CRTS Ⅲ型板式无砟轨道系统技术

王继军，王梦，刘伟斌，赵勇

（1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081）

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道系统技术

王继军1，2，王梦1，2，刘伟斌1，2，赵勇1，2

（1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081）

高平顺的轨道结构是保证高速列车安全、平稳运行的基础，无砟轨道因具有高平顺、高稳定、少维修等优点，在国外高速铁路建设中得到广泛应用。为适应我国高速铁路初期建设需求，在引进国外技术基础上，我国形成了CRTSⅠ、Ⅱ型板式和双块式无砟轨道并推广应用，但存在现浇道床开裂、沥青砂浆充填层与钢筋混凝土主体结构寿命不匹配、连续结构温度变形等问题，并在我国铁路“走出去”过程中受到相关知识产权的制约。介绍CRTSⅢ型板式无砟轨道研发背景及主要研发历程，阐明其结构特征和技术特点，并从设计理论、轨道结构及接口设计、主要工程材料、轨道板制造、轨道结构施工、养护维修及配套技术标准体系等方面详细说明。CRTSⅢ型板式无砟轨道系统的研发，突破了国外专利制约，补齐了高速铁路在基础设施领域技术输出的短板，为“一带一路”倡议和高速铁路“走出去”战略实施提供有力的技术支撑。

CRTSⅢ型板；无砟轨道；高速铁路；轨道板；自密实混凝土；复合结构

1 研发背景

我国自20世纪50年代开始进行无砟轨道研究，并通过国家“九五”科技攻关、秦沈客专无砟轨道试验段、遂渝线无砟轨道综合试验段等一系列研究试验，基本掌握了时速200km级无砟轨道建造成套技术[1]。

21世纪初，为适应高速铁路初期建设需求，我国在引进、消化、吸收国外先进无砟轨道技术的基础上，开展了客运专线无砟轨道技术再创新研究，在无砟轨道设计理论和方法、无砟轨道结构及接口设计技术、工程材料及制造、施工装备和工艺等方面取得了一系列研究成果。针对我国铁路的运营及地域条件，相继研发了CRTSⅠ、Ⅱ型板式及双块式无砟轨道系统，形成了无砟轨道设计、制造、施工、检测等成套技术，并在我国高速铁路建设中推广应用[2-3]。

工程实践表明，引进的无砟轨道存在现浇道床易开裂、砂浆充填层与钢筋混凝土主体结构寿命不匹配等现象，影响结构耐久性，同时也存在连续结构温度变形、现浇结构低温抗冻性差等气候环境适应性问题。此外，受到专利制约，无砟轨道成为高速铁路基础设施领域技术输出的短板。为满足国内建设需求，并为我国高速铁路“走出去”战略实施提供技术支撑，我国亟待研发一种能够适应复杂多样环境条件、具有自主知识产权、技术经济综合性能优越的新型无砟轨道系统。

2 研发概况

2009年3月，我国开始结合时速200km级的成都—都江堰铁路，以提升无砟轨道经济性为目标，在CRTSⅠ型板式无砟轨道结构基础上，研发了CRTSⅢ型板式无砟轨道系统，创新性地提出了自密实混凝土作为充填材料并与预制轨道板形成复合结构的“复合轨道板”理念；基于“路基纵连、桥上单元”的设计思路，开展了普通钢筋纵连、预应力钢筋纵连等多种结构型式的对比试验；优选了WJ-8型扣件系统，主型扣件间距687mm；首次采用模板承轨槽调整技术，实现曲线区段轨道板的一次制造精度；研发布板及精调软件；基于侧边灌注方式，初步形成自密实混凝土制备及施工技术[4-5]。

2010年1月，武汉城市圈城际铁路确定采用CRTSⅢ型板式无砟轨道，在成都—都江堰铁路工程应用基础上，针对个别运营线路纵向连续结构出现的温度变形问题，将路基区段纵向连续结构优化为轨道板和底座分段设置、底座设置凹槽限位的单元设计方案，实现了路桥隧区段轨道结构设计方案的统一；同时，将自密实混凝土灌注方式优化为轨道板中部单孔灌注，实现了自密实混凝土层和轨道板平面尺寸的统一[6]。

成都—都江堰铁路和武汉城市圈城际铁路是我国针对CRTSⅢ型板式无砟轨道的有益探索和实践，但其技术标准主要是基于时速200km级。为进一步完善我国高速铁路无砟轨道技术，扩大自主创新无砟轨道应用范围，2010年8月，在设计时速350km的盘锦—营口铁路客运专线（简称盘营客专）采用了高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道系统（见图1）。为获得时速300km及以上高速铁路的工程实践经验，原铁道部在2011年科研开发计划中立项《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道系统深化试验研究》（课题号：2011G003）。依托盘营客专，系统开展了设计理论及关键参数、轨道结构及其与下部基础接口设计技术、自密实混凝土等工程材料、轨道板制造技术、轨道结构施工关键技术、室内外试验、运营线路长期监测和养护维修技术研究，形成了高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道设计、制造、施工、养修等成套技术。

为持续提升轨道结构技术经济性，在盘营和西宝等高速铁路研究试验及工程实践基础上，中国铁路总公司下发了《中国铁路总公司关于高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道系统优化的指导意见》（铁总科技［2013］75号），对轨道板结构类型及型式尺寸、自密实混凝土厚度及施工管理强化措施、底座混凝土强度等级及配筋设计、隔离层及弹性缓冲垫层材料选型等提出了具体优化意见，并在后续郑徐、京沈、成贵、济青、商合杭、昌赣等高速铁路中推广应用。

3 结构组成及技术特点

3.1 结构组成及功能定位

CRTSⅢ型板式无砟轨道系统由钢轨、扣件、预制轨道板、自密实混凝土层、隔离层及设置限位凹槽的钢筋混凝土底座等部分组成（见图2）。轨道板顶面设混凝土挡肩，配套采用有挡肩扣件系统，底面预留连接钢筋；轨道板下灌注自密实混凝土并与轨道板形成复合板结构；底座设置限位凹槽，与灌注自密实混凝土形成的凸台构成限位结构；复合板与底座之间设置隔离层，底座限位凹槽侧面设置弹性缓冲垫层。其主要结构特征如下：

（1）预制轨道板与现浇自密实混凝土层形成“复合板”结构；（2）沿线路纵向，复合板与底座均为分段设置；（3）复合板与设置凹槽的底座形成凸凹限位结构；（4）复合板与底座之间设置隔离层，凹槽周边设置弹性缓冲垫层，复合板与底座可分离。

CRTSⅢ型板式无砟轨道各部件功能定位见表1。

图2 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构分层示意图

表1 CRTSⅢ型板式无砟轨道各部件功能定位

3.2 技术特点

综合分析我国高速铁路既有的主型无砟轨道结构技术特点、工程建设和运营实践经验，CRTSⅢ型板式无砟轨道系统具有如下技术特点：

（1）采用单元式复合结构，受力体系合理，结构稳定可靠。

（2）采用自密实混凝土作为充填材料，无砟道床主体均为钢筋混凝土结构；复合板与底座之间设置隔离层，可减少层间离缝，耐久性较好。

（3）可适应温暖、寒冷和严寒地区等不同气候条件，具有较好的环境适应性。

（4）轨道板工厂化预制，易于质量控制；现场混凝土浇筑量较小，施工效率高。

（5）工程造价适宜，性价比好。

（6）复合板与底座可分离，特殊情况下修复性较好。

4 关键技术

在客运专线无砟轨道技术再创新研究成果及各型无砟轨道结构工程实践经验基础上，通过前期系统研究，我国已形成CRTSⅢ型板式无砟轨道成套技术，建立了包括设计理论、制造施工、工程材料、运营维护等较为系统的技术体系。

4.1 设计理论

构建了CRTSⅢ型板式无砟轨道设计理论体系。在客运专线无砟轨道技术再创新研究成果基础上，结合CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点，提出了轨道结构荷载效应计算方法[7]；基于车辆-轨道-基础耦合动力分析方法，建立了无砟轨道动力学评价方法与标准；建立了归一化空间分析模型，实现了轨道结构静动力学性能的双向优化（见图3）。

构建了CRTSⅢ型板式无砟轨道设计参数体系。通过大量室内试验、实车试验、长期监测及统计分析[8]，构建了设计荷载（列车荷载、整体温度、温度梯度、基础变形等）、材料属性（自密实混凝土、隔离层、弹性缓冲垫层等）、支承刚度（路基、桥梁、隧道）等设计参数体系。

提出了不同下部基础上的轨道结构设计方案。通过单元和纵连方案的对比分析，提出了统一的单元分段式结构设计方案；基于理论分析，结合我国高速铁路下部基础特点，确定了轨道结构各结构层的主要设计参数[9]；明确了轨道结构各组成部分的功能定位。

图3 CRTSⅢ型板式无砟轨道归一化空间分析模型

4.2 轨道结构及接口设计

系统形成了CRTSⅢ型板式无砟轨道结构设计技术。基于单元复合设计理念，系统形成了路基、桥梁、隧道、过渡段轨道结构及其与排水、轨道电路、综合接地等相关专业的接口设计技术；针对嘉峪关穿越长城等有减振需求的地段，形成了减振型CRTSⅢ型板式无砟轨道结构及其过渡段设计技术。

形成了先、后张预应力及普通钢筋混凝土系列轨道板设计技术。在后张预应力轨道板工程应用基础上，基于我国自主研发的10mm螺旋肋预应力钢丝，采用预应力筋设置锚固板的预应力传递长度缩减技术，首次研发了双向先张预应力混凝土轨道板结构，完善了板式无砟轨道预应力轨道板技术体系[10-11]。同时，我国正在结合成贵铁路开展普通钢筋混凝土轨道板的研究试验。

4.3 主要工程材料

形成了适用于不同气候条件的自密实混凝土制备技术。针对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构中自密实混凝土层的特点，结合各地地材资源，利用多元胶凝组分、全尺度粒度匹配设计和适当增黏引气技术，形成了高稳健性、低胶凝材料用量的自密实混凝土制备技术，并提出了新拌自密实混凝土及其硬化体的性能评价指标体系[12-13]。

形成了轨道板和底座混凝土性能提升技术。提出了功能化胶凝材料的技术途径，研制出低黏度、高触变性（即高可振捣密实性）的轨道板混凝土，提高混凝土浇筑效率，保证成品质量；在低胶材用量、低用水量、低坍落度和高含气量配制原则基础上，提出基于内养护措施的底座高塑性高抗裂混凝土技术。

优选了关键部件工程材料。优选了聚丙烯土工布作为隔离层、三元乙丙橡胶作为凹槽周边弹性缓冲垫层、聚氨酯和硅酮材料作为底座伸缩缝嵌缝材料，保证了结构的整体性能。目前，正在进一步开展隔离层、弹性缓冲垫层耐久性提升技术研究。

4.4 轨道板制造技术

形成了先、后张预应力及普通钢筋混凝土轨道板制造技术。在CRTSⅠ、Ⅱ型轨道板制造技术基础上，结合CRTSⅢ型轨道板结构特点，形成了后张预应力和普通钢筋混凝土轨道板“独立台座法”生产工艺；研发了“矩阵单元法”生产工艺，首次实现了双向先张预应力轨道板的规模化生产。目前，正在进一步研究双向先张预应力轨道板“流水机组法”生产工艺，以进一步提高工效，降低成本。

研发并应用了曲线轨道板空间可调模板技术。曲线地段轨道板在线路上的位置具有唯一性，自主研发了一维、二维可调模板技术，基于布板设计确定的空间坐标，通过调整模板承轨槽垂向、横向位置，可适应于不同平纵断面条件的轨道板制造，实现曲线轨道板的一次制造精度，取代了成品轨道板承轨槽数控磨床打磨工艺，降低了制造成本，提高了制造效率。

形成了双向预应力薄板毫米级精度控制技术。自主研发了高精度轨道板模板、智能化张拉和养护控制系统，制定了针对性的工艺，解决了轨道板混凝土收缩不均匀、温度分布线性、约束条件非对称等多种因素作用下预应力混凝土薄板平面度控制难题，实现了毫米级制造精度[14]。

4.5 轨道结构施工技术

自主研发了无砟轨道布板及精调技术。研发了CRTSⅢ型板式无砟轨道布板软件，实现了线路总体布板设计，解决了线下基础多样、轨道结构非连续等复杂条件下轨道板的精确定位问题；精调软件基于高精测控技术和布板设计空间映射关系，实现轨道板三维姿态调整，大幅提高了铺设精度和效率。

自主研制了施工成套装备。研发了CRTSⅢ型板式无砟轨道铺板施工车、自密实混凝土制备灌注一体化施工车、轨道板三维固定装置、底座可调模板等成套施工设备和工装，形成了成熟的工艺和工法，实现了施工规模化、装备机械化和工艺标准化。

4.6 养护维修技术

提出了正常运营条件下轨道结构的养护维修技术。在前期各型无砟轨道养护维修经验基础上，完成了CRTSⅢ型板式无砟轨道不同部件伤损分类，提出了伤损等级判定标准和检查周期，针对轨道板、自密实混凝土层、底座不同等级的伤损，提出了相应维修方法。

提出了特殊条件下轨道结构的维修预案。针对基础沉降等特殊条件下的轨道结构失效伤损，在试验研究基础上，提出了维修预案。

4.7 技术标准体系

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构已纳入TB10621—2014《高速铁路设计规范》，并制定了轨道板、自密实混凝土层、隔离层、弹性缓冲垫层、嵌缝材料等系列轨道部件及工程材料技术条件；施工技术已纳入Q/CR9605—2017《高速铁路轨道工程施工技术规程》，并在《CRTSⅢ型板式无砟轨道工程施工质量验收指导意见（试行）》（工管线路函［2012］159号）基础上，启动了《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道施工质量验收标准》编制工作，逐渐形成了较为完备的技术标准体系。

5 结束语

通过理论、设计、材料、制造、施工、养修等技术研究，CRTSⅢ型板式无砟轨道技术已系统形成并建立相应标准体系，为我国高速铁路建设提供有力支撑。2013年6月，首条采用高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道的盘营客专试验最高速度即达397km/h；2016年7月，中国标准动车组在采用此系统的郑徐高铁，完成了420km/h级交会及重联试验，创造了交会速度世界纪录。目前，CRTSⅢ型板式无砟轨道运营线路超过1000km（双线），在建线路约3000km（双线），并作为标准型式在我国后续高铁建设以及印尼、俄罗斯、伊朗等国际项目中进一步推广应用。

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Technology of CRTS Ⅲ Ballastless Track System

WANG Jijun1，2，WANG Meng1，2，LIU Weibin1，2，ZHAO Yong1，2
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China）

USmooth track structure is the guarantee of safe and stable operation of high speed train. Due to its smoothness, stability and less maintenance, the ballastless track has been widely applied for high speed railways outside China. In order to meet the needs of construction of Chinese high speed railway, based on introduction of foreign technologies, we have developed different types of ballastless tracks, e.g. CRTS I, CRTS Ⅱ and twin block, which have been popularized in China. At the same time, we’re still facing some problems, e.g. crack of slab, different life spans of the filling layer with bituminous mortar and major structure with reinforced concrete,upwarp of continuous structure under high temperature, restriction from intellectual property issues as “going global”. The paper introduces the background and process of the Ramp;D of CRTS Ⅲ ballastless track, explains its structural and technical features in terms of design theory, track structure and interface design, major engineering materials, manufacture of slab, construction of track structure, maintenance and technical standards. The development of CRTS Ⅲ ballastless track has broken the restriction from foreign patents and padded up the short board of infrastructure technology output of high speed railway , providing powerful technical support for the“Belt and Road Initiative” and “going global” strategy of high speed railway.

CRTS Ⅲ slab；ballastless track；high-speed railway；slab；self-compact concrete；composite structure

U213.2

A

1001-683X（2017）08-0011-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.011

铁道部科技研究开发计划项目（2011G003）

王继军（1971—），男，研究员。

E-mail：costerna@126.com

责任编辑 李葳

2017-05-21