04高速铁路的轨道.docx
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04高速铁路的轨道
4高速铁路的轨道
4.1高速铁路对轨道的基本要求
4.1.1高平顺性
高平顺性是高速铁路对轨道的最根本的要求，也是建设高速铁路的控制性条件。
这是因为轨道不平顺是引起列车振动、轮轨动作用力增大的主要原因。
在高平顺的轨道上，高速列车的列车振动和轮轨间的动作用力均较小，行车安全和平稳性、舒适性能得到保证，轨道和机车车辆部件的使用寿命和维修周期也较长。
因此，为保障高速行车的平稳、安全和舒适，必须严格控制轨道的平顺性。
高速铁路轨道的高平顺性主要体现在以下几个方面：
钢轨的原始平直度公差要小；焊缝的几何尺寸公差要小；道岔区不能有接头轨缝、有害空间等不平顺；高低、轨向、水平、扭曲和轨距偏差等局部孤立存在的小平顺幅值要小；敏感波长和周期性不平顺的幅值要小；轨道不平顺各种波长的功率谱密度值都要小。
要达到高速铁路轨道高平顺性，必须满足以下条件：
1．路基设计和施工必须满足路基的工后沉降小、不均匀沉降小，在动力作用下变形小、稳定性高等要求。
高平顺性、高稳定性的路基是确保轨道高平顺性的前提条件。
2．桥梁的动挠度等变形必须满足高平顺的要求。
3．道床必须选用硬质、耐磨的道碴，并在铺枕前整平压实。
选用硬质、耐磨的道碴，并压实道床，对于保证平顺性、提高开通速度、减少道床残余变形积累、降低轨道的养护维修工作量非常有效。
近十多年来国外重载、高速铁路均已采用硬质、耐磨的道碴。
4．严格控制轨道的初始不平顺。
轨道初始不平顺是运营后各种轨道不平顺发生、发展和恶化的根源，若不进行严格控制，将造成运营过程中难以处置的无穷后患。
根据欧洲的研究，轨道的初始不平顺状态对以后轨道长期的平顺状态和维修工作量有决定性影响。
初始状态好的轨道，维修周期长，能长期保持良好的水平；初期状态不好的轨道，不仅维修周期短，即使增加维修作业次数也很难改变轨道初期“先天”的不良水平。
日、法、德、瑞等国都制定了非常严格的轨道铺设精度标准。
因此，要提高轨道的铺设精度标准，严格控制轨道的初始不平顺。
欧洲时速200km/h区间以上轨道铺设精度标准如表4-1所示，日本新干线建设时的铺设精度标准如表4-2～表4-4所示。
表4-1欧洲铁路时速200km区间轨道铺设精度标准
不平顺种类
瑞典国铁
西德联邦铁路
法国国铁
西班牙铁路
水平（mm）
2
2
3
4
扭曲（三角坑）（mm）
2
—
1‰（每3m测量基线）
1.3‰
高低（mm）
2
2/5m
3
3
轨向（mm）
2
2
2
3
轨距（mm）
±2
—
—
±3
表4-2日本新干线有碴轨道的铺设精度标准
项目
高低
轨向
水平
轨距
标准值（mm）
3（10m弦正矢）
3（10m弦正矢）
2
±2
表4-3日本新干线无碴轨道的铺设精度标准
项目
高低
轨向
水平
轨距
标准值（mm）
2（10m弦正矢）
2（10m弦正矢）
1
±1
表4-4日本新干线道岔的铺设精度标准
项目
高低
轨向
水平
轨距
标准值（mm）
3（10m弦正矢）
2（10m弦正矢）
2
±1
结合我国铁路的国情，京沪高速铁路轨道平顺度铺设精度标准如表4-5～表4-7所示。
表4-5京沪高速铁路有碴轨道平顺度铺设精度标准
项目
高低
轨向
水平
扭曲（2.5m）
轨距
幅值（mm）
2
2
2
2
±2
弦长（m）
10
表4-6京沪高速铁路无碴轨道平顺度铺设精度标准
项目
高低
轨向
水平
轨距
幅值（mm）
2
2
1
±1
弦长（m）
10
表4-7京沪高速铁路道岔平顺度铺设精度标准
项目
高低
轨向
水平
轨距
幅值（mm）
2
2
2
±1
弦长（m）
10
轨道维修养护质量的优劣是优化轮轨效应的关键，也是确保行车安全和旅客舒适度的重要因素之一。
因此，高标准设计、高标准施工和高质量的维修管理是高速铁路的重要技术特点。
日本、法国、德国高速铁路轨道不平顺主要管理标准如表4-8所示。
表4-8日本、法国、德国高速铁路轨道不平顺管理标准
A
B
C
D
高低（mm）
日
法
德
日
法
德
日
法
德
日
法
德
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
≤4
3
6
≤6
5
（10）
14
7
10
20
15
15
35
轨向（mm）
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
≤3
2
6
4
6
（10）
14
4
8
20
9
12
35
注：
A——新线铺设或维修作业后验收目标值。
运营期间无需评定。
B——需要编制维修计划的管理目标值。
德国在达到“（）”内值时，应进行详细评定。
C——日本为舒适度管理目标值；法国、德国为限期维修或紧急补修目标值。
D——限速运行目标值。
德国为安全极限值；日本新干线为舒适度目标值。
a，b——测量基线弦长。
日本a、b均为10.0m。
；法国分别为12.2m和10.0m；德国分别为2.6／6.0m和4.0／6.0m。
各国还对轨道的水平、三角坑等不平顺性制定了管理目标值。
试验研究结果表明，长钢轨长波不平顺对高速行车时的旅客舒适度影响较大，法国、日本等还规定了弦长为30～40m的管理标准。
法国高速铁路在轨道局部不平顺评价、管理的同时，还采用300m区段内轨道不平顺绝对值的滑动平顺值，即所谓综合指标管理方法，其标准为高低、水平0.3～0.6mm。
此外，各国高速铁路还通过测定车体和转向架振动加速度来评价轨道的质量状态，如日本新干线规定车体振动加速度为：
垂向0.25g、横向0.20g（舒适度管理目标，均为全振幅）。
运用检测车等现代化设备对轨道质量进行定期和不定期检查，已成为各国高速铁路质量管理措施的重要组成内容，检测结果已成为分析、评价轨道质量和编制维修计划的基本依据。
图4-1为日本“黄医生”轨道电气综合检测车，由JR东海及西日本公司开发，1999年投入运用，7辆编组，最高速度285km/h，管辖东海道、山阳新干线的检测。
总之，高速铁路是否能够安全、平稳、舒适运行，是通过轨道的平顺性来体现的，但真正影响高速列车安全、平稳、舒适运行的不仅仅是轨道，而是由路基、桥梁和轨道等组成的基础设施整体。
因此，高速铁路各结构物的设计，不仅要强调各结构物本身的高平顺性和稳定性，还要强调各结构物组合后的平顺性和稳定性，要对车、线、桥或路基的组合进行动力仿真分析，确保高速列车安全和舒适地运行。
图4-1日本“黄医生”轨道电气综合检测车
4.1.2高可靠性，长寿命
高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维持线路正常运营的能力。
高速列车的轴重较轻，在高平顺性条件下所产生的轮轨动力附加荷载也较小，因而轨道各部件的静强度指标通常易于得到满足。
高速列车荷载的特点主要在于高频冲击和振动，这种高频荷载容易造成扣件松动、轨下胶垫磨耗、混凝土轨枕承轨槽破损，特别是有碴轨道中道碴破碎、粉化，道床沉降和变形。
所有上述现象都会导致轨道结构不均、轨道弹性不匀，并最终引起轨道中、长波不平顺，导致轨道平顺性破坏，影响线路的正常运营。
长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大修周期。
由于高速铁路的行车密度大，速度高，在行车间隔中人员不可能上道，只能利用天窗时间进行轨道的检查和维修。
因此其维修工作量必须少，维修周期必须长，才能保证不中断行车，维持列车正常运行。
大修要求的天窗时间更长，天窗次数更多，更应尽量延长其周期，减少大修次数。
4.1.3高稳定性
采用跨区间无缝线路是提高轨道结构连续性、均匀性的重大举措。
在跨区间无缝线路中，道岔的连续焊接会使道岔区基本轨产生附加的温度力，从而使结构、受力和变形更为复杂的道岔区成为高速铁路稳定性的控制区；高速列车的高频冲击和振动会使轨道结构的纵、横向阻力，即轨道自身保持稳定的能力降低；而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用在轨道上的横向荷载加大，增加轨道横向失稳（胀轨、跑道）的可能性。
因此，高速铁路轨道的稳定性仍是值得特别关注的课题。
4.2高速铁路轨道设计荷载
列车荷载对轨道结构工作状态有决定性影响，而轨道自身的状态又直接影响到列车的运行品质，进而使轨道承受的荷载发生变化。
经过对轮和轨之间这种交替式影响的研究，形成了一门新的学科，即轮轨动力学。
因此，在研究高速铁路轨道结构时，必须研究其荷载。
高速铁路轨道的设计荷载按作用力方向分为垂直荷载、横向水平荷载、纵向荷载、冲击力和振动荷载。
4.2.1垂直荷载
世界各国都有自己的计算轨道所承受动轮重（设计轮重）的方法。
对高速铁路来说，日本和德国铁路的计算方法具有代表性。
日本铁路根据不同情况采用下列计算方法：
1．常用的正常设计轮重
（4-1）
式中，
——速度系数，高速铁路
=1.45，既有铁路
=1.3。
2．考虑车轮有最长70mm的扁疤时的设计轮重
3．考虑到曲线上作用有横向力时采用的异常情况设计轮重
德国铁路在考虑设计动荷载和静荷载的关系时，还计入了列车荷载的正态分布规律、轨道状态及列车类型的因素，在大量试验研究的基础上提出了一个比较全面的计算公式。
即
（4-2）
式中，
——轨道设计动荷载;；
——轨道设计静荷载；
t——与概率p有关的置信度，按下表取值：
t=0
1
1.28
1.65
1.96
2
2.33
3
p=0%
68.3%
80%
90%
95%
95.5%
98%
99.7%
——与轨道状态、行车速度和列车类型有关的表示荷载离散程度的均方差，轨道状态良好时，
；轨道状态一般时，
；轨道状态差时，
。
其中，
为速度系数，按下式取值：
60km/h
>60km/h
德国公式只用来计算正常状态下的轨道设计荷载，未考虑车轮扁疤等情况，但对轨道状态受到车荷载的影响进行了充分的考虑，并顾及了荷载的分布规律，这是德国公式的优点和完善之处。
当轨道状态良好、t采用3时，时速250km高速铁路的动力系数为1.45，这与日本铁路正常设计轮重时的高速铁路动力系数相等，说明日本铁路正常设计轮重相当于速度250km/h时的德国公式计算值，因此，德国公式的应用范围更广也更合理。
此外，法国、德国、比利时和荷兰曾对连接四国的高速铁路静轴重和动轮重作出规定：
该高速通道的允许静轴重为170kN，在
＝300km/h及正常维修状态时，线路上作用的垂直动态轮重不大于170kN（动轴重不大于340kN）。
由此推算，作用在轨道上的动载应比静载大一倍，即动力附加系数
＝1。
我国有关部门在提速工程进行大量试验的基础上，提出了中速列车的动力附加系数，同时参考德国资料，列出了高速列车的动力附加系数，见表4-9所示。
由于没有进行大量、深入的研究，表列系数仅供参考，今后还需根据中国高速铁路的建设和深入研究修改、完善。
表4-9轨道设计荷载参数
列车种类
设计最高行车速度（km/h）
轴重（t）
轮径（mm）
速度动力附加系数
机车
（动车）
车辆
（从车）
机车
车辆
速度范围（km/h）
80～160
160～210
210以上
高速列车
300
19.5
14
1050
840
0.15～0.22
0.32～0.41
0.75～1.00
中速列车
200
23
16
1050
840
0.15～0.22
0.32～0.41
—
4.2.2横向水平荷载
轨道承受的横向水平荷载也是进行轨道设计和检算以及列车运行安全性评估的重要数据。
通常把轨道承受的水平荷载分为两类：
一类用来进行轨道设计、检算及评估列车脱轨危险的横向集中作用力Q；另一类用来评估轨道横向移动的位移阻力S，这是涉及轨道养护维修和无缝线路稳定性的参数。
1．横向力Q
各国铁路根据各自运营状况规定了横向荷载Q的计算方法。
（1）日本
进行轨道设计时，Q＝0.8
，
为静轮重；
当轨道承受横向水平力的反复作用时，可用下式检算：
Q＝0.4
（或0.6
）
（2）德国
按此式进行轨道的设计和检算。
（3）国际铁路联盟
暂定为Q≤60kN。
（4）中国
高速铁路Q≤80kN。
2．轨道横向位移阻力
当列车运行在轨道上时，其在2m长的轨道范围内作用于轨道的横向力超过S值时，轨道要产生横移。
S值与轨道结构和部件有关，一般通过试验确定。
当前国内外文献广泛引用的经验公式为
（kN）（4-3）
式中，∑Q（或S）——2m长轨道范围内轮轨接触横向力或车轴横向力之和；
——轴重（kN）；
——与机车车辆类型有关的系数，机车、客车、动车组
=1,货车
=0.85。
该公式是法国在一定轨道条件（46kg／m钢轨、轨枕间距65cm、碎石道床）下经试验推出来的。
根据北京交通大学的试验资料，并参照国外有关资料，当采用60kg/m钢轨、混凝土枕且轨枕间距不大于60cm时，
值取1.5比较合适。
根据国内外的试验资料，由于高速铁路大多采用动力分散的动车组，即使采用动力集中的方式，机车车辆的轴重也都比较小，因此，轨道承受的低频荷载和横向水平力一般都低于低速货车。
4.2.3纵向荷载
轨道所承受的纵向水平荷载主要有如下两种：
1．列车的制动力和起动力
在进行轨道计算时，通常只在计算钢轨应力时考虑列车制动力和起动力的影响。
我国把其引起的钢轨应力按10MPa计。
2．钢轨承受的温度力
我国采用的无缝线路一般都是温度应力式无缝线路，由轨温变化引起的钢轨温度力
为
（4-4）
式中，
——轨温变化幅度（℃）；
——钢轨断面积（cm2）。
高速铁路的轨道结构都是无缝线路，因此必须考虑温度力的作用。
4.2.4冲击力
大量的研究、试验结果表明，列车速度提高后，具有不平顺的车轮或轨道产生的冲击力相当可观，不容忽视。
通常可用下列公式来评估冲击附加荷载
（4-5）
式中
——不平顺斜率；
v——行车速度（m/s）。
k——线路刚度（N/m）。
m——车轮簧下质量（kg）。
在高速行车条件下，轮轨系统对不同类型的不平顺会产生不同的动力响应。
轮轨间的不平顺可分为脉冲型、谐波型和动力型三种：
1．脉冲型不平顺：
高速铁路的轨道采用无缝线路，有缝线路固有的钢轨接头不平顺已不存在，而车轮扁疤、轨面擦伤或剥离、焊缝不平顺等将对轮轨间的动力作用产生影响。
2．谐波形不平顺：
钢轨波浪型磨耗、车轮表面不圆顺或车轮存在静偏心矩时，都将形成对机车车辆和轨道结构的动力影响。
对于车轮偏心或存在偏心距的情况，轮轨间的动力效应与列车速度的平方成正比，而钢轨的波浪型磨耗对高速运行列车的影响比普通速度的列车大得多。
3．动力型不平顺：
轨下基础的缺陷，如垫层弹性不均匀、空吊板、几何尺寸超限等都会形成一定的动力坡度，在列车运行时，将出现超出正常状态的轨道变化，导致轨道局部残余变形。
4.2.5振动荷载
由高速铁路引起的振动荷载，其振动频率较高，多在50~200Hz之间。
德国曾在距高速铁路轨道2.5m处进行过振动测试，并绘制了振动频谱分布图。
测试表明，随着行车速度的提高，高频振动的峰区在增多，v=150～160km/h时有1个峰区，v=250km/h时有3个峰区，v=320km/h时有4个峰区。
而且行车速度越高，振动荷载的量级越大。
无碴轨道的振动较大，无碴轨道在行车速度为250km/h时的振动状况与有碴轨道速度为300km/h时差不多，这就是为什么无碴轨道十分重视解决轨道结构弹性问题的原因。
法国高速铁路采用有碴轨道，其轨道结构的弹性主要由散粒状的道床提供。
德国和日本采用无碴轨道，其轨下基础为整体道床，因此提高轨下垫层弹性就显得尤为重要。
在进行轨道设计与检算时，主要依据垂直、横向与纵向荷载进行有关计算。
在设计高速铁路轨道结构时还需根据冲击力及振动荷载的影响对设计进行修正与完善。
4.3有碴轨道结构
4.3.1钢轨
钢轨是轨道的主要结构之一。
为保证列车高速运行的平顺性，线路下部基础、轨道上部结构以及各轨道部件，都要为钢轨的正常工作提供良好条件。
而钢轨本身，其内在质量、材质性能、断面公差、平直程度等都是十分重要的特性。
钢轨在技术上要能保证足够的强度、韧性、耐磨性、稳定性和平顺性，在经济上要能保证合理的大修周期，减少养护维修工作量。
1.钢轨重量和断面
钢轨类型应根据轨道振动、轮轨冲击、轮轨接触和钢轨纵向力的计算来确定。
轨道振动计算结果表明钢轨越重，轨道各部分的动挠度和振动加速度就越小；从轮轨冲击计算结果角度来看，钢轨越重冲击力越大；从钢轨纵向力分析，在列车荷载作用下，重型钢轨的动弯应力较小，有较多的强度储备来承受纵向力。
高速铁路的列车轴重较轻，且线路平顺性条件较好。
所以，轮轨间的动载不会过大，60kg/m钢轨的横向、垂向刚度是可满足高速列车动弯应力的强度需求。
日本新干线、法国TGV和德国ICE高速铁路所采用的钢轨均为60kg/m钢轨。
可见，京沪高速铁路选用60kg/m钢轨是适宜的。
《京沪高速铁路设计暂行规定》中规定，“焊接用钢轨应采用60kg/m无螺栓孔新钢轨，其质量应符合时速350公里客运专线60kg/m钢轨的有关规定”。
选择钢轨断面实质上是合理分配金属材料在轨头、轨腰、轨底的比例，主要考虑钢轨的刚度、稳定性、耐磨度和轮轨关系。
高速铁路钢轨的断面应在既有铁路使用成熟的钢轨中选择。
高速铁路使用比较成熟的钢轨断面是UIC的60kg/m钢轨，而我国的60kg/m钢轨的技术也较成熟。
从研究和计算结果来看，采用UIC的60kg/m钢轨和我国的60kg/m钢轨，对轮轨几何接触、轮轨动力作用、钢轨磨耗、钢轨使用寿命等最具影响的轨头断面形式尺寸而言，这两者并没有实质性的差异。
因此，选择高速铁路钢轨形式尺寸不是一个技术问题，而是考虑管理方便的问题。
图4-2为我国60kg/m钢轨及UIC60钢轨横断面图。
2．钢轨尺寸允许偏差及平直度要求
法国、德国和日本等国高速铁路的研究和运营表明，高速铁路的轨道结构区别于普通线路的最重要的特点是对轨道不平顺的严格控制，体现在钢轨上则是对其表面尺寸质量、平直度、表面平整度和扭曲的严格要求。
钢轨尺寸的精确和外形的平直是轨道平顺的基本保证之一。
图4-2中国60kg/m钢轨及UIC60钢轨横断面图
表4-10同时列出了我国京沪高速铁路技术条件、国外高速铁路UIC860（国际铁路联盟860）、JISE1011（日本工业标准1011-1993）、TGV（法国高速铁路）、EN（欧洲标准协会，A级为高速铁路用钢轨，B级为普通铁路用钢轨）及GB2585和TB/T2344各项标准所规定的钢轨尺寸允许偏差。
而表4-11则列出了上述各项标准对钢轨平直度所作出的规定。
表4-10各标准钢轨主要部位尺寸允许偏差（mm）
项目
京沪技术条件
UIC860
JISE1011
TGV
EN（A）
EN（B）
GB2585
TB/T2344
钢轨高度
±0.5
±0.6
+1.0
-0.5
±0.5
±0.6
±0.6
+0.8
-0.5
±0.5
轨头宽度
±0.5
±0.5
+0.8
－0.5
±0.5
±0.5
±0.5
±0.5
±0.5
踏面轮廓
+0.6
－0.3
+0.6
－0.3
±0.6
轨腰厚度
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
+1.0
－0.5
轨底宽度
±1.0
+1.0
－0.5
±0.8
±0.8
±1.0
±1.0
+1.0
-2.0
+1.0
-2.0
鱼尾板
支撑表面
±0.35
+1.0
－0.5
间隙
外侧≤1.5
+1.0
－0.5
±0.35
±0.35
腰高
±0.5
腰高
±0.5
鱼尾板
安装高度
±0.6
±0.6
内侧≤0.5
±0.6
±0.6
±0.6
轨底边
缘厚度
+0.75
—0.5
+0.75
—0.5
+0.75
—0.5
轨底平整度
凹陷≤0.3
不平≤0.4
凹陷≤0.3
凹陷≤0.3
凸出≤0.5
凸出≤0.5
断面不对称
头≤0.5
底≤1.0
±1.5
头对底偏移≤0.5
±1.5
±1.2
±1.2
头≤0.5
底≤1.0
头≤0.5
底≤1.0
轨距底边缘20mm处厚度
±0.5
端面
垂直度
≤0.6
≤0.6
≤0.5
≤0.6
≤0.6
≤0.6
≤1.0
≤1.0
表4-11平直度、表面平整度和扭曲允许偏差（mm/m）
部位
项目
京沪技术条件
UIC860
JISE1011
TGV
EN（A）
EN（B）
GB2585
TB/T2344
轨端
垂直平直度
（向上）
0.4/2
0.3/1
0.7/1.5
1.7/1.5
0.4/2
0.3/1
0.4/20.3/1
0.5/1.5
0.8/1
0.5/1
垂直平直度
（向下）
0.2/2
0
0
0.2/2
0.2/2
0.2/1.5
0.2/1
0.2/1
水平平直度
0.5/2
0.4/1
0.7/1.5
0.5/1.5
0.5/2
0.4/1
0.6/20.4/1
0.7/1.5
0.8/1
0.5/1
轨身
水平平直度
0.45/1.5
0.45/1.5
0.45/1.5
0.6/1.5
重叠部位
垂直平直度
0.3/2
0.3/2
0.4/1.5
水平平直度
0.6/2
0.6/2
0.6/1.5
全长
上弯曲和下弯曲
≤5mm
10/10
≤5mm
≤5mm
≤5mm
0.5‰
0.5‰
侧弯曲
R＞1500m
10/10
R＞1000m
R＞1500m
R＞1500m
端部
扭曲
0.455/1
0.4/1
0.455/1
0.455/1
全长
扭曲
2.5mm
1.0mm
2.5mm
2.5mm
0.1‰
0.1‰
从表4-10可以看出，UIC860钢轨标准及在此基础上结合TGV的实践经验发展而成的EN钢轨标准所规定的断面尺寸允许偏差比较严格而且全面，因此我国高速铁路基本采纳了EN的标准。
从表4-11可以看出，EN标准的指标比较全面，包括了全长及轨端的平直度、平整度和弯曲，也包括了全长及轨端的扭曲，其中EN（A）的全长及轨端平直度或平整度与TGV的要求相当，其全长弯曲和扭曲以及端部扭曲指标比其他标准更为严格。
综合考虑，我国高速铁路钢轨的平直度、表面平整度和扭曲采用EN（A）的标准。
3.钢轨的化学成分
由于高速列车的轴重相对较轻，轮轨接触应力较小，钢轨表面压溃、波磨、剥离等轨头病害出现的
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