武广高速铁路桥上铺设无砟轨道关键技术研究

王森荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线站处，武汉 430063)

武广高速铁路桥上铺设无砟轨道关键技术研究

王森荣

(中铁第四勘察设计院集团有限公司线站处，武汉 430063)

为解决武广高速铁路大跨度桥上铺设无砟轨道时，遇到跨越大梁缝、梁端转角和位移过大、温度跨度太大需设置钢轨伸缩调节器、梁端轨道板稳定性、桥上铺设道岔等系列问题。采用理论计算分析并结合工况实际，充分考虑设计参数的最不利因素，武广高速铁路实现了最大跨度168m桥上铺设无砟轨道，在钢箱系杆拱桥上铺设无砟轨道，在桥上道岔区铺设无砟轨道等技术难题，解决了大跨度桥上铺设无砟轨道若干关键技术难题。

武广高速铁路;无砟轨道;桥梁;关键技术

武广高速铁路设计时速为350 km，全线长1 068.6 km，除武汉站和广州南站铺设有砟轨道外，其余均铺设无砟轨道结构。全线大中桥679座，桥梁比例占全线44%，其桥梁的主要特点是桥梁比例大、高架桥、大跨度桥梁多，主跨超过60 m的特大桥梁有25座，主跨超过100 m的特大桥梁有15座。

武广高速铁路实现了在最大跨度为168 m的连续刚构桥、主跨为140 m的钢箱系杆拱桥、高速道岔区特别是50号道岔区、桥上道岔区、无缝线路温度跨度超过200 m的衡阳和株洲湘江特大桥上的钢轨伸缩调节器区等均铺设了无砟轨道结构，解决了无砟轨道跨越大梁缝、梁端扣件和道床板稳定性、桥上道岔区和钢轨伸缩调节器区铺设无砟轨道等关键技术难题。对武广高速铁路大跨度桥上铺设无砟轨道的若干关键问题进行探讨。

1 无砟轨道跨越大梁缝研究

无砟轨道的扣件间距一般为600～650 mm，但由于桥梁处于线路平面小半径曲线地段，或大跨度桥梁的温度伸缩变形量比较大，或大跨度桥梁考虑人进梁体内检查等因素，导致梁缝处两相邻扣件间距按照一般设计超过650 mm。武广高速铁路采用放大梁缝处单个扣件间距和设置梁端过渡板的方式，解决无砟轨道跨越大梁缝的难题，

1.1 放大梁缝处扣件节点间距

武广高速铁路对于扣件间距超过650 mm，但不是很大的情况下，无砟轨道跨越大梁缝采用放大梁缝处单个扣件间距至725 mm。当梁缝大于250 mm时，采用底座悬出梁端适当长度，但应满足梁端位置距其第一组扣件的距离至少在225 mm以上，从而确保道床板端部结构的受力和耐久性满足要求。

梁缝处单个扣件最大间距应通过对所在地区的温度和列车等荷载作用下钢轨强度、钢轨竖向变形、钢轨断缝时的弹性挤开量、梁端转角引起扣件上拔力等进行计算和研究确定。

1.2 采用设置梁端过渡板方式

武广高速铁路最大梁缝达到近400 mm，同时还有很多复杂梁缝的情况，为了使梁缝处无砟轨道结构满足要求，当采用放大梁缝处单个扣件间距至725 mm还不能满足要求时，武广高速铁路采用梁端设置过渡板的方式。梁端过渡板的设计如图1所示。

图1 梁端过渡板的设计图示

武广高速铁路在东湖特大桥、汀泗河特大桥、胡家湾特大桥、梁家湾特大桥等设置了梁端过渡板结构，确保了列车通过大梁缝地段的安全性、稳定性和平顺性(图2)。

图2 汀泗河特大桥上搭梁过渡板结构

梁端过渡板结构由钢轨、扣件、过渡板、限位板、过渡板支座、横向限位器等部分组成，其中过渡板和限位板为其核心组成部分。过渡板底面设板式支座，端部设限位结构，梁端过渡板和限位板采用钢筋混凝土现场浇筑而成。限位板与桥梁采用钢筋连接，并在限位板上设置限位装置，从而确保横向稳定性。

2 梁端无砟轨道稳定性研究

轨道结构的稳定性直接关系到列车运行的安全性，大跨度桥梁上无砟轨道结构的稳定性主要应考虑梁端扣件系统的稳定性和道床板(轨道板)的稳定性。

2.1 梁端扣件系统稳定性

桥上钢轨扣件由于桥梁变形和梁端转角等因素的影响，梁端的几组扣件受到上拔力，当上拔力大于扣件弹条扣压力时，扣件将失去稳定性，严重情况下扣件将被弹出，危及列车运行的安全。见图3。

图3 梁端变形对扣件系统的影响图示

扣件上拔力的影响因素如表1所示，其主要影响因素为梁端转角、同一桥墩上两支座的沉降变形差和列车轮载作用等。

表1 梁端扣件受力的影响因素

图4、图5分别为不同梁端转角和同一桥墩支座的沉降差对扣件系统受力的影响。从图中的计算结果可以看出，梁端转角和错台对梁端第1组和第2组扣件的上拔力影响最大。

图4 不同梁端转角对扣件系统受力

图5 不同错台高度对扣件系统受力

武广高速铁路通过计算分析，在连续梁或大跨度桥梁与相邻简支梁的梁端第1组扣件的上拔力可能会超过扣件系统的抗拔力，因此均更换为具有更大抗拔力扣件。

2.2 梁端道床板稳定性

武广高速铁路无砟轨道道床板与底座为分离式层状结构，当梁端扣件上拔力较大时，会引起道床板上抬，严重情况下可使道床板与底座脱离，影响轨道结构的稳定性。所以大跨度桥梁上铺设无砟轨道应对道床板的稳定性进行分析。

武广高速铁路对道床板的稳定性计算分析，采用刚性基础上的半无限长梁法，如图6所示，设梁在扣件上拔力P作用下的变形在弹性范围内发生纯弯曲，则刚性基础上长梁上抬长度和抬起量可近似微分方程采用初参数法求得。

图6 无限长梁上抬长度及上抬位移图示

3 无砟轨道与无缝线路设计

大跨度桥梁在温度荷载作用下，“梁-轨”伸缩位移较大，为避免“梁-轨”之间相对位移过大而破坏轨道和桥梁结构，桥上无缝线路需设置钢轨伸缩调节器，从而改善桥梁和轨道的运营状态。

武广高速铁路桥上铺设无缝线路的温度跨度通过计算分析，在满足钢轨强度和稳定性时突破了200 m，全线无砟轨道结构地段仅在衡阳湘江特大桥和株洲西湘江特大桥上铺设了钢轨伸缩调节器(图7)。

图7 桥上钢轨伸缩调节器区段无砟轨道

武广高速铁路桥上伸缩调节器区无砟轨道结构采用轨枕埋入式结构设计，其该区域内的结构设计与道岔区尖轨处相似，其无砟轨道结构从上至下为:钢轨伸缩调节器、扣件、长枕、道床板、道床板限位结构、桥面保护层等组成。无砟轨道道床板采用分块式设计，道床板与下部结构间设置中间隔离层并采用凹凸槽方式限位。

4 桥上铺设无砟道岔技术研究

在武广高速铁路建设过程中，我国研发了时速350 km的高速道岔，并在道岔区均采用了无砟轨道结构，突破了在桥上道岔区铺设无砟轨道的技术难题。武广高速铁路桥上道岔区采用了2种无砟轨道结构形式，即道岔区轨枕埋入式无砟轨道和道岔区板式无砟轨道。其道岔直线通过最高速度为350 km/h，侧向通过最高速度为80 km/h。

4.1 桥上道岔布置方式研究

道岔与桥梁伸缩缝之间的最小距离直接影响道岔和桥梁的受力和变形，是桥上道岔区铺设无砟轨道的一个关键控制指标。

武广高速铁路桥上道岔布置在一联梁上，正线道岔全长范围内梁体采用连续结构，道岔始端和终端距离梁端不小于18 m，如图8所示。站线道岔在困难条件下，道岔连接部分可跨越梁缝，但应满足尖轨尖端、尖轨跟端、心轨尖端、心轨跟端距离梁缝不小于18 m的要求。2联铺设无缝道岔的连续梁之间设置1孔以上简支梁。

图8 桥上道岔布置要求图示(单位:m)

4.2 道岔区轨枕埋入式无砟轨道结构设计研究

武广高速铁路桥上共铺设了6组道岔区轨枕埋入式无砟轨道结构，桥上道岔区铺设轨枕埋入式无砟轨道结构如图9所示。

图9 桥上道岔区轨枕埋入式无砟轨道

道岔区轨枕埋入式无砟轨道结构，在道岔钢轨和轨枕进行精调和固定后，对道床板进行现场浇筑，其具有施工方便快捷、施工机具设备要求相对低等优点。其轨道结构由钢轨、扣件系统、岔枕、钢筋混凝土道床板、桥面保护层、限位凹槽等部分组成。并在道床板顶面设置横向排水坡，道床板内的纵横向钢筋及纵向钢筋间根据综合接地和轨道电路绝缘要求设置焊接接头或绝缘卡。

桥上道床板下设置钢筋混凝土保护层，每块道床板设置4～6个限位凸台，如图10所示。道岔区道床板与保护层之间设置中间隔离层。

图10 桥上道岔区限位挡台布置图示

4.3 道岔区板式无砟轨道结构设计研究

武广高速铁路在雷大桥特大桥上铺设了2组道岔区板式无砟轨道结构。桥上道岔区铺设板式无砟轨道结构如图11所示。

图11 桥上道岔区板式无砟轨道

道岔区板式无砟轨道结构，采用预制轨道板现场铺设，直接对轨道板进行精调和固定后，完成岔区无砟道床的施工，最后进行道岔钢轨的铺设和精调。其具有施工快、不受道岔钢轨配送的制约等优点，但对轨道板制造要求和铺设精度要求比较高。其轨道结构由钢轨及扣件系统、轨道板、砂浆垫层、底座板、滑动层、侧向挡块等部分组成。

轨道板采用预制结构，铺设轨道板时不需拼装道岔，可解决道岔供货不足与施工工期的矛盾。

5 轨道平顺性研究

大跨度桥梁与中小跨度桥梁最显著的区别是静活载挠度大、梁端伸缩量大、梁端转角也可能比较大，可能造成轨道的不平顺，对行车产生影响。所以需对大跨度桥上铺设无砟轨道进行轨道平顺性分析。

武广高速铁路对大跨度桥上无砟轨道，建立了“列车-无砟轨道-桥梁系统”耦合动力学仿真分析，其耦合动力学模型如图12所示。采用计算机仿真分析，对列车在无砟轨道结构上运行的安全性和舒适性进行评估，对桥梁结构的动力响应进行分析。

图12 列车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型

6 结论

通过对武广高速铁路大跨度桥上铺设无砟轨道结构的研究与应用，已初步形成了我国高速铁路大跨度桥上铺设无砟轨道结构的设计理论体系和设计方法，其主要成果如下。

(1)梁缝处单个扣件间距可由600～650 mm放宽至725 mm进行控制设计。

(2)当采用放大梁缝处单个扣件间距还不能满足要求时，可采用梁端设置过渡板的方式进行跨越大梁缝设计。

(3)梁端转角和同一桥墩上两支座的沉降变形差是引起梁端扣件上拔力的主要原因，当梁端扣件上拔力超限时，应更换为具有更大抗拔力的扣件。

(4)梁端道床板应考虑扣件上拔力的影响，具有足够长度和厚度，从而保证梁端道床板的稳定性。

(5)武广高速铁路桥上铺设无缝线路的温度跨度突破了200 m;对桥上无缝线路温度跨度进行检算不满足要求时，应设置钢轨伸缩调节器。

(6)桥上道岔区无砟轨道可采用长枕埋入式或板式无砟轨道结构，道岔始端和终端距离梁端不小于18 m。

(7)大跨度桥上铺设无砟轨道可采用“列车-无砟轨道-桥梁系统”耦合动力学进行轨道平顺性评估仿真分析。

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Study on Key Technology of Paving the Ballastless Track on Bridge in Wuhan－Guangzhou High-Speed Railway

WANG Sen-rong
(Route and Station Yard Department，China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

The purpose of this study is to solve a series of technical problems when paving the ballastless track on long-span bridge of Wuhan-Guangzhou High-speed Railway，such as passing through largescale girder's juncture，installing the rail expansion joints because of the overlarge gird-end rotation and displacement and overlarge temperature-span，the stability of gird-end track slab，laying the turnout on bridge，etc.Through theoretical calculation and analysis based on operation condition and the most adverse factors，several key technical problems of paving the ballastless track on the long-span bridge were solved in Wuhan-Guangzhou High-speed Railway，that are:paving the ballastless tracks on the bridge with the longest span of 168m，paving the ballastless tracks on the bridge with steel box tied-arch，and paving the ballastless tracks on the bridge's turnout zone.

Wuhan-Guangzhou High-speed Railway;ballastless track;bridge;key technology

U238;U213.2+44

A

1004-2954(2012)07-0001-04

2012-02-13

王森荣(1980—)，男，工程师，2007年毕业于西南交通大学，工学硕士，E-mail:wsr88@126.com。