高速铁路轨道结构的发展趋势

高速铁路轨道结构的发展趋势

张磊

中国铁路青藏集团有限公司西宁工务段青海省西宁市810000

摘要：高速铁路的轨道必然比普通线路具有更高的安全性、可靠性和平顺性，为保证轨道结构的这些要求，轨道各部件的力学性能、使用性能和组成为结构的整体性能都比普通轨道部件高得多。本文主要围绕高速铁路轨道结构的发展趋势方面进行分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

关键词：高速铁路；轨道结构；发展趋势

引言：高速铁路涉及的面广，难度大。作为铁路基础设施的铁道工程部分，在高速铁路的建设中占着极其重要的地位，因为线、桥、隧的质量状况直接制约着列车的运行速度、安全和舒适度。新型无碴轨道的结构形式以其技术先进、质量可靠、使用寿命长、无维修或少维修等优势，越来越多地为高速铁路的设计者所接受，无碴轨道将成为高速铁路轨道结构形式的主流。

一、高速铁路轨道结构等级内容简析

（一）结构等级

铁路轨道结构等级与运输条件密切相关。在铁路运输发展的初期，速度、轴重、密度都处于较低水平，对轨道结构的要求以可靠性为主，等级划分则以年通过总质量为主，兼顾列车速度的要求。近年来发展的客运专线和重载铁路，对轨道结构提出了不同侧重的要求。客运专线以旅客运输为主，除要求极高的安全性和可靠性以外，对旅客的舒适度提出了很高的要求。在轨道结构方面，则除了传统轨道不允许存在的长波不平顺以外，还对短波不平顺作出了严格的限制。

（二）轨道结构类型

有碴轨道是铁路的传统结构。它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点。但随着行车速度的提高，其缺点也逐渐显现。首先，由于有碴轨道不均匀下沉产生的120Hz以下频率范围的激振严重，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。根据德国高速铁路的资料，当行车速度为250-300km/h时，其线路维修费用约为行车速度为160-200km/h时的2倍；速度为250-300km/h时，通过总重达3亿吨后道碴就需全部更换，而在160~200km/h时，通过总重则可达10亿吨。日本对高速铁路桥上的有碴轨道与无碴轨道维修费用进行的统计分析表明，有碴轨道的线路维修费用比无碴轨道高111%，也就是说有碴轨道的维修费用相当于无碴轨道的2倍多。基于这一情况，许多专家认为，从经济角度和维修管理角度看，高速铁路应采用无碴轨道。特别是在桥隧结构上，由于无碴轨道减少了二期恒载和建筑高度，采用无碴轨道更为有利。除此以外，无碴轨道还具有使用寿命长、线路状况良好、不易胀轨跑道、高速行车时不会有石碴飞溅等优点，因此无碴轨道在国外高速铁路上获得了越来越广泛的应用，其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区，无碴轨道结构在高速铁路上的大量铺设已成为发展趋势。

二、对有碴、无碴轨道结构形式的技术分析和经济比较

有碴轨道结构历史悠久，在长期的应用中，人们积累了丰富的施工和养护经验，轨道本身又有弹性好的优点，加之铺设费用低，维修容易，所以人们认为它是比较经济的结构形式。然而，随着铁路行车速度的提高，对线路的要求也越来越高，特别是列车动荷载的增加，对道床的稳定性、线路的平顺程度的要求更高，这样，容易变形的有碴道床就难以适应了，为了满足使用要求，就必须加大养护维修的频率和工作量，稍一不慎就可能造成行车中断，维修费用则因此而大幅度提高，导致铁路运输经济效益下降。针对上述问题，日本国铁根据日本人工费用较贵的特点，率先设计了无维修或少维修的板式轨道，并在几条主要干线上大量使用，20多年来，取得了丰富的经验和理想的效果。德国也存在劳力较贵的问题，因此，德国铁路公司也紧锣密鼓地抓紧新型无碴轨道的研究及试用，也取得了较大的成绩，并已开始在高速线上使用。

三、高速铁路无碴轨道结构需要研究发展问题

（一）无碴轨道选型及结构设计优化

根据国外经验，无碴轨道结构形式一般都基于室内模型试验、小规模试验铺设、至少5年以上的运营考验和技术经济评估后确定。结构形式的选择在确保高速列车运行安全和舒适性的同时，必须考虑规模铺设后的经济性。鉴于不同轨道结构直接影响路基、桥梁、信号、接触网等系统工程设计，应对不同无碴轨道结构选型及结构设计进行系统研究（如轨道结构刚度的合理匹配、无碴轨道结构与信号系统适应性研究、不同无碴轨道结构减振降噪研究及无碴轨道扣件系统研制等），以便为形成我国无碴轨道技术标准积累经验。

（二）道岔区无碴轨道设计

道岔区无碴轨道涉及多组高速道岔，其关键技术包括：高速道岔结构设计、与道岔结构相应的无碴道床设计、道岔区扣件系统设计及信号系统设备安装等。目前，我国客运专线用道岔正处于研制或引进阶段，应结合有关高速道岔研制（引进）工作，针对岔区无碴轨道关键技术开展中外联合设计，一并解决道岔区无碴轨道问题。

（三）无碴轨道对线下基础技术要求研究

高速铁路对轨道高平顺性的要求给铺设无碴轨道的线下基础设计带来了许多新的课题，如预应力混凝土桥梁的徐变上拱、荷载作用下的梁端转角（桥间过渡）、墩台基础的不均匀沉降、梁体上下缘不均匀温差、隧道合理的衬砌结构、隧道基底承载力、土质路基地质勘察和沉降控制以及不同结构物和不同轨道结构间过渡段设计等，应结合无碴轨道选型和结构设计优化工作，以系统工程的理念，对不同线下基础设计技术要求及控制措施进行深入研究。

（四）稳定的轨道结构

铁路轨道结构是连续的长大工程结构物，在客、货混运的条件下，既要保证客车较高运行速度对轨道高平顺性的要求，同时又要满足货车较大轴重对轨道重型化的要求，而货车较大轴重又时刻破坏着轨道的平顺性，威胁着客车的安全。寻求这样一个平衡点，对轨道结构而言，就是结构和部件的强化和优化。在高速客运专线条件下，轨道结构的设备和材质都有了比较大的加强，轨道各部件的静力强度已不是对轨道整体结构承载能力起控制作用的因素。但是，高速铁路轨道在不稳定重复荷载作用下，其承载能力却不一定能满足高速行车的要求，它的破坏形式主要表现为在列车荷载反复作用下，轨道各部件的疲劳折损、轨道整体结构残余变形积累超限。

（五）平顺的运行表面

为保证高速行车的需要，轨道必须为列车提供平顺的运行表面。轨道的不平顺从结构上大约可以分为3种类型，即结构不平顺、附加不平顺和动态不平顺；从波长区分则有长波不平顺和短波不平顺。结构不平顺是指由于轨道结构及部件固有的不平顺，如钢轨表面由于轧制工艺造成的钢轨垂向弯曲、焊缝凸凹不平、轨道铺设和整道时形成的不平顺；附加不平顺是指在运行过程中由于各种原因形成的不平顺，如钢轨表面不均匀磨耗、钢轨踏面剥离掉块、有碴轨道因道碴飞溅在轨面辗压形成的轨面伤损、钢轨弹性垫层破损等；动态不平顺是指在列车运行中产生的不平顺。动态不平顺一般有2种情况：一种是轨道弹性不匀和荷载波动，轮轨接触点轨迹呈波浪形；另一种是存在暗坑掉板和道床不均匀的弹性下沉。这2种不平顺只有在动态情况下才会表现出来，这种动态不平顺增大了列车运行中的冲击和振动[2]。

结论

简而言之，随着时代的不断发展以及其他先进国家对高速铁路轨道结构的诸多研究表明，开发无碴轨道结构形式是十分必要的。为此，文章主要围绕该方面进行了详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。

参考文献：

[1]铁道第三勘察设计院.京沪高速铁路可行性研究[R]，2016.

[2]胡叙洪.高速铁路总体设计体会[J].铁道标准设计，2015（1）.