无砟轨道（一种先进轨道结构）

简介

无砟轨道采用自身稳定性较好的混凝土或沥青道床代替有砟道床来传递行车时的动、静荷载，而行车时需要的弹性变形主要由设置在钢轨或扣件下精确定义的单元材料提供。无砟轨道结构设计要求其具有足够的抗冻安全性，特别是对其下部结构在铺轨完成后出现的后续沉降变形要求十分严格。所以，无砟轨道线路的长期稳定性较好，特别是在高速行车条件下，属于一种正常情况下很少需要维修的上部结构形式。

无砟轨道

根据下部结构的类型，无砟轨道可分为路基上无砟轨道、隧道内无砟轨道和桥上无砟轨道三大类。按下列五个参数，无砟轨道可以分为不同的结构类型：

1)按钢轨支承方式可分为点式和连续式；

2)按支承扣件方式可分为有轨枕和无轨枕；

3)按轨枕支承方式可分为埋入式、嵌入式和支承式；

4)按道床板材料可分为混凝土和沥青；

5)按道床板施工方式可分为预制和现浇。

无论何种形式的无砟轨道结构，由于采用了刚性较大的黏结硬化材料作为道床板，一方面使得系统的荷载传递、扩散功能显著提高，另一方面其适应下部结构沉降变形的能力却大为下降，所以各种无砟轨道结构对基础或者说路基的要求原则上是一样的。大量的现场测试对比表明，在其他条件相同的情况下，行车时，无砟轨道和有砟轨道下基床和路基中的动荷载差别很大，如动应力和振动速度，相比较而言，不同无砟轨道结构条件下路基中动荷载的差别较小。从这两点出发，着眼于无砟轨道路基的设计，本章代表性地以德国轨枕埋入式无砟轨道Rheda系统为例，介绍其基本原理和设计方法，并在此基础上推出其对路基结构功能性、耐久性和平顺性的要求。

历程

无砟轨道

首条

2004年9月，铁道部决定在遂（四川遂宁）渝（重庆）铁路建设中国

首条

2007年1月3日，遂渝铁路无砟轨道试验段开始综合试验。

2009年12月26日，武广高速铁路投入运行。^[5]该线采用从德国睿铁公司（RAIL.ONE）引进的RHEDA 2000双块式无砟轨道技术。

京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁、沪宁城际均采用CRTSⅠ或CRTSⅡ型板式无砟轨道技术。

2015年4月，第一条采用CRTSⅢ轨道板的郑徐客运专线开始铺设。^[7]

结构

随着京津城际高速铁路、武广高速铁路、沪杭高速铁路和京沪高速铁路的相继开通和运营，中国高速铁路无砟轨道技术已逐步实现系列化、现代化和标准化。无砟轨道结构形式在线路上主要有CRTSⅠ型双块式无砟轨道、CRTSⅡ型双块式无砟轨道、CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅡ型板式无砟轨道、CRTSⅢ型板式无砟轨道，在道岔区段主要有长枕埋入式无砟轨道和板式无砟轨道。

高速铁路无砟轨道结构与普通轨道结构一样，由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。这些力学性质截然不同的材料承受来自列车车轮的作用力，它们的工作是紧密相关的，任何一个轨道零部件性能、强度和结构的变化都会影响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，并将作用力扩散传递于路基。由于列车速度的提高与轨道结构的作用力及速度成正比，高速铁路的轨道必然比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性。为保证轨ⅡⅡ道结构的这些要求，轨道各部件的力学性能、使用性能和组成为结构的性能都比普通轨道部件高得多。作为铁路基础设施的轨道结构是一庞大的系统工程，其受力状态极其复杂，运营条件的任何变化都会直接引发受力状态的变化，而作为轨道结构基础的桥梁、路基的状态和性能对轨道结构有决定性影响，因此，作为高速铁路和高速铁路的轨道结构，具备良好的基础并在正常受力条件下运营就显得特别重要。高速铁路一般采用60kg/m钢轨、长度2.6m轨枕、弹性扣件、无砟的轨道结构，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，利用标准列车计算桥梁荷载，规定统一的列车速度和轴重，全部采用立体交叉。

设计

根据板式无砟轨道结构特点，选取基本计算参数。

为获得最优的轨道结构，采用有限元梁-板模型研究了主要参数对轨道结构各组成部分力学响应的影响规律。如果没有特殊说明，荷载作用于板中，CA砂浆弹性模量取300MPa，其它基本参数，计算结果中轨道板或底座弯矩均为每米范围所受的弯矩值，单位取KN·m/m。

根据试算，荷载作用于板中和板端两个位置时轨道结构受力为最不利情况，因此选取这2种工况进行研究。荷载作用于板中时，轨道板纵向正弯矩、底座纵横向负弯矩较大；荷载作用于板端时，轨道板纵向负弯 矩、轨道板横向正负弯矩、CA砂浆最大反力以及底座横向纵横向正弯矩较大。设计中，应该综合考虑这两种荷载作用工况下的最大值。

扣件刚度分别采用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm进行分析。轨道板和底座的弯矩以及CA砂浆最大反力都随着扣件刚度的增大而增大，但是当扣件刚度大于40KN/mm时，随着扣件刚度增大，轨道板和底座的弯矩变化趋缓，底座的横向负弯矩当扣件刚度大于60KN/mm时反而有所减小。

轨道板宽度分别采用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m进行分析。

无砟轨道

随着轨道板宽度的增大，轨道板纵向弯矩逐渐减小；轨道板横向正弯矩当轨道板宽度小于2.4m时随轨道板宽度的增大而增大，当轨道板宽度大于2.4m时随轨道板宽度的增大而减小；轨道板横向负弯矩当轨道板宽度 小于2.2m时随轨道板宽度的增大而减小，当轨道板宽度大于2.2m时随轨道板宽度的增大而增大；CA砂浆反力当轨道板宽度小于2.4m时随轨道板宽度的增大而减小，当轨道板宽度大于2.4m时变化不明显；随着轨道板宽度的增大，底座纵横向正弯矩均逐渐减小，纵横向负弯矩变化不明显。

轨道板宽度为2.0m时，各别力学指标明显偏大，说明轨道板不宜太窄，同时可以看到轨道板宽2.2~2.4m是力学指标变化的一个转折点，因此结合力学计算及结构设计，从技术经济角度综合分析，轨道板宽度取2.2~2.4m是合适的。

CA砂浆弹性模量分别采用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa进行分析。

随着CA砂浆弹性模量的增大，轨道板弯矩减小，CA砂浆本身的反力增大，底座弯矩增大，其中轨道板纵向负弯矩和底座纵横向负弯矩变化不明显。

当CA砂浆弹性模量大于300MPa时，各力学指标变化趋缓，计算时其最大值可取300MPa，同时考虑CA砂浆弹性模量的离散性和轨道板受力的最不利情况，最小值取100MPa。

地基弹性系数采用K30，分别按50MPa/m、190MPa/m，500MPa/m，1000MPa/m进行分析。

随着地基弹性系数增大，除轨道板横向负弯矩增大外轨道板其它弯矩减小，CA砂浆反力变化不明显，底座弯矩减小。由此可知，隧道、桥梁地段由于基础刚度较土质路基大，对轨道结构整体而言受力是有利 的。

列车竖向荷载作用下板式轨道最不利弯矩计算基本参数取值，同时考虑荷载作用位置以及CA砂浆弹性模量的离散性对计算结果的影响，计算列车竖向荷载作用下板式轨道的最不利弯矩。

在板式轨道力学计算中，荷载作用位置、扣件刚度、轨道板宽度、CA砂浆弹性模量以及地基弹性系数等基本参数的取值是影响计算结果正确与否的主要因素，只有基本参数合理才能保证计算结果的准确，为结构设计提供依据。

计算列车竖向荷载作用下轨道板和底座的最不利弯矩时，荷载作用位置应分别考虑位于板中及板端两种工况；CA砂浆弹性模量应考虑离散性，按100MPa和300MPa分别计算。

路基地段地基弹性系数采用K30时取190MPa/m是最不利情况，计算结果较隧道和桥梁地段偏大。

特点

RHEDACITY无砟轨道板的优点：

简单、透明的系统结构，完美的轨道定位，与街道建筑相融，交叉轨枕的使用确保了轨矩和轨道的几何精确度，轨道盘采用摩擦锁定式固定装置，由于热量可以充分进入轨道跨距，因此可以消除轨道构架的浇注不足现象。采用优化的轨道系统，设计具有出色的粘合质量，可进行整体式施工，使用预组装部件确保轨道的弹性，轨道的弹性支撑或持续支撑，去除轨距连接杆，安全性极高、使用寿命长，符合电绝缘要求，具有“边建设边投入使用”的能力等。

无砟轨道具有高稳定性、少维修、寿命长的优点，并在国外铁路获得了广泛应用，2005年德国出版的《轨道概论》对无砟轨道的缺点做了如下总结：

1)Rheda投资要比有砟轨道多1倍以上。科隆一法兰克福线预算46亿欧元，实际费用大约为50亿欧元，增加大约30%，如此高的初期投资包括巨大的资本成本。有砟轨道成本为350欧元/m，无砟轨道最低为500欧元/m，最大为750—800欧元/m。即使施工方法得到优化，建设长度增加，成本系数仍达到1。

无砟轨道相对有砟轨道的经济效益仅能从有砟轨道需要增加的维修费用计算得到。现有砟轨道的维修在很大程度上实现了机械化和自动化，比手工作业费用要低，并能够持久地保持轨道几何状态；无碴轨道也需要维修，钢轨打磨工作量相对有砟轨道要增加，随着无砟轨道使用时间的增加，伤损将增多，而且无砟轨道的修复工作比较复杂，并需要大量费用和时间，一旦损坏引起关闭线路带来倒换相当大，也是初期无法计算或预料的。

隧道内的无砟轨道相对有砟轨道具有良好的经济效益。但桥上和路基上的无砟轨道往往经济效益差一些，限制基础的长期沉降需要维护，比有砟轨道要增加2倍。

2)混凝土无砟轨道为刚性承载层，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。

3)总体上来说，无砟轨道建设和维修都没有达到自动化程度。无砟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。建设期间的质量缺陷将为整个使用寿命期留下隐患，并需要花费高昂的代价进行弥补。

4)无砟轨道作为刚性结构，在后期运营阶段仅允许做少量的完善，比如改善轨道几何状态很难。

5)无砟轨道很难在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设。

6)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，要修复。混凝土的养生和硬化需要很长的时间。也就是说，严重的事故将导致线路关闭时间比较长，对运输影响比较大。

7)无砟轨道最严重的缺点是改进的可能性受到限制。

8)无砟轨道的另外一个缺点是，在路基上铺设时，任何情况下都要铺设防冻层（至少70cm厚）。要延长无砟轨道的寿命周期，水凝性材料层厚度几乎不能减少。路基处理深度也比有砟轨道深。

9)大部分经济研究没有考虑无砟轨道到了寿命周期后高昂的再建费用。

荣誉表彰

2019年9月，第44届国际质量管理小组会议(简称ICQCC)在日本东京召开，来自全球20多个国家及地区354个QC小组2000余名代表参赛。由中国中铁四局一公司QC小组主持的《提高CRTSⅢ型无砟轨道板预应力张拉一次合格率》课题斩获国际“质量奥林匹克”金奖。^[6]