无碴轨道结构类型及设计原则

傅 强

无碴轨道结构是传统有碴轨道的重要改进形式和各国轨道工程的主要研究方向之一,逐渐成熟的技术有日本新干线的板式轨道,德国 Rheda型、Züblin型、Bögl型无碴轨道,英国的 LVT 型、PACT型无碴轨道,法国的Monaco型和STEDEF型无碴轨道等。为了满足国内高速铁路发展的需求,中国引进了德国Max Bögl,RAIL.ONE及Züblin等公司的轨道板技术,在京津城际铁路使用了Bögl型无碴轨道,在武广客运专线使用了 Rheda2000无碴轨道,在郑西客运专线使用了Züblin型无碴轨道,无碴轨道技术还将在福厦、温福、武合、石太、广珠等客运专线上全面推广应用。城市轨道交通方面引进了德国GERB公司的浮置板式无碴轨道技术,在北京地铁13号线、上海地铁6号线和明珠线,深圳地铁1号线、西安地铁1号线和2号线中广泛采用。

1 无碴轨道的类型

1.1 无碴轨道的分类

无碴轨道可分为四大类[1]:直接固定式,轨枕式,轨道板式,浮置板式。直接固定式轨道是将钢轨及扣件系统直接固定在现场浇筑的钢筋混凝土道床上,按结构形式可分为整体式、平板式、基座式。轨枕式轨道是将支承钢轨的轨枕或支承块与混凝土道床浇筑在一起,按埋入的材料分为:木枕埋入式、混凝土枕埋入式、混凝土支撑块埋入式。轨道板式轨道是将利用预制的钢筋混凝土板直接支承钢轨。浮置板式轨道是通过弹性体把轨道结构上部构件与基础完全隔离,利用道床在弹性体上进行惯性运动来隔离和衰减振动,按弹性体的材料可分为钢弹簧浮置板和橡胶弹簧浮置板,按道床的制作方法可分为现浇浮置板和预制浮置板。

1.2 无碴轨道的典型型号

1)日本板式轨道。板式轨道(Slab Track)于1955年在日本首次提出,1971年开始被日本国有铁路(JNR)广泛应用在桥梁、隧道和高速铁路中,累计铺设里程已超过2 400 km[2]。板式轨道采用预制的钢筋混凝土板安装在桥面板、隧道底板或仰拱上的底座,在轨道板与底座间灌注水泥沥青砂浆(CA砂浆),在轨道板上直接铺设钢轨。板式轨道结构高度低,道床宽度小,重量轻,总造价不超过传统有碴轨道的30%,施工方便。目前常用的有普通A型轨道板(见图1)、框架型轨道板、用于特殊减振区段上的防振G型轨道板及早期用于路基上的RA型轨道板等。国内武广客运专线新广州站采用日本板式轨道的技术。

2)Bögl型无碴轨道。Bögl型无碴轨道是德国Max Bögl公司在1996年开发的预制轨道板结构[3],是德国批准的Bögl,Rheda,Züblin,ATD,Getrac和 Berlin六种无碴轨道结构形式之一。Bögl式无碴轨道由预制轨道板、水泥沥青砂浆层、水硬性支承层、钢轨及扣件系统组成,可用于有隔振要求的地段。当线路附近有降噪要求时,可在博格轨道板上铺设预制的吸声材料。

3)Rheda型无碴轨道。德国 RAIL.ONE公司开发的 Rheda型无碴轨道于1972年铺设于德国比勒菲尔德—哈姆的一段线路上,以Rheda车站而命名[4]。Rheda型系列无碴轨道有 Rheda经典型,Rheda-Berlin HST V1型,Rheda-Berlin HST V2型,Rheda-Berlin HST V3型和Rheda2000型。Rheda经典型从采用整体式轨枕的传统带槽轨道发展为Rheda2000无槽型无碴轨道,克服了纵向裂缝的发生。Rheda2000是带混凝土支承层的无碴轨道系统,由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕组成,采用混凝土现浇形成整体式结构(见图2)。为了满足不同的功能需求,RAIL.ONE公司为地铁开发了Rheda MRT,为城市绿色交通开发了Rheda City Green和ATD-G等型号的轨道。

4)Züblin型无碴轨道。Züblin型无碴轨道系统是 1974年开发,在科隆—法兰克福高速铁路上首次铺设。Züblin无碴轨道系统与Rheda无碴轨道系统相似,都是在水硬性混凝土承载层上铺设双块埋入式无碴轨道,由钢轨扣件系统、轨枕、混凝土承载板、水硬性承载层以及防冻层组成。双块式轨枕通过桁架钢筋以及两侧的附加钢筋与混凝土承载板浇筑成整体。

5)LVT型无碴轨道。LVT型(Low Vibration Track)无碴轨道是 Roger Sonneville提出,在1966年首次用于瑞士联邦铁路(SBB)的波茨博格隧道项目,并在瑞典的马尔默城市隧道,哥本哈根地铁,英吉利海峡隧道,英国东伦敦线,西班牙巴伦西亚地铁项目中得到广泛的采用。LVT由橡胶靴套包裹的钢筋混凝土支承块以及块下大橡胶垫板组成,支承块和铁垫板通过预埋的绝缘套管采用螺栓连接,采用现浇混凝土将弹性支承块嵌固在其中形成道床(见图3)。由于采用了轨下和块下双层弹性垫板,使轨道结构具有良好的减振降噪性能。在国内,广州地铁1号线和北京地铁1号线中采用了LVT轨道结构。

6)GERB浮置板轨道。GERB浮置板轨道将混凝土道床板浮置在钢弹簧隔振器上,构成质量—弹簧—隔振系统。隔振器内放有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼(见图4),布置方式有内置式、侧置式和用于桥梁建筑的支座式3种。钢弹簧隔振器内有粘滞阻尼,使钢弹簧具有三维弹性,且横向刚度可以独立设计,具有很好的横向稳定性。浮置板对其固有频率 2倍以上的中、高频率振动减振效果显著[5],尤其在有特殊减振要求的住宅、音乐厅、医院、学校、精密仪器工厂等地段得到广泛应用。

2 无碴轨道的设计原则

1)应具备足够的强度和稳定性,满足350 km/h运行的高速列车行驶安全,满足GB 5599-85铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范的相关要求;2)轨道结构的刚度和阻尼设计满足列车在静力荷载和动力荷载下的变形限值和振动幅值,振动频率避开车辆及轨道的固有频率,防止发生共振和临界速度下的轨道及地基的几何变形和失稳,满足GB 10070-88城市区域环境噪声标准、GB 12525-90铁路边界噪声限值及其测量方法、GB 50157-2003地铁设计规范等相应规范中的噪声和振动的规定限值;3)无碴轨道和有碴轨道的过渡段、特殊减振和普通区域的过渡段需进行合理的计算分析,严格遵循刚度渐变的设计原则,避免列车行驶经两种轨道连接处钢轨挠度和动弯应力急剧变化,保证行车稳定性和钢轨强度安全;4)轨道结构能够调整,对轨道下部结构发生变形引起的轨道不平顺能及时处理;5)轨道结构的材料满足设计要求,在使用年限内不发生老化疲劳,能方便检测更换;6)轨道系统维修量小,检测维修速度快,保证正常的检修不影响线路运营;7)经济合理,易于施工。

3 结语

无碴轨道有4种主要类型,发展成熟的型号较多,在实际工程中应根据具体的工程条件和技术要求选择合适的类型和型号。严格按照设计原则和规范标准进行设计和施工,充分发挥无碴轨道的优点,满足列车行驶安全、乘客舒适程度、维修作业和经济成本合理性的要求。

[1] 陈怡如.无道碴轨道工程简介[D].台北:台湾大学,2006.

[2] D.N Bilow,G M.Randich slab track for the next 100 years[C].Proceedings of American Public Transportation Association 2000 Rail Transit Conference,2000.

[3] S.Bögl.System development FFB TS-slab track for switches Bögl[J].ZEV Rail Glasers Annalen,2009,133(8):302-306.

[4] C.Esveld.Recent developments in slab track[J].European Railway Review,2003(9):81-85.

[5] 袁 俊,吴敏哲,孟昭博,等.基于双层 Euler-Bernoulli梁理论的浮置板轨道隔振研究[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2009,41(5):683-688.