新型高速铁路无砟轨道道床结构的研究

胡亮亮

【摘要】高速铁路是世界铁路发展的新方向，也是世界铁路发展的必然趋势，无砟轨道作为高速铁路不可缺少的建造体系，在高速铁路的结构中起着核心作用。根据中国高铁乃至于世界高速铁路的发展，无砟轨道的应用也反生了巨大的变化，并且样式复杂多样，况且目前世界高铁还处于发展初中期，发展空间巨大，对于无砟轨道结构的优化和提升更是随后高速铁路研究和发展的主要方向，为此提出继续优化无砟轨道的结构，为后续无砟轨道的广泛应用垫定基础。

【关键词】高速铁路；无砟轨道；钢筋；纤维混凝土

一、新型双块式轨枕道床结构的简明概要

高速铁路双块式轨枕道床是从德国雷达系统开发出来的，双块式轨枕可适用于各种不同的无砟轨道形式，可以根据轨道安装及运行时所受的承载力和应力而优化设计。经过承载力和应力的分析结果，道床板的设计可以把配筋更改，根据钢筋在道床中的作用和承受承载力以及应力的要求，研究后可去掉道床内的纵向钢筋，此项无纵向钢筋双块式无砟道床的设计研究将是无砟轨道结构的一次重大变更。中国高铁乃至于世界高速铁路的发展中，无砟轨道的应用也反生了巨大的变化，并且样式复杂多样，况且目前世界高铁还处于发展初中期，发展空间巨大。为此提出继续优化无砟轨道的结构，为后续无砟轨道的广泛应用垫定基础。

二、国内外同类技术研究的发展现状

（一）国内外技术现状、专利等知识产权情况分析，目前国外对于此项技术的发展正处于研究试用阶段；国内对于此项技术正处于可行性研究阶段，无专利和知识产权。80年代初曾试铺过沥青整体道床，由沥青混凝土铺装层与宽轨枕组成的整体道床，以及由沥青灌注的固化道床等，但未正式推广。进入90年代以来，开始针对高速铁路无砟轨道技术进行试验研究。为适应我国发展高速铁路的需求，初步提出了几种高速铁路无砟轨道结构型式，虽然我国在高速铁路的建设中和建成的总里程长度上都处于世界领先水平，但是无砟轨道的的研制工作又进入了一个新阶段。

（二）国内外技术发展趋势，无砟轨道结构的出现，解决了有砟轨道存在的稳定性差、维修工作量大的问题，为高速度、高密度的铁路运输提供了有利的条件。经过40多年的国内外铁路发展和100多种结构形式的试验，最后遴选出30多种轨道类型进行现场试铺，形成了适合不同运输条件下的无砟轨道体系，为无砟轨道的发展垫定了坚实的基础，但是我们必须看到，无砟轨道的还应用存在局限性和缺陷性，在国内外许多铁路上还处于试验阶段，在高速铁路大面积的推广也只有30年时间，无砟轨道结构的发展，还存在很大的空间和优化提高。

（三）国内外的施工研究项目。2006年第一个高速铁路无纵向钢筋双块式轨枕道床试验项目在西班牙被执行；同时，在德国的试验项目和商业项目特别是在城市交通领域（轻轨交通/捷运）已经成功地实现了；在希腊和台湾等地已经意识到此项研究的价值，并有各自跟踪的项目。

三、轨道结构研究的试验和优化后的意义

2006年第一个试验项目在28.4公里长的隧道段进行，设计速度350公里/小时，每日施工速度350米/天，在相对稳定的隧道结构和轨道允许的技术要求下，成本、施工速度和技术（开裂）优势已确定。去掉无砟轨道道床内纵向钢筋的结论基于拉力测量，纵向钢筋只限制道床混凝土的收缩裂缝。起初道床内的纵向钢筋的设计主要为了满足混凝土结构的配筋，纵向钢筋位于道床横截面的中性轴，且稳定的道床几乎不受上部剪力荷载的影响，因此道床内的钢筋在弯矩作用下几乎无作用。在几个不同的道床结构成功初始测试后，2006年批准纵向钢筋减少50%，2007年批准消除纵向钢筋。随后其他一些铁路专家意识到消除轨道板的纵向钢筋所带来的成本节约，EMC/信号的兼容性处理更加便利，测试程序更加简单。为解决设计要求，做了相当大的试验，观察结果如下：一个最佳混凝土配合比完全能满足混凝土道床的压缩、拉伸和环境的要求。在2010年10月第一次通过批准后，评审程序在一座30米长的桥上系统测试，2011年2月，经过几周的操作，得到一个详细的测试结果，没有发现合成纤维混凝土轨道板上有明显的裂纹。

四、钢筋混凝土道床的研究

无砟轨道道床承载层中有预应力混凝土結构、钢筋混凝土结构、素混凝土结构和水泥稳定性材料结构等，其对裂纹的要求不同。预应力混凝土结构一般不允许出现裂纹，钢筋混凝土结构容易出现裂纹但起宽度靠钢筋进行限制，而素混凝土结构以及水泥稳定性材料更容易出现裂纹且裂纹的宽度不受控制，一旦开裂则在开裂位置出无法继续传递弯矩，表现为整体刚度和弹性模量的折减。裂纹将呈现出两种不同的形式，即不稳定性裂纹和稳定性裂纹。不稳定性裂纹是指随着荷载的增大，最大裂纹的宽度保持不变，裂纹的数量随之增多、间距随之减小的裂纹形式；而稳定性裂纹则是指随着荷载的增大，裂纹数量保持不变，裂纹的宽度不断增大的裂纹形式。为了控制连续道床板的裂纹宽度，一般要求将道床板的裂纹控制为不稳定裂纹形式。当混凝土拉应力达到其抗拉强度时，混凝土开裂推出工作，裂纹附近局部粘结破坏，平截面假定不再适应，开裂处钢筋承受全部轴力，钢筋应力让继续增大，但混凝土拉应力和承载力迅速下降。轴力继续增大至钢筋屈服时，混凝土已严重开裂，已不在承受拉力，全部轴力由钢筋承受，则钢筋的屈服就成为道床板受拉的极限状态。以上分析可知，连续道床板开裂轴力主要取决于混凝土的抗拉强度和道床板段面积，配筋量大小影响很小，但极限承载力则完全取决于钢筋的屈服强度和配筋量。若配筋量过小，将出现极限轴力小于开裂轴力的情况，一旦混凝土开裂因轴力过大钢筋就会立即屈服，已经开裂的裂纹就变的无法控制。因此在优化道床结构的过程中就必须已控制道床的裂纹为主，采用粘性材料来替代刚性材料是完全有必要的。

五、轨道优化的影响

道床内的纵向钢筋的设计主要为了满足混凝土结构的配筋，防止道床混凝土发生收缩和开裂，当去掉纵向钢筋后，轨道结构发生了变化，连续的混凝土道床就会出现裂纹，对道床的稳定性造成了威胁。因此在混凝土性能上进行研究，通过在混凝土内增加纤维来防止因为去掉钢筋而造成的缺陷。由于增加纤维，抗压和抗拉强度略有增加，裂缝宽度和裂缝后强度测试得到了很好的控制；裂纹开口显示有效联锁结构。纤维的加固防止裂纹扩展及将负荷从一面转移到另一面裂缝。

当没有配筋而脆弱的混凝土受到张力的时候，他开始变形，继续有微裂缝，局部大裂缝而。加入纤维后，混凝土会改良破裂后的状态。改良程度要视乎很多因素，例如基质强度，纤维类形，纤维模量，纤维长宽比率，纤维强度，黏结特性，纤维剂量，纤维黏聚性及骨料的级配。

六、纤维混凝土的研究和作用

纤维混凝土是由水泥，骨料及松散纤维料组成，适合用于加强混凝土的纤维物料有钢、玻璃或有机聚合物制成。对于掺加纤维素纤维的混凝土质量检验与控制尚无国家标准，纤维素纤维在混凝土中的应用存在使用不规范的情况。通过由5个实验室分别在5个施工点对C30，C35，C40强度等级的混凝土进行掺加纤维素试验，检测掺加纤维素纤维前后混凝土试件的力学和耐久性指标并进行对比分析。研究结果表明，C30，C35混凝土掺加纤维后强度变化不明显，电通量略有下降，C40混凝土掺加纤维后强度有下降趋势，电通量则有上升趋势，这种现象应引起高度重视。因此选择正确类型的纤维是纤维混凝土的关键问题，从几种类型的纤维其特点进一步研究，根据无砟轨道道床的结构性能从而选出最合适的聚丙烯纤维满足雷达轨道使用。在2010年10月第一次通过批准后，评审程序在一座30米长的桥上系统测试，2011年2月，经过几周的操作，得到一个详细的检查结果，没有发现桥上合成纤维混凝土道床上有裂纹。

七、无钢筋混凝土道床裂纹的控制研究

在这种情况下，通过添加纤维改善混凝土性能防止裂纹的出现，但是连续的无砟轨道混凝土道床受施工和复杂的外界环境影响，在道床的薄弱环节还是会出现一些自由的裂纹，且出现裂纹的位置不受控制，自由发展。当没有配筋而脆弱的混凝土受到张力的时候，道床开始变形，继续有微裂缝，局部大裂缝。加入纤维后，混凝土会改良破裂后的状态。改良程度要依据很多因素，例如基礎的强度，纤维类形，纤维模量，纤维长宽比率，纤维强度，黏结特性，纤维剂量，纤维黏聚性及骨料的级配和外界环境。也根据裂纹自由发展不受控制的状态，提出了道床单元的设计，单元式结构使无砟轨道形成相对独立的单元，基本消除了长大混凝土收缩及温度的影响，局部的损坏对整体影响小，可方便实现轨道单元的维修和重建。由此裂纹被限制在某些特定的位置出现，例如在轨道板每3-4米间隔设置接缝，引导道床开裂，裂化只发生在这些接缝位置，在独立的轨道单元内裂纹几乎不存在。如此措施就很好的解决了裂纹的发展，也满足轨道道床结构的承载力要求。

八、经济效益、社会效益

此项无纵向钢筋双块式无碴道床的设计研究将是无砟轨道结构的一次重大变更，可以优化高速铁路无砟轨道系统的施工方案，节省资源，降低成本，提高工效，此项研究将指导无砟轨道系统的发展。对于无砟轨道结构的优化和提升是随后高速铁路研究和发展的主要方向。此项技术研究适合不同的无砟轨道体系，对无砟轨道和高速铁路利用新材料、新工艺的发展垫定了基础。大多数国家在高速铁路新线建设的初期修订了修建高速铁路的全国规划；虽然建设高速铁路所需资金较大，但从社会效益、节约能源、治理环境污染等诸多方面分析，修建高速铁路对整个社会具有较好的效益，这一点得到各国政府的共识；高速铁路促进地区之间在的交往和平衡发展，欧洲国家已经将建设高速铁路列为一项政治任务，各国呼吁在建设中携手打破边界的束缚；高速铁路从国家公益投资转向多种融资方式筹集建设资金，建设高速铁路出现了多种形式融资的局面；高速铁路的技术创新正在向相关领域辐射和发展。技术创新和结构优化成了高速铁路发展的核心任务。

参考文献

[1]江成，林之珉.高速铁路无砟轨道结构的试验研究.中国铁路，2000（07）.

[2]何华武.无砟轨道技术.北京：中国铁道出版社，2005.

[3]安国栋.高速铁路无砟轨道技术标准与质量控制.北京：中国铁道出版社，2009