無砟軌道

無砟軌道

無砟軌道又作無碴軌道,是指採用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒碎石道床的軌道結構統稱為無砟軌道。其軌枕本身是混凝土澆灌而成,而路基也不用碎石鋼軌軌枕直接鋪在混凝土路基上。無砟軌道是當今世界先進的軌道技術,可以減少維護、降低粉塵、美化環境、而且列車時速可以達到300公裏以上。無砟軌道平順性好,穩定性好,使用壽命長,耐久性好,維修工作少,避免了飛濺道砟。

  • 中文名稱
    無砟軌道
  • 外文名稱
    Ballastless track
  • 又稱
    無碴軌道
  • 結構
    採用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒碎石道床的軌道
  • 特點
    軌枕本身是混凝土澆灌而成,而路基也不用碎石,鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上
  • 設計時速
    300km/h~350km/h

​特點

砟(zhǎ),岩石、煤等的碎片。在鐵路上,指作路基用的小塊石頭。傳統的鐵路軌道通常由兩條平行的鋼軌組成,鋼軌固定放在枕木上,之下為小碎石鋪成的路砟。路砟和枕木均起加大受力面、分散火車壓力、幫助鐵軌承重的作用,防止鐵軌因壓強太大而下陷到泥土裏。此外,路砟(小碎石)還有幾個作用:減少噪音、吸熱、減震、增加透水性等。這就是有砟軌道。傳統有碴軌道具有鋪設簡便、綜合造價低廉的特點,但容易變形,維修頻繁,維修費用較大。同時,列車速度受到限製。

無砟軌道

無砟軌道由鐵軌、扣件、單元板組成,起減震、減壓作用。無砟軌道的軌枕本身是混凝土澆灌而成,而路基也不用碎石,鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上。無砟軌道是當今世界先進的軌道技術,可以減少維護、降低粉塵、美化環境,而且列車時速可以達到200公裏以上。

歷程

遂渝鐵路無砟軌道試驗段在進行實車試驗。據成都鐵路局發布的訊息,我國首條無砟鐵路軌道已于1月10日晚完成綜合試驗。試驗結果顯示,動車組時速達到232公裏,其平穩性、舒適度達到優級,測試的各項資料都在安全標準之內。

2004年9月,鐵道部決定在遂(四川遂寧)渝(重慶)鐵路建設我國首條無砟軌道試驗段,正線全長13.16公裏。2007年1月3日,遂渝鐵路無砟軌道試驗段開始綜合試驗。

2008年10月貴廣高鐵開始鋪設。

2009年12月26日武廣鐵路投入運行,該線的無砟軌道會採用從德國睿鐵公司(RAIL.ONE)引進的RHEDA 2000雙塊式無砟軌道技術

京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵、滬寧城際均採用CRTSⅠ或CRTSⅡ型板式無砟軌道技術。

2011年6月30日下午三點 京滬高鐵G1、G2 分別從北京南站和上海虹橋火車站同時出發運行。溫家寶總理乘坐G1。

2012年9月滬昆客專開始鋪設。

計算參數

根據板式無砟軌道結構特點,選取基本計算參數。

板式無砟軌道參數影響分析

為獲得最優的軌道結構,採用有限元梁-板模型研究了主要參數對軌道結構各組成部分力學回響的影響規律。如果沒有特殊說明,荷載作用于板中,CA砂漿彈性模量取300MPa,其它基本參數,計算結果中軌道板或底座彎矩均為每米範圍所受的彎矩值,單位取KN·m/m。

荷載

根據試算,荷載作用于板中和板端兩個位置時軌道結構受力為最不利情況,因此選

取這2種工況進行研究。由表2可知,荷載作用于板中時,軌道板縱向正彎矩、底座縱橫向負彎矩較大;荷載作用于板端時,軌道板縱向負彎 矩、軌道板橫向正負彎矩、CA砂漿最大反力以及底座橫向縱橫向正彎矩較大。設計中,應該綜合考慮這兩種荷載作用工況下的最大值。

扣件剛度

扣件剛度分別採用20KN/mm、40KN/mm、60KN/mm、80KN/mm進行分析。軌道板和底座的彎矩以及CA砂漿最大反力都隨著扣件剛度的增大而增大,但是當扣件剛度大于40KN/mm時,隨著扣件剛度增大,軌道板和底座的彎矩變化趨緩,底座的橫向負彎矩當扣件剛度大于60KN/mm時反而有所減小。

軌道板

軌道板寬度分別採用2.0m、2.2m、2.4m、2.6m、2.8m進行分析。

隨著軌道板寬度的增大,軌道板縱向彎矩逐漸減小;軌道板橫向正彎矩當軌道板寬度小于2.4m時隨軌道板寬度的增大而增大,當軌道板寬度大于2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小;軌道板橫向負彎矩當軌道板寬度 小于2.2m時隨軌道板寬度的增大而減小,當軌道板寬度大于2.2m時隨軌道板寬度的增大而增大;CA砂漿反力當軌道板寬度小于2.4m時隨軌道板寬度的增大而減小,當軌道板寬度大于2.4m時變化不明顯;隨著軌道板寬度的增大,底座縱橫向正彎矩均逐漸減小,縱橫向負彎矩變化不明顯。

軌道板寬度為2.0m時,各別力學指標明顯偏大,說明軌道板不宜太窄,同時可以看到軌道板寬2.2~2.4m是力學指標變化的一個轉捩點,因此結合力學計算及結構設計,從技術經濟角度綜合分析,軌道板寬度取2.2~2.4m是合適的。

CA砂漿

CA砂漿彈性模量分別採用100MPa、300MPa、500MPa、1000MPa進行分析。

隨著CA砂漿彈性模量的增大,軌道板彎矩減小,CA砂漿本身的反力增大,底座彎矩增大,其中軌道板縱向負彎矩和底座縱橫向負彎矩變化不明顯。

當CA砂漿彈性模量大于300MPa時,各力學指標變化趨緩,計算時其最大值可取300MPa,同時考慮CA砂漿彈性模量的離散性和軌道板受力的最不利情況,最小值取100MPa。

地基

地基彈性系數採用K30,分別按50MPa/m、190MPa/m,500MPa/m,1000MPa/m

進行分析。

從表6可知,隨著地基彈性系數增大,除軌道板橫向負彎矩增大外軌道板其它彎矩減小,CA砂漿反力變化不明顯,底座彎矩減小。由此可知,隧道、橋梁地段由于基礎剛度較土質路基大,對軌道結構整體而言受力是有利 的。

列車豎向荷載作用下板式軌道最不利彎矩計算

基本參數取值,同時考慮荷載作用位置以及CA砂漿彈性模量的離散性對計算結果的影響,計算列車豎向荷載作用下板式軌道的最不利彎矩。

在板式軌道力學計算中,荷載作用位置、扣件剛度、軌道板寬度、CA砂漿彈性模量以及地基彈性系數等基本參數的取值是影響計算結果正確與否的主要因素,隻有基本參數合理才能保證計算結果的準確,為結構設計提供依據。

計算列車豎向荷載作用下軌道板和底座的最不利彎矩時,荷載作用位置應分別考慮位于板中及板端兩種工況;CA砂漿彈性模量應考慮離散性,按100MPa和300MPa分別計算。

路基地段地基彈性系數採用K30時取190MPa/m是最不利情況,計算結果較隧道和橋梁地段偏大。

優缺點

優點

RHEDACITY的優點:

簡單、透明的系統結構

完美的軌道定位

與街道建築相融

交叉軌枕的使用確保了軌矩和軌道的幾何精確度

軌道盤採用摩擦鎖定式固定裝置

由于熱量可以充分進入軌道跨距,因此可以消除軌道構架的澆註不足現象。

採用最佳化的軌道系統,設計具有出色的粘合質量,可進行整體式施工

使用預組裝部件確保軌道的彈性

軌道的彈性支撐或持續支撐

去除軌距連線桿

安全性極高、使用壽命長

符合電絕緣要求

具有"邊建設邊投入使用"的能力

缺點

無砟軌道具有高穩定性、少維修、壽命長的優點,並在國外鐵路獲得了廣泛套用,2005年德國出版的《軌道概論》對無砟軌道的缺點做了如下總結:

1)Rheda投資要比有砟軌道多1.5倍以上。科隆一法蘭克福線預算46億歐元,實際費用大約為60億歐元,增加大約30%,如此高的初期投資包括巨大的資本成本。有砟軌道成本為350歐元/

m,無砟軌道最低為500歐元/m,最大為750-1100歐元/m。即使施工方法得到最佳化,建設長度增加,成本系數仍達到1.5-2.0。

無砟軌道相對有砟軌道的經濟效益僅能從有砟軌道需要增加的維修費用計算得到。現有砟軌道的維修在很大程度上實現了機械化和自動化,比手工作業費用要低,並能夠持久地保持軌道幾何狀態;無碴軌道也需要維修,鋼軌打磨工作量相對有砟軌道要增加,隨著無砟軌道使用時間的增加,傷損將增多,經濟效益相對來說將降低,而且無砟軌道的修復工作比較復雜,並需要大量費用和時間,一旦損壞引起長期關閉線路帶來的投入將相當大,也是初期無法計算或預料的。

隧道內的無砟軌道相對有砟軌道具有良好的經濟效益。但橋上和路基上的無砟軌道往往經濟效益差一些,限製基礎的長期沉降需要額外的費用,比有砟軌道要增加2.0~2.5倍。

2)混凝土無碴軌道為剛性承載層,當達到承載強度極限時將產生斷裂,並引起軌道幾何尺寸的突然變化和難以預見的惡化。

3)整體上來說,無砟軌道建設和維修都沒有達到自動化程度。無砟軌道的質量需要高水準的養護措施提供保障。這意味著在施工工序和質量控製方面都要增加額外的費用和時間。建設期間的質量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患,並需要花費高昂的代價進行彌補。

4)無砟軌道作為剛性結構,在後期運營階段僅允許做少量的完善,比如改善軌道幾何狀態,不僅十分困難,而且需要花費高昂代價。

5)無砟軌道不能在粘土深路塹、松軟土路堤或地震區域鋪設。

6)無砟軌道噪聲水準比有碴軌道高5dB,必須採取有效的降噪措施。

7)對脫軌或其他原因導致的嚴重損壞還沒有特別有效的措施,修復代價也十分昂貴。混凝土的養生和硬化需要很長的時間。也就是說,嚴重的事故將導致線路關閉時間比較長,對運輸影響比較大。

8)無砟軌道最嚴重的缺點是改進的可能性受到限製。

9)無砟軌道的另外一個缺點是,在路基上鋪設時,任何情況下都要鋪設防凍層(至少70cm厚)。要延長無砟軌道的壽命周期,水凝性材料層厚度幾乎不能減少。路基處理深度也比有砟軌道深。

10)大部分經濟研究沒有考慮無砟軌道到了壽命周期後高昂的再建費用。既有無砟軌道類型眾多也似乎是個缺點。逐漸採用雙塊式無砟軌道即Ⅰ型雙塊式代替的。

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