严寒地区高速铁路无砟轨道结构选型分析徐 浩，林红松，颜 华，姚 力 (中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031) 摘 要：为指导严寒地区高速铁路无砟轨道结构选型，结合严寒地区高速铁路的工程特点，分析严寒地区对无砟轨道的需求和选型原则。通过介绍我国双块式无砟轨道，CRTSⅠ型、Ⅱ型和Ⅲ型板式无砟轨道的主要特点及应用情况，从严寒地区高速铁路无砟轨道的适应性、施工性、养护维修及经济性等方面进行对比分析。结果表明：严寒地区应优先选用预制轨道板，CRTSⅠ型和Ⅲ型板式轨道具有较好的严寒适应性和耐久性， 但CRTSⅢ型板式轨道的经济性更好，建议严寒地区无砟轨道应优先选用CRTSⅢ型板式无砟轨道。 关键词：严寒地区；无砟轨道；适应性；结构选型；高速铁路  图1 我国主要无砟轨道结构 无砟轨道以其高平顺性、高稳定性、强耐久性等优势，成为世界各国高速铁路、客运专线的发展方向[1-3]。为此，我国从20世纪60年代初开始进行无砟轨道结构研究，通过技术引进、消化吸收、再创新，逐步形成了我国CRTS系列无砟轨道结构[4-5]，包括CRTSⅠ型、CRTSⅡ型双块式无砟轨道，CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道，并对我国无砟轨道结构特点及选型进行了相应分析[6-7]。由于我国地区气候差异较大，在严寒地区铺设无砟轨道结构不可避免。我国哈大、哈齐等客专部分地段当地最低气温达-40 ℃，采用CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，在严寒地区高速铁路无砟轨道应用方面取得了一定积累。尽管在前期对其无砟轨道结构选型进行了相关分析[8-9]，但个别地段出现了水泥乳化沥青砂浆层离缝、轨道板板底脱空等现象。同时，随着我国高速铁路“走出去”的快速发展，铁路设计参数、轨道服役环境更加复杂多样，这对无砟轨道提出了更高的技术要求。目前我国承担设计的俄罗斯莫斯科-喀山高速铁路，全线最低气温达-48 ℃。因此，有必要研究严寒地区无砟轨道结构选型，从而保证列车运营的安全性和舒适性。 本文拟结合严寒地区高速铁路无砟轨道的工程特点，分析严寒地区对无砟轨道的性能要求，通过对比我国CRTS系列无砟轨道的主要技术特点，提出严寒地区无砟轨道结构选型的建议，从而为严寒地区高速铁路无砟轨道结构的选择提供参考。 1 我国无砟轨道主要结构类型及应用情况随着我国高速铁路的大量建设，我国无砟轨道结构主要类型有双块式无砟轨道，CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、Ⅲ型板式无砟轨道结构等。我国主要无砟轨道结构如图1所示[10]。 双块式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨枕、道床板、混凝土底座或支承层组成[11]，广泛应用于我国武广高速铁路、郑西客运专线、兰新高速铁路等。双块式无砟轨道在桥梁地段采用单元结构，路基和隧道地段采用连续结构。双块式无砟轨道的轨枕为工厂预制，道床板、底座板或支承层采用现场浇筑，对桥梁、路基、隧道等线下基础的适应性较好。 CRTSⅠ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨道板、CA砂浆充填层、底座等组成，广泛应用于我国沪宁城际、广珠高速铁路、哈大客运专线、哈齐客运专线等。CRTSⅠ型板式无砟轨道为单元分块式结构，采用凸形挡台限位，轨道板下采用CA砂浆充填层作为调整结构。 CRTSⅡ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨道板、高弹模CA砂浆、底座板或支承层等组成，在我国京津城际、京沪高铁、沪杭客专等高速铁路和客运专线上应用。轨道板相互之间通过纵向螺纹钢筋连接，是一种连续结构。轨道板下仍设有CA砂浆调整层，但起着传递水平荷载的作用。 CRTSⅢ型板式无砟轨道主要由钢轨、扣件、预制轨道板、自密实混凝土、底座或支承层等部分组成，主要应用于我国的盘营客运专线、成灌高速铁路、武汉城市圈城际铁路等。CRTSⅢ型板式无砟轨道为分块式结构，轨道板与板下自密实混凝土通过门型钢筋形成整体结构，轨道板与底座之间通过限位凹槽限位，结构承力和传力路径明确。 2 严寒地区无砟轨道需求分析及选型原则2.1 严寒地区对无砟轨道的需求分析 对于严寒地区，具有气温低，温差大，冬季漫长，冰雪冻融等显著特点，对轨道结构设计、轨道材料的低温适应性、施工及养护维修等均提出了较高的要求。 一是无砟轨道结构受力体系能够适应极端低温、大温差等特殊气候。无砟轨道结构在极端低温或大温差气候条件下具有较好的抗裂性能。 二是无砟轨道的组成材料具有较强的低温适应性。无砟轨道是由有机、无机等多种材料组合而成，要求组成无砟轨道的材料本身能适应极端低温，能保证无砟轨道的使用功能。 三是无砟轨道在严寒气候条件下的施工能满足进度要求。由于施工温度的限制，严寒地区的可施工时间较短，要求无砟轨道结构具有较高的施工效率，能满足施工进度。 四是无砟轨道的维护能够适应严寒气候条件。在冬季漫长，气候寒冷的严寒地区，无砟轨道病害不可避免，严寒气候条件下的可维护是对无砟轨道提出的新要求。 2.2 严寒地区无砟轨道选型原则 针对严寒地区对无砟轨道的要求，严寒地区无砟轨道选型应遵循如下原则。 (1)安全可靠 无砟轨道结构应具有足够的强度，能保证在高速列车的冲击下结构不会发生破坏，并能保持良好的几何状态。 (2)良好的适应性 一方面无砟轨道结构能适应严寒、大温差下的抗裂要求，另一方面无砟轨道的关键材料在极端低温情况下仍具有一定的功能。 (3)耐久性好 无砟轨道结构能满足设计使用寿命的要求，尤其是在长期疲劳荷载作用下，无砟轨道结构及部件工程材料(混凝土、胶垫、砂浆等)在严寒条件下的耐久性满足结构的使用寿命要求。 (4)可修复性 严寒地区冬季漫长，气候寒冷，特殊气候环境引起轨道结构破坏时，无砟轨道应具有较强的可修复性。 (5)良好的施工性能 针对严寒的气候条件，无砟轨道结构应便于组织和施工、制造和施工精度容易保证。 (6)经济合理 无砟轨道结构在满足上述原则的情况下，还应尽可能降低初期投资，减少后期的养护维修费用，使无砟轨道结构在全寿命周期内成本较低，具有较好的经济效益。 3 严寒地区无砟轨道选型分析3.1 无砟轨道的适应性分析 双块式无砟轨道，CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道均在我国的高速铁路或客运专线上应用，因此都能满足高速列车运行的高稳定性、高可靠性和高平顺性的要求。然而严寒地区无砟轨道的适应性除了适应高速列车的运行需求外，主要是严寒的气候条件的适应性。 双块式无砟轨道为现浇结构，在双块式轨枕与道床板之间存在新老混凝土结合面，极易产生裂缝，如图2所示，在严寒地区，由于大温差作用，轨枕与道床板之间更易开裂。路基和隧道地段的双块式无砟轨道为连续结构，且为非预应力结构，连续道床板内的温度应力较大，一旦道床板产生裂缝，在冻融循环与列车荷载作用下，裂缝会加速发展，进而影响结构的耐久性和安全性。尽管路基地段纵连双块式无砟轨道的道床板裂纹可以通过铺设单元道床板结构减小，但由于桁架式轨枕核心专利技术为国外所有，不适合“高铁走出去战略”。  图2 双块式无砟轨道道床板裂缝 CRTSⅠ型板式无砟轨道的轨道板为预应力结构，具有较强的抗裂性。CRTSⅠ型板式无砟轨道为单元式结构，轨道板内温度应力小，因此能减小严寒地区轨道板开裂的概率。但CRTSⅠ型板式无砟轨道的水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)充填层是有机无机复合物，温度对其力学性能影响较大，严寒地区CA砂浆的耐久性问题较为突出[12-13]。 CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板也采用预应力结构，质量容易保证，但轨道板间设有宽接缝，需要现浇混凝土，因此在宽接缝处易出现开裂，如图3所示[14]。作为充填层的水泥乳化沥青砂浆层在严寒地区的耐久性较差，容易出现开裂破损[15]，如图4所示。  图3 CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝开裂  图4 CA砂浆开裂破损 CRTSⅢ型板式无砟轨道的轨道板为单元式的预应力结构，可有效控制严寒条件轨道板的开裂。采用自密实混凝土层取代水泥乳化沥青砂浆层作为充填层材料，并与预制轨道板成为复合结构，改善了预制轨道板的受力条件[16]。同时由于自密实混凝土层与底座板之间设有隔离层，降低了轨道板与充填层离缝的几率。 CRTSⅡ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道结构由于其自身特点，应用在严寒地区容易出现轨道板或道床板开裂，不适于严寒地区使用，且CRTSⅡ型板式无砟轨道和双块式无砟轨道结构尚无在严寒地区应用的实践经验。CRTSⅠ型板式无砟轨道可应用于严寒地区，但必须对其薄弱层CA砂浆充填层进行单独设计。CRTSⅢ型板式无砟轨道由于其抗裂性能和结构受力体系，可适用于严寒地区。 3.2 无砟轨道的施工性能分析 双块式无砟轨道轨枕生产相对容易，制造工艺简单，双块式道床现场浇筑，施工质量受气候条件影响大，混凝土圬工量大，施工进度相对较慢。 CRTSⅠ型板式无砟轨道在工厂预制，现场为组装式施工，施工质量和过程容易控制，施工进度较快，但板式轨道的生产、制造、运输及安装、砂浆灌注需要专业设备，工序相对复杂。 CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板承轨台采用数控机床进行精密打磨，不仅需购置昂贵的机械设备，而且制造工效低、成本高，曲线上轨道板通用差，制造施工较复杂。CRTSⅡ型板式无砟轨道的合拢温度必须严格控制在设计范围内，增大严寒地区的施工难度。 CRTSⅢ型板式无砟轨道在工厂预制，现场为组装施工，施工质量和过程容易控制，施工进度较快。同时由于CRTSⅢ型板式无砟轨道取消了砂浆层，而采用自密实混凝土作为填充层，不需要配备专用施工设备，相比CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅡ型板式无砟轨道，简化了施工工艺，且施工工艺较为成熟，施工效率显著提高。 考虑严寒地区无砟轨道的可施工时间短，要求较高的施工效率，应优选采用预制轨道结构。 3.3 无砟轨道的可维护性分析 双块式无砟轨道的连续道床板现场浇筑，结构一旦损坏，很难修复；双块式单元道床板结构，相对连续道床板结构，可修复性略好。 CRTSⅠ型板式轨道分块铺设，组装式施工，基础发生较大变形时，可通过板下水泥乳化沥青砂浆层和扣件系统方便调整，单元板式无砟轨道的可修复性较强。 CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板纵向连接，结构连续，一旦CRTSⅡ型板式无砟轨道出现病害，需要将纵连轨道板割断，可修复性不强。 CRTSⅢ型板式无砟轨道分块铺设，组装施工，同时在自密实混凝土层与底座板之间设置了隔离层，便于日常养护维修，CRTSⅢ型板式无砟轨道的可修复性较强。 可见，CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅢ型板式无砟轨道的可维护性较好，而双块式无砟轨道和CRTSⅡ型板式无砟轨道的可维护性较差。 3.4 无砟轨道的经济性分析 无砟轨道结构选型必须考虑其综合经济效益，根据文献[12]的资料可知，不同类型无砟轨道结构的造价如表1所示。 表1 不同无砟轨道结构的造价[12] 万元/km  工程类别CRTSⅠ型板式轨道CRTSⅡ型板式轨道CRTSⅢ型板式轨道双块式无砟轨道路基594.1491.4577.0461.2桥梁579.9594.6530.0481.2隧道572.2483.2522.3389.2 注：CRTSⅡ型板式轨道的端刺工程费用需另计，为60万元/处。 从表1可知，尽管双块式无砟轨道的初期造价最低，但考虑后期的养护维修，其全寿命周期成本较高。CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道的初期造价相差不大，但考虑施工、养护维修等，CRTSⅢ型板式无砟轨道的经济性较好。 基于以上分析，不同类型无砟轨道结构的主要特点对比如表2所示。 从我国主要应用的无砟轨道结构的适应性、施工性、可维护性及经济性分析可知，建议严寒地区应优先选择CRTSⅢ型板式无砟轨道。 表2 不同类型无砟轨道结构的主要特点  结构类型双块式CRTSⅠ型板式CRTSⅡ型板式CRTSⅢ型板式安全可靠性安全可靠安全可靠安全可靠安全可靠施工性施工工艺简单,但现浇混凝土量大,施工速度慢采用预制轨道板,施工速度快,但施工工序复杂预制轨道板制造工效低,成本高,且桥梁地段施工复杂采用预制轨道板,简化了施工工艺,施工效率高维护性可修复性差较好较差较好耐久性轨枕与道床板处易产生裂纹轨道板与CA砂浆层间易产生离缝,且受CA砂浆材料性能的影响宽接缝处新老混凝土易产生裂纹,受CA砂浆材料性能的影响吸取了双块式无砟轨道和板式轨道的优点,耐久性好适应性不适于严寒地区适于严寒地区,需对CA砂浆专门设计不适于严寒地区适用于严寒地区经济性较差较好较差较好 4 结论无砟轨道结构由于其本身存在一定的优缺点，通过从严寒地区高速铁路无砟轨道的适应性、施工性、养护维修及经济性等方面综合分析，得到如下结论及建议。 (1)双块式无砟轨道和CRTSⅡ型板式无砟轨道在严寒地区容易出现开裂，影响其耐久性；CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅢ型板式无砟轨道具有较好的严寒适应性。 (2)严寒地区可施工时间短，应优先选用施工效率高的预制轨道结构；同时严寒地区存在大温差、冻融循环作用普遍，应选择可维修性好的无砟轨道。 (3)考虑无砟轨道的初期投资成本、养护维修费用，CRTSⅢ型板式无砟轨道的全寿命周期成本较低。 综上所述，建议严寒地区高速铁路无砟轨道结构应优先选用CRTSⅢ型板式无砟轨道。 参考文献： [1] Esveld C. 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Analysis of Ballastless Track Selection for High-speed Railway in Cold Area XU Hao， LIN Hong-song， YAN Hua， YAO Li (China Railway Eryuan Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu 610031， China) Abstract：In order to guide the ballastless track structure selection for high-speed railway in cold area， the requirements and selection principles of ballastless track in cold area are analyzed in the light of the engineering characteristics of high speed railways in cold area. This paper introduces the applications and technical characteristics of double block ballastless track， CRTSⅠtype， CRTSⅡtype and CTSⅢtype slab track in China and analyzes the adaptability， construction， maintenance and economy of ballastless track. The results show that pre-cast slab should be fist selected for cold area. The CRTSⅠtype and CTSⅢtype slab track have good adaptability and durability， but the CTSⅢtype slab track has better economic efficiency and the CTSⅢtype slab track should be prioritized in cold area． Key words：Cold area; Ballastless track; Adaptability; Structure type selection; HSR 收稿日期：2016-05-12； 修回日期：2016-06-06 基金项目：国家自然科学基金项目(U1434208，U1534203)；四川省科技支撑计划(2016GZ0333) 作者简介：徐 浩(1989—)，男，工程师，工学博士，研究方向为高速重载轨道结构及轨道动力学，E-mail:. xhao0@163.com。 文章编号：1004-2954(2017)02-0005-05 中图分类号：U238； U213.2+44 文献标识码：A DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.02.002 |
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