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Ⅲ型板结构与施工讲义
Ⅲ型板式轨道结构特征与施工质量控制要点
（Ⅲ型板式轨道培训班讲义）
西南交通大学土木工程学院王其昌
（二〇一二年二月四川•成都）
第一部分关于Ⅲ型板式轨道结构基本特征
1．引言
1.1研发目的
在总结我国既有无砟轨道研究与应用经验的基础上，结合无砟轨道技术再创新研究成果，并借鉴成灌线的经验，研发并提出了具有完全自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道，以打造创新中国品牌，适应铁路建设发展的需要。
1.2五大基本特征
CRTSⅢ型板式无砟轨道是对既有无砟轨道的优化与集成，其主要特征点是:
扩展了板下填充层材料、改变了板式轨道限位方式、优化了轨道结构、改善了轨道弹性及完善了设计理论体系等方面。
1）扩展了板下填充层材料
Ⅲ型板式轨道的板下填充层材料，彻底取消了Ⅰ型和Ⅱ型板式轨道贯用的CA砂浆，而改用自密实混凝土，其工艺工装简单、品质性能稳定、耐久性良好、环境污染少、成本低廉。
2）改变了板式轨道限位方式
Ⅲ型板式轨道的限位方式，改变了Ⅰ型板式轨道用凸台、Ⅱ型板式轨道用端刺的传统方式，而采用板下U形筋＋自密实混凝土＋底座凹槽的独特方式，可有效阻止轨道板的纵横竖向移动。
3）优化了轨道结构
Ⅲ型板式轨道通过板下两排U形筋和内设钢筋网片的自密实混凝土填充层与轨道板实现一体连接，可有效控制Ⅰ型板、Ⅱ型板曾出现过的轨道板离缝、翘曲和填充层开裂等现象；并与底座凹槽内钢筋笼连接形成复合结构，增加了轨道质量，符合当前世界高铁轨道结构高质量的技术路线。
此外，Ⅲ型轨道板外形尺寸及结构配筋更加合理，有利于提高其耐久性；轨道结构构成也更加合理，有利于提高其施工性和维护性。
4）改善了轨道弹性
Ⅲ型轨道板改原Ⅰ型无挡肩板为有挡肩板，配套弹性不分开式扣件，有利于降低轨道刚度，提高轨道弹性，符合当前世界高铁轨道结构低刚度的技术路线。
5）完善了理论体系
Ⅲ型板式轨道设计着眼于系统功能理念，采用弹性地基梁板或梁体弯曲变形理论，体现了现代高速轨道“高质量、低刚度、优选阻尼和参数合理匹配”的动力学技术路线。
1.3现用情况
CRTSⅢ型板式无砟轨道已在成灌铁路成功铺设，迄今运用状态良好。
经再行优化完善后，现正在盘营客专、武汉城际、成绵乐（眉乐段）客专及成彭支线等铁路实施。
我们有理由相信，通过建设及运营实践的不断考核与验证，最终必将形成中国板式无砟轨道模式。
2．Ⅲ型板式轨道基本结构
2.1结构组成
CRTSⅢ型板式无砟轨道是由钢轨、弹性不分开式扣件、预制有挡肩带U形筋的轨道板、内设钢筋网片的自密实混凝土填充层、中间隔离层和设有限位凹槽的钢筋混凝土底座等部分组成，其横断面、平侧面图如图2.1.1、2.1.2所示。
在路基、桥梁和隧道地段，Ⅲ型板式轨道均采用单元分块式结构，轨道板间无连接，均支承在钢筋混凝土底座上，结构受力简单明确，有利于工程的标准化施工管理。
图2.1.1III型板板式轨道横断面图
图2.1.2盘营客专III型板板式轨道平侧面图
图2.1.3武汉城际III型板板式轨道平侧面图
2.2技术参数
CRTSⅢ型板式无砟轨道技术参数如表2.2.1。
表2.2.1III型板板式轨道结构参数
结构组成
单位
武汉城轨铁路
盘营客专铁路
钢
轨
类型
U71Mn（K）60
U71Mn（K）60
定尺长
m
100
100
高度
mm
176
176
扣
件
类型
WJ-8B
WJ-8B
高度
mm
34
34
间距
mm
687
630
轨
道
板
承轨槽厚
mm
38
38
长度
mm
5350
5600
宽度
mm
2500
2500
厚度
mm
190
210
混凝土强度等级
C60
C60
填
充
层
材料
C40自密实混凝土
C40自密实混凝土
厚度
mm
90（内设钢筋网片）
100（内设钢筋网片）
宽度
mm
2500
2500
长度
mm
同轨道板长
同轨道板长
隔离层
材料
土工布
土工布
厚度
mm
4
4
底
座
厚度
mm
240（路）、190（桥隧）
280（路）、180（桥隧）
宽度
mm
3100（路）、2900（桥隧）
3100（路）、2900（桥隧）
长度
mm
路基3块板长，隧道4块板长，桥上1块板长
路基3块板长，隧道4块板长，桥上1块板长
混凝土强度等级
C40
C40
限位方式
板下U形筋+底座凹槽
板下U形筋+底座凹槽
板间连接方式
路桥隧板间均无连接
路桥隧板间均无连接
结构
高度
路基
mm
772
842
桥梁
mm
722
742
隧道
mm
722
742
3．轨道板主要特征
3.1轨道板结构
（1）Ⅲ型轨道板为有挡肩、带U形筋、双向后张法预应力钢筋混凝土结构，强度等级C60，按60（或100）年使用寿命设计。
主型Ⅲ型板P5600、P5350Q轨道板结构如图3.1.1和图3.1.2。
图3.1.1P5600Ⅲ型轨道板结构图（盘营客专用）
图3.1.2P5350QⅢ型轨道板结构图（武汉城际用）
（2）板上设置承轨槽，承轨面设置1:
40轨底坡，配套WJ-8B型弹条扣件，可实现钢轨扣件低刚度化。
（3）为适应城际轨道交通小半径曲线地段铺设的需要，可视具体情况，考虑采用二维可调模板方法制造Ⅲ型板，以调整承轨槽的空间位置。
（4）板下设置两排U形连接钢筋，通过与内设钢筋网片的自密实混凝土层紧密联结，再与带钢筋的底座限位凹槽一起形成整体复合板结构，以期防止轨道板离缝或自密实混凝土裂缝的出现与扩展速率，以及限制轨道板的纵横竖向移动，同时增加轨道质量，有利于减轻轨道冲击振动作用。
（5）轨道板顶面中线两端和中间设有观察孔和灌注孔。
（6）轨道板两侧面端部对称设有两对起吊定位螺栓孔。
3.2轨道板外形尺寸
3.2.1轨道板长度
（1）轨道板长度,自然是越长越重，安放后越稳定，越有利于提高工效，但受到预制、运输的限制，以及考虑到基础一旦变形起道整修的困难和曲线地段铺设等问题，又不宜过长，一般以5~7m左右为宜。
（2）若轨道板较长，又铺设在小半径曲线地段时，有可能会遇到轨道板空间位置如何合理调整的问题。
（3）此外,板长还应考虑主型梁梁型和连续梁梁跨长度的配板需要，以及尚须考虑配置扣件间距的要求，同时应力求板长标准化，尽量减少异形板的类型。
3.2.1.1盘营客专Ⅲ型轨道板长度
（1）主要有：
P5600mm、P4925mm、P4856mm三种。
（2）Ⅲ型板（主型板长5600mm，扣件间距630mm）与Ⅰ型板（长4962mm，扣件间距629mm）相比，每公里少铺23块，扣件少用368组，有利于提高轨道板制造和铺设的工效，节省工程成本。
（3）梁上配板
1）板缝一般为70~100mm。
2）32m梁配板（图3.2.1.1）
4×5600+2×4925+5×70=32600mm，梁缝处扣件间距为590mm。
图3.2.1.1盘营客专铁路32m梁III型轨道板布置图
3）24m梁配板（图3.2.1.2）
5×4856+4×80=24600mm，扣件间距为617mm梁缝处扣件间距为637mm。
图3.2.1.2盘营客专铁路24m梁III型轨道板布置图
4）路基地段配板：
5600mm长标准板配端部所需长度异形板。
3.2.1.2武汉城际Ⅲ型轨道板长度
（1）主型有：
P5350mm、P4856mm两种。
（2）Ⅲ型板（主型板长5350mm，扣件间距687mm）与Ⅰ型板（长4962mm，扣件间距629mm）相比，每公里少铺15块，扣件少用240组，有利于提高轨道板制造和铺设的工效，节省工程成本。
（3）梁上配板
1）板缝一般为70~100mm。
2）32m梁配板（图3.2.1.3）
6×5350+5×100=32600mm，梁缝处扣件间距641mm；
图3.2.1.3武汉城际铁路32m梁III型轨道板布置图
3）24m梁配板（图3.2.1.4）
5×4856+4×80=24600mm，梁缝处扣件间距为637mm。
图3.2.1.4武汉城际铁路24m梁III型轨道板布置图
4）路基地段配板：
5350mm长标准板配端部所需长度异形板。
3.2.2轨道板宽度
计算表明（图3.2.2.1），荷载作用于板中时，轨道板横向荷载力矩随板宽的增加虽有所减小，但变化不大，考虑到轨道板挡肩混凝土受力和横向配筋锚固要求，板宽以采用2500mm为宜。
图3.2.2.1轨道板宽度对轨道板受力的影响
3.2.3轨道板厚度
（1）轨道板厚度主要取决于荷载力矩、结构配筋、环境条件和使用寿命等因素。
（2）计算表明，荷载作用于板中时，轨道板纵横向荷载力矩，随板厚的增加虽有所增大（图3.2.3.1），但轨道板应力水平却有所降低（图3.2.3.2），可见适当增加板厚是有利于轨道板受力的。
图3.2.3.1轨道板厚度对轨道板荷载力矩的影响
图3.2.3.2轨道板厚度对轨道板应力水平的影响
（3）板厚的增加，还可增大钢筋保护层的厚度，有利于提高轨道板的耐久性。
（4）此外，增加板厚还可降低混凝土底座的受力水平。
（5）综合考虑上述影响因素，盘营客专采用210mm，武汉城际采用190mm。
3.3板间有无连接问题
（1）根据视钢轨和轨道板为弹性地基上梁板弯曲变形模式的计算结果可知，如果轨道板足够长，则板端和板中的钢轨挠度差将会很小，并且车轮载荷通过时,相邻板两端的错位也较小，为此没有必要把轨道板连接起来。
成灌线实车动力试验结果表明，板端的冲击作用与纵连板一样。
（2）目前现状是：
Ⅰ型板式轨道在路桥隧地段均为单元板，板间无连接；Ⅱ型板式轨道在路桥隧地段均为纵连板，板间有连接；而Ⅲ型板式轨道，成灌铁路在桥隧地段为单元板，板间无连接，路基地段为纵连板，板间有连接；武汉城际及盘营客专则在路桥隧地段均采用单元板，板间无连接。
（3）单元板式轨道受力明确，结构简单，施工方便，维修较易，同时也省去了纵连板的麻烦和隐患，便于标准化管理，体现了中国古老文化的特征。
4．板下填充层——自密实混凝土
4.1主要功能
1）板下填充层作为板式轨道系统的重要组成部件，它位于轨道板与混凝土底座之间，其主要功能可以归纳为填充调整、承力传力，不起弹性作用。
2）填充调整：
全面均匀地支承轨道板,消除轨道板与底座之间的间隙；便于调整轨道高低，提高施工效率和下部基础变形时的可维护性。
3）承力传力：
承受由轨道板传来的垂向力和纵横向水平力，并把它传递给底座和限位装置；分散列车荷载作用。
4.2外形尺寸
长宽等同轨道板,厚90或100mm,内置CRB550冷轧钢筋网片。
4.3使用现状
1）在我国高速铁路上，作为板下填充层材料，Ⅰ型板采用的是低弹性模量200~300Mpa乳化沥青水泥砂浆（CA砂浆），而Ⅱ型板采用的是高弹性模量7000~10000Mpa乳化沥青水泥砂浆（CA砂浆）。
运营实践业已表明，无论是采用低弹模还是高弹模作为板下填充层材料，都是可行的。
那么，甚高弹模材料呢？
2）Ⅲ型板采用的是弹模高至20000Mpa以上的自密实混凝土作为板下填充层材料，业已在成灌铁路、广州地铁得到成功应用。
3）因此，从板下填充层的功能来看，将CA砂浆改用自密实混凝土是完全可行的。
这不仅解决了CA砂浆施工质量和昂贵成本问题，也是一重大技术创新。
4.4为什么要采用自密实混凝土作为板下填充层材料？
4.4.1板下砂浆垫层不起弹性作用
上节，已从逻辑关系和运用实践方面，论述了板下填充层材料，无论是采用低弹模，还是高弹模，甚或高弹模都是可行的，否则就不好解释双块式无砟轨道存在的合理性了。
下面再从设计计算和现场实测方面加以说明。
（1）轨下基础刚度影响分析
以上三种类型砂浆填充层，同作为轨道板的填充支承作用，其弹性模量为何相去甚远？
表4.4.1.1给出了三种砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度影响的计算结果。
表4.4.1.1三种不同砂浆垫层弹性模量对轨下基础刚度的计算结果
砂浆垫层
弹性模量（MPa）
换算垫层
刚度（kN/mm）
轨下垫板
刚度（kN/mm）
轨下基础
刚度（kN/mm）
备注
200
3000
60/30
58.8/29.7
低弹模CAM
7000
10500
60/30
60.0/30.0
高弹模CAM
20000
300000
60/30
60.0/30.0
自密实混凝土
由表4.4.1.1计算结果可知，即使板下填充层的弹性模量相差100倍,其轨下基础刚度也仅相差1.2或0.3kN/mm。
砂浆垫层弹性模量无论是200MPa、7000MPa还是20000MPa，对轨道刚度都没有根本影响。
换句话说，砂浆垫层难以给板式轨道系统提供弹性作用。
（2）设计与实测分析
设计CAM填充层的压缩变形为0.074mm,实测CAM填充层的动位移为0.07~0.1mm,可见,变形很小,起不到缓冲作用。
（3）扣件弹性垫板刚度大小是关键影响因素
真正在板式轨道系统中起弹性作用的，是扣件组成中弹性垫板刚度的大小。
由图4.4.1.1可知，当弹性垫板刚度从60kN/mm降至30kN/mm时，无论砂浆垫层弹性模量如何，轨下基础弹性几乎提高了1倍。
可见，Ⅲ型板式轨道采用WJ-8B型扣件是合理的。
但如能将现行弹性垫板静刚度指标20～26kN/mm，改为18～22kN/mm，则会更加合理、更加符合板式轨道对其整体弹性的要求，也更加符合当前动车组的运营条件。
这个问题容专题论述。
（4）基本结论
通过以上分析，采用自密实混凝土作为板下填充层材料是可行的。
4.4.2如何提高板下填充层质量水平？
（1）板式轨道设计使用寿命为60年（或100年），这对于轨道板和底座来说问题不大，而对于处在其间的填充层的寿命能不能达到60年（或100年），确实是一大疑问。
如果达不到60年（或100年）使用寿命，势必会存在修补或更换的问题，经常修补或更换填充层是很麻烦的，不可思议的。
（2）就板下填充层而言，所谓使用寿命主要是指其耐久性，而耐久性主要体现在填充层砂浆的干燥收缩性、耐水性、耐候性，以及后期使用过程中的保养等方面。
（3）砂浆填充层的干燥收缩是不可避免的，一般是水灰比越大，收缩也越大，因此，一开始就应严格控制其收缩率。
为提高其施工性，还必须严格管理其可使用时间及流动性。
（4）此外，还有一个涉及到诸如材料、拌合、运输、灌注、工艺、设备和环保等多方面的问题，特别是大量使用时的成本低廉性问题。
（5）因此，当前选择自密实混凝土作为一种新型板下填充层材料是明智的。
为能在薄平板的轨道板下面高效形成均匀的填充层，仍然必须严格管理其流动性和收缩性，确保板下填充层的灌注质量。
4.5自密实混凝土技术要求
（1）自密实混凝土是由水泥、粉煤灰、矿粉、膨胀剂、细骨料、粗骨料、水、减水剂等经配制而成。
（2）自密实混凝土的参考配合比（kg/m3）：
水泥319、粉煤灰150、矿粉58、膨胀剂50、砂821、碎石699、水173、减水剂1.0%、减缩剂1.5%和增粘剂1.0%。
配合比的选定应经过审批，塌落度、扩展时间、流动时间、膨胀率等指标必须齐全并符合要求，更换料源时应重新选定配合比。
（3）在自密实混凝土填充层内，配置CRB550级冷轧带肋钢筋焊网片（图3.3.5.1），以便与带有U形筋的轨道板紧密连结，同时也可起到控制自密实混凝土裂缝的生成与扩展。
图3.3.5.1自密实混凝土层钢筋焊网片
（4）钢筋进场时，必须对其质量指标进行检查，并应符合现行国家标准；焊工必须有相应的特种作业操作证，并应在规定的范围内进行焊接操作；钢筋接头的型式、搭接长度、焊接弯折角度应符合设计和验标要求。
（5）自密实混凝土强度等级为C40。
（6）自密实混凝土要求具有高流动度、不离析、填充均匀性和稳定性的性能，浇筑时依靠其自重流动，无需振捣而达到密实的混凝土,其自由收缩率应小于0.3‰。
（7）自密实混凝土拌合物的自密实性能包括流动性、填充性、间隙通过性和抗离析性等，其中流动性可采用坍落扩展度、扩展时间T50试验检测,间隙通过性和填充性可用L型仪H2/H1检测，抗离析性可用障碍高差BJ检测，其性能指标应符合表3.3.5.1的要求。
表3.3.5.1自密实混凝土拌合物性能指标
检测项目
单位
指标要求
盘营客专
武汉城际
京沪高铁
坍落扩展度
mm
≤700
700±50
600～700
扩展时间T50
s
2～6
2～6
2～6
含气量
%
≥3
2~5
≤0.5
泌水率
%
0
0
0
竖向膨胀率
%
0~1
0~1
0~1
障碍高差BJ
mm
<18
<18
<18
L型仪H2/H1
≥0.9
≥0.9
≥0.9
L仪流动时间T700L
s
10~18
10~18
（8）自密实混凝土硬化体的性能包括力学性能、耐久性能和收缩性能，其56d性能指标应符合表3.3.5.2的要求。
表3.3.5.2自密实混凝土硬化体性能指标（56d）
检测项目
单位
指标要求
盘营客专
武汉城际
京沪高铁
抗压强度
Mpa
≥40
抗折强度
Mpa
≥6
弹性模量×104
Mpa
≥3
电通量C
≤1000
≤1000
≤1000
抗盐冻性（28次冻融循环剥落量）
mm
≤1000
F300
干燥收缩值×10-6
≤450
≤150
≤400
（9）2005年，广州地铁4号线铺设的板式轨道首次采用自密实混凝土（ZH砂浆）作为板下填充层材料，迄今运用状态良好，其性能指标如表3.3.5.3。
表3.3.5.3广州地铁板式轨道ZH砂浆性能指标
项目
单位
指标要求
抗拉强度
1d
Mpa
25~40
3d
Mpa
45~65
7d
Mpa
50~65
28d
Mpa
≥60
劈裂强度
28d
Mpa
≥5
抗折强度
28d
Mpa
≥8
弹性模量
Mpa
30000~33000
流动度
s
20~40
可工作时间
min
Mpa
泌水率
%
0
分离度
%
0
竖向膨胀率
%
0.0~0.3
与圆钢粘结强度
Mpa
≥6
长期耐久性（300万次冻融试验后弹性模量）
Mpa
≥60
构件疲劳试验（200万次）
无裂纹无错动
质量损失率
%
﹤5
以上这些性能要求是相互矛盾、相互制约的，如高强度与流动性的矛盾，流动度与小体积变化率的矛盾等，唯用通过配合比的反复试验，才能确定满足上述要求的自密实混凝土砂浆。
4.6实践经验值得注意
总结以往经验，通过实践不断创新新工艺、新工装、新工法；抓源头、抓过程、抓细节，确保自密实混凝土的施工品质。
（1）为保证混凝土灌注品质，必须进行工艺性揭板试验，特别是曲线地段揭板试验。
不经确认不得开工。
（2）自密实混凝土需要有较大的流动性能，塌落扩展度宜控制在650～730mm左右为宜，最低不能低于650mm，否则将会影响混凝土的可灌性。
（3）为要确保灌注硬化后的混凝土结构内部密实、均匀，又不分层、不离析、不泌水，在配合比调试拌合过程中，应添加一定量的外掺料来提高混凝土的性能。
（4）为改善自密实混凝土的和易性能，应掺入较大量的矿物掺合料，以降低混凝土水化热；同时掺入一定量的混凝土膨胀剂，以补偿混凝土收缩，防止混凝土开裂。
（5）自密实混凝土用水量不宜过高，在保证自密实混凝土的流动性能前提下，应尽量降低水胶比，所以应采用聚羧酸系列高效减水剂；而且由于板式轨道施工线路较长，必须确保混凝土的可工作时间，混凝土从搅拌、运输到灌注都必须要有良好的工作性能。
（6）自密实混凝土拌制前，应严格测定砂、石含水率，及时调整施工配合比；原材料称量偏差及拌合时间亦应符合要求。
（7）自密实混凝土运输过程应采取措施，防止混凝土发生离析、漏浆、泌水及塌落度损失。
（8）混凝土入模温度、试件留置数量和检验方法应符合设计和验标要求。
（9）每块板应连续灌注，严禁二次灌浆。
（10）硬化后的自密实混凝土层与轨道板接触面，有可能会产生微小、均匀分布的气孔，但不会影响混凝土与轨道板的粘结效果，对板式轨道结构的使用和耐久性能影响较小。
（11）在灌注硬化后的混凝土与轨道板的四周接触界面处，由于新老混凝土的收缩速率不一致，有可能产生收缩裂缝。
因此，施工中应加强养护，并采用防水处理，避免产生危害。
（12）自密实混凝土模板设计安装、轨道板精调装置等直接关系到混凝土灌注品质，不可等闲视之。
第二部分关于Ⅲ型板式轨道施工质量控制要点
1．Ⅲ型板式轨道施工特点
1）Ⅲ型板式轨道施工的基本特点是：
先底座从下至上，再轨道板从上至下，后铺轨精调三大步骤。
这样，为保证施工精度，误差控制在规定范围内，测量控制便成为关键所在。
因此应制定上道工序不达标、下道工序不开工的严格管理制度。
2）板式无砟轨道的高平顺性，最终体现在轨道工程上，而高平顺性的轨道又取决于路基、桥涵和隧道等线下工程的高质量、高稳定的实现。
3）无砟轨道工程的施工与路基工程和桥隧工程，既是相互独立、自成体系，又是相互制约、有机联系的整体系统工程。
4）在稳固的线下工程设施基础上，为要构筑高精度、高质量的板式轨道，其关键技术是一定要把握住各道工序的施工控制测量，始终坚持精心施工、精细施工和向1mm挑战。
5）只要科学地把握住线下工程基础稳固、轨道工程定位精确这一条基本经验和客观规律，便能成功地构建高质量的无砟轨道工程。
2．Ⅲ型板式轨道施工准备
2.1施工前准备工作
主要内容有：
（1）施工技术文件
（2）施工调查
（3）施组设计
（4）施工作业指导书
（5）轨道板预制场
（6）轨道部件及轨道材料
（7）人员培训与施工机械装备
（8）先导段工艺性试验
（9）与线下工程的交接
（10）施工控制测量
2.2施工技术文件
（1）施工前应根据施工内容获取相关施工技术文件（包括设计及变更文件）。
（2）施工文件包括标准设计图纸、施工质量验收标准、CPⅠ、CPⅡ及高程控制网复测成果报告、线下工程沉降变形分析评估报告、线路中桩表、水准点表、线路高程及中线竣工测量资料等。
（3）设计文件包括线路平面图、线路纵断面图、车站平面布置图、线路诸表、无砟轨道设计图、无缝线路铺设图、设计说明和其它相关专业设计图等。
（4）施工设计文件必须经过审查核对后方可使用。
2.3施工调查
（1）施工前，应熟悉经批准的施工设计文件，收集与无砟轨道工程施工有关的线下工程竣工资料、施工记录及变更设计文件，并复核。
（2）施工调查主要包括下列内容：
1）调查沿线交通、水源、电源、原材料、劳动力资源等情况。
2）落实钢轨、轨道板、轨枕、道岔、扣配件等主要材料来源及供货途径。
3）核查沿线的各种电力、通讯线路和临时建筑物等建筑限界。
4）收集沿线水文气象资料及环境等有关情况。
5）了解可作为钢轨铺设基地和停留工程列车的条件。
选择进料通道和卸料、存料场地。
6）调查与既有线接轨点及
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