無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)類(lèi)型及設(shè)計(jì)原則

傅 強(qiáng)

無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)有碴軌道的重要改進(jìn)形式和各國(guó)軌道工程的主要研究方向之一,逐漸成熟的技術(shù)有日本新干線的板式軌道,德國(guó) Rheda型、Züblin型、B?gl型無(wú)碴軌道,英國(guó)的 LVT 型、PACT型無(wú)碴軌道,法國(guó)的Monaco型和STEDEF型無(wú)碴軌道等。為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)高速鐵路發(fā)展的需求,中國(guó)引進(jìn)了德國(guó)Max B?gl,RAIL.ONE及Züblin等公司的軌道板技術(shù),在京津城際鐵路使用了B?gl型無(wú)碴軌道,在武廣客運(yùn)專(zhuān)線使用了 Rheda2000無(wú)碴軌道,在鄭西客運(yùn)專(zhuān)線使用了Züblin型無(wú)碴軌道,無(wú)碴軌道技術(shù)還將在福廈、溫福、武合、石太、廣珠等客運(yùn)專(zhuān)線上全面推廣應(yīng)用。城市軌道交通方面引進(jìn)了德國(guó)GERB公司的浮置板式無(wú)碴軌道技術(shù),在北京地鐵13號(hào)線、上海地鐵6號(hào)線和明珠線,深圳地鐵1號(hào)線、西安地鐵1號(hào)線和2號(hào)線中廣泛采用。

1 無(wú)碴軌道的類(lèi)型

1.1 無(wú)碴軌道的分類(lèi)

無(wú)碴軌道可分為四大類(lèi)[1]:直接固定式,軌枕式,軌道板式,浮置板式。直接固定式軌道是將鋼軌及扣件系統(tǒng)直接固定在現(xiàn)場(chǎng)澆筑的鋼筋混凝土道床上,按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式、平板式、基座式。軌枕式軌道是將支承鋼軌的軌枕或支承塊與混凝土道床澆筑在一起,按埋入的材料分為:木枕埋入式、混凝土枕埋入式、混凝土支撐塊埋入式。軌道板式軌道是將利用預(yù)制的鋼筋混凝土板直接支承鋼軌。浮置板式軌道是通過(guò)彈性體把軌道結(jié)構(gòu)上部構(gòu)件與基礎(chǔ)完全隔離,利用道床在彈性體上進(jìn)行慣性運(yùn)動(dòng)來(lái)隔離和衰減振動(dòng),按彈性體的材料可分為鋼彈簧浮置板和橡膠彈簧浮置板,按道床的制作方法可分為現(xiàn)澆浮置板和預(yù)制浮置板。

1.2 無(wú)碴軌道的典型型號(hào)

1)日本板式軌道。板式軌道(Slab Track)于1955年在日本首次提出,1971年開(kāi)始被日本國(guó)有鐵路(JNR)廣泛應(yīng)用在橋梁、隧道和高速鐵路中,累計(jì)鋪設(shè)里程已超過(guò)2 400 km[2]。板式軌道采用預(yù)制的鋼筋混凝土板安裝在橋面板、隧道底板或仰拱上的底座,在軌道板與底座間灌注水泥瀝青砂漿(CA砂漿),在軌道板上直接鋪設(shè)鋼軌。板式軌道結(jié)構(gòu)高度低,道床寬度小,重量輕,總造價(jià)不超過(guò)傳統(tǒng)有碴軌道的30%,施工方便。目前常用的有普通A型軌道板(見(jiàn)圖1)、框架型軌道板、用于特殊減振區(qū)段上的防振G型軌道板及早期用于路基上的RA型軌道板等。國(guó)內(nèi)武廣客運(yùn)專(zhuān)線新廣州站采用日本板式軌道的技術(shù)。

2)B?gl型無(wú)碴軌道。B?gl型無(wú)碴軌道是德國(guó)Max B?gl公司在1996年開(kāi)發(fā)的預(yù)制軌道板結(jié)構(gòu)[3],是德國(guó)批準(zhǔn)的B?gl,Rheda,Züblin,ATD,Getrac和 Berlin六種無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)形式之一。B?gl式無(wú)碴軌道由預(yù)制軌道板、水泥瀝青砂漿層、水硬性支承層、鋼軌及扣件系統(tǒng)組成,可用于有隔振要求的地段。當(dāng)線路附近有降噪要求時(shí),可在博格軌道板上鋪設(shè)預(yù)制的吸聲材料。

3)Rheda型無(wú)碴軌道。德國(guó) RAIL.ONE公司開(kāi)發(fā)的 Rheda型無(wú)碴軌道于1972年鋪設(shè)于德國(guó)比勒菲爾德—哈姆的一段線路上,以Rheda車(chē)站而命名[4]。Rheda型系列無(wú)碴軌道有 Rheda經(jīng)典型,Rheda-Berlin HST V1型,Rheda-Berlin HST V2型,Rheda-Berlin HST V3型和Rheda2000型。Rheda經(jīng)典型從采用整體式軌枕的傳統(tǒng)帶槽軌道發(fā)展為Rheda2000無(wú)槽型無(wú)碴軌道,克服了縱向裂縫的發(fā)生。Rheda2000是帶混凝土支承層的無(wú)碴軌道系統(tǒng),由兩根桁架形配筋組成的特殊雙塊式軌枕組成,采用混凝土現(xiàn)澆形成整體式結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。為了滿(mǎn)足不同的功能需求,RAIL.ONE公司為地鐵開(kāi)發(fā)了Rheda MRT,為城市綠色交通開(kāi)發(fā)了Rheda City Green和ATD-G等型號(hào)的軌道。

4)Züblin型無(wú)碴軌道。Züblin型無(wú)碴軌道系統(tǒng)是 1974年開(kāi)發(fā),在科隆—法蘭克福高速鐵路上首次鋪設(shè)。Züblin無(wú)碴軌道系統(tǒng)與Rheda無(wú)碴軌道系統(tǒng)相似,都是在水硬性混凝土承載層上鋪設(shè)雙塊埋入式無(wú)碴軌道,由鋼軌扣件系統(tǒng)、軌枕、混凝土承載板、水硬性承載層以及防凍層組成。雙塊式軌枕通過(guò)桁架鋼筋以及兩側(cè)的附加鋼筋與混凝土承載板澆筑成整體。

5)LVT型無(wú)碴軌道。LVT型(Low Vibration Track)無(wú)碴軌道是 Roger Sonneville提出,在1966年首次用于瑞士聯(lián)邦鐵路(SBB)的波茨博格隧道項(xiàng)目,并在瑞典的馬爾默城市隧道,哥本哈根地鐵,英吉利海峽隧道,英國(guó)東倫敦線,西班牙巴倫西亞地鐵項(xiàng)目中得到廣泛的采用。LVT由橡膠靴套包裹的鋼筋混凝土支承塊以及塊下大橡膠墊板組成,支承塊和鐵墊板通過(guò)預(yù)埋的絕緣套管采用螺栓連接,采用現(xiàn)澆混凝土將彈性支承塊嵌固在其中形成道床(見(jiàn)圖3)。由于采用了軌下和塊下雙層彈性墊板,使軌道結(jié)構(gòu)具有良好的減振降噪性能。在國(guó)內(nèi),廣州地鐵1號(hào)線和北京地鐵1號(hào)線中采用了LVT軌道結(jié)構(gòu)。

6)GERB浮置板軌道。GERB浮置板軌道將混凝土道床板浮置在鋼彈簧隔振器上,構(gòu)成質(zhì)量—彈簧—隔振系統(tǒng)。隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼(見(jiàn)圖4),布置方式有內(nèi)置式、側(cè)置式和用于橋梁建筑的支座式3種。鋼彈簧隔振器內(nèi)有粘滯阻尼,使鋼彈簧具有三維彈性,且橫向剛度可以獨(dú)立設(shè)計(jì),具有很好的橫向穩(wěn)定性。浮置板對(duì)其固有頻率 2倍以上的中、高頻率振動(dòng)減振效果顯著[5],尤其在有特殊減振要求的住宅、音樂(lè)廳、醫(yī)院、學(xué)校、精密儀器工廠等地段得到廣泛應(yīng)用。

2 無(wú)碴軌道的設(shè)計(jì)原則

1)應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,滿(mǎn)足350 km/h運(yùn)行的高速列車(chē)行駛安全,滿(mǎn)足GB 5599-85鐵道車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范的相關(guān)要求;2)軌道結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼設(shè)計(jì)滿(mǎn)足列車(chē)在靜力荷載和動(dòng)力荷載下的變形限值和振動(dòng)幅值,振動(dòng)頻率避開(kāi)車(chē)輛及軌道的固有頻率,防止發(fā)生共振和臨界速度下的軌道及地基的幾何變形和失穩(wěn),滿(mǎn)足GB 10070-88城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)、GB 12525-90鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法、GB 50157-2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范等相應(yīng)規(guī)范中的噪聲和振動(dòng)的規(guī)定限值;3)無(wú)碴軌道和有碴軌道的過(guò)渡段、特殊減振和普通區(qū)域的過(guò)渡段需進(jìn)行合理的計(jì)算分析,嚴(yán)格遵循剛度漸變的設(shè)計(jì)原則,避免列車(chē)行駛經(jīng)兩種軌道連接處鋼軌撓度和動(dòng)彎應(yīng)力急劇變化,保證行車(chē)穩(wěn)定性和鋼軌強(qiáng)度安全;4)軌道結(jié)構(gòu)能夠調(diào)整,對(duì)軌道下部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形引起的軌道不平順能及時(shí)處理;5)軌道結(jié)構(gòu)的材料滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,在使用年限內(nèi)不發(fā)生老化疲勞,能方便檢測(cè)更換;6)軌道系統(tǒng)維修量小,檢測(cè)維修速度快,保證正常的檢修不影響線路運(yùn)營(yíng);7)經(jīng)濟(jì)合理,易于施工。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)碴軌道有4種主要類(lèi)型,發(fā)展成熟的型號(hào)較多,在實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體的工程條件和技術(shù)要求選擇合適的類(lèi)型和型號(hào)。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工,充分發(fā)揮無(wú)碴軌道的優(yōu)點(diǎn),滿(mǎn)足列車(chē)行駛安全、乘客舒適程度、維修作業(yè)和經(jīng)濟(jì)成本合理性的要求。

[1] 陳怡如.無(wú)道碴軌道工程簡(jiǎn)介[D].臺(tái)北:臺(tái)灣大學(xué),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.B?gl.System development FFB TS-slab track for switches B?gl[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,吳敏哲,孟昭博,等.基于雙層 Euler-Bernoulli梁理論的浮置板軌道隔振研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,41(5):683-688.