無碴軌道相關(guān)工程

無碴軌道相關(guān)工程第1頁/共81頁無碴軌道相關(guān)工程無碴軌道的設計，是鐵道工程設計的一部分。無碴軌道的設計應該與線路的總體規(guī)劃，線路縱斷面、橫斷面設計一起考慮，在設計中充分體現(xiàn)無碴軌道的良好性能。同時，無碴軌道的設計應該是軌道結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)、排水、通信信號、地基基礎(chǔ)、接觸網(wǎng)等的系統(tǒng)設計，而不僅僅是軌道結(jié)構(gòu)的設計。無碴軌道與相關(guān)鐵道工程的過渡，需要考慮剛度的漸近過渡，避免剛度的突變引起跳車現(xiàn)象。本章主要介紹無碴軌道對相關(guān)鐵道工程設計的影響。第2頁/共81頁無碴軌道路基工程列車以100km/h以下速度行駛時，不會產(chǎn)生很高的動應力，當列車速度達到300km/h時，道床承受的動應力可比100km/h時提高50%。無碴軌道的高平順性和少維修等一系列優(yōu)點已被國內(nèi)外的實踐所證實，因而得到了大力的推廣。但是，由于受調(diào)整能力的限制，無碴軌道對沉降變形特別敏感，工后沉降或不均勻沉降過大是導致路基鋪設無碴軌道失敗的主要原因，而地基的不確定性也是潛在的風險。因此，沉降變形的控制和規(guī)避地基地質(zhì)條件的風險是路基上鋪設無碴軌道的關(guān)鍵。第3頁/共81頁列車速度與縱向長度上的豎向允許位移關(guān)系曲線

第4頁/共81頁無碴軌道路基工程不適合鋪設無碴軌道的地質(zhì)條件（德國）1、路基的工后殘余變形量大于扣件允許的運營調(diào)整量減去軌道結(jié)構(gòu)變形校正余量差值的4倍以上，或不能排除該下沉量的路基上，不應鋪設無碴軌道。2、在不能清楚掌握沉陷危險（如地質(zhì)構(gòu)造的活動帶、礦山開采下沉區(qū)等）或可能出現(xiàn)不均勻隆起（如干旱區(qū)的路塹）的路基上，也不應鋪設無碴軌道。3、地下水位較高，對路基的穩(wěn)定和沉降有不良影響時，規(guī)定在地下水位高于鋼軌頂面以下1.5m的地段不應鋪設無碴軌道。第5頁/共81頁無碴軌道路基工程對地基承載力的要求：德國和法國規(guī)范要求，地基的彈性模量Ev2≥45MN/m2時才能施作上面的墊層。日本規(guī)范要求，路塹的地基基數(shù)K30≥110MN/m3，路堤砂質(zhì)土標準貫入基數(shù)N≥20，亞粘土和亞砂土的標準貫入基數(shù)N≥4時，才能施作上面的墊層。第6頁/共81頁無碴軌道路基工程地質(zhì)勘察要求（遂渝線）沿線路布置地質(zhì)勘察橫斷面，間距不大于50m，在過渡段或復雜地段應適當加密并進行縱斷面勘察?？辈鞕M斷面上的地質(zhì)點不應少于3個。地質(zhì)勘察采用綜合勘探技術(shù)。第7頁/共81頁無碴軌道路基工程沉降控制對于調(diào)高量為30mm的扣件，如果允許在施工中調(diào)高＋6mm和－4mm，那么只剩20mm可以調(diào)整，再考慮軌道結(jié)構(gòu)變形要留有5mm的余量，實際留給運營部門的可用于路基沉降調(diào)整的僅為15mm。這是局部調(diào)整的極限。對于20m范圍內(nèi)的情況，德國規(guī)范的規(guī)定可以到20mm。對于更大范圍的均勻沉降，德國的經(jīng)驗是可為扣件運營可調(diào)整范圍的3倍，德國規(guī)范規(guī)定為扣件可調(diào)整范圍的2倍，也就是30mm。過渡段

沉降的逐漸過渡和折角的要求也在于控制不均勻沉降。第8頁/共81頁德國鐵路技術(shù)規(guī)范對軌道精度的要求(包括科隆-萊因/美茵新建線施工控制標準)第9頁/共81頁無碴軌道路基工程日本鐵路對路基沉降的認識1972年:要求路基的固實程度在最大干燥密度的90%以上，路堤的圓錐支承力在500kN/m2以上。1982年:將路堤分為上部路堤和下部路堤，其固實程度用K30表示。其標準為：上部路堤K30≥110MN/m3，下部路堤K30≥70MN/m3，路堤與結(jié)構(gòu)過渡段的級配碎石固實程度K30≥150MN/m3。1997年在路堤材料、施工管理方面，無碴軌道比有碴軌道有更嚴格的規(guī)定。第10頁/共81頁日本鐵路路基沉降限制值標準項目限制值路基撓曲量荷載條件路基撓曲量(m)備注機車荷載L/800L：按照簡支梁的撓曲假設時的假設跨度(m)電動列車內(nèi)燃機車荷載列車速度(km/h)v≤100L/700100<v≤130L/800130<v≤160L/1100新干線荷載L/1600

軌道水平垂直變位列車速度(km/h)錯位(mm)平行移動折角7029/10009/100011027．5/10009/100016025/10006．5/100021024．5/10005．5/100026023．5/10004/1000最終沉降量

第11頁/共81頁無碴軌道路基工程我國《客運專線無碴軌道鐵路設計指南》土質(zhì)地基路基均應進行工后沉降分析。路基工后沉降量、任意路基地段20m長度范圍的不均勻沉降量、沉降差異造成的錯臺和路橋、路隧過渡段或任意兩段路基沉降造成的折角應符合下表的規(guī)定。

第12頁/共81頁工后沉降不均勻沉降差異沉降錯臺折角≤30mm≤20mm/20m≤5mm≤1/1000無碴軌道路基工后沉降控制值第13頁/共81頁無碴軌道路基工程控制方法：1、觀測：無碴軌道路堤填筑后，應對路基沉降進行系統(tǒng)的觀測與分析評估，觀測斷面沿線路方向的間距一般不大于50m，過渡段和地形地質(zhì)條件變化較大的地段應適當加密。在路基完成或施加預壓荷載后應有6～18個月的觀測和調(diào)整期，分析評估沉降穩(wěn)定滿足要求后方可鋪設無碴軌道。第14頁/共81頁無碴軌道路基工程2、評估：數(shù)理統(tǒng)計方法1）測試數(shù)據(jù)和趨勢確定度的檢驗，相關(guān)系數(shù)r2≥0.85時為“優(yōu)”；2）預測穩(wěn)定性檢驗，根據(jù)已有的觀測數(shù)據(jù)和回歸的曲線，推測一定時期（一般為6個月）后的沉降，預測一般在填土完成后經(jīng)3～6個月的測量時間才能建立，當偏差≤8mm時，認為預測的穩(wěn)定性達到了“優(yōu)”。3）預測準確性的要求，當預測的時間滿足條件s(t)/s(t=∞)≥75%時，預測才是準確的。第15頁/共81頁無碴軌道路基工程

基床結(jié)構(gòu)：無碴軌道和有碴軌道的結(jié)構(gòu)不同，其路基的荷載條件也不盡相同。在德國規(guī)范中，相當于有碴軌道的基床部分是從素混凝土承力層算起的。在承力層下要求基床表層有40cm厚的防凍層，頂面為平面，級配碎石采用KG2，滲透系數(shù)kf≥5×10-5m/s。而有碴軌道采用KG1，要求滲透系數(shù)kf≥1×10-6m/s。對于路塹的情況，基床范圍的填料和壓實度是一定要滿足要求的，不滿足時必須換填到規(guī)定的深度。第16頁/共81頁填料KG1和KG2級配曲線

第17頁/共81頁級配碎石基床表層的壓實標準填料表層與無碴軌道的混凝土支承層的總厚度（m）壓實標準備注地基系數(shù)K30（MPa/m）

變形模量Ev2（MPa）動態(tài)變形模量Evd（MPa）孔隙率n

級配碎石≥0.70≥190120≥50＜18%

我國《客運專線無碴軌道鐵路設計指南》第18頁/共81頁

基床底層填料及壓實標準注：1.壓實系數(shù)K為重型擊實標準（以下同）。2.改良土壓實標準：當采用物理方法改良時，應符合本表規(guī)定；當采用化學方法改良時，除符合本表規(guī)定外，還應滿足設計提出的技術(shù)要求。填料壓實標準改良細粒土砂類土及細礫土碎石類及粗礫土A、B組填料及改良土地基系數(shù)K30（MPa/m）≥110≥130≥150變形模量Ev2（MPa）≥60≥60≥60動態(tài)變形模量Evd（MPa）≥35≥35≥35壓實系數(shù)K≥0.95－－孔隙率n－≤28%≤28%

第19頁/共81頁基床以下路堤填料及壓實標準填料壓實標準細粒土改良土砂類土及細礫土碎石類及粗礫土A、B、C組(不含細粒土、粉砂及易風化軟質(zhì)巖塊石土)填料及改良土地基系數(shù)K30MPa/m）≥90≥110≥130變形模量Ev2（MPa）≥45≥45≥45壓實系數(shù)K≥0.92－－孔隙率n－≤31%≤31%注：改良土壓實標準：當采用物理改良方法時，應符合本表規(guī)定；當采用化學改良方法時，除符合本表規(guī)定外，還應滿足設計提出的技術(shù)要求。第20頁/共81頁無碴軌道路基工程路基排水系統(tǒng)排水系統(tǒng)是保證無碴軌道基礎(chǔ)穩(wěn)定性的重要設施，需要特別關(guān)注。無碴軌道排水分為線路整體排水系統(tǒng)和無碴軌道各部分排水系統(tǒng)。第21頁/共81頁德國鐵路路基上無碴軌道標準斷面（含排水系統(tǒng)）

第22頁/共81頁德國紐倫堡—英戈爾施塔特土工結(jié)構(gòu)上的無碴軌道標準斷面

第23頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南路基排水系統(tǒng)，應根據(jù)當?shù)亟邓刻卣?、匯水面積、地形和地質(zhì)條件、地下水狀況進行規(guī)劃和設計。路基排水設備，應與橋涵、隧道、車站等排水設施銜接配合，與水土保持及農(nóng)田水利的綜合利用相結(jié)合第24頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南路基面應結(jié)合無碴軌道結(jié)構(gòu)、電纜槽、接觸網(wǎng)支柱、聲屏障等具體工程作好防水和橫向排水設計。無碴軌道線間排水應根據(jù)線路、氣候條件及對軌道電路的影響等綜合考慮，可采用橫向直排、設置集水井等方式。采用集水井排水時，集水井的位置、排水管的大小及埋設深度應根據(jù)降水量大小和防凍等要求確定，并應采取可靠的措施防止排水管的堵塞和水滲入基床。第25頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南植物防護的路堤坡面應設置匯水緣和橫向排水槽。邊坡采用管架護坡時，宜采用帶截水槽的結(jié)構(gòu)。管架厚度應大于0.6m，間距不宜大于3.0m，并加深管架埋設深度。第26頁/共81頁我國高速鐵路雙線無碴軌道

路基標準橫斷面示意圖

路堤路塹第27頁/共81頁我國高速鐵路單線無碴軌道路基

標準橫斷面示意圖

路堤路塹第28頁/共81頁無碴軌道橋梁工程

主要影響因素：預應力混凝土梁的徐變上拱；梁體兩側(cè)上、下緣不均勻溫差引起的梁體變形；墩、臺基礎(chǔ)的不均勻沉降；梁端轉(zhuǎn)角。只能通過扣件調(diào)整

第29頁/共81頁橋梁的徐變上拱預應力混凝土梁，特別是預應力混凝土簡支梁，梁截面長期處于預應力偏心受壓狀態(tài)，下緣預壓應力大，上緣預應力為零，或存在少量的拉應力，隨著時間的變化，逐漸產(chǎn)生不同的塑性變形，也就是徐變壓縮變形。下緣壓縮最大，向上逐漸減小，故變形后下緣縮短，上緣伸長，因而出現(xiàn)梁體向上拱起，即徐變上拱。第30頁/共81頁橋梁的徐變上拱危害：影響梁上軌面的平整度，對高速行車的安全性和乘坐的舒適性不利

第31頁/共81頁我國既有鐵路橋梁的徐變上拱早期：普遍高，平均6cm津浦線K419大橋津方第3孔32m達13.5cm北京局京秦線沙河大橋38孔32m梁達16.4cm，導致火車緩行，已經(jīng)換梁。第32頁/共81頁鐵科院實測我國32m

梁徐變上拱時程圖(專橋2059）第33頁/共81頁8個橋梁廠的預應力梁上拱統(tǒng)計

第34頁/共81頁國外橋梁徐變上拱控制實例德國高速磁?。簩崪y4年上拱僅為2.5mm日本新干線：高架線：30~40m，張拉后6個月1-3cm德國規(guī)范：有碴軌道：包括徐變上拱、地基沉降及制造公差在內(nèi)，橋面板允許誤差±3cm無碴軌道：徐變上拱限制在L/5000。第35頁/共81頁影響徐變上拱的主要因素與設計有關(guān)的因素：1、橋梁的恒、活載設計彎矩比2、恒載作用下橋梁跨中截面下緣的應力水平第36頁/共81頁各國不同級別鐵路橋梁相應的恒、活載彎矩比和值國家跨度(m)說明日本350.402.312.0～2.1高速鐵路德國231．001.602.0～2.1高速鐵路意大利231．001.602.0～2.1高速鐵路中國300.351.862.0～2.1城市輕軌321．000.871.7～1.9既有鐵路320.801.402.0～2.1高速鐵路

第37頁/共81頁各國高速鐵路預應力混凝土標準簡支梁跨中下緣應力水平國名跨度(m)梁高(m)高跨比活載作用下跨中下緣拉應力(MPa)截面形式撓跨比備注意大利232.55.3箱形——德國4245.2箱形—西班牙242.35.85片式—法國615.7—槽形——日本29.22.655.24片式——34.22.654.86片式——中國秦沈客運專線242.05.4箱形單線有碴軌道242.24.7箱形雙線無碴軌道242.24.4箱形單線無碴軌道322.85.2箱形單線無碴軌道

第38頁/共81頁恒、活載設計彎矩比與徐變上拱的關(guān)系第39頁/共81頁跨撓比與徐變上拱的關(guān)系第40頁/共81頁梁體上下翼緣應力差與徐變上拱的關(guān)系第41頁/共81頁各國橋梁恒、活載設計彎矩比與Ae/W下值

第42頁/共81頁影響徐變上拱的主要因素與施工有關(guān)的因素1、水灰比和水泥用量；水灰比相同，徐變變形隨水泥用量增多而提高水泥相同，徐變變形隨水灰比增大而提高2、骨料的力學性能；骨料對徐變有約束作用，不同巖石骨料混凝土使徐變增大的次序為：石灰?guī)r、石英巖、礫石、花崗巖及砂巖第43頁/共81頁影響徐變上拱的主要因素3、施加預應力時梁體的彈性模量；徐變上拱的大小取決于施加預應力時梁體的彈性上拱量在施加預應力前，檢驗混凝土彈性模量4、施加二期恒載的時間間隔。間隔時間越長，二期恒載影響越小第44頁/共81頁徐變上拱的限值與控制

當要求嚴格控制結(jié)構(gòu)的徐變變形時，恒載作用下，混凝土應力不宜大于0.4倍的混凝土軸心抗壓強度，并應分階段按相應的混凝土齡期計算混凝土的徐變變形，必要時尚應考慮水泥種類和養(yǎng)護溫度的影響第45頁/共81頁徐變上拱的控制設計措施：1、適當增加梁高，提高梁的剛度，以降低預應力水平2、采用部分預應力設計第46頁/共81頁徐變上拱的控制施工措施：1、在滿足混凝土強度與和易性條件下，盡可能采用較低的水泥用量和水灰比2、混凝土骨料，強調(diào)選用彈性模量較高的巖石和適當級配3、在施加梁體預應力前，除檢驗混凝土強度外，應同時檢查混凝土的彈性模量；4、延長施加二期恒載的時間間隔第47頁/共81頁無碴軌道橋梁工程梁端轉(zhuǎn)角產(chǎn)生原因：橋梁在列車荷載作用下產(chǎn)生梁端轉(zhuǎn)角。限制：上抬力不應超過鋼軌的扣壓力，以避免鋼軌與墊板間脫空；下壓使墊板所受的壓應力應在材料疲勞允許應力范圍；檢算軌道板產(chǎn)生上抬的穩(wěn)定系數(shù)不小于1.3；橋梁設計應嚴格控制梁端轉(zhuǎn)角；盡量減小梁端懸出長度。第48頁/共81頁梁端轉(zhuǎn)角對無碴軌道鋼軌支點受力的影響第49頁/共81頁無碴軌道橋梁工程橋上無縫線路縱向力傳遞橋上無碴軌道與橋間的縱向位移阻力要大于有碴軌道?？紤]橋上無縫線路與橋梁相互作用的影響，使傳遞到橋梁墩、臺的縱向力適當減小，橋上無碴軌道應采用小阻力扣件。第50頁/共81頁

無碴軌道橋面防排水系統(tǒng)示意圖第51頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南

梁體豎向變形的限值應符合下列規(guī)定：1梁部結(jié)構(gòu)在ZK活載靜力作用下，梁端豎向轉(zhuǎn)角不應大于1‰；由于梁端轉(zhuǎn)角導致道床板上抬的穩(wěn)定安全系數(shù)不應小于1.3。2L≤50m預應力混凝土簡支結(jié)構(gòu)在無碴軌道鋪設后的徐變上拱度不應大于10mm；L>50m時，無碴軌道鋪設后的徐變上拱度不應大于L/5000，且不得大于20mm。第52頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南3

高墩橋梁、大跨度橋梁應考慮結(jié)構(gòu)長期變形對無碴軌道平順性的影響。必要時，應把扣件無法調(diào)整的長期變形（上拱或下?lián)希┳鳛檐壍栏郊硬黄巾樳M行車橋耦合分析檢算。對于等跨布置的簡支梁長橋，尚應考慮梁端變形引起的鋼軌局部隆起對列車舒適性、安全性的不利影響。第53頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南4梁縫兩側(cè)的鋼軌支點豎向相對位移不應大于1mm。設有縱向坡度的橋梁應考慮由于活動支座縱向水平位移引起的梁縫兩側(cè)鋼軌支點間的相對豎向位移。第54頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南梁體橫向變形的限值應符合下列規(guī)定：1梁縫兩側(cè)的鋼軌支點橫向相對位移不應大于1mm。2對于高墩橋梁、大跨橋梁，尚應考慮日照、溫差等因素對結(jié)構(gòu)橫向變形的影響。必要時，應將這種變形作為附加軌道不平順進行車橋耦合分析計算。第55頁/共81頁客運專線無碴軌道鐵路設計指南由于結(jié)構(gòu)各種變形引起的梁縫兩側(cè)或梁體與路基兩側(cè)扣件的附加上拔力和彈性墊板附加壓應力不應超過規(guī)定的限值。墩臺基礎(chǔ)的沉降量按恒載計算，其工后沉降量應符合下列規(guī)定：墩臺均勻沉降量≤20mm；相鄰墩臺沉降量之差≤5mm第56頁/共81頁無碴軌道過渡段

原則：剛度漸進過渡類型：1、軌道間過渡：加過渡軌、加硬泡沫板

2、基礎(chǔ)間過渡：3、軌道間+基礎(chǔ)間第57頁/共81頁秦沈客運專線有碴軌道與無碴軌道間的過渡輔助軌

第58頁/共81頁路基上博格板式軌道與有碴軌道過段設置第59頁/共81頁德國鐵路長橋過渡段第60頁/共81頁韓國路隧過渡段第61頁/共81頁路橋過渡段（客運專線無碴軌道鐵路設計指南）正梯形部分：水泥穩(wěn)定級配碎石（摻3～5%水泥）倒梯形的過渡段：采用A、B組填料。過渡段總長度不小于4倍橋臺后路堤高度，且不得小于20m。過渡段范圍內(nèi)的基床表層：級配碎石摻3～5%水泥。第62頁/共81頁路堤與橫向結(jié)構(gòu)物連接處過渡段設置第63頁/共81頁路堤與路塹過渡段路堤與路塹連接處應設置過渡段。路堤與硬質(zhì)巖路塹連接處過渡段采用水泥穩(wěn)定級配碎石（摻加3～5%水泥）填筑；路堤與土質(zhì)及軟質(zhì)巖路塹連接處采用臺階方式過渡并回填與路堤相同的填料，壓實標準應符合規(guī)定。臺階頂部應設置橫向排水盲溝。過渡段范圍內(nèi)的基床表層級配碎石摻3～5%水泥。客運專線無碴軌道鐵路設計指南第64頁/共81頁半填半挖過渡段半填半挖路基在靠山側(cè)根據(jù)巖層情況換填1.0～2.3m。過渡段的設置類似于路堤路塹過渡段，硬質(zhì)巖半填半挖過渡段采用水泥穩(wěn)定級配碎石（摻3～5%水泥）填筑；土質(zhì)及軟質(zhì)巖路塹連接處過渡段采用臺階方式過渡并回填與路堤相同的填料，壓實標準應符合規(guī)定。土質(zhì)及軟質(zhì)巖半填半挖路基橫斷面示意圖

第65頁/共81頁硬質(zhì)巖半填半挖路基橫斷面示意圖第66頁/共81頁無碴軌道過渡段道岔區(qū)過渡：道岔區(qū)與區(qū)間無碴軌道過渡的主要問題在于降低道岔區(qū)基礎(chǔ)剛度，較好的方法是采用硫化彈性基板，在道岔區(qū)分別設置不同剛度的高彈性基板是解決道岔區(qū)減振、限位的良好途徑。第67頁/共81頁無碴軌道軌道電路

無碴軌道對諧振式軌道電路的影響：1、影響諧振式軌道電路的傳輸特性2、衰耗量仍比有碴軌道情況下大得多。3、電氣絕緣節(jié)的分流損比有碴軌道大。4、電路傳輸長度短原因：鋼筋網(wǎng)與軌道電路存在磁感應標準：無碴軌道的道床漏泄電阻不得低于2.0Ω·km；鋼軌阻抗的電感偏差不大于-5%，交流有效電阻偏差不大于+15%。

第68頁/共81頁

軌道電路鋼軌阻抗值頻率（Hz）1700200023002600有效電阻不大于（Ω/km）1.351.501.651.79電感不小于（mH/km）1.251.241.241.23當采用軌道電路時，無碴軌道應采取相應措施，使軌道電路鋼軌阻抗值符合表規(guī)定。

第69頁/共81頁無碴軌道軌道電路改進的主要技術(shù)措施：鋼筋結(jié)構(gòu)做絕緣化處理，盡量減少或消除無碴軌道鋼筋結(jié)構(gòu)中縱向鋼筋和橫向鋼筋所構(gòu)成的閉合回路。其它措施：增加軌下至鐵墊板間的橡膠墊板厚度及在彈條與鋼軌之間加設尼龍軌距塊

第70頁/共81頁縱向鋼筋每10m做一次隔斷第71頁/共81頁橫向鋼筋與縱向鋼筋絕