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1、2010年度上海铁路局建设系统培训教材客运专线无砟轨道技术上 海 铁 路 局2010年度上海铁路局建设系统培训教材客运专线无砟轨道技术（内部资料）上海铁路局二一年二月5目 录 第一讲：国内外高速铁路发展概况及关键技术11.前言22.我国铁路无砟轨道技术的前期研究32.1普通铁路无砟轨道结构的早期研发32.2高速铁路无砟轨道结构的前期研究与小规模试铺32.3遂渝线无砟轨道试验段的自主研发与成区段试铺32.4客运专线引进无砟轨道的结构设计概况43.客运专线无砟轨道关键技术53.1无砟轨道与线下工程的主要接口53.2无砟轨道高精度测量技术83.3无砟轨道与站后工程的接口83.4无砟轨道主要工程材料的
2、质量控制103.5无砟轨道施工的温度控制114.建议12第二讲：设计原理与方法131. 概述142. 标准轨道板设计原理152.1设计流程图162.2结构、荷载及参数信息172.3纵向计算182.4横向计算212.5轨道板移运和存放计算233. 桥上无砟轨道系统设计原理263.1设计特点263.2设计思路及计算模型说明293.3底座混凝土板设计原理363.4台后锚固限位措施设计简介404.结语41第三讲：CRTS型板式无砟轨道结构设计及技术标准421. CRTS型板式无砟轨道设计技术简况431.1 CRTS型板式无砟轨道结构设计简况431.2 CRTS型板式无砟轨道设计技术主要内容441.3
3、CRTS型板式无砟轨道主要技术标准442. 布板设计及轨道板精调系统442.1 布板软件442.2 布板软件主要功能462.3 布板设计483. 混凝土预制件设计技术493.1 CRTS型轨道板493.2 道岔板544. 路基上CRTS型板式无砟轨道结构设计554.1 结构组成554.2 主要型式尺寸564.3 相关部分的技术要求565. 桥上CRTS型板式无砟轨道结构设计585.1设计方法585.2 结构设计596. 无砟轨道与有砟轨道过渡段设计696.1 设计原则696.2 过渡段结构设计69第四讲：CRTS型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆721. CRTS型板式无砟轨道结构简介732. 水
4、泥乳化沥青砂浆的组成743. 水泥乳化沥青砂浆原材料的性能要求763.1 乳化沥青763.2 干料823.3 水843.4 减水剂843.5 消泡剂844. 水泥乳化沥青砂浆的性能要求854.1 拌合物温度864.2 扩展度864.3 流动度874.4 含气量874.5 单位容积质量884.6 分离度884.7 膨胀率894.8 力学性能894.9 抗冻性904.10 抗疲劳性能914.11 试件养护制度925. 水泥乳化沥青砂浆的配制935.1 水泥乳化沥青砂浆的配合比设计原则935.2 水泥乳化沥青砂浆的配合比设计步骤936. 水泥乳化沥青砂浆的施工956.1 原材料的储存与管理956.2
5、 施工前准备966.3 轨道板精调、定位和压紧976.4 封边施工和排气孔设置976.5 底座预湿或封闭处理1016.6 水泥乳化沥青砂浆的拌制1026.7 水泥乳化沥青砂浆的灌注1056.8 水泥乳化沥青砂浆的养护1086.9 环保要求1097. 水泥乳化沥青砂浆的质量检验1107.1型式检验1107.2原材料进场检查1107.3日常检验110第五讲：型板式铁路无砟轨道施工工艺要点1121. 无砟轨道结构1132. 主要施工工艺流程1133. 无砟轨道施工保障性接口条件及主要施工准备1134. 施组平面布置1145. 底座板施工1146. 临时端刺的施工1167. 底座板连接施工1168.
6、轨道板粗铺施工1179. 轨道板精调施工11710 轨道板(下)垫层砂浆灌注施工11711.轨道板纵向连接11812.轨道板剪切连接11813.侧向挡块的施工11814.轨道板灌浆后的测量调整11915.轨道几何状态的调整11916.总结及体会119第六讲：CRTS型轨道板铺设技术1211. 前言1222. 适用范围1223. 主要技术标准及参数1223.1桥上无砟轨道结构1223.2路基上无砟轨道结构1234. 施工工艺流程1245.主要施工方法及过程控制标准1255.1施工准备1255.2桥上铺设施工工艺1285.3路基上铺设施工工艺1516.主要设备配置1557.施工组织要点1577.1
7、劳动力组织1577.2物流组织1598.质量控制要点1618.1施工准备1618.2两布一膜铺设1648.3底座混凝土1648.4轨道板存放1658.5轨道板粗铺1658.6轨道板测量及精调1668.7水泥乳化沥青砂浆灌注1679.安全措施16710.环保措施168客运专线无砟轨道技术第一讲：国内外高速铁路发展概况及关键技术 第一篇：国内外高速铁路发展概况及关键技术1. 前言与有砟轨道相比，无砟轨道具有以下突出优点：（1） 从根本上消除了道床的累积变形和轨道状态的变化速率，减少维修工作量和维修装备，延长维修周期，从而可大幅节省维修费用。（2） 线路平顺性高、钢轨支点支承均匀性好，提高旅客乘坐舒
8、适性。（3） 耐久性好，服务期长（设计使用寿命60年）。（4） 提供更高、更稳定的线路纵、横向阻力，保证无缝线路在恶劣气候、紧急制动条件下的稳定性。在确保列车运行安全和舒适性的前提下，困难地段的选线设计参数有可能放宽，有利于适应地形选线，并可减少工程量。（5） 无砟轨道结构的应用避免了高速客运专线特级道砟资源的要求，道床整洁美观，避免高速条件下的道砟飞溅问题。因此，自上世纪60年代开始，世界上很多国家在强化有砟轨道的同时，相继研发了以“高平顺性”和“少维修”为主要目标的多种型式无砟轨道结构，通过技术经济性的不断完善，无砟轨道结构在高速客运专线上的推广应用范围愈来愈广，日本、德国、韩国、我国台湾
9、等国家和地区后期修建的客运专线铁路无砟轨道所占比例均在90%以上。无砟轨道已成为世界高速铁路轨道结构的发展方向。但事物都是一分为二的，无砟轨道同样具有结构设计特点所带来的一些不足，主要包括：（1） 对下部基础（桥、隧、路基）的变形要求高，无砟轨道的高低调整能力有限（主要通过扣件系统），不能象有砟轨道那样进行起道和拨道作业。一旦变形超出可调范围，或在特殊情况下，轨道结构产生裂损失效，尽管理论上无砟轨道具有一定的可修复性，但实际操作非常困难，直接影响线路的正常运营。（2） 无砟轨道的钢筋混凝土结构、多种特殊工程材料（乳化沥青水泥砂浆、树脂、橡胶、泡沫塑料、二布一膜等）；制造和施工设备的前期投入；制
10、造施工工效等因素决定了无砟轨道本身的初期投资要大于有砟轨道。（3） 无砟轨道的道床面相对平滑，轮轨产生的噪声辐射范围相对较大。 几十年来，世界铁路技术人员针对这些不足在无砟轨道设计、制造、施工等各个环节在不懈地努力克服。2. 我国铁路无砟轨道技术的前期研究我国铁路无砟轨道技术的前期研究基本上可分为以下三个阶段：2.1普通铁路无砟轨道结构的早期研发我国开展无砟轨道结构的研究始于上世纪60年代，与国外几乎同时起步，截止到80年代中期，在隧道内、大型客站、货物装卸线上铺设各种型式的无砟轨道约300km，结构型式主要有混凝土支承块式、单元板式以及沥青混凝土铺装层与宽枕组成的整体道床，在桥上还试铺了无砟
11、无枕结构。但由于无砟轨道初期造价较高，线路下部基础的处理、无砟轨道制造和施工的技术水平和管理水平相对较低，在个别地段出现了由于基础沉降引起轨道结构的损坏问题，导致国内管理层和技术层在无砟轨道系统研究和推广应用方面的认识程度不一，在一定程度上延缓了无砟轨道的发展进程。2.2高速铁路无砟轨道结构的前期研究与小规模试铺上世纪90年代中期，随着我国高速铁路轨道技术前期研究的开始，无砟轨道在我国重新得以关注。在部无砟轨道系列科研项目的推动下，由科研、设计、施工以及院校多部门的线路、桥梁、隧道和土工等专业的科研人员组成的无砟轨道研究群体，对高速客运专线无砟轨道结构型式、设计参数、动力学仿真计算分析、室内实
12、尺模型试验、无砟轨道部件技术条件以及设计、施工技术条件、施工细则和验收标准的编制、现场铺设、动力测试和长期观测等开展了一系列的综合试验研究，并分别在秦沈线沙河、狗河和双何三座特大桥上、赣龙线枫树排隧道和渝怀线鱼嘴2号隧道内进行了单元板式和整体轨枕埋入式无砟轨道结构的试铺。2.3遂渝线无砟轨道试验段的自主研发与成区段试铺 为研发适合我国国情路情、具有自主知识产权的无砟轨道成套技术，积累成区段铺设无砟轨道的经验，2004年铁道部决定在遂渝线建设无砟轨道综合试验段。作为国内第一条成区段铺设的无砟轨道试验线，全长13.157km，线下基础涵盖路基、桥梁、隧道及各类过渡段，自主研发采用了单元板式、纵连板
13、式、双块式和岔区轨枕埋入式无砟轨道结构，针对我国客运专线采用的谐振式ZPW2000轨道电路，试验研究了多种不同的绝缘处理措施和相应的传输特性。试验段在不同构筑物上无砟轨道的结构设计、部件制造工艺、施工工艺；线下工程沉降和变形控制；无砟轨道扣件系统；无砟轨道道岔等方面取得了比较系统的研究成果，目前该试验段已交付运营。2.4客运专线引进无砟轨道的结构设计概况与日本、德国等先进国家相比，我国针对高速客运专线无砟轨道的试验研究起步相对较晚，前期的试验研究尚缺乏系统性，为满足我国客运专线的建设需要，2005年铁道部全面引进了国外无砟轨道先进技术，针对京津城际、武广和郑西客专，分别引进了德国博格板式、日本
14、板式、雷达2000和旭普林双块式无砟轨道的设计、制造、施工、检测和养护维修等成套技术。四种类型无砟轨道在不同结构物（桥梁、路基和隧道）上的系统组成和结构高度，如表1所列。表1 客运专线引进无砟轨道的系统组成和结构高度线别轨道结构型式结构高度（mm）系统组成（自上至下）京津城际博格板式桥上665钢轨、Vossloh扣件、预制轨道板、BZM砂浆层、现浇底座板、梁面滑动层或梁端泡沫塑料板、梁面喷涂防水层等。.其它：侧向挡块、端刺、摩擦板路基779钢轨、Vossloh扣件、预制轨道板、BZM砂浆层、水硬性支承层等。郑西客专旭普林型桥上860钢轨、WJ-8型扣件、道床板（含双块式轨枕）、混凝土底座、隔离
15、层、钢筋砼保护层、防水层。其它：凹槽周围橡胶缓冲层等。路基830钢轨、WJ-8型扣件、道床板（含双块式轨枕）、贫混凝土支承层。隧道570钢轨、WJ-8型扣件、道床板（含双块式轨枕）。武广客专Rheda2000桥上767钢轨、Vossloh扣件、道床板（含双块式轨枕）、隔离层、钢筋砼保护层（中部设凸台）、防水层。 其它：凸台周围橡胶缓冲层等。路基797钢轨、Vossloh扣件、道床板（含双块式轨枕）、水硬性支承层。隧道497钢轨、Vossloh扣件、道床板（含双块式轨枕）日本板式桥上751钢轨、扣件（含充填式垫板）、预制轨道板、CA砂浆（含灌注袋）、混凝土底座。其它：凸形挡台及周围填充树脂。路基
16、751隧道7013. 客运专线无砟轨道关键技术与日本、德国等无砟轨道应用较为广泛的国家相比，我国开展客运专线无砟轨道设计、制造、施工和检测等方面的系统性研究较晚。尽管前期在消化吸收无砟轨道系统引进技术过程中，基本掌握了无砟轨道系统的设计、工程材料的性能指标要求，参加了技术转让方的设计和施工培训等，但毕竟缺乏无砟轨道规模化、专业化、标准化的工程实践经验，随着客运专线无砟轨道工程规模化设施的开始，一些关键技术问题在工程建设过程中应引起高度重视：3.1 无砟轨道与线下工程的主要接口（1） 线下工程的沉降和变形相比于有砟轨道，无砟轨道线路的高低调整能力有限（扣件、桥梁可调高支座）、可修复性较差，因此，
17、国外高速铁路无砟轨道线路对线下工程的沉降和变形提出了严格的限制，在地质勘察、线下工程设计、沉降观测及评估方面均相应提出了严格的技术要求（如详细的地质勘察，沉降观测期至少6个月等要求）。我国前期借鉴国外的成功实践和相关技术要求，制订了 客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南，其中明确规定了路基、桥梁和隧道等基础工后沉降和变形的限值、观测及评估办法，以及建设、勘察设计、施工和监理单位的职责，但对于基础工程的沉降和变形控制，我国在设计、施工、管理方面均缺乏足够的工程实践经验，在工程实施过程中，应注意以下几点：（a） 与国外相比，我国客运专线的建设周期相对较短，受工期的限制，一些区段的线下工程沉降变
18、形观测期难以得到保证。因此在线下工程的设计方面应紧密结合施工组织，特别是地质条件差的区段，应采取必要的加强措施；同时提出沉降计算报告及设计预测沉降值与时间的关系曲线，确保在预定的施工工期内满足无砟轨道铺设条件。（b） 由于沉降变形受多种因素的影响，设计计算的预测沉降精度与实际仍存在一定差距，加强施工过程中的沉降观测，通过观测数据来预测工后沉降是目前国内外对于基础沉降控制的有效手段。为此，要求施工单位严格按相关规定要求布置沉降和变形观测点，定期观测，保证沉降数据的真实性和可靠性，同时监理单位应全过程进行平行观测，为后期的线下工程沉降评估的准确性创造条件。（c） 无砟轨道线路整区段或全线线下工程的
19、沉降变形综合评估。在完成不同结构物（路基、桥梁、涵洞、隧道、各类过渡段）基础沉降变形预测评估的基础上，应绘制整区段或全线的沉降预测变形曲线，以确保客运专线开通后无砟轨道线路的高平顺性和高速列车运行的舒适性。（2） 线下结构物的高程控制与预埋件设置为保证无砟轨道的结构高度（如：混凝土底座、水硬性支承层厚度等）在设计允许的偏差范围内，无砟轨道对线下结构物的顶面高程提出严格要求，施工过程中应根据相关规定控制好路基基床表层、桥梁支承垫石、隧底回填层的顶面高程，并尽可能按负偏差控制。对于无砟轨道桥梁结构来说，除了高程控制外，不同型式的无砟轨道结构对桥面平整度、梁端伸缩缝、梁体预埋件等提出了具体要求，如：
20、京津城际板式轨道梁体预埋锚固销钉及侧向挡块与梁体连接用的钢套管；武广、郑西客专双块式无砟轨道梁面防护墙预埋连接钢筋；再创新单元板式轨道、双块式无砟轨道结构梁面预埋与混凝土底座的连接钢筋，梁端预埋伸缩缝装置等。在无砟轨道施工前，应严格按设计要求的位置、规格和数量进行检查验收。（3） 防排水系统a）排水系统由于无砟轨道结构型式的不同，排水系统的主要差异在于两线间的排水。板式轨道（纵连板式、单元板式轨道）、路基和隧道内双块式无砟轨道，线路两侧与线间无法连通，而桥上双块式道床板间设有10cm的间隔缝，线路两侧与线间排水可连通。针对路基上无砟轨道线路，目前均将线间的水排向两侧，有两种排水方式：一种是将线
21、间的水，通过道床面排向线路两侧，另一种方式是路基内预埋排水管、线路中心隔一定距离设集水井。针对桥上无砟轨道线路，板式轨道（纵连板式、单元板式）结构的桥梁均设三向排水，双块式无砟轨道结构桥梁设两侧排水，同时沿线路方向隔一定距离设横向挡水墙。b）防水措施针对路基上无砟轨道，路基面设810cm厚的沥青混凝土防水层。针对桥上无砟轨道，目前有三种型式的防水措施：京津城际板式轨道桥面喷涂防水层；武广和郑西客专桥面设防水层（铺设防水卷材等），再施工钢筋混凝土保护层；再创新的不同无砟轨道结构的梁面防水措施实现了统一，在无砟轨道范围内不设防水层和保护层，范围外设防水层（铺设防水卷材）和纤维混凝土保护层。3.2
22、无砟轨道高精度测量技术高精度的测量技术是保证客运专线无砟轨道线路高平顺性的重要关键，无砟轨道的高精度对测量工作提出严格要求，完全不同于传统有砟轨道的施工测量。客运专线无砟轨道铁路工程测量的平面、高程控制网，按施测阶段、施测目的及功能可分为勘测控制网、施工控制网、运营维护控制网。客运专线无砟轨道平面控制网分三级设置，如下图所示：CP： GPS 基础平面控制网，主要为勘测、施工、运营维护提供坐标基准；CP：线路控制网，主要为勘测和施工提供控制基准；CP：基桩控制网，主要为铺设无砟轨道和运营维护提供控制基准。客运专线无砟轨道铁路高程控制网应按二等水准测量精度要求施测。在勘测阶段，不具备二等水准测量条
23、件时，可分两阶段实施，即：勘测阶段按四等水准测量要求施测，线下工程施工完成后，全线再按二等水准测量要求建立水准基点控制网。在高精度的平面控制网、高程控制网基础上，不同的无砟轨道结构由于结构型式、施工方法的不同，建立加密基桩，实现无砟轨道的精确定位。3.3 无砟轨道与站后工程的接口 无砟轨道与站后工程的接口主要以下三个方面：（1）无砟轨道与ZPW2000轨道电路的相互适应；（2）无砟轨道与综合接地；（3）信号系统轨旁设备的安装。 （1）无砟轨道与ZPW2000轨道电路的相互适应无砟轨道混凝土结构的钢筋在高频谐振式轨道电路条件下与钢轨产生较强的磁感应，从而增大了钢轨阻抗的线性损耗，是导致无砟轨道线
24、路轨道电路技术长度短的主要原因。无砟轨道与轨道电路的相互适应性问题是一项综合性的系统工程，涉及到预制轨道板内的钢筋绝缘、现浇混凝土结构钢筋的绝缘、轨道结构高度的调整、扣件系统的绝缘设计、轨道电路相关参数的调整和优化等多项内容，站前与站后专业必须协调配合，以实现客运专线无砟轨道系统的技术经济合理。目前客运专线无砟轨道结构采取了多种绝缘处理方式：京津城际板式轨道：轨道板采用绝缘塑料卡、热缩套管；混凝土底座采用绝缘塑料卡。武广客专双块式无砟轨道：现浇道床板内钢筋交叉点设绝缘塑料套管；郑西客专双块式无砟轨道：现浇道床板内横向钢筋进行混凝土预包裹处理；遂渝线单元板式轨道：轨道板内纵向或横向采用环氧树脂涂
25、层钢筋。无砟轨道预制轨道板及现浇混凝土结构的纵、横向钢筋绝缘是一项隐蔽工程，在灌注混凝土前，应仔细检测纵、横向钢筋的绝缘质量，并作为一项重要施工工序，施工、监理单位的负责人员应签字验收。 （2）无砟轨道与综合接地为预防接触网高压线故障时，可能会感应产生很高的跨步电压和接触电位对人身和设备安全造成影响，我国客运专线要求无砟轨道及线下工程实现综合接地。综合接地系统按照铁集成2006220号“关于印发客运专线综合接地技术实施办法（暂行）的通知”来完成设计和施工、验收。目前对无砟轨道综合接地的主要技术要求：a） 预制轨道板、现浇道床板中设置4根纵向接地钢筋，接地钢筋可利用结构钢筋，钢筋直径要求不小于1
26、6mm，在每端预埋接地端子处设置横向连接钢筋（直径不小于16mm）或扁钢（截面不小于200mm2）。b） 无砟轨道纵向接地钢筋原则上按照每100米分段连接，各段中部预埋接地端子与贯通地线连接，段间钢筋不连接；接地钢筋不得构成电气回路。c） 接地端子采用不锈钢制造，轨道板间连接导线采用截面为50mm2的镀锡铜或截面200mm2不锈钢。 （3）信号系统轨旁设备及安装信号系统的轨旁设备主要包括：a） ZPW-2000轨道电路设备，主要包括：调谐匹配单元、空心线圈、补偿电容、扼流变压器（包含空扼流变压器）、电缆箱盒（分线盒、终端盒）。b） 道岔转辙机。c） 各种标志牌，主要包括：禁停标志牌、号码牌。d
27、） 应答器等。其中：应答器和轨道电路的补偿电容必须设置在轨道线路的中央，采用在轨道板或道床板上钻孔的方式，将化学锚固螺栓固定在预先钻的孔内。其它信号设备均设置在轨道线路两侧。3.4 无砟轨道主要工程材料的质量控制无砟轨道系统涉及到多种工程材料，如：钢材、混凝土材料、乳化沥青水泥砂浆材料、支承层材料、路基面防水层材料、橡胶材料等，另外一些特殊材料是根据特定无砟轨道系统设计所要求的，如：滑动层材料（土工布、薄膜）、硬质泡沫塑料板等，目前京津、武广客运专线大部分工程材料均依据技术转让方提出的相关技术标准和指标要求。必须注意的是，我国原材料、制造工艺水平、检验标准与国外存在不同程度的差异，在室内各项性
28、能指标满足设计要求的前提下，根据相应的施工设备、材料性能、不同的环境条件，在规模化施工前，必须建立模拟试验段，进行设备、材料的工艺性试验，应确保规模生产的质量稳定性和材料的长期耐久性。3.5 无砟轨道施工的温度控制温度控制是无砟轨道施工工艺的一个重要组成部分，其直接影响工程质量，我国前期无砟轨道试验段工程，有深刻的教训。我国客运专线建设任务重、工期紧，无砟轨道的施工不可避免地要经历炎热的夏天和严寒的冬天。我国客运专线无砟轨道施工和验收技术标准中，对混凝土的施工温度均提出了严格要求，如：夏期施工时，混凝土入模时的温度不得超过30，冬期施工时，混凝土的入模温度不应低于5。温度对乳化沥青水泥砂浆施工
29、质量的影响更为敏感，如日本板式轨道技术标准中，对CA砂浆原材料、所用容器、机具的温度均提出了要求，如下表：日本板式轨道CA砂浆原材料及所用容器、机具的温度管理原材料与器具贮存温度使 用 时限界温度适宜温度粉体水泥、混合料、细骨料（砂）、铝粉5255301025液体乳化沥青、P乳液、水、消泡剂、引气剂、其它外加剂5255301025机具搅拌机、泵、软管1025在施工温度的控制方面，一方面在技术上采取必要的降温或升温措施，另一方面在建设初期做好适宜的施工组织安排，以保证无砟轨道工程质量、长期耐久性，满足建设工期要求。4. 建议客运专线无砟轨道技术是一个系统工程，涉及到轨道、桥梁、隧道、路基、工程材
30、料、环保、信号、牵引供电等多专业、多部门之间的协调配合。针对上述关键技术问题，在无砟轨道规模化施工前，建议做好以下组织管理工作：（1） 根据无砟轨道系统设计要求，协调无砟轨道与线下工程、站后工程间的的接口关系，特别是线下工程（桥涵、路基、隧道及各类过渡段）的沉降评估和质量验收。（2） 组织制订无砟轨道工程制造工艺细则、施工工艺细则、监理细则及操作规程等。（3） 组织建立模拟试验段，开展设备、材料的工艺性试验。（4） 对于一些专项技术，如无砟轨道测量、乳化沥青水泥砂浆、岔区无砟轨道施工等，建议组织培训、建立专业化的技术队伍进行施作，以保证质量的稳定性。（5） 无砟轨道施工几乎没有“可逆性”，过程
31、中一旦产生失误，调整极为困难，各工序的过程控制是保证无砟轨道施工质量的关键。因此，必须加强制造和施工过程中的各工序质量控制、监督和验收，各工序的质量责任到人，建立严格的检查验收签字制度。（6） 客货混运线路的无砟轨道工程规模尽管相对较小（主要在长大隧道内），但对无砟轨道线路平顺性、耐久性的要求与客专线路是一样的，由于其车辆轴重大，线路不平顺引起的轮轨冲击力更大。因此，在施工前，同样要依据客专线路的相关技术要求，精心组织好无砟轨道测量、制造、施工设备及工艺、无砟轨道与站后接口、无砟轨道工程材料等方面的前期技术准备工作。可以预期，通过各客运专线工程建设、设计、施工、监理和运营维护等单位的共同努力，
32、客运专线无砟轨道工程将会高质量地按期顺利实施。客运专线无砟轨道技术第二讲：设计原理与方法 第二篇：无碴轨道设计原理与方法1 概述高速铁路轨道结构从总体上分为有砟轨道和无砟轨道。两类轨道结构在技术经济性方面具有一定的差异，世界各国均根据自己的国情路情合理选用，以取得最佳的技术经济效益。无砟轨道具有高平顺性、少维修养护和“维修天窗”短时性等特点，在国外高速铁路建设中得到广泛应用，其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区，无砟轨道的大量铺设已成为世界各国高速铁路发展趋势。图1.0-1 高速铁路轨道结构我国高速铁路部分线路采用以CRTS II型板式无砟轨道系统，路基和桥上轨道结构概貌分别如图1.
33、0-2、图1.0-3所示。图1.0-2 路基上CRTS II型轨道结构效果图图1.0-3 桥梁上CRTS II型轨道结构效果图2 标准轨道板设计原理标准轨道板按路基上的支撑条件、限位方式进行设计。路基上轨道板铺设在C15素混凝土支承层上（最小厚度为30cm厚），下设防冻层等（图2.0-1），轨道板和支承层间灌注沥青-水泥砂浆（CA砂浆）垫层保证两者的可靠粘结。图2.0-1 路基上轨道结构横截面图轨道板是路基上CRTS II型轨道系统的主要承重构件（图2.0-2），为横向施加预应力的预制混凝土标准板。轨道板尺寸6.45m2.55m0.20m（长宽高），纵向每隔0.65m设“V”型预裂槽口，缝深4
34、cm，用于防止承轨台（0.65m宽）中部任意裂缝的产生。在线路方向，各块轨道板通过两端的6根20mm连接钢筋相互连接，该连接可防止轨道板端部出现翘曲。图2.0-2 标准轨道板模型图2.1 设计流程图轨道板设计计算按纵向和横向分别进行。纵向将轨道板模拟为弹性地基梁计算，基于纵向每隔0.65m位置预设的4cm深的“V”型槽口，预制板的计算厚度取为0.16m；横向将轨道板简化为0.65m宽轨枕进行计算，采用两端带悬臂的简支梁进行模拟分析。轨道板设计计算流程如图2.1-1所示。图2.1-1 轨道板设计计算流程图2.2 结构、荷载及参数信息2.2.1 结构信息 钢轨：弹性模量：Es=2.1105MPa
35、截面面积：As=7.68610-3m2 竖向抗弯惯矩：Ix=3.05510-5m4，ytop=0.091m，ybottom=0.081m 横向抗弯惯矩：Iz=5.12910-6m4，yleft=yright=0.075m注：轨底 承轨台间距：0.65m 混凝土轨道板 弹性模量：E1=3.9104MPa 截面高度：h1=0.16m/0.20m（考虑预设4cm的槽口） 截面宽度：b1=2.55m 轨道板纵向配筋上部：2.50cm2/m中部：620mm 轨道板横向配筋每根轨枕610 mm预应力钢筋（1420/1570/圆形带肋）箍筋 = 8mm/25cm 劈裂拉力配筋（传力锚固区域）= 28 mm
36、水硬性材料支撑层弹性模量：E2=51031104MPa截面高度：h2=0.30m截面宽度：b2=2.95m3.25m（上下） 防冻层（FSS）和路基防冻层上表面变形模量：E3120MPa防冻层厚度：按0.4m取用路基变形模量：Ev2=60MPa2.2.2 设计荷载 恒载：自重纵向计算：地基弹性系数相同情况下，轨道板不产生内力，纵向计算中不计自重。横向计算：横向计算中根据慕尼黑工大研究成果计入。 竖向活荷载：采用UIC71的荷载图示。纵向：单轴荷载250kN；动力系数 1.5；弯道附加系数 1.2。横向：单轴荷载300kN，按2150kN作用在承轨台顶面。 预应力荷载：纵向：仅在轨道板连接区域（
37、620mm螺纹钢筋）考虑张拉作用，并按每根钢筋50kN进行张拉。横向：每个65cm承轨台考虑610 mm预应力（先张）作用，有效预应力按870MPa计。 温度荷载：按系统升降温40考虑。 混凝土收缩：根据DIN4227进行计算。2.2.3 约束及连接参数 钢轨与承轨台间连接弹性垫板的动刚度Cdyn：40000kN/m 轨道板和支承层间连接通过3cmCA砂浆调整层轨道板和支承层间可协同受力。在纵向计算中将支承层按等效刚度的原则换算成轨道板进行计算，相应的轨道板厚度计算值为：h1= 0.196 m 地基支撑刚度： 地基计算高度：h*= 0.83h13E1/E3+ 0.83h23E2/E3= 1.7
38、7mk = E3/h* = 120 / 1.77 = 67.8 MPa/m2.3 纵向计算2.3.1 活载检算纵向计算模型和计算结果分布如图2.3-1、2.3-2所示。图2.3-1 纵向计算模型图图2.3-2 计算结果（弯矩图和支撑反力图）从计算结果（图2.3-2）可以看出，轨道板和底座混凝土板的等效截面承受的最大弯矩为70.3kNm，最大支反力为107.5kN。轨道板弯矩分配系数根据抗弯刚度比确定，为=0.54。轨道板承受的弯矩即为70.30.54=38.0kNm，按轨道板全截面（高0.16m）计算可得边缘混凝土的最大拉压应力为3.5MPa。2.3.2 温度和收缩检算轨道板在纵向是通长的，将
39、轨道板近似认为两端固定的杆件考虑，故在系统温差作用下，混凝土产生的收缩应变为：T=1.010-540=0.4温度引起的应力（对拉为名义应力）为：T=0.43.910415.6MPa考虑自14天收缩变形：t0= 14 ddef= 1.5(2 2.55m0.20m)/(20.20m + 2.55m) = 0.52mks,= 0.78ks,14d = 0.05s,=-32.010-5(0.78 0.05) = -0.23 由温度和收缩引起的拉应变总和为：e总和=T+=0.4 +0.23 = 0.63=630钢筋应力为：总和= 0.63 10-3 210000 = 132MPa 286MPa= 500
40、MPa/1.752.3.3 轨道板连接检算2.3.3.1混凝土受压检算（升温温度+活载组合）总=3.5+15.6=19.1MPaVB=30MPa/19.1MPa=1.572.3.3.2钢筋受拉检算（降温温度+收缩组合）考虑到轨道板的钢筋（620 mm）布置在轨道板的中心，所以不计入活载作用下钢筋受力，仅考虑在降温和混凝土收缩情况下钢筋的应力，如下，钢筋=0.632.1105132.3MPa286MPa=500MPa/1.752.4 横向计算在横向，轨道板简化为0.65m宽轨枕进行计算，模型为两端带悬臂的简支梁。荷载根据慕尼黑工大研究成果确定（轴重300kN，轮重150kN），设计认为该荷载包括
41、了所有可能的荷载组合、动力系数等，研究根据道床形式的不同给出了轨枕底的荷载分布。 图2.4-1 慕尼黑工大关于轨枕横向计算研究结果2.4.1 活载检算活载检算工况及弯矩检算结果分别如图2.4-2、2.4-3所示。图2.4-2 活载检算工况图示LF1LF2LF3图2.4-3 活载检算结果（弯矩图kNm）2.4.2 有效预应力计算根据DIN 4227计算收缩和徐变系数混凝土：B55水泥：Z55平均空气湿度：70%基本收缩值： s= -3210-5基本徐变值：= 2.0kf=1.5施加预应力前的有效混凝土龄期t=1天截面面积：A = 0.65m0.20m = 0.13 m有效结构厚度：U = 0.6
42、5 m def=1.5 (20.13 / 0.65) = 0.60 mt = 1天 ： kf = 0.120 ks = 0.000t = ： kf = 1.325 ks = 0.775Kv = 1.00= 2.0(1.325-0.120) + 0.41.0 = 2.81= -3210-5(0.7750.000) =-24.810-5有效预应力按870MPa取用。2.4.3 组合检算表2.4-1 组合计算结果一览表距离弯矩压应力拉应力XMMaxMMinououmkNmkNmMPaMPaMPaMPa0.350-8.7-7.2-4.14-4.07-0.525-19.7-16.2-6.61-4.13-
43、+0.821.27520.4-0.5-2.28-7.811.84-从表中可以看出，混凝土最大拉应力1.84 MPa，设计认为混凝土可以长久承载此应力。2.5 轨道板移运和存放计算轨道板移运和存放计算简图分别如图2.5-1、2.5-2所示。图2.5-1 移运轨道板计算简图图2.5-2 存放轨道板计算简图静力验算过程如下：纵向计算自重荷载密度g = 0.20 m25.0 kN/m3 = 5.0 kN/m2（在横向每m范围内）M1 = 5.01.40 / 2 = 4.9 kNm/m查表可得kh = 13 /24.9 = 5.9配筋：3.654.9 / 13 = 1.4 cm2/m 2.0 cm2/m
44、横向计算自重+预应力自重引起的支座反力A2：A2=6.45/22.550.20 25.0 = 41.1 kNq = 41.1 kN/2.55 m=16.1 kN/mM2 = 16.11.275 / 2=13.1 kNm弯曲拉应力W =bh2/6 =(0.650.20) / 6 = 0.004333 m3m = 13.10 /0.004333 = 3.02MPa 一根轨枕预应力筋的预应力： NV =-407 kN由预应力产生的预压应力：v=-407 kN / (0.65m0.20m)= -3.13MPa由自重产生的弯矩M2可完全通过预应力抵消。3 桥上无砟轨道系统设计原理3.1 设计特点3.1.1 轨道系统结构构成针对我国高速铁路长桥多、桥梁比例大的特点，结合既有无砟轨道系统的特点，提出了长桥上连续板式无砟轨道结构新方案。该方案与目前德国、日本已建的高速铁路桥上无砟轨道的主要差别在于采用了连续的轨道结构（预制轨道板底座板），放弃了长桥上无砟轨道必须设置断缝并在梁端接缝处断开