中國高速鐵路無砟軌道的發(fā)展及應(yīng)用

王繼軍 姚 力 王 夢

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司， 北京100081;2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

我國高速鐵路經(jīng)過10余年的快速發(fā)展，即將形成以北京-上海、上海-昆明等線路為代表的“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)，實現(xiàn)全國相鄰大中城市間1～4 h交通圈，城市群內(nèi)0.5～2 h交通圈。截至2019年底，鐵路營業(yè)里程達(dá)到13.9萬km以上，其中高速鐵路里程已達(dá)到3.5萬km。

無砟軌道采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎(chǔ)取代散粒體碎石道床，具有高穩(wěn)定性、高耐久性、少維修等突出優(yōu)點，在世界各國鐵路尤其是高速鐵路中得到了廣泛應(yīng)用。我國鐵路在綜合交通運輸體系中處于骨干地位，為保證路網(wǎng)的穩(wěn)定運營，對無砟軌道技術(shù)開展了長期研究和試驗，并進行了大量工程應(yīng)用。

1 普速鐵路無砟軌道早期實踐

為減少線路維修工作量，延長軌道結(jié)構(gòu)及部件的使用壽命，我國從20世紀(jì)50年代起就開始進行無砟軌道的研究和設(shè)計，初期曾嘗試采用了支承塊式、短木枕式、整體灌注式等結(jié)構(gòu)形式，并對支承塊式無砟軌道[1-2]進行了推廣應(yīng)用。此外，還進行了縱向軌枕埋入式無砟軌道、瀝青混凝土鋪裝寬枕無砟軌道、瀝青灌注固化道床、板式無砟軌道及橋上無砟無枕結(jié)構(gòu)等的研究和試驗[3-4]。

30多年間,我國在普速鐵路無砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝、下部基礎(chǔ)的技術(shù)要求以及基礎(chǔ)下沉引起傷損的整治等方面積累了豐富的寶貴經(jīng)驗,為后續(xù)高速鐵路無砟軌道新技術(shù)的研究與發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 高速鐵路無砟軌道研究與試驗

20世紀(jì)90年代,隨著京滬高速鐵路可行性研究的深入，高速鐵路無砟軌道研發(fā)被提上日程[5]，在大量試驗研究基礎(chǔ)上，初步提出了彈性支承塊式、長枕埋入式和板式3種無砟軌道型式[6]，并提出了高速鐵路在剛性基礎(chǔ)上鋪設(shè)無砟軌道的選型原則、設(shè)計荷載、軌道剛度、幾何參數(shù)和配套扣件系統(tǒng)。

1999年，我國在西康鐵路秦嶺隧道鋪設(shè)了彈性支承塊式無砟軌道試驗段，在秦沈客運專線沙河特大橋鋪設(shè)了長枕埋入式無砟軌道試驗段，在秦沈客運專線狗河特大橋和雙何特大橋鋪設(shè)了板式無砟軌道試驗段。并由自主研發(fā)的“中華之星”動車組創(chuàng)造了321.5 km/h的試驗速度。

為進一步完善新型無砟軌道技術(shù)，2003年，我國在渝懷鐵路魚嘴2號隧道鋪設(shè)了長枕埋入式無砟軌道，在贛龍鐵路楓樹排隧道鋪設(shè)了板式無砟軌道[7]。至此，我國在橋梁和隧道地段已完成高速鐵路無砟軌道的試鋪及試驗。

2004年，我國在設(shè)計速度200 km/h的遂渝鐵路鋪設(shè)了13.2 km的無砟軌道綜合試驗段[8]，第一次成區(qū)段鋪設(shè)了雙塊式無砟軌道、單元板式無砟軌道(含預(yù)應(yīng)力混凝土平板、預(yù)應(yīng)力混凝土框架板、普通混凝土框架板)、縱連板式無砟軌道以及岔區(qū)長枕埋入式無砟軌道，實現(xiàn)了無砟軌道在路基、橋梁、隧道和道岔區(qū)的成段鋪設(shè)。采用無砟軌道絕緣化處理技術(shù)解決了無砟軌道與ZPW-2000軌道電路的適應(yīng)性問題，研制了無砟軌道配套WJ-8型有擋肩和 WJ-7型無擋肩扣件系統(tǒng)，研制了12號、18號無砟道岔系統(tǒng)，研發(fā)了無砟軌道制造、施工配套裝備，為客運專線大規(guī)模、成區(qū)段鋪設(shè)無砟軌道提供了有力技術(shù)支撐。至此，我國形成了時速200 km級無砟軌道設(shè)計、制造、施工的成套技術(shù)。

3 高速鐵路無砟軌道規(guī)模應(yīng)用及自主創(chuàng)新

3.1 引進技術(shù)國產(chǎn)化

2004年，國務(wù)院批復(fù)了《中長期鐵路規(guī)劃網(wǎng)》，為高速鐵路建設(shè)創(chuàng)造了空前有利的條件。為滿足“四縱四橫”主通道的建設(shè)需求，我國引進了無砟軌道技術(shù)。

2006年，我國啟動了客運專線無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新工程[9]，在前期近50年的研究實踐基礎(chǔ)上，結(jié)合引進技術(shù)，系統(tǒng)開展了高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、設(shè)計理論和方法、工程材料、軌道結(jié)構(gòu)及接口設(shè)計技術(shù)、制造施工裝備及工藝、養(yǎng)護維修技術(shù)等研究，建立了溫暖地區(qū)武廣高速鐵路武漢綜合試驗段和嚴(yán)寒地區(qū)濱綏鐵路成高子無砟軌道試驗段。結(jié)合我國氣候環(huán)境條件，形成了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道建造成套技術(shù)，進一步豐富了我國無砟軌道技術(shù)體系，為高速鐵路無砟軌道大規(guī)模建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

截至2019年底，CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道的運營里程分別達(dá)到 2 320 km、4 350 km和 11 647 km，有力支撐了我國高速鐵路建設(shè)，并為自主研發(fā)新型無砟軌道提供了寶貴的經(jīng)驗。

3.2 自主研發(fā)無砟軌道技術(shù)

受氣候及地質(zhì)條件差異等的影響，引進技術(shù)的無砟軌道出現(xiàn)了高溫上拱、低溫斷裂、結(jié)構(gòu)層離縫失效、大跨梁端限位結(jié)構(gòu)破損等問題，在環(huán)境適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)耐久性和可維修性等方面存在不足。為全面解決上述問題， 2009年以來，我國先后結(jié)合成灌、盤營等鐵路建設(shè)，開展了新型無砟軌道結(jié)構(gòu)的研發(fā)[10]，系統(tǒng)開展了設(shè)計理論及關(guān)鍵參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)及其與下部基礎(chǔ)接口設(shè)計技術(shù)、自密實混凝土等工程材料、軌道板制造技術(shù)、軌道結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)、室內(nèi)外試驗、運營線路長期監(jiān)測和養(yǎng)護維修技術(shù)等的研究，形成了CRTSⅢ型板式無砟軌道設(shè)計、制造、施工、養(yǎng)修等成套技術(shù)，使我國一舉成為高速鐵路無砟軌道系統(tǒng)原創(chuàng)國。

CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、自密實混凝土層、隔離層及設(shè)置限位凹槽的鋼筋混凝土底座等部分組成，如圖1所示。

圖1 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)示意圖

軌道板頂面設(shè)混凝土擋肩，配套采用有擋肩扣件系統(tǒng)，底面預(yù)留連接鋼筋；軌道板下灌注自密實混凝土，并與軌道板形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；底座設(shè)置限位凹槽，與灌注自密實混凝土形成的凸臺構(gòu)成限位結(jié)構(gòu)；復(fù)合結(jié)構(gòu)與底座之間設(shè)置隔離層，底座限位凹槽四側(cè)面設(shè)置彈性緩沖墊層。主要技術(shù)特點如下：

(1) 采用單元式復(fù)合軌道板結(jié)構(gòu)，并與設(shè)置凹槽的底座形成凸凹限位結(jié)構(gòu)，受力體系合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

(2)復(fù)合軌道板和底座均分段設(shè)置，可適應(yīng)溫暖、寒冷、嚴(yán)寒等不同氣候條件，環(huán)境適應(yīng)性強。

(3) 采用自密實混凝土作為充填材料，無砟道床主體均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)耐久性好。

(4) 復(fù)合軌道板與底座之間設(shè)置隔離層，限位凹槽周邊設(shè)置彈性緩沖墊層，可協(xié)調(diào)層間變形差異，緩和層間沖擊，并可提供特殊條件下的可修復(fù)性。

截至2019年底，CRTSⅢ型板式無砟軌道已應(yīng)用于京沈、京雄、鄭徐、商合杭、昌贛等高速鐵路，開通運營里程超過 3 200 km，并以此為平臺創(chuàng)造了動車組420 km/h交會及重聯(lián)運營試驗速度兩項世界紀(jì)錄。多條線路運營實踐表明，CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，養(yǎng)護維修工作量明顯少于其他無砟軌道。

3.3 大跨度橋梁無砟軌道技術(shù)

目前，我國已在高速鐵路主跨110 m簡支鋼桁梁橋、140 m鋼箱系桿拱橋、200 m剛構(gòu)連續(xù)梁橋、228 m連續(xù)梁拱橋、324 m鋼箱桁梁斜拉橋等不同類型大跨度橋梁上鋪設(shè)了無砟軌道，研發(fā)了大跨度橋上無砟軌道鋪設(shè)精度控制技術(shù)，并針對性制定了靜態(tài)驗收和養(yǎng)護維修標(biāo)準(zhǔn)[11]。

4 結(jié)束語

經(jīng)過60余年的科學(xué)研究和工程實踐，我國已積累了嚴(yán)寒、寒冷、大風(fēng)、沙漠、凍土、濕陷性黃土、大跨度橋梁等不同氣候和下部基礎(chǔ)條件下鋪設(shè)無砟軌道的豐富經(jīng)驗，形成了適用于不同運營條件的無砟軌道成套技術(shù)，構(gòu)建了涵蓋勘察、設(shè)計、工程材料、制造、施工、驗收、維護等的較為完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，在高速鐵路建設(shè)中累計應(yīng)用超過2.1萬km，有力支撐了我國高速鐵路網(wǎng)的建設(shè)。同時，隨著 “一帶一路”倡議和“高鐵走出去”戰(zhàn)略的實施，我國無砟軌道技術(shù)已走出國門，應(yīng)用于印度尼西亞雅加達(dá)至萬隆高速鐵路、莫斯科至喀山高速鐵路等國際工程。目前，我國正在積極推進智能建造、全生命周期管理等技術(shù)在無砟軌道中的應(yīng)用。隨著技術(shù)研究和工程應(yīng)用的不斷深入，我國無砟軌道技術(shù)必將得到進一步的發(fā)展和完善。