高速鐵路路基及軌道工程第三章

第三章、無砟軌道3.1無砟軌道設(shè)計(jì)彈性地基梁，是指擱置在具有一定彈性地基上，各點(diǎn)與地基緊密相貼的梁，如鐵路枕木、鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)梁等。彈性地基梁與普通梁的區(qū)別普通梁式靜定的或有限次超靜定結(jié)構(gòu)；彈性地基梁是無窮多次超靜定結(jié)構(gòu)。普通梁的支座通?？醋鰟傂灾ё?，即只考慮梁的變形；彈性地基梁則必須同時(shí)考慮地基的變形。

彈性地基梁的計(jì)算模型局部彈性地基模型溫克爾假設(shè)：把地基模擬為剛性支座上一系列獨(dú)立的彈簧。缺點(diǎn)：局部彈性地基模型沒有反映地基的變形連續(xù)性，不能全面的反映地基梁的實(shí)際情況。但如果地基的上部為較薄的土層，下部為堅(jiān)硬巖石，這時(shí)將得出比較滿意的結(jié)果。半無限體彈性地基模型彈性地基梁的受力和變形假設(shè)把地基看作一個(gè)均質(zhì)、連續(xù)、彈性的半無限體。優(yōu)點(diǎn)反映了地基的連續(xù)整體性，同時(shí)從幾何上、物理上對(duì)地基進(jìn)行了簡(jiǎn)化。缺點(diǎn)彈性假設(shè)沒有反映土壤的非彈性性質(zhì)；均質(zhì)假設(shè)沒有反映土壤的不均勻性；半無限體的假設(shè)沒有反映地基的分層特點(diǎn)；數(shù)學(xué)處理上比較復(fù)雜。

無砟軌道類型1.整體道床支承塊式整體道床、整體澆注式整體道床及彈性整體道床等；2.彈性支承塊短軌枕式和長(zhǎng)軌枕式；3.長(zhǎng)枕埋入式普通鋼筋長(zhǎng)枕埋入式和預(yù)應(yīng)力鋼筋長(zhǎng)枕埋入式；4.雙塊式軌枕

Rheda2000（武廣客專）和ZüBLIN（鄭西客專）；5.板式軌道普通鋼筋混凝土板式軌道、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板式軌道（日本板式（A型板、框架板式）、博格板式）、防振板式軌道和浮置板軌道等。無砟軌道結(jié)構(gòu)2.1無砟軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)成及要求無砟軌道按結(jié)構(gòu)形式可分為整體結(jié)構(gòu)式和直接支承式。表2.1無砟軌道結(jié)構(gòu)分類

通常情況下，路基上無砟軌道一般由基礎(chǔ)防凍層、支承層、承載層、排水系統(tǒng)、軌道扣件系統(tǒng)以及其他附屬設(shè)施共同構(gòu)成。橋梁和隧道中的無砟軌道直接在結(jié)構(gòu)的混凝土層上鋪設(shè)。

基礎(chǔ)變形要求：1）長(zhǎng)大隧道、特大橋上及地鐵等具有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的地段得到應(yīng)用；2）土質(zhì)路基基礎(chǔ)經(jīng)處理后滿足要求時(shí)可鋪設(shè)，如日本和德國(guó)。減振降噪要求：采用防振板式軌道和浮置板軌道。2.2日本板式軌道

板式軌道是在現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)上以乳化瀝青砂漿（CA砂漿）層支承預(yù)制軌道板的無碴軌道結(jié)構(gòu)型式。日本國(guó)鐵板式軌道研究會(huì)制定了板式軌道須滿足的四個(gè)基本條件：建筑費(fèi)在普通有碴軌道的兩倍以內(nèi)；具有與普通有碴軌道同樣的彈性和足夠的強(qiáng)度；施工方法比較簡(jiǎn)便，鋪板施工日進(jìn)度能達(dá)到200m以上；一旦軌道出現(xiàn)病害，可以進(jìn)行修整。日本無碴軌道始終以板式軌道為主，有較為成功的研發(fā)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，除隧道內(nèi)、橋上等堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上，路基上也使用了板式軌道。圖2-1A型板式軌道結(jié)構(gòu)圖1.軌道板是把來自鋼軌和扣件的輪載均勻地傳遞給CA砂漿墊層，并把軌道縱向荷載和橫向荷載傳遞給混凝土凸形擋臺(tái)的板式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理：CA砂漿層作為彈性墊層，鋼軌和軌道板作為彈性支承的疊合梁；或鋼軌作為梁，軌道板作為平板單元。軌道板外形：承軌槽式（隧道內(nèi)直線地段）和鐵墊板式(高架結(jié)構(gòu)或曲線地段）。軌道板尺寸約為4950mm×2340mm×200mm，板厚為160mm。采用C50級(jí)混凝土，板內(nèi)雙層雙向配置部分預(yù)應(yīng)力鋼筋。板上預(yù)留CA砂漿注入孔，將板定位后，從注入孔注入CA砂漿。2.CA砂漿層即在軌道板與混凝土基床間填充的乳化瀝青水泥砂漿墊層。厚度：一般在40~50mm。作用為軌道提供適當(dāng)?shù)膹椥?；填充軌道板與基床間的縫隙，調(diào)整施工中誤差；運(yùn)營(yíng)期間，可采用補(bǔ)灌砂漿法調(diào)整基礎(chǔ)不均勻沉降。原料組成：水泥、瀝青乳劑、細(xì)砂、膨脹劑和速凝劑。3.混凝土凸形擋臺(tái)即設(shè)置在軌道板兩端的中間，與基床灌注成整體的圓柱形凸出擋塊。通常尺寸400mm（直徑）×200mm（高）。作用傳遞縱橫向荷載給基床，固定軌道板的位置；作為軌道板鋪設(shè)和整正的基準(zhǔn)點(diǎn)。4.混凝土基床（亦稱底座）即現(xiàn)場(chǎng)就地灌注而成的基礎(chǔ)梁或板。通常采用C30鋼筋混凝土。作用改善基礎(chǔ)條件；設(shè)置和調(diào)整曲線超高。2.3我國(guó)板式軌道1.秦沈客運(yùn)專線板式無碴軌道軌道由60kg/m鋼軌、WJ—2型扣件、預(yù)制軌道板、CA砂漿層、鋼筋混凝土底座組成。用于24m梁跨內(nèi)，每線布置5塊軌道板。根據(jù)使用要求的不同，軌道板分為A、B、C三種類型，A型板長(zhǎng)度4.930m，B和C型板長(zhǎng)度4.765m，寬度2.4m，厚度190mm。其中，A型板用于梁跨中部，B型板用于梁跨兩端，C型板用于過渡段。底座為250mm厚的C40鋼筋混凝土，雙層雙向配筋，通過梁體預(yù)埋鋼筋與梁聯(lián)為一體。底座上設(shè)圓柱形凸形擋臺(tái)，半徑250mm，高度250mm。底座沿線路方向上每隔5m設(shè)一構(gòu)造伸縮縫，寬度2cm，用瀝青板填充。底座與軌道板之間設(shè)厚度為50mm的CA砂漿調(diào)整層。圖2-9-1秦沈客運(yùn)專線板式無碴軌道橫斷面圖圖2-9-2秦沈客運(yùn)專線板式無碴軌道平面與側(cè)剖面圖2.CRTSⅠ型板式軌道結(jié)構(gòu)CRTSⅠ型板式無碴軌道包括平板型、框架型和減振型，適用于橋上、隧道內(nèi)和路基區(qū)段，主要由單元軌道板、CAM層、限位凸形擋臺(tái)及底座等組成。圖2-10CRTSⅠ型板式無碴軌道橫斷面圖圖2-11CRTSⅠ型平板式無砟軌道圖2-12CRTSⅠ型框架板式無砟軌道圖2-13非隧道區(qū)間內(nèi)的防震型軌道板軌道部件技術(shù)參數(shù)

鋼軌

U71Mn60kg/m，無孔熱軋新軌，定尺長(zhǎng)100m，焊接成無縫線路；抗拉強(qiáng)度σb=880MPa，屈服強(qiáng)度σs=457MPa。

扣件

WJ-7B型，軌下膠墊靜剛度20-30kN/mm；調(diào)距量±12mm，調(diào)高量30mm。

軌道板

C60級(jí)后張法雙層雙向預(yù)應(yīng)力混凝土平板。采用預(yù)應(yīng)力鋼棒、環(huán)氧樹脂涂層鋼筋、HRB335、HPB235鋼筋和低碳冷拔鋼絲。設(shè)計(jì)荷載，軌道縱向17.5kN.m/m，軌道橫向23.0kN.m/m。分標(biāo)準(zhǔn)板和異型板，每塊板重約6t。CAM調(diào)整層

功能是填充、調(diào)整、承力、傳力。將制備的水泥瀝青砂漿注入砂漿袋成型，標(biāo)準(zhǔn)厚度50mm；彈性模量100-300MPa；抗壓強(qiáng)度≥1.8MPa。

鋼筋混凝土底座強(qiáng)度等級(jí)C40。鋼筋用HRB335、HPB235，不做絕緣處理。分別構(gòu)筑在路基基床表層、橋面和隧道底板上。為防止混凝土因干縮、溫縮產(chǎn)生裂縫底座應(yīng)分段澆筑。分段長(zhǎng)度路基上是每隔4塊軌道板、橋上是每塊板之間、隧道內(nèi)是每隔2塊板設(shè)置一處寬為20mm的伸縮縫。功能是承載和設(shè)置外軌超高。

凸形擋臺(tái)用C40級(jí)混凝土與底座整體灌注，鋼筋用HRB335、HPB235，不做絕緣處理。功能是限制軌道板移位，并作基準(zhǔn)測(cè)標(biāo)。表2-2軌道結(jié)構(gòu)高度（mm）3.CRTSII型板式軌道結(jié)構(gòu)目前主要用在橋上，由縱連軌道板、CAM層、底座及其下設(shè)滑動(dòng)層等組成。圖2-14CRTSⅡ型板式無碴軌道橫斷面圖圖2-15CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)詳圖

軌道部件技術(shù)參數(shù)與功用

扣件擋肩型Vossloh300彈條式，調(diào)整范圍：高低+26mm，-4mm；軌距5mm。彈性墊板靜剛度C靜=22.5±2.5kN/mm，動(dòng)剛度C動(dòng)≤40kN/mm。

軌道板混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，橫向預(yù)應(yīng)力，縱向無預(yù)應(yīng)力；板與板之間通過寬接縫處伸出的縱向鋼筋連接傳遞縱向力。

CAM調(diào)整層標(biāo)準(zhǔn)厚度30mm。

鋼筋混凝土底座強(qiáng)度等級(jí)C30，寬度2950mm，厚度200mm。軌枕埋入式彈性軌道是將木枕、鋼筋混凝土軌枕或其他形式的軌枕埋入現(xiàn)澆的鋼筋混凝土軌道板中形成的軌道結(jié)構(gòu)。3.1德國(guó)鐵路的無砟軌道為適應(yīng)高速行車的需要，德國(guó)一直致力于無碴軌道的研發(fā)與試鋪。初期的板式：1959年，隧道內(nèi)首次試鋪，1967年，厄爾達(dá)車站及班堡—福爾海區(qū)間等地鋪設(shè)了多處板式。中期的長(zhǎng)枕埋入式：1972年在拉達(dá)車站上試鋪了雷達(dá)型長(zhǎng)枕埋入式無碴軌道，該型無碴軌道維修量小、運(yùn)營(yíng)效果良好，被確定為以后發(fā)展的主型軌道。雷達(dá)軌道經(jīng)過數(shù)次結(jié)構(gòu)上的修改與完善，完善為適合于隧道內(nèi)、橋上及土質(zhì)路基上的各種雷達(dá)軌道系列?！?軌枕埋入式無砟軌道雙塊式無砟軌道：發(fā)展至雷達(dá)HST和雷達(dá)2000型的雙頭軌枕，并以雷達(dá)2000型軌道作為主型無碴軌道。意見的柏林-漢諾威和法蘭克福-科隆兩條高速鐵路上鋪設(shè)無碴軌道的長(zhǎng)度分別為70%和100%。3.2我國(guó)埋入式無砟軌道軌道由鋼筋混凝土底座、防水隔離層、鋼筋混凝土道床板、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕、60kg/m鋼軌及WJ-2型扣件組成。1.秦沈客運(yùn)專線沙河特大橋上的埋入式無砟軌道底座為4000×3100mm×250mm的C40級(jí)現(xiàn)澆鋼筋混凝土。道床板為4000×3100mm×300mm的C40級(jí)現(xiàn)澆鋼筋混凝土。道床板與底座間設(shè)厚度1.2mm的防水卷材隔離層。隔離層下設(shè)12mm厚的橡膠墊層。底座通過梁體預(yù)埋連接鋼筋與梁體相連。道床板上設(shè)凸出方柱，限制道床板的縱橫向位移，確保其穩(wěn)定性。底座凹槽的側(cè)立面設(shè)置7mm厚的普通橡膠緩沖墊層。圖2-26-1秦沈線橋上長(zhǎng)枕埋入式無碴軌道—平面及側(cè)立面圖

圖2-26-2秦沈線橋上長(zhǎng)枕埋入式無碴軌道—橫斷面圖

圖2-27隧道及高架橋上長(zhǎng)軌枕埋入式無砟軌道秦沈線橋上長(zhǎng)枕埋入式無碴軌道整體道床是在堅(jiān)硬巖石基礎(chǔ)、隧道抑拱及混凝土橋面上，布設(shè)道床內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，將鋼軌、扣件連同預(yù)制支承塊定位后，現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土道床的軌道結(jié)構(gòu)。多用于普通鐵路和地鐵。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整體性好、施工方便等。缺點(diǎn)：基礎(chǔ)要求較高，軌道彈性和高低、水平調(diào)整只能依靠扣件完成，且病害難以整治和修復(fù)等。分類：（依據(jù)支承塊的不同）

混凝土支承塊式、短木枕式和無支承塊式§4整體道床軌道4.1混凝土支承塊式整體道床支承塊是鋼筋混凝土預(yù)制塊體，強(qiáng)度等級(jí)為C40-50，尺寸約為500mm×200mm×200mm梯形斷面，每塊約40-50kg。支承塊上的承軌槽根據(jù)所采用的扣件類型進(jìn)行設(shè)計(jì)。為使支承塊與道床混凝土能緊密聯(lián)結(jié)，支承塊底面伸出鋼筋，塊底面呈人字坡狀?；炷恋来埠穸燃s為300-400mm，寬度約2.4m，每隔6.25m（洞口）或12.5m（隧道中部）設(shè)伸縮縫。道床一般采用C30級(jí)混凝土。道床內(nèi)鋼筋按構(gòu)造和工程經(jīng)驗(yàn)布設(shè)，通常在道床底部按220mm間距雙向布設(shè)φ14鋼筋或按200mm間距雙向布設(shè)φ10鋼筋，每公里用約22-24噸鋼筋。圖2-34中心水溝支承塊式整體道床

根據(jù)排水溝設(shè)置的位置不同，支承塊式無砟軌道又可分為中心水溝式、單側(cè)溝式和雙側(cè)溝式。圖2-35堅(jiān)實(shí)基巖隧道內(nèi)支承塊式整體道床圖2-36隧道抑拱上支承塊式整體道床4.2其他結(jié)構(gòu)形式的整體道床1.短木枕式整體道床中心水溝短木枕式整體道床是用短木枕代替鋼筋混凝土支承塊，如圖所示。短木枕尺寸約為600×160×220mm。將短木枕埋在道床內(nèi)，設(shè)中心水溝。便于短木枕的更換，道床多為素混凝土。圖2-37短枕木式整體道床結(jié)構(gòu)2.無枕式整體道床（亦稱整體灌注式軌道）無枕式整體道床混凝土強(qiáng)度為C30，施工時(shí)不架設(shè)鋼軌，用施工機(jī)具把聯(lián)結(jié)扣件的玻璃鋼套管按設(shè)計(jì)位置預(yù)埋在道床內(nèi)，上面做成承軌臺(tái)，然后再安裝鋼軌和扣件。優(yōu)點(diǎn)是軌道全部為現(xiàn)澆混凝土，整體性強(qiáng)。缺點(diǎn)是施工繁瑣復(fù)雜，進(jìn)度慢，承軌臺(tái)抹面精度不易保證。圖2-38無枕式整體道床結(jié)構(gòu)3.彈性整體道床在整體道床與結(jié)構(gòu)底座間鋪設(shè)一層30mm左右厚的彈性絕緣材料與塑料油膏混合物或橡膠瀝青混凝土，達(dá)到軌道減振效果軌道結(jié)構(gòu)形式。成都客站曾鋪設(shè)該種軌道，整體道床與底座間鋪設(shè)50mm厚的拆線廢舊輪胎制成的顆粒。4.英國(guó)PACT軌道（PavedConcreteTrack）PACT型軌道是將鋼軌通過彈性墊層直接鋪設(shè)在軌道板上，鋼軌連續(xù)支承在軌道板上的由橡膠制成的長(zhǎng)帶式墊層上的軌道結(jié)構(gòu)。鋪設(shè)時(shí)，先鋪38cm的混凝土層，其上放置長(zhǎng)度為2.5-6.1m的鋼筋網(wǎng)，并把它焊接成200m長(zhǎng)，然后連續(xù)灌注混凝土?！?無砟軌道扣件無砟軌道對(duì)扣件的總體需求無砟軌道無道砟層，軌道彈性和調(diào)整量全部由扣件提供。有減振降噪要求地段，應(yīng)考慮減振降噪對(duì)扣件的要求。無砟軌道對(duì)扣件的具體要求具有較大的軌道幾何形位的調(diào)整能力。軌距、方向、高低等只能通過扣件調(diào)整。具有較大的彈性。橋上扣件，阻力應(yīng)滿足橋梁伸縮和撓曲應(yīng)力對(duì)無縫線路縱向力的影響。絕緣性能良好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維修方便，造價(jià)低。5.1不分開式彈性扣件（或稱一階彈性扣件）通過固定于無砟軌道上的螺旋道釘和扣壓件將鋼軌直接扣壓在承軌槽上的扣件稱為不分開式扣件。軌道彈性和鋼軌高低只依靠軌下層墊調(diào)整，又稱為一階彈性扣件。軌距依靠軌距塊進(jìn)行調(diào)整。1.WJ-8型扣件適用于有擋肩無砟軌道；橫向荷載傳遞：有鋼軌傳給鐵墊板和軌距擋板，最后傳遞至混凝土擋肩。鐵墊板下設(shè)置彈性墊層，提供軌道彈性。調(diào)整量通過彈條和軌下橡膠墊板提供。圖2-44WJ-8型扣件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.日本無砟軌道的不分開式扣件日本僅有直接4型扣件為無砟軌道不分開式扣件扣件采用蛋形彈片為扣壓件，以扣壓件的下肢扣壓鋼軌，擰緊螺母后扣壓件上肢與鋼軌接觸，扣件的彈性良好。鋼軌高低調(diào)整量為10mm，左右調(diào)整量為23mm。圖2-45日本直接4型扣件1-六角頭螺紋道釘；2-墊圈；3-蛋形彈片；4-埋栓；5-楔塊；6-彈性墊板；7-調(diào)整墊板5.2分開式扣件（或稱二階彈性扣件）通過固定于承軌槽上的軌下鐵墊板設(shè)置連接件，并用扣壓件固定鋼軌時(shí)采用的扣件稱為分開式扣件。軌道的彈性和鋼軌調(diào)整量可同時(shí)依靠軌下墊層和板下墊層進(jìn)行調(diào)整，也稱為二階彈性扣件。分開式扣件對(duì)軌道彈性和鋼軌位置的調(diào)整量較大，適應(yīng)較大的施工誤差和不均勻下沉，是無砟軌道扣件發(fā)展的方向。1.TF-Y型扣件TF-Y型扣件結(jié)構(gòu)由楔形軌距塊、T形螺栓、扣壓彈條等組成；適用于50kg/m鋼軌隧道內(nèi)整體道床曲線地段。用楔形軌距塊調(diào)整軌距，最大調(diào)整量為20mm。用調(diào)