严寒地区高速铁路路基地段无砟轨道设计

杨靖东

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

严寒地区高速铁路路基地段无砟轨道设计

杨靖东

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

严寒地区铺设无砟轨道面临极端气温低、年温差大、季节性冻害和雪害等不利条件。本文结合环境气候特点和工程特征，通过轨道结构选型研究、无砟轨道试验段铺设试验、轨道结构优化设计，提出了适应严寒地区路基地段无砟轨道的结构形式、设计方案及关键材料的技术指标。

严寒地区 高速铁路 无砟轨道 设计

1 工程概况

哈大客运专线沈阳至哈尔滨段为我国在严寒地区修建的首条高速铁路，设计最高速度350 km/h。哈大客专正线一次铺设跨区间无缝线路，正线铺设无砟轨道长929.892 km，区间铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道，道岔区铺设轨枕埋入式及双块式无砟轨道。

本地区冬季漫长，极端最低温度为 －32.9℃ ～－39.9℃，最冷月平均气温为－15.1℃ ～－17.5℃，轨温变化幅度90℃ ～100℃。季节最大冻土深度1.37～2.05 m，最大积雪厚度17～30 cm，属于严寒地区。

2 严寒地区无砟轨道结构设计的难点

1)无砟轨道结构、关键材料和部件，如沥青水泥砂浆调整层、轨道板、凸台树脂、嵌缝材料等，如何适应－40℃的低温条件是无砟轨道设计的关键。

2)高速铁路对基础的沉降要求较高，无砟轨道地段路基工后沉降≤15 mm。严寒地区路基经受周期性的冻融循环破坏，易引起路基冻涨、轨道变形的控制因素多，轨道结构应适应高铁路基的防冻要求。

3)高速道岔结构复杂，部件较多，对基础的变形和受力要求较高，国内高铁路基上道岔区无砟轨道通常采用整体性好的连续结构，但在严寒地区混凝土道床裂缝控制难度大。冬季道床积雪冻害严重，裂缝更容易产生和发展，裂缝渗水冻胀或钢筋锈蚀后会加速裂缝的扩展，影响混凝土道床板的耐久性。

3 路基地段无砟轨道结构研究及设计

3.1 无砟轨道结构选择

结合严寒地区环境气候和工程特点，主要对双块式、Ⅰ型板式、Ⅱ型板式无砟轨道进行综合比选。

1)可修复性

本地区冬季漫长，最大积雪厚度30 cm，季节性冻害和雪害严重，特殊气象条件、线下工程变形超限等引起结构损坏时，无砟轨道应有较强的可修复性。

2)良好的弹性

无砟轨道的弹性主要靠扣件提供，只有相配套的扣件具备有良好的弹性，才能减少冲击振动，减少轮轨磨耗，改善基础的受力条件，确保线路的高平顺性和刚度均匀性。Ⅰ型板式轨道采用低弹模的沥青水泥砂浆，结构整体弹性较好。

3)合理的经济性

无砟轨道的经济性表现为初期投资和养护维修费用。据估算，双块式无砟轨道每公里初期投资约420万元，Ⅰ型板式无砟轨道每公里初期投资约520万元，Ⅱ型板式无砟轨道每公里初期投资约590万元。Ⅰ型板式轨道初期投资适中，且便于维修，对运营影响小，综合效益较好。

4)推荐意见

从环境气候、基础条件、施工、可修复性以及经济性等方面综合分析，Ⅰ型板式轨道板为工厂预制的预应力结构，结构抗裂性好，耐久性高;现场为组装式施工，受环境气候影响小，施工质量和过程容易控制，施工进度较快;基础发生较大变形时，可通过板下沥青砂浆层方便调整，轨道可修复性较强;轨道初期投资适中。经综合比较，Ⅰ型板式无砟轨道对寒冷气候条件的适应性强。

3.2 CRTSⅠ型板式无砟轨道设计

哈大客运专线沈哈段为国内外首次在严寒地区铺设的CRTSⅠ型板式无砟轨道。通过轨道关键技术的试验研究，对轨道结构进行了优化设计。

3.2.1 轨道板

轨道板为轨道结构的主要受力部件，一般地区采用的轨道板为厚190 mm后张法预应力混凝土平板结构，预应力钢筋断裂及封锚砂浆脱落几率高。本项目通过先张法及后张法2种预应力体系轨道板的试铺试验，确定了合理的轨道板类型及可靠的预应力体系，优化了轨道板的结构尺寸及细部构造。改进后的轨道板厚200 mm，设置高2 cm承轨台，提高了结构耐久性及防冰雪能力，便于轨道维修和钢轨焊接，减小对轨道电路的影响;通过采用热挤塑预应力钢棒，优化锚穴结构，改进封锚砂浆材料及施工工艺，提高了轨道板预应力体系的可靠性。

3.2.2 沥青水泥砂浆调整层

沥青水泥砂浆为板式轨道的关键部件，为轨道板与底座间的调整层，起支承、传力及调整作用。沥青水泥砂浆调整层主要由沥青、砂浆干粉、外加剂及水组成，材料性能对气候条件较为敏感，可移植性差。

本项目结合国内的原材料标准，对沥青水泥砂浆调整层进行了系统研究。通过在成高子无砟轨道试验段对5种砂浆调整层进行的试铺试验研究，验证了轨道关键材料对严寒气候条件的适应性，提出了针对严寒地区的沥青水泥砂浆的技术指标，主要包括低温抗裂性、低温折压比、低温弹性模量及抗疲劳性能指标，详见表1。研制的耐寒型沥青水泥砂浆适应－40℃的低温条件，环境适应性强，耐久性高。

表1 严寒地区沥青水泥砂浆技术指标

3.2.3 底座

一般地区CRTSⅠ型板式无砟轨道路基上底座长度约20 m，但严寒地区低温条件下混凝土底座裂缝很难控制，容易引起凸台树脂与轨道板离缝。本项目提出路基上底座每隔10 m设置伸缩缝，在伸缩逢处设置传力杆的措施，不仅减少了底座裂缝，保证了底座混凝土的稳定性和耐久性，而且避免了底座伸缩缝开裂和凸台树脂与轨道板离缝。

3.2.4 轨道线间排水

一般地区路基上无砟轨道排水采用在线间设置集水井及路基本体埋设排水管的排水方式，不仅影响路基本体稳定，且在严寒地区容易引起路基冻害。严寒地区采用混凝土底座预埋横向排水管的排水方式，避免了路基冻胀的风险。

直线地段每隔30 m在两线轨道底座各预埋一道排水钢管(图1)，将水引入路基两侧路基面;曲线地段每隔15 m在曲线内侧轨道底座预埋一道排水钢管，将水引入曲线内侧路基面，排水管下游位置设置挡水墙。

图1 CRTSⅠ型板式轨道排水设施

3.2.5 路基面封闭

由于本地区沿线冬季漫长、季节性冻害较为严重，地表水下渗对路基冻涨影响较大，故在轨道线间及两侧路基面采用C25纤维混凝土封闭。

但因路基面混凝土封闭层纵横向伸缩缝、无砟轨道道床与底座接缝以及轨道与混凝土封闭层间接缝封闭不严，仍容易引起地表水下渗。加之路基面混凝土接缝通常采用的沥青嵌缝材料冬缩夏软，低温季节容易与混凝土基面脱离并产生微小缝隙。

为了满足寒冷地区路基面接缝嵌缝材料较高的防水封闭要求，适应极端最低气温低、温差大的特殊条件，提出了针对严寒地区在－40℃低温条件下拉伸黏结性、断裂延伸率及弹性回复率技术指标;采用新型聚氨酯嵌缝材料不仅具备良好的耐候、耐久性，温度稳定性、位移能力及耐疲劳性能，而且具有较好的黏结性及延展性，对基层裂缝的变形适应性好，确保了接缝防水封闭效果较好。

3.3 大号码道岔区无砟轨道

大号码高速道岔结构复杂，部件较多，构件长、质量重，对基础的变形和受力要求较高，国内高铁路基上道岔区无砟轨道通常采用整体性好的连续结构，但在严寒地区混凝土道床裂缝控制难度大。

长春西站铺设的2组62号单渡线道岔，为国内首次铺设的最大号码道岔，侧向通过速度为230 km/h，单组道岔长201 m，单渡线道岔道床长约660 m，最大宽度为8.8 m。

针对严寒地区特大号码道岔特点，路基上道岔区轨枕埋入式无砟轨道采用单元结构(图2)，通过合理设置道床及底座单元、伸缩缝减少温度应力，控制结构裂缝;通过在伸缩缝处设置传力杆控制结构竖向位移、提高结构整体性，该结构较好地解决了严寒地区大号码道岔区长大混凝土道床裂缝控制问题，保证了高速道岔运行平稳舒适、安全可靠。道床单元划分应根据当地年温差及道岔结构组成确定，伸缩缝应避免在辙叉及尖轨转辙机部位，一般地段单元长度≤12 m，辙叉及尖轨部分单元长度≤18 m。

图2 道岔区单元结构伸缩缝(单位:mm)

4 结语

严寒地区路基地段无砟轨道设计应综合考虑环境气候特点及路基工程特征，无砟轨道结构、关键材料和部件不仅要适应环境气候条件，同时应满足高铁路基变形要求。主要包括以下几点:

1)沥青水泥砂浆调整层、凸台树脂、嵌缝材料及混凝土是无砟轨道结构的关键材料和部件，其性能指标应适应严寒地区低温环境。

2)严寒地区冬季漫长，极端气温低，年温差大，混凝土结构裂缝控制难度较大。为了减少温度应力，提高结构耐久性，无砟轨道宜采用单元结构，预制轨道板宜采用预应力结构，现浇混凝土道床及底座应合理划分单元长度，设置伸缩缝。

3)严寒地区季节性冻害和雪害严重，受周期性的冻融循环影响，易引起路基冻涨，无砟轨道结构及防排水措施应满足高铁路基的防冻要求。

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Design on ballastless track in subgrade section on high speed railway in frigid region

YANG Jingdong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Xi'an Shaanxi 710043，China)

Laying ballastless track in frigid region often meets adverse conditions，such as extreme low temperature，huge annual temperature difference，seasonal frost and snow disaster．Combining with the environment and climate characteristics and engineering features，this paper presented the technical index for structure form，design scheme and key materials which adapt to the ballastless track in the subgrade section of frigid region through rail structure selection study，ballastless track laying test and track structure optimization design．

Frigid region;High speed railway;Ballastless track;Design

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．24

1003-1995(2014)10-0096-03

2014-06-06;

2014-08-20

杨靖东(1973— )，男，甘肃靖远人，高级工程师。

(责任审编 孟庆伶)