高铁的轨道下为什么没碎石?原因在这儿!

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  出品| 网易新闻

  作者| 王麟,科普作家、铁路工程师

  高速铁路是中国制造最闪亮的名片之一,在乘坐高铁时不知你是否注意过,高铁的铁轨和普通火车列车的铁轨有什么不同?没错,普通火车列车的轨道分布着无数碎石子,而高铁轨道则没有,如下图所示。那这究竟是为什么呢?

  

  (一)铁路轨道有没有“石子”,是门学问

  砟(zhǎ),是岩石、煤等的碎片,在铁路上,指作路基用的小块石头,通俗地讲,有石子的是有砟轨道,没有的就是无砟轨道。

  传统铁路,通常是两条平行的钢轨固定在枕木上,下面铺上小碎石作为路砟。

  那么问题又双叒叕来了——为什么普通铁路用的是有砟轨道,而高速铁路要采用无砟轨道呢?

  首先,有砟轨道属于弹性结构,枕木与钢轨通过扣件连接成轨排,架在碎石铺设的道床之上,通过道床碎石的摩擦力可以保证轨道的稳定,也可以帮助钢轨承重,防止铁轨因压力太大而陷到泥土里。

  当然,这些小碎石还能减噪、吸热、减震、增加透水性......

  有砟轨道铺设简单,比如你经常能看到这样的轨道拍摄出来的文艺的照片~

  

  综合来讲,它造价低廉,也方便维修。

  不过,有砟轨道的不足也显而易见。

  1、维修频繁

  在有砟轨道上,列车的动荷载会造成道砟位移棱角磨损,致使钢轨轨面空间位置发生变化,所以要定期维修。

  2、容易下陷

  道砟的磨损会造成道床密实度下降,石粉含量增大(嗯,就是“灰”大),致使道床板结和弹性下降。

  3、车速受限

  列车速度也会受到限制,所以,火车速度提高之后,车轮高速旋转会产生列车风,严重的时候会卷起碎石,击伤行人甚至损坏建筑物和沿线的铁路设备。

  

  (有砟轨道)

  从技术层面讲,有砟轨道在普速、重载与高铁上均能采用,只不过在实际操作过程中,有砟轨道一般是用在时速250km/h以下的铁路上的,因为一旦火车提速,对轨道的平顺性要求就更加严格,而有砟轨道弹性大,很难满足这些苛刻要求,于是就需要研制更加先进稳定的刚性轨道形式。

  (二)无砟轨道——整体混凝土结构是“精髓”

  要保障铁路高速、平稳、安全地运营,无砟轨道成为了一种理性的选择。

  德国、日本等国家的高速线路都以无砟轨道为主,日本新建铁路的无砟轨道铺轨里程已超过80%,德国新建高速铁路的无砟轨道也占据了线路总长的70%以上。所以,中国新建时速300公里以上的高铁客运专列时,基本全部采用板式无砟轨道。

  无砟轨道说白了就是没有了石子,它是用整体混凝土结构代替轨枕和碎石道床的结构,钢轨直接铺在钢筋混凝土板上,通过高强度的弹条扣件与轨道板衔接,将它们“扣”在一起,这样就可以减少维修次数,使用寿命长达60年。

  

  (无砟轨道)

  (三)无砟轨道其实并不“新鲜”

  无砟轨道其实很早就出现了,早在1840年的英国大西铁路上就开始使用。在漫长的历史沿革中,无砟轨道家族先后出现过连续钢筋混凝土轨道、预应力钢筋混凝土轨道、梯形轨道、连续纵向支撑轨道、内嵌式板式轨道等多种类型。

  德国在1959年便开始了无砟轨道的研究,首先在希尔赛德车站试铺了3种轨道结构,1977年又在慕尼黑试验线试铺6种。日本在1968年开始研发RA型板式轨道并大规模推广应用。英国从1969年开始研发无砟轨道,1973年开始推广应用,主要品牌是整体浇筑式PACT无砟轨道,法国研发的产品主要是弹性支撑块式无砟轨道。

  

  (日本RA型板式轨道)

  中国早在1965年就在长大山岭隧道内大量试用混凝土整体道床,主要有支承块式、短木枕式等,20世纪80年代又被有砟轨道取而代之。到了90年代,针对高速铁路,工程师们提出了板式等无砟轨道结构型式,并进行试铺试验。

  2004年,中国在遂渝线开展了成区段的无砟轨道综合试验,研究解决不同类型无砟轨道结构、扣件、道岔、施工工艺、等关键技术问题,取得了可喜的科研成果。从2006年开始引进消化吸收再创新德日等国外先进的无砟轨道技术,经过十多年的研发,逐渐形成了具有自主知识产权的CRTS无砟轨道系列品牌。

  (四)“中国品牌”的无砟轨道

  中国的无砟轨道可以按照“地段”进行区分,比如在高铁正线使用的是CRTS系列板式无砟轨道;在道岔区呢,就用岔枕埋入式无砟轨道;进入了车站站线,就有双块式无砟轨道(国内早期客专正线也采用双块式无砟轨道,比如郑西客专)。

  

  (高铁道岔区)

  如果按结构来分,中国的无砟轨道一般可分为纵连式和单元式轨道板结构,比如CRTSⅡ型板式、路基隧道地段双块式无砟轨道为纵连式轨道板结构;而CRTSⅠ型和CRTS Ⅲ型板式无砟轨道、桥梁地段的双块式无砟轨道均为单元式轨道板结构。

  

  (双块式无砟轨道)

  单元式VS纵连式

  无砟轨道单元式结构受温度影响较小,一般轨道板长度为5~ 7米,底座为15 ~20米,轨道结构裂缝控制相对较好。

  而对于纵连式结构,受温度影响较大,设计时温度荷载是它的主要荷载,它的结构整体性相对较好,需要解决单元轨道板间连接、连续结构端部纵向限位等关键设计,不过它后期出现“病害”可能性相对较大。

  CRTS Ⅰ——施工简单,却不适合“规模作业”

  CRTS Ⅰ型板式无砟轨道是引进的日本板式无砟轨道技术。如下图所示,它是将已经预制好的轨道板,铺到钢筋混凝土底座上,中间通过水泥沥青砂浆进行“连接”,然后加上凸形挡台防止轨道板“乱动”,这样就不需要再设置端刺和端梁等限位结构了。

  

  (CRTS I型板式无砟轨道图)

  所谓的端刺,指的是在底座板施工时,通过桥梁两端埋设在路基中的倒 T 形构筑物,用来阻止轨道变形,并且使底座板的温度变形逐渐减小的结构。

  CRTSⅠ型板式无砟轨道结构型式单一,施工简单,施工质量容易控制,轨道板与底座间处于可分离状态,可修复性较强,轨道板的稳定性和耐久性较好。缺点就是成本高,施工工艺要求高,不适合规模化施工,后期养护维修工作量大。

  CRTS Ⅰ型板式无砟轨道已经在哈大客专、宁安城际、哈齐客专等8个项目上得到了应用。

  CRTS Ⅱ——“精度”准,造价高

  CRTS Ⅱ型板式无砟轨道则是引进的德国博格板无砟轨道技术。与CRTS Ⅰ的主要区别是,它的轨道板之间通过纵向精轧螺纹钢筋连接成纵连结构。

  

  (CRTS II型板式无砟轨道结构图)

  CRTS Ⅱ型板式无砟轨道纵向刚度均匀,整体性比较好,轨道几何形位定位精确,平顺度好,舒适度高,后期轨道精调工作量最小。缺点就是造价高,施工工艺复杂,后期增加维修工作量。

  CRTS Ⅱ型板式无砟轨道在京津城际、京沪高铁、沪杭、宁杭、津秦客专等9个项目获得应用。

  CRTS Ⅲ——中国高铁轨道建设的“大方向”

  CRTS Ⅲ型板式无砟轨道是中国自主研发具有完全知识产权的新型无砟轨道结构,也是今后高速铁路建设的主要无砟轨道结构形式。它的底座板在每块轨道板范围内设置两个限位挡台(凹槽结构)。

  

  (CRTSⅢ型板式无砟轨道)

  CRTSⅢ型板式无砟轨道具有较高的稳定性和耐久性,建成后维修工作量小。

  该无砟轨道结构已经在盘营、沈丹、郑徐、成灌、京沈客专等7个项目上得以推广应用。

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  编辑| 史文慧

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