中歐高速鐵路有砟軌道道床參數(shù)的比較與分析

井國慶，高 亮，曾樹谷

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;2.鐵道部科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路與普通鐵路有砟軌道道床在材質(zhì)和結(jié)構(gòu)上并無本質(zhì)區(qū)別，僅在材料性能及幾何尺寸標(biāo)準(zhǔn)上要求更為嚴(yán)格。從目前世界上高速鐵路實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，法國、西班牙、意大利、德國和日本全部或部分鋪設(shè)有砟軌道，高速列車運(yùn)營速度已超過300 km/h，多年來運(yùn)轉(zhuǎn)良好，尤其是法國高速鐵路東部線運(yùn)營速度為320 km/h，試驗(yàn)速度為574.8 km/h，有砟軌道線路運(yùn)營狀態(tài)良好，沒有發(fā)生飛砟[1]。

本文通過分析對比中國和歐盟高速鐵路有砟軌道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為中國高速鐵路設(shè)計(jì)和維修提供借鑒。

1 道砟材質(zhì)粒徑級配對比

我國高速鐵路有砟道床設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)TB10625—2009[2]和 TB/T2140—2008[3]。 歐 盟 高 速鐵路道砟標(biāo)準(zhǔn)采用 EN13450[4]規(guī)范，法國道砟 NF采用F53-695[5]。而歐洲鐵路在建設(shè)時(shí)，承建方經(jīng)常要求較高質(zhì)量道砟。

中歐高速鐵路在道砟材質(zhì)及道床斷面尺寸方面具有一定互相參考價(jià)值，本文分別從道砟材質(zhì)和道床斷面參數(shù)上進(jìn)行比較。中歐道砟材質(zhì)要求標(biāo)準(zhǔn)上都從抗磨耗、抗沖擊性、抗壓性能、抗腐蝕性能與滲水性能進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定。

與法國道砟標(biāo)準(zhǔn)要求相比，相同點(diǎn)為道砟都要求嚴(yán)格采用碎石道砟，其抗磨耗、抗沖擊、抗壓強(qiáng)度、抗風(fēng)化與腐蝕、清潔度是道砟材質(zhì)評判的重要物理指標(biāo)。道砟上道前都應(yīng)進(jìn)行清洗，清潔度應(yīng)滿足有關(guān)要求。粒徑0.5 mm以下顆粒含量的質(zhì)量百分率不大于0.6%，粒徑0.063 mm以下粉末含量質(zhì)量百分比不大于0.5%。在材質(zhì)指標(biāo)方面，我國道砟采用洛杉磯磨耗率(LLA)、標(biāo)準(zhǔn)集料沖擊韌度(IP)、石料耐磨硬度系數(shù)等指標(biāo)，歐盟規(guī)范采用洛杉磯磨耗、道砟沖擊值(%)、微型德佛爾(Micro Deval)等指標(biāo)，兩者在具體的試驗(yàn)方法上也有所差異。比如洛杉磯磨耗試驗(yàn)，中歐在鋼球粒徑、質(zhì)量、試樣粒徑大小、篩孔大小等多方面有一定差異，而這些差異性對洛杉磯磨耗值有一定影響，如道砟顆粒洛杉磯磨耗值與道砟粒徑有一定相關(guān)性，因此歐盟試驗(yàn)方法評價(jià)技術(shù)指標(biāo)與我國試驗(yàn)做出來的技術(shù)指標(biāo)數(shù)值可能有一定差異性，該差異性對道砟標(biāo)準(zhǔn)影響需要進(jìn)一步研究。中國試驗(yàn)方法規(guī)定的鋼球質(zhì)量為12個(gè)共5 kg，歐盟規(guī)范為12個(gè)共(5.21±0.09)kg，中國試驗(yàn)樣品粒徑20～40 mm，歐盟規(guī)范粒徑為 31.5 ～ 50.0 mm[5]，篩子孔徑為 31.5 mm，40.0 mm和50.0 mm。因此，無法簡單地從數(shù)值上面給以比較。

中歐都強(qiáng)調(diào)應(yīng)采用耐磨道砟，因?yàn)楦咚勹F路有砟軌道失效的主要原因是輪軌高頻振動(dòng)所導(dǎo)致的道砟磨損粉化和磨耗，而不是由于軌枕動(dòng)壓力引起的破碎，因此應(yīng)提高道砟抗磨耗、抗沖擊指標(biāo)，減少道砟中的小顆粒成分，有利于延緩道砟粉末聚積，可延長道床使用壽命。

道砟粒徑、級配是構(gòu)成道床質(zhì)量的重要評估參數(shù)。中國和歐洲在道砟粒徑、級配上雙方規(guī)定基本相同。中歐高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)都用道砟針、片狀指數(shù)，控制道砟形狀[6]。另外中歐標(biāo)準(zhǔn)中，對道砟試樣的見證取樣、送樣檢驗(yàn)及上道準(zhǔn)入也都有較為詳細(xì)的規(guī)定[4，7]。

2 道床斷面參數(shù)

道床是軌道的重要組成部分，是軌道框架的基礎(chǔ)。道床斷面尺寸包括厚度、頂面寬度與邊坡等參數(shù)。中國350 km/h道砟軌道道床路基地段單線道床頂面寬度3.60 m，道床厚度0.35 m，頂面高度低于軌枕承軌面40 mm，道床邊坡 1∶1.75，砟肩堆高 0.15 m。圖 1為中國高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面左側(cè)圖。

圖1 中國350 km/h高速鐵路有砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面左側(cè)(單位:mm)

道床厚度主要取決于兩個(gè)條件:①傳到路基上的應(yīng)力應(yīng)當(dāng)小于路基容許承載能力;②提高道床的強(qiáng)度，延緩道砟的破碎與粉化。中、歐高速鐵路道床厚度均為35 cm，其中德國高速鐵路道砟厚度為40 cm，基于長期運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和自身道砟資源多方面考慮[7]。

頂面寬度主要取決于軌枕長度和道床肩寬。道床應(yīng)有適當(dāng)?shù)募鐚?，以增加道床的橫向阻力。由于列車速度提高，在直線上因轉(zhuǎn)向架的蛇行運(yùn)動(dòng)及在曲線上因過超高、欠超高所引起的輪軌橫向力顯著增加。在相同軌道不平順條件下，高速時(shí)所引起的輪軌橫向力比低速時(shí)要大得多，因而對軌道的橫向穩(wěn)定性提出更高要求。增加砟肩寬度，堆高砟肩，是提高軌道橫向阻力的重要措施。歐洲鐵路對道床肩部道砟寬度有一定規(guī)定，如鐵路聯(lián)盟無縫線路鋪設(shè)文件規(guī)定[8]，對應(yīng)高速鐵路肩寬為50 cm，見表1，可見道砟肩寬規(guī)定，中歐標(biāo)準(zhǔn)大體相同。

表1 高速有砟軌道砟肩寬度指標(biāo) cm

道床邊坡對于保證道床穩(wěn)定具有十分重要的意義。道砟道床邊坡的值取決于兩方面的因素，一是道砟顆粒內(nèi)摩擦角，內(nèi)摩擦角越大，則邊坡穩(wěn)定性越高，因此碎石道床邊坡相比卵石可以較陡;二是當(dāng)?shù)来布鐚捿^大時(shí)，邊坡的坡度可較陡。各國鐵路所采用的道床邊坡坡度一般在(1∶1)～(1∶2.5)之間，中國高速鐵路道床正線邊坡規(guī)定采用1∶1.75，法國高鐵道砟正線為1∶1.5，邊坡有稍許差異，這些差異在滿足安全運(yùn)營情況下，有一定技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差別，比如法國道砟道床幾何尺寸在新建鐵路施工時(shí)每千米用量減少近200 m3。

3 道床狀態(tài)參數(shù)

道床的力學(xué)指標(biāo)，尤其是道床縱、橫向阻力參數(shù)對軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性乃至對路基強(qiáng)度及穩(wěn)定性均起重要作用。我國規(guī)定高速有砟道床密度不應(yīng)小于1.75 g/cm3，軌枕支承剛度不應(yīng)小于120 kN/mm，縱向阻力不應(yīng)小于 14 kN/枕，橫向阻力不應(yīng)小于 12 kN/枕[2]。需要注意的是，歐盟規(guī)范對道床密度、支撐剛度沒有具體要求，僅通過道床阻力來限定道床質(zhì)量。表2為中歐高速線路道床縱、橫向阻力參數(shù)指標(biāo)對比表。由于我國和歐盟道床參數(shù)的單位不同，將 kN/枕換算為kN/m后可知，我國新建高速線路施工道砟狀態(tài)參數(shù)驗(yàn)收指標(biāo)略高于歐盟。

表2 高速有砟道床狀態(tài)參數(shù)對比 kN/m

4 飛砟防治

法國鐵路最高試驗(yàn)速度為574.8 km/h，通過采取必要措施，沒有飛砟發(fā)生[1]。我國新建鐵路對有砟軌道可能發(fā)生飛砟進(jìn)行一系列研究，經(jīng)車—線動(dòng)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)仿真分析，現(xiàn)場車底空氣負(fù)壓測試，基本掌握了由于列車車底負(fù)壓導(dǎo)致飛砟的機(jī)理與影響規(guī)律，并規(guī)定道床頂面高度低于軌枕承軌面40 mm，道床施工中，道床頂面夯實(shí)，頂面不使用粒徑＜22.4 mm道砟，清除軌底頂面和軌枕頂面上殘存道砟等規(guī)定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高速列車飛砟試驗(yàn)測試研究工作，在列車運(yùn)行速度為 330 km/h時(shí)沒有飛砟發(fā)生[9]。

5 結(jié)語

中國高速鐵路發(fā)展已較為成熟，并建立了較全面、完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為適應(yīng)中國現(xiàn)在高速鐵路的發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)特級道砟資源，完善道砟生產(chǎn)中破碎、篩分和清洗工藝;研究道床邊坡采用1∶1.5的可行性，以降低工程成本與占地面積;研究并完善道床施工工藝，以確保不會(huì)發(fā)生飛砟;研究高速鐵路有砟道床養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，延長道床使用壽命。

[1]井國慶.高速鐵路有砟軌道道砟飛濺的研究與防治[J].北京:鐵道建筑，2009(2):97-98.

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10625—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2009.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB/T2140—2008 鐵路碎石道砟[S].北京:中國鐵道出版社，2008.

[4]The European Committee Standardization.NF EN13450 Aggregates for railway ballast[S].Brussels: The European Committee Standardization，2002.

[5]The European Committee Standardization.NF F53-695 Railway fixed equipment.Ballast and gravel for shovel-packing.Characteristics and specifications[S].Brusselss:The European Committee Standardization，1996.

[6]The European Committee Standardization.EN 933-3 Tests for geometrical properties of aggregates[S].Brussels:The European Committee Standardization，2001.

[7]The European Committee Standardization.EN 932-1 Methods for sampling[S].Brussels: The European Committee Standardization，2001.

[8]International Union of Rail way.UIC 720 R: Laying and maintenance of CWR track-2nd edition[S].France:International Union of Railway，2005.

[9]中國鐵道科學(xué)研究院.京滬高速鐵路綜合試驗(yàn)研究分報(bào)告—京滬高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011.