及轨道板的理论出发,包含了两者的优点[16]。既能保证维修工作量比传统有砟轨道的少,养护成本低,又比板式轨道、整体道床等少维修轨道结构质量轻[16]。结合减振降噪设备,梯子式轨枕更能适应城市轨道交通的要求[16]。

为了评估梯子式轨枕结构的耐久性和对梯子式轨枕维护减少的影响,日本方面在美国的科罗拉多州的普韦布罗试验线(TTCI)进行了加速耐力的测试[18],使用重载货运列车,静轮载是175 kN,列车时速64 km,如图8所示[13]。

图8 梯子式轨枕在TTCI试验

TTCI运行试验的轨道沉降试验结果是[18,19]：总共通过的吨数达到了1.5亿t,梯子式轨枕没有一个单一的裂纹或任何其他损害,并且所有钢管连接器仍然完好,只是在初期发生了3 mm的沉降；而采用横向轨枕的轨道通过1.5亿t时已进行多次维护[19]。

根据国外资料显示,梯子式轨枕在提高线路稳定性、刚度均匀性和耐久性、减轻桥上二期恒载、保持线路几何形位等方面有显著的效果,在国外普通铁路和我国城市轨道交通上已有应用,但缺少高速铁路有砟轨道的实践应用经验。

梯子式轨枕能有效减小高架区间、隧道区间、路基状况不良区间的维护工作量,延长线路的维护周期,降低养护维修成本。但由于单组梯子式轨枕钢筋用量较多、结构质量较大,需要特殊设备和技术进行制造、运输、吊装和铺设,且损坏时需要更换整组轨枕。此外,还需要研究针对梯子式轨枕结构的大型养护维修设备及施工工艺。

2.5 框架式轨枕

框架式轨枕是不同于传统横向轨枕的一种新型结构,这种结构加大了轨下部件与道砟层的承压面积,降低了道床所承受的压力,起到了减缓道床变形的作用,从而减少了轨道的养护维修工作量。

奥地利研发了如图9所示的框架式轨枕[12],每根轨枕设置4套扣件,这使得轨道在水平面内具有很大的刚度,保证了直线线形的稳定性。在框架式轨枕底部,将弹性衬垫与混凝土结构联合使用,以改善道砟与混凝土的接触面[20]。

图9 框架式轨枕

从维也纳到布达佩斯铁路线上的第一条框架式轨枕试验路段仅长130 m,无法进行更深入的研究[20]。尽管如此,它还是证实在同样的运量下,与相邻的标准轨道相比,框架式轨枕的下沉和不平顺度要低得多[20]。传统轨道出现的下沉尤其深,只运行1年以后,就必须在横向轨枕轨道的整个长度上进行捣实。然而,试验证明框架式轨枕轨道的形状仍保持良好,据国外资料报道运行近3年后,还是处于良好状态[20]。

由于框架式轨枕结构本身特性,混凝土和钢筋的用量均较大,生产成本较高。此外,扣件系统布置比普通轨枕更加密集,进一步增加了成本。我国还没有专门用于框架式轨枕的大型养路机械,如铺设此种轨枕,需要进行专门研发或从国外直接进口铺架、养护机械,因此轨道施工、养护、维修成本较高。框架式轨枕轨道的成本比传统轨道要高一些,但在节省维护的成本和减少道砟消耗方面还是有利的[21]。

框架式轨枕的优点主要表现在减少了在轨枕下的压力而且基本上避免了应力的变化,巨大的水平抗力和框架刚度提供了持久不变的直线线形,沉降及沉降差的减少可使线路更加持久地保持轨道几何形位,从而也保证了下部构造更长的使用寿命[12]。

框架式轨枕至今还没有在高速铁路桥上有砟轨道结构上使用的先例[20]。此外,框架式轨枕混凝土结构特殊,混凝土用量大,需要特殊设备进行制造、运输、吊装、铺设和维护[20],制造成本和施工难度较高。框架式轨枕横向、纵向均有连接,扣件数量多且布置与传统轨道不同,轨道受力特性较为复杂。因此,需结合我国具体国情,对框架式轨枕进行适应性分析,还要考虑框架式轨枕的重力对桥梁二期恒载的影响以及其经济性问题。

2.6 德国B系列轨枕

德国于1987年至1991年开通的运行速度为250 km/h至270 km/h的曼海姆—斯图加特和汉诺威—维尔茨堡新线,铺设了30 cm厚道床的UIC60 B70W 型标准轨道[22]。结果,在桥梁上,通过运量总重不到2亿t时道砟就受到严重损坏,不得不对大部分桥梁上的道砟进行更换[22]。之后,德国采取的措施之一是通过扩大枕底支承面积、增大轨枕质量来降低道床顶面压力,减少道砟的粉化。

德国1970年开发了B70型主导型混凝土轨枕[23],随之又开发了B90型和B75型轨枕,如图10所示[24]。轨枕的宽度由B70的300 mm发展到B75的330 mm,长度由2.6 m发展到2.8 m,轨枕的有效支承面积由5 930 cm2发展到7 560 cm2[25]。在汉诺威—柏林新建高速铁路中B75轨枕的轨枕间距加大到630 mm,轨道弹性得到了改善。按照德国试验结果[13,26],当道床压应力减小约10%时,线路状态恶化速率就降低1.21～1.46倍。

图10 德国B系列轨枕(单位：mm)

从德国高速铁路轨枕结构的发展看,轨枕底面积及长度不断增加,以减小枕下道床的压力,减缓道砟的粉化。因此,从轨枕截面形式上考虑,对轨枕尺寸进行优化,有利于减小道床顶部的压应力。

德国的B系列轨枕基本形式与我国Ⅲ型轨枕相似,施工、养护、维修方便,综合成本较低,但都有一定的适用条件。B70轨枕与我国Ⅲ型轨枕相比,其接触面积、线路的纵横向阻力等较小。B75轨枕,其长度较长,受桥梁的限界制约。由于我国高速铁路建设的特殊性,B系列轨枕无法直接应用于我国高速铁路桥上有砟轨道结构中。但是,德国的B系列轨枕的发展趋势为我国高速铁路桥上有砟轨道轨枕结构的研究与设计提供了有益的借鉴。

2.7 法国双块式轨枕

早在60年代初,法国、荷兰、瑞士、捷克等国家就开始研究应用双块式轨枕[27]。当时各国学者立意之主导思想是结构新颖和节省生产投入。如法国早期的“Vogneus”型双块式轨枕采用中间连接铁为角钢,瑞士和匈牙利的中间连接铁则采用圆管或圆管内灌注水泥砂浆,捷克除采用中间连接铁为2个槽钢的方案外还试制了双铰式即中间连接为钢筋混凝土块,然后沿轨枕全长贯穿以预应力钢筋进行张拉锚固[27]。荷兰在20世纪60年代初试验研究了Zlg-Zag型轨枕(即中文译成“之”字形轨枕),它是在梅花式的块体支承之间采用中间连接铁的方案[27]。

法国现有的双块式轨枕由2个钢筋混凝土块体用1根钢杆连接而成[1]。这种轨枕整体性不如整体式混凝土轨枕[1]。但由于它用混凝土和钢材组合而成,能充分发挥各自的力学性能优势[1]。图11为法国铁路上采用的双块式混凝土轨枕[1,10]。

法国在高速铁路轨枕方面主要是加大轨枕的支承面积,减少道砟压应力。用于高速铁路的U41型双块式轨枕比一般线路的轨枕底面积增加了928 cm2。

双块式轨枕可以应用大型养路机械进行快速施工,养护、维修成本较低。但法国高速铁路应用双块式轨枕运营以来取得的成功,主要取决于较高的养护维修标准和维修措施。此外,法铁近年来发现双块式轨枕保持轨距的能力相对整体式轨枕差,双块式轨枕中部柔性连接的强度以及抑制轨道横向变形的能力也都受到质疑,法国开始逐渐推广整体式轨枕。

瑞典铁路原来大量采用双块式SJ—101型混凝土轨枕及相应的长弓型扣件,但开行X2000型高速摆式列车后,这种轨枕下的道床变形、稳定状态不是很好,现在已决定淘汰SJ—101型轨枕,代之以新型的单块式混凝土轨枕[10]。

图11 法国双块式轨枕(单位：mm)

3 轨枕结构对比分析

本文对国内外的Ⅲ型轨枕、弹性轨枕、宽轨枕、梯子式轨枕、框架式轨枕、德国B系列轨枕及法国双块式轨枕等7种轨枕形式进行了介绍和分析。由研究现状分析可知,国内外对于高速铁路有砟轨道轨枕结构的发展趋势主要是：通过增大轨枕长度(如德国B系列轨枕)或宽度(如宽轨枕)来提高轨枕与道砟层的承压面积(如框架式轨枕),以降低道床所承受的压力,起到减缓道床变形的作用,从而减少了轨道的养护维修工作量；或者通过在轨枕与道床之间增加弹性垫层(如弹性轨枕),减少由钢轨传递来的道床压应力和路基压应力,减少线路养护维修工作量,延长线路综合维修周期。

各种类型轨枕相对于Ⅲ型轨枕的各项指标比较见表1。

表1 各种类型轨枕相对于Ⅲ型轨枕的各项指标比较

由表1对比可知：Ⅲ型轨枕、弹性轨枕、梯子式轨枕、德国B系列轨枕和法国双块式轨枕的实际应用相对较为成熟；弹性轨枕能够很好的改善轨道刚度和车、轨、桥之间的动力特性,而宽轨枕、梯子式轨枕和框架式轨枕的改善能力则稍好；宽轨枕能够很均匀的将上部荷载传递到下部道床结构,弹性轨枕、梯子式轨枕和框架式轨枕荷载传递的也较为均匀；当桥上铺设宽轨枕和框架式轨枕时,桥梁上的二期恒载较大,而铺设梯子式轨枕和双块式轨枕时二期恒载相对较小；弹性轨枕、宽轨枕和框架式轨枕的生产制造成本都相对较高；宽轨枕和框架式轨枕的养护、维修成本也比较高,而弹性轨枕的养护、维修成本则相对较低；宽轨枕、框架式轨枕和梯子式轨枕的机械化施工及维修的难度较高；弹性轨枕的减振、吸声和降噪的性能很好,而宽轨枕和梯子式轨枕也相对较好。

具体采用何种轨枕形式应用于我国的高速铁路桥上有砟轨道,还应进一步结合静、动力学仿真分析和现场试验综合考虑。

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