高速铁路轨道技术综述

    高速铁路轨道技术综述
    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受来自车轮作用力，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：
    （l）采用60 kg/m钢轨、长度2.6 m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120Hz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。根据德国高速铁路的资料，当行车速度为250～300km/h时，其线路维修费用约为行车速度为160 ～200 km/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160～200km/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、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，其铺设范围己从桥梁、隧道发展到上质路基和道岔区，无破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（大阪一冈山）新干线占了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（大宫一新混）新干线占90%；1997年开通的北陆（高崎一长野）新干线占87.5%。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155 km，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388km长、速度270 km/h的巴黎－里昂的TGV东南客运专线上，尽管轴重较小，为160～170kN，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）上增加巧cm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二线路通过总重达到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120～140km/h的客货混运线路相比，上述高速线路的道破使用期约为道破正常使用期的25％。
    法铁总结有碴轨道道碴飞溅的原因主要有：
    （l）冬季在车体和转向架土有冰雪，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）小动物破坏护栏进人线路，扰动道床；
    （4）列车高速和大风。当列车速度250 km/h以上时，在2.5 m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TCV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300km/h，无碴轨道占85%；正在修建中的纽伦堡一英戈城高速铁路设计速度目标值330km/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1.5～2.0。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，这些都会增强有破轨道的竞争力。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，而这些投人在初期是无法计算的。
    1.2.3.2混凝土无碴轨道为刚性承载层，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，而风需要花费高昂代价。
    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5 dB，必须采取有效的降噪措施。
    1.2.3.7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70cm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，待跻基、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。而且这些己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，从而免除了短轨过渡期形成的上述问题，保证高速线路的质量。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。