基本介紹
- 中文名：無砟軌道
- 外文名：Ballastless track
- 拼音：wú zhǎ guǐ dào
- 又名：無碴軌道
- 比較對象：有砟軌道
- 常用範圍：鐵路行業
- 領域：建設工程
簡介,歷程,結構,設計,計算參數,荷載,扣件剛度,軌道板,CA砂漿,地基,特點,優點,缺點,
簡介
無砟軌道採用自身穩定性較好的混凝土或瀝青道床代替有砟道床來傳遞行車時的動、靜荷載，而行車時需要的彈性變形主要由設定在鋼軌或扣件下精確定義的單元材料提供。無砟軌道結構設計要求其具有足夠的抗凍安全性，特別是對其下部結構在鋪軌完成後出現的後續沉降變形要求十分嚴格。所以，無砟軌道線路的長期穩定性較好，特別是在高速行車條件下，屬於一種正常情況下很少需要維修的上部結構形式。
日本新幹線，無砟軌道
日本新幹線，無砟軌道根據下部結構的類型，無砟軌道可分為路基上無砟軌道、隧道內無砟軌道和橋上無砟軌道三大類。按下列五個參數，無砟軌道可以分為不同的結構類型：
1)按鋼軌支承方式可分為點式和連續式；
2)按支承扣件方式可分為有軌枕和無軌枕；
3)按軌枕支承方式可分為埋入式、嵌入式和支承式；
4)按道床板材料可分為混凝土和瀝青；
5)按道床板施工方式可分為預製和現澆。
無論何種形式的無砟軌道結構，由於採用了剛性較大的黏結硬化材料作為道床板，一方面使得系統的荷載傳遞、擴散功能顯著提高，另一方面其適應下部結構沉降變形的能力卻大為下降，所以各種無砟軌道結構對基礎或者說路基的要求原則上是一樣的。大量的現場測試對比表明，在其他條件相同的情況下，行車時，無砟軌道和有砟軌道下基床和路基中的動荷載差別很大，如動應力和振動速度，相比較而言，不同無砟軌道結構條件下路基中動荷載的差別較小。從這兩點出發，著眼於無砟軌道路基的設計，本章代表性地以德國軌枕埋入式無砟軌道Rheda系統為例，介紹其基本原理和設計方法，並在此基礎上推出其對路基結構功能性、耐久性和平順性的要求。
日本新幹線，無砟軌道
日本新幹線，無砟軌道歷程
遂渝鐵路無砟軌道試驗段在進行實車試驗。據成都鐵路局發布的訊息，我國首條無砟鐵路軌道於2007年1月10日晚完成綜合試驗。試驗結果顯示，動車組時速達到232公里，其平穩性、舒適度達到優級，測試的各項數據都在安全標準之內。
2004年9月，鐵道部決定在遂（四川遂寧）渝（重慶）鐵路建設我國首條無砟軌道試驗段，正線全長13.16公里。
2007年1月3日，遂渝鐵路無砟軌道試驗段開始綜合試驗。
2009年12月26日，武廣高速鐵路投入運行。該線採用從德國睿鐵公司（RAIL.ONE）引進的RHEDA 2000雙塊式無砟軌道技術。
2015年4月，第一條採用CRTSⅢ軌道板的鄭徐客運專線開始鋪設。
結構
隨著京津城際高速鐵路、武廣高速鐵路、滬杭高速鐵路和京滬高速鐵路的相繼開通和運營，我國高速鐵路無砟軌道技術已逐步實現系列化、現代化和標準化。無砟軌道結構形式線上路上主要有CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道、CRTSⅠ型板式無砟軌道和CRTSⅡ型板式無砟軌道、CRTSⅢ型板式無砟軌道，在道岔區段主要有長枕埋入式無砟軌道和板式無砟軌道。
高速鐵路無砟軌道結構與普通軌道結構一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成。這些力學性質截然不同的材料承受來自列車車輪的作用力，它們的工作是緊密相關的，任何一個軌道零部件性能、強度和結構的變化都會影響其他零部件的工作條件，並對列車運行質量產生直接的影響。因此，軌道結構是一個系統，要用系統論的觀點和方法進行研究。鋼軌直接承受由機車車輛傳來的巨大動力，並傳向軌枕；軌枕承受鋼軌傳來的豎向垂直力、橫向和縱向水平力後再將其分布於道床，並保持鋼軌正常的幾何位置；輪軌間的各種作用力通過軌枕和扣件的隔振、減振和衰減後傳遞給道床，並將作用力擴散傳遞於路基。由於列車速度的提高與軌道結構的作用力及速度成正比，高速鐵路的軌道必然比普通線路具有更高的安全性、可靠性和平順性。為保證軌ⅡⅡ道結構的這些要求，軌道各部件的力學性能、使用性能和組成為結構的性能都比普通軌道部件高得多。作為鐵路基礎設施的軌道結構是一龐大的系統工程，其受力狀態極其複雜，運營條件的任何變化都會直接引發受力狀態的變化，而作為軌道結構基礎的橋樑、路基的狀態和性能對軌道結構有決定性影響，因此，作為高速鐵路和高速鐵路的軌道結構，具備良好的基礎並在正常受力條件下運營就顯得特別重要。高速鐵路一般採用60kg/m鋼軌、長度2.6m軌枕、彈性扣件、無砟的軌道結構，大號碼道岔，直向過岔速度與區間正線一致，側向過岔速度與連線的聯絡線一致，利用標準列車計算橋樑荷載，規定統一的列車速度和軸重，全部採用立體交叉。
設計
計算參數
根據板式無砟軌道結構特點，選取基本計算參數。
為獲得最優的軌道結構，採用有限元梁-板模型研究了主要參數對軌道結構各組成部分力學回響的影響規律。如果沒有特殊說明，荷載作用於板中，CA砂漿彈性模量取300MPa，其它基本參數，計算結果中軌道板或底座彎矩均為每米範圍所受的彎矩值，單位取KN·m/m。
荷載
根據試算，荷載作用於板中和板端兩個位置時軌道結構受力為最不利情況，因此選取這2種工況進行研究。荷載作用於板中時，軌道板縱向正彎矩、底座縱橫向負彎矩較大；荷載作用於板端時，軌道板縱向負彎 矩、軌道板橫向正負彎矩、CA砂漿最大反力以及底座橫向縱橫向正彎矩較大。設計中，應該綜合考慮這兩種荷載作用工況下的最大值。
扣件剛度
扣件剛度分別採用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm進行分析。軌道板和底座的彎矩以及CA砂漿最大反力都隨著扣件剛度的增大而增大，但是當扣件剛度大於40KN/mm時，隨著扣件剛度增大，軌道板和底座的彎矩變化趨緩，底座的橫向負彎矩當扣件剛度大於60KN/mm時反而有所減小。
軌道板
軌道板寬度分別採用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m進行分析。
隨著軌道板寬度的增大，軌道板縱向彎矩逐漸減小；軌道板橫向正彎矩當軌道板寬度小於2.4m時隨軌道板寬度的增大而增大，當軌道板寬度大於2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小；軌道板橫向負彎矩當軌道板寬度 小於2.2m時隨軌道板寬度的增大而減小，當軌道板寬度大於2.2m時隨軌道板寬度的增大而增大；CA砂漿反力當軌道板寬度小於2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小，當軌道板寬度大於2.4m時變化不明顯；隨著軌道板寬度的增大，底座縱橫向正彎矩均逐漸減小，縱橫向負彎矩變化不明顯。
軌道板寬度為2.0m時，各別力學指標明顯偏大，說明軌道板不宜太窄，同時可以看到軌道板寬2.2~2.4m是力學指標變化的一個轉折點，因此結合力學計算及結構設計，從技術經濟角度綜合分析，軌道板寬度取2.2~2.4m是合適的。
CA砂漿
CA砂漿彈性模量分別採用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa進行分析。
隨著CA砂漿彈性模量的增大，軌道板彎矩減小，CA砂漿本身的反力增大，底座彎矩增大，其中軌道板縱向負彎矩和底座縱橫向負彎矩變化不明顯。
當CA砂漿彈性模量大於300MPa時，各力學指標變化趨緩，計算時其最大值可取300MPa，同時考慮CA砂漿彈性模量的離散性和軌道板受力的最不利情況，最小值取100MPa。
地基
地基彈性係數採用K30，分別按50MPa/m、190MPa/m，500MPa/m，1000MPa/m進行分析。
隨著地基彈性係數增大，除軌道板橫向負彎矩增大外軌道板其它彎矩減小，CA砂漿反力變化不明顯，底座彎矩減小。由此可知，隧道、橋樑地段由於基礎剛度較土質路基大，對軌道結構整體而言受力是有利 的。
列車豎向荷載作用下板式軌道最不利彎矩計算基本參數取值，同時考慮荷載作用位置以及CA砂漿彈性模量的離散性對計算結果的影響，計算列車豎向荷載作用下板式軌道的最不利彎矩。
在板式軌道力學計算中，荷載作用位置、扣件剛度、軌道板寬度、CA砂漿彈性模量以及地基彈性係數等基本參數的取值是影響計算結果正確與否的主要因素，只有基本參數合理才能保證計算結果的準確，為結構設計提供依據。
計算列車豎向荷載作用下軌道板和底座的最不利彎矩時，荷載作用位置應分別考慮位於板中及板端兩種工況；CA砂漿彈性模量應考慮離散性，按100MPa和300MPa分別計算。
路基地段地基彈性係數採用K30時取190MPa/m是最不利情況，計算結果較隧道和橋樑地段偏大。
特點
優點
RHEDACITY無砟軌道板的優點：
簡單、透明的系統結構，完美的軌道定位，與街道建築相融，交叉軌枕的使用確保了軌矩和軌道的幾何精確度，軌道盤採用摩擦鎖定式固定裝置，由於熱量可以充分進入軌道跨距，因此可以消除軌道構架的澆注不足現象。採用最佳化的軌道系統，設計具有出色的粘合質量，可進行整體式施工，使用預組裝部件確保軌道的彈性，軌道的彈性支撐或持續支撐，去除軌距連線桿，安全性極高、使用壽命長，符合電絕緣要求，具有“邊建設邊投入使用”的能力等。
缺點
無砟軌道具有高穩定性、少維修、壽命長的優點，並在國外鐵路獲得了廣泛套用，2005年德國出版的《軌道概論》對無砟軌道的缺點做了如下總結：
1)Rheda投資要比有砟軌道多1倍以上。科隆一法蘭克福線預算46億歐元，實際費用大約為50億歐元，增加大約30%，如此高的初期投資包括巨大的資本成本。有砟軌道成本為350歐元/m，無砟軌道最低為500歐元/m，最大為750—800歐元/m。即使施工方法得到最佳化，建設長度增加，成本係數仍達到1。
無砟軌道相對有砟軌道的經濟效益僅能從有砟軌道需要增加的維修費用計算得到。現有砟軌道的維修在很大程度上實現了機械化和自動化，比手工作業費用要低，並能夠持久地保持軌道幾何狀態；無碴軌道也需要維修，鋼軌打磨工作量相對有砟軌道要增加，隨著無砟軌道使用時間的增加，傷損將增多，而且無砟軌道的修復工作比較複雜，並需要大量費用和時間，一旦損壞引起關閉線路帶來倒換相當大，也是初期無法計算或預料的。
隧道內的無砟軌道相對有砟軌道具有良好的經濟效益。但橋上和路基上的無砟軌道往往經濟效益差一些，限制基礎的長期沉降需要維護，比有砟軌道要增加2倍。
2)混凝土無砟軌道為剛性承載層，當達到承載強度極限時將產生斷裂，並引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預見的惡化。
3)總體上來說，無砟軌道建設和維修都沒有達到自動化程度。無砟軌道的質量需要高水平的養護措施提供保障。這意味著在施工工序和質量控制方面都要增加額外的費用和時間。建設期間的質量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，並需要花費高昂的代價進行彌補。
4)無砟軌道作為剛性結構，在後期運營階段僅允許做少量的完善，比如改善軌道幾何狀態很難。
5)無砟軌道很難在粘土深路塹、鬆軟土路堤或地震區域鋪設。
6)對脫軌或其他原因導致的嚴重損壞還沒有特別有效的措施，要修復。混凝土的養生和硬化需要很長的時間。也就是說，嚴重的事故將導致線路關閉時間比較長，對運輸影響比較大。
7)無砟軌道最嚴重的缺點是改進的可能性受到限制。
8)無砟軌道的另外一個缺點是，在路基上鋪設時，任何情況下都要鋪設防凍層（至少70cm厚）。要延長無砟軌道的壽命周期，水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有砟軌道深。
9)大部分經濟研究沒有考慮無砟軌道到了壽命周期後高昂的再建費用。
