漲知識:高速鐵路無砟軌道的結構、分類、應用及優缺點分析

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無砟軌道

無砟軌道(nonballasted-track)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,又稱作無碴軌道。

砟,就是岩石、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、幫助鋼軌承重的作用,防止鐵軌因壓強太大而下陷到泥土裡。此外,路砟還有幾個作用:減少噪音、吸熱、減震、增加透水性等,這就是有砟軌道(下次我們會詳細介紹,今天先不展開說)。

無砟軌道由鋼軌、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,鋼軌、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,比較舒適而且列車時速可以達到500公里以上。

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我國的無砟軌道結構形式主要有長枕埋入式無砟軌道、板式無砟軌道、彈性支承塊式無砟軌道。

無砟軌道對鋼軌的要求

1)具有較高的強度和承載能力,在車輛荷載及其他荷載作用下,不會發生傷損和破壞;

2)具有良好的抗磨耗性能,在車輛荷載長期作用下,能保持良好的斷面形狀,維持輪軌良好的接觸狀態;

3)具有良好的韌性,適應較高的動力作用,獲得較長的疲勞壽命;

4)具有良好的焊接性能,以便採用無縫線路;

5)具有良好的道岔機加工性能,已獲得良好的道岔質量;

6)化學成分便於熱處理,以提高鋼軌的強韌性;

7)嚴格的尺寸公差及高平直度,保持軌道結構高精度和平順性。

無砟軌道對扣件的要求

1)合理、均衡、穩定的彈性;

2)足夠的調高能力;

3)足夠的縱向節點阻力;

4)足夠的絕緣電阻;

5)方便施工

無砟軌道的分類

目前,國內客運專線鐵路無砟軌道技術大部分從國外引進,軌道結構形式可分為五大類。

一、CRTSⅠ型板式無砟軌道(日本板)

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二、CRTSⅡ型板式無砟軌道(德國博格板)

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三、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道(德國RHEDA2000型)

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四、CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道(德國旭普林型)

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五、以及CRTSⅢ型板式無砟軌道(國產化研發)。

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CRTSⅢ型板式無砟軌道採用路橋隧軌道結構單元、軌道板與自密實混凝土形成複合板結構、利用可調模板進行軌道結構幾何形位控制等先進技術。

CRTSⅢ型板式無砟軌道經過成灌鐵路、武漢城市圈城際鐵路、鄭徐客運專線等項目工程實踐的檢驗,證明了其是一種高安全性、高耐久性、可維修性好的軌道結構。目前,CRTSⅢ型板式無砟軌道已經成為我國新建高速鐵路的主要無砟軌道結構類型。

另外一方面,在總結國外引進無砟軌道結構優缺點的基礎上,國外高速鐵路採用的主要無砟軌道結構(即CRTSⅡ型板式無砟軌道、雙塊式無砟軌道和CRTSⅠ型板式無砟軌道等),在我國均形成了自主知識產權,運用於各大高鐵線路上。

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無砟軌道的優點

1、維修費用低

根據德國高速鐵路的資料,當行車速度為250~ 300km/h時,其線路維修費用約為行車速度為160 ~200 km/h時的2倍;速度為250~300km/h時,通過總重達3億噸後道砟就需全部更換,而在160~200km/h時,通過總重則可達10億噸。日本對高速鐵路橋上的有砟軌道與無砟軌道維修費用進行的統計分析表明,有砟軌道的線路維修費用比無砟軌道高111%,也就是說有砟軌道的維修費用相當於無砟軌道的2倍多。鑑於這一情況,許多專家認為,從經濟角度和維修管理角度看,高速鐵路應採用無砟軌道。特別是在橋隧結構上,由於無砟軌道減少了二期恆載和建築高度,採用無砟軌道更為有利。

2、線路穩定、平順,有利於鋪設無縫線路和高速行車。

3、維修工作量少。

4、堅固耐久、整潔美觀,使用壽命長(60年以上)。

5、橫向阻力提高(有砟軌道為12KN/枕,無砟軌道為25 KN/枕),可或得高運營安全性。

6、在隧道、地鐵中減少開挖面積。

7、結構高度低,自重輕,可降低隧道淨空,減少橋樑二期恆載。

無砟軌道的缺點

1、投資問題。無砟軌道的初期投入比有砟軌道高得多,在優化施工方法與建設量增大情況下,無砟軌道的成本系數仍為有砟軌道的1.5~2.0。隨著運營時間的延長,無砟軌道鋼軌打磨工作量比有砟軌道大、修復工作比較複雜等都會增加投入,這些投人在初期無法計算。

2、混凝土無砟軌道為剛性承載層,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變或出現難以預料的惡化狀況。作為剛性結構,在後期運營階段允許作少量補修,如調整軌道幾何狀態,不僅十分困難,而風險需要花費高昂代價。

3、無砟軌道的建設和維修都遠未達到自動化程度,無砟軌道的質量需要高水平的養護措施提供保障,這意味著在施工工序和質量控制方面都要增加額外的費用和時間。建立期間的質量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患,並需要花高昂的代價進行彌補。而有砟軌道維修的大型養路機械作業精度越來越高、作業質量越來越好、保持軌道幾何狀態的週期延長,這些都會增強有砟軌道的競爭力。

4、無砟軌道不能在粘土深路塹、鬆軟土路堤或地震區域鋪設。

5、無砟軌道噪聲水平比有砟軌道高約5dB,必須採取有效的降噪措施。

6、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,而且一旦發生問題,修復時間很長。

7、在路基上鋪設無砟軌道時,在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週期,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。

無砟軌道在各國的應用

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無砟軌道在高速鐵路上的應用始於1971年日本山陽新幹線,其後在日本獲得迅速發展,並得到廣泛應用,20世紀80年代以來修建的新幹線,無砟軌道比例都在85%以上。

但是,應當看到,日本新幹線橋隧比例比較大,截至2004年,在路基上無砟軌道鋪設長度僅有90km,佔無砟軌道鋪設總長度的3%左右。

德國雖然無砟軌道結構類型很多,但在高速鐵路上的實際鋪設長度只有248km,且從1998年起在高速線上大量應用至今還沒有20年時間。

不過,德國無砟軌道主要鋪設在路基上,其經驗對全面發展無砟軌道具有重要意義。

總體上來說,無砟軌道因其穩定性好、維修工作量少和使用壽命長的優點,得到了發展高速鐵路國家和地區的關注。

其中,法國除在英吉利海峽隧道內全部採用無砟軌道外,還在TGV地中海線靠近馬賽的一個隧道內進行無砟軌道試驗,運行速度達到240km/h。

中國臺灣高速鐵路,原設計無砟軌道比例為45%,後全部改為無砟軌道。

荷蘭高速鐵路新建線路,針對軟土問題設計了板—樁結構,也積極採用無砟軌道。

西班牙、意大利、韓國、比利時等高速鐵路都進行了無砟軌道試驗與試鋪。

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