无砟轨道与有砟轨道的对比.docx
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无砟轨道与有砟轨道的对比
湖南高速铁路职业技术学院
毕业论文
（2012届）
论文题目：
无砟轨道与有砟轨道的对比
姓 名：
卿景明
系（院）：
湖南高速铁路职业技术学院
专业名称：
铁道工程
指导老师：
***
2012年5月20日
中文摘要
随着高速铁路的大规模建设、既有线提速改造及重载铁路的快速发展，作为铁路重要基础设施的轨道结构需要不断更新、技术不断完善。
高速铁路的技术核心是高速度，它对轨道结构就有了高平顺性和高稳定性的要求。
传统的轨道结构已不适应目前铁路发展的需要，结构形式和设计方法必须相应改变。
在高速发展的今天，轨道交通已经成为了主流的交通工具，特别是城市轨道交通，而轨道交通现在基本都采用无砟轨道的技术进行施工，它相比于有砟轨道确实有一定的优势但也不可避免有各方面的劣势。
随着我国铁路建设水平的不断发展和提高，铁路的建设模式正逐步从客货共线形式向客货分离形式转变，通过对客运专线无砟轨道与有砟轨道的技术、经济比较，无砟轨道已成为客运专线的发展趋势。
由于国内铁路建设和运输条件与国外存在差异，没有一种成熟的结构形式能够完全用“拿来主义”坐在国内运用。
因此我国铁路轨道技术的发展应当总结国外铁路无砟轨道与有砟轨道的结构特点，充分分析国内的铁路结构和运用条件，选择技术先进、经济合理的轨道结构形式，对比分析无砟轨道与有砟轨道的各种技术，从而优化轨道结构。
关键词：
高速铁路无砟轨道有砟轨道
Abstract
Withthehighspeedrailway,large-scaleconstructionofexistingrailway-speed-increasingtransformationandoverloadedrailwayofrapiddevelopment,asanimportantrailwayinfrastructureoftrackstructureneedtoconstantlyupdated,technologyimprovement.High-speedrailtechnologycoreishighspeed,ittotrackstructureistheGaoPingShunsexandthehighreliabilityrequirements.Thetraditionalrailstructurecanmeettheneedsofthedevelopmentofthecurrentrailway,structureformanddesignmethodmustchangeaccordingly.
Inthecurrentrapiddevelopmentofrailtransithasbecomethemainstreamoftransportation,especiallyonurbanrailtransit,andrailtrafficnowarethebasictechnologytotrackafranticjumblenoconstruction,itiscomparedtothefranticjumbleofacertaintrackadvantagebutalsohardtoavoidthedisadvantages.
WithChina'slevelofrailwayconstructiondevelopmentandimprove,railwayconstructionmodegraduallyfromthepassengerandfreightlineformstopassengerseparationformchange,throughtothespecialpassengerlinefranticjumblenotrackswithafranticjumbleoftechnology,economycomparisonorbit,franticjumblenotrackhasbecomethedevelopmenttrendofthepassengerspecialline.Becausedomesticrailwayconstructionandtransportationconditionsandforeigndifferent,notakindofmaturestructureformcancompletelywith"copycat"satinthedomesticuse.SoChina'srailwaytracktechnologydevelopmentshouldbesummarizedforeignrailwaytrackswithafranticjumblenofranticjumblethestructurecharacteristicsofthetrack,thefullanalysisofthedomesticrailwaystructureandapplyingcondition,selecttheadvancedtechnology,reasonableeconomyoftrackstructureform,comparisonandanalysisofthefranticjumblenotrackswithafranticjumbleoforbittechnology,soastooptimizetherailstructure.
Keywords
highspeedrailwaytrackwithoutafranticjumblefranticjumblerail
第一章绪论
1.1选题背景与意义
交通运输发展的历史就是一部速度不断提高的历史，高速铁路是当代铁路运输的必然选择。
高速铁路之所以受到各国政府的普遍重视绝非偶然，是由于高速铁路克服了普通铁路速度较低的不足，是解决大量旅客快速输送问题的最有效途径，已成为世界各国铁路普遍发展的趋势。
高速铁路是世界铁路的一项重大技术成就，它集中反应了一个国家铁路牵引动力、线路结构、高速运行控制、高速运输组织和经营管理等方面的技术进步，也体现了一个国家的科技和工业水平。
高速铁路是社会经济发展和运输市场竞争的需要，它促进了地区经济的发展和城市化进程，在经济发达、人口密集地区的经济效益和会社效益尤为突出。
我国铁路作为交通运输的骨干，在国民经济发展中起着重要的作用。
根据各国高速铁路发展的实践，我国也需要高速运输。
而高速铁路的特点是高速度和高密度，其目标是高安全和高密度，其目标是高安全性和高乘坐舒适性，因而要求轨道结构必须具备高平顺性和高稳定性。
铁路轨道结构从总体上可分为两类：
以碎石道床、轨枕为基础的有砟轨道；以混凝土或沥青混合料为基础的无砟轨道。
实践表明，两种轨道结构均可保证高速列车的安全运营。
但由于两类轨道结构在技术经济性方面的差异，各国均根据自己的国情、铁路的特点合理选用，以取得最佳的技术经济效益。
传统的有砟轨道采用碎石道砟作为道床，因石砟道床的增弹减振、排水及方便维修养护等特点，使得有砟轨道具有铺设方便、造价低、容易维修等优点，长期以来作为世界各国普遍铁路轨道的主要结构形式。
但随着列车速度的提高，轨道的振动加剧，石砟道床的变形越来越严重。
在高速铁路上，石砟道床的变形非常快，给轨道的维修造成困难，同时还因为石砟的变形不均匀性造成轨道的各种不平顺，影响高速列车的舒适性和安全性。
其次，高速铁路上，因高速行车造成强大的列车风，致使道砟颗粒被风卷起，道床形状难以保持，不得不采用措施进行道砟表面封闭，从而是有砟轨道失去了方便维修这一最大的优势。
此外，在长达隧道及城市地铁中，以为维修不方便，不宜采用变形快、维修量大的有砟轨道。
无砟轨道拥有高平顺性、高稳定性和少维修等特点，在铁路运营中逐渐取得了明显的优势，尤其是随着客运专线和高速铁路的修建，无砟轨道更显出其优越性和重要性。
随着运用经验的积累，无砟轨道在设计和施工中存在的技术问题正在逐步解决，在运营过程中出现的病害已得到有效的预防和治理。
无砟轨道的修建造价在大幅度下降，与有砟轨道相比较，无砟轨道修建时所增加的投资，一般可望在一至两个轨道大修周期内依靠节省轨道维修投入得到收回，无砟轨道的经济效应日渐突出。
1.2国内外轨道结构发展情况概括
由目前世界上高速铁路的运营情况可知，高速铁路轨道结构类型主要有两种类型：
有砟轨道与无砟轨道。
从实践经验看，两种轨道都可运行时速300km的高速列车。
如法国高速铁路和日本的山阳新干线均全部或部分铺有有砟轨道，列车行车速度已达300km/h。
虽然法国也在对无砟轨道进行实验研究，但至今在高速铁路运营线上仍大部分采用有砟轨道。
日本山阳、东北、上越等新干线的无砟轨道形式为板式轨道，德国的无砟轨道结构主要有Rheda型、Zublin型、ATD型、Y钢枕型，英国的PACT型、英吉利海峡隧道的LVT弹性支承块试无砟轨道。
我国的无砟轨道结构形式主要有长枕埋入式无砟轨道、板式无砟轨道、弹性支承块式无砟轨道。
无砟轨道与有砟轨道各有优缺点，在高速铁路上究竟应铺何种类型的轨道结构，应从技术与经济角度全面衡量决定。
1964年，世界上第一条高速铁路日本东海道新干线开通，标志着高速铁路建设进入一个新的发展阶段。
继日本之后，德国、法国、西班牙、意大利、瑞典、韩国等国家相继开始兴建高速铁路，各国开始对高速铁路轨道结构型式进行研究。
1.3本文的主要内容
中国的高速铁路在不断的发展，不断延长，轨道结构技术也同步发展与创新。
我们应该立足此前国内的研究成果、铺设业绩及实践经验，恰当的评估国外的引进技术和使用经验，吸取其有益的，完善后为我所用。
无砟轨道与有砟轨道都有其各自的优缺点。
本文对比分析了无砟轨道与有砟轨道的相关技术规范，在列车反复运行下对其产生的各种影响，造成后续维修保养工作中面临的各种问题，以及两种轨道结构对高速铁路的适应性。
第二章轨道结构相关技术
2.1高速铁路对轨道的基本要求
（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。
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。
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。
近十多年来国外重载、高速铁路均已采用。
4）严格控制轨道的初始不平顺。
欧洲时速200km/h以上轨道铺设精度标准如表1所示，日本新干线建设时的铺设精度标准如表2—3表所示。
表1欧洲铁路时速200km以上轨道铺设精度标准
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
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5—7表所示。
表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
（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。
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，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。
（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到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。
2.2轨道技术综述
铁路轨道结构由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成。
这些力学性质绝然不同的材料承受来自列车车轮的作用力,它们的工作是紧密相关的。
任何一个轨道零部件的性能、强度和结构的变化都会影响所有其他零部件的工作条件,并对列车运行质量产生直接的影响,因此轨道结构是一个系统,要用系统论的观点和方法进行研究。
铁路轨道结构主要类型：
有砟轨道和无砟轨道。
砟：
岩石、煤等的碎片。
在铁路上作路基用的小块石头。
传统的铁路轨道通常由两条平行的钢轨组成,钢轨固定放在枕木上,之下为小碎石铺成的路砟。
路砟和枕木均起加大受力面、分散火车压力、帮助铁轨承重的作用,防止铁轨因压力太大而下陷到泥土里。
此外,路砟小碎石还有几个作用：
减少噪音、吸热、减震、增加透水性等。
这就是有砟轨道。
有砟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,有砟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3亿吨后道砟就需全部更换。
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,高速铁路应采用无砟轨道。
特别是在桥隧结构上,由于无砟轨道减少了二期恒载和建筑高度,采用无砟轨道更为有利。
除此以外,无砟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砟飞溅等优点,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。
2.3有砟轨道
（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。
铁路钢轨的类型和强度一般以每米长度的重量来表示。
钢轨每米长度的重量越大，钢轨的强度越高。
日本常用的钢轨是50kg/m和60kg/m钢轨。
目前，新干线都采用60kg/m钢轨。
1）钢轨重量
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。
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的。
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。
2）钢轨尺寸允许偏差及平直度要求
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。
3）钢轨的化学成分
高速铁路钢轨出现质量问题的主要形式是由于钢轨内部夹杂、缺陷所引起的疲劳折损。
提高钢轨材质的纯净度是减少钢轨疲劳折损、提高钢轨的可靠性、延长其使用寿命的有力途径。
钢轨的化学成分是影响其力学性能、焊接性能及其他使用性能的基本因素，也是钢轨材质纯净度的重要指标。
（2）轨枕
尽管在高速铁路的发展中无碴轨道所占的比例越来越大，在许多国家已成为轨道结构的首选，但有碴轨道仍然是高速铁路轨道结构的主要形式之一，混凝土枕的性能和质量仍是需要关注的重点。
由于混凝土轨枕使用寿命长，维修工作量少，由混凝土制品厂生产的轨枕形状、尺寸、性能都比较标准、均一，为钢轨支撑的均匀性和轨面的动态平顺性提供了更可靠的条件，因而世界各国高速铁路有碴轨道均采用混凝土轨枕。
我国既有铁路干线大部分铺设了混凝土枕，高速铁路则要求全部采用混凝土枕。
高速铁路混凝土轨枕类型大部分为整体式，如德国、意大利、西班牙和日本等国的各类轨枕，法国有碴轨道传统的轨枕结构是双块式，在高速铁路中仍然采用双块式轨枕，但在有碴桥上因设置护轮轨的需要，采用了整体式轨枕。
世界各国客运专线和高速铁路有碴轨道的技术发展表明，整体式和双块式混凝土轨枕形式都可以满足高速运行在承载能力、耐久性和稳定性等方面的使用要求。
我国高速铁路采用整体式混凝土轨枕。
（3）扣件
高速铁路的扣件除要求具有足够的扣压力以确保线路的纵、横向稳定之外，还要求弹性好，以保证良好的减振、降噪性能；扣压力保持能力好，以降低日维修工作量；绝缘性能好，以提高轨道电路工作的可靠性，延长轨道电路长度，降低轨道电路投资。
我国采用弹性扣件已有20多年历史，已成功的开发了弹条Ⅰ扣件，弹条Ⅰ型调高扣件，弹条Ⅱ型扣件及弹条Ⅲ型扣件等，以上扣件已全部通过部级鉴定并推广使用。
弹条Ⅲ型扣件是为高速重载而研制的无螺栓式扣件，系利用预埋于轨枕中的铁杆来保持轨距，承受横向力并固定弹条，以弹条扣压钢轨，尼龙块作为绝缘部件并用于调整轨距。
（4）道床
道床是轨道结构的重要组成部分。
散粒体道床不仅要承受轨枕传递的各种力的作用，保持轨道结构的稳定性，而且要便于进行养护。
对高速铁路而言，散粒体道床的这些作用显得尤为重要。
2.4无砟轨道
（1）对钢轨的要求
钢轨在极其复杂的受力条件下工作，钢轨状态又直接影响行车安全和平
稳，因此，对钢轨提出以下要求：
1）具有较高的强度和承载能力，在车辆荷载及其他荷载作用下，不会发生伤损和破坏；
2）具有良好的抗磨耗性能，在车辆荷载长期作用下，能保持良好的断面形状，维持轮轨良好的接触状态；
3）具有良好的韧性，适应较高的动力作用，获得较长的疲劳寿命；
4）具有良好的焊接性能，以便采用无缝线路；
5）具有良好的道岔机加工性能，已获得良好的道岔质量；
6）化学成分便于热处理，以提高钢轨的强韧性；
7）严格的尺寸公差及高平直度，保持轨道结构高精度和平顺性。
一般来说，无砟轨道结构和有砟轨道结构对钢轨的要求没有本质区别，都要求钢轨在外形及其尺寸上的高精度，满足高平顺的要求；在内部质量上的高纯净度，满足高安全性和高稳定性的要求。
但是，无砟轨道相对于有砟轨道来说，可以采用较小的曲线半径和较大的实设高超与欠高超，钢轨将承受较大的横向力；无砟轨道刚度要大于有砟轨道刚度，钢轨产生波浪磨耗机率增大。
因此，无砟轨道结构要求钢轨应具备良好的耐磨性能。
（2）无砟轨道对扣件的要求
无砟轨道结构中，用耐久性混凝土或沥青材料代替有砟轨道中的道砟材料以后，轨道弹性和调整轨道几何形态的功能必须由扣件来完成。
因此，除因满足上述要求外，还应强度以下要求：
1）合理、均衡、稳定的弹性。
无砟轨道的弹性主要由扣件提供。
为适应乘坐舒适性和减少冲击作用的要求，需要确定扣件合理的弹性值。
同时，为保证舒适性和减少钢轨波磨，在纵向，扣件弹性应当是均衡的，而且随着累积运量的增加和气候的变化，扣件弹性应当是稳定的。
2）足够的调高能力。
在运营过程中，基础工程出现不均匀变形和沉降时，主要由扣件调整来进行维修，扣件必须具备较大的调高能力。
3）足够的纵向节点阻力。
高速铁路都采用一次铺设跨区间无缝线路，由于下部结构设计提供的纵横向阻力相对来说都非常大，无砟轨道纵横向阻力主要取决于扣件，满足无缝线路稳定性要求的节点阻力（包括桥上无缝线路和道岔区无缝线路）是扣件设计的主要参数之一。
4）足够的绝缘电阻。
我国采用谐振式轨道电路，道床漏泄电阻越大越利于轨道电路的传输。
目前，我国针对有砟轨道规定道床泄漏电阻≥2Ω·km。
按照这一标准，秦沈客运专线铺设的板式无砟轨道电路传输长度仅为700m，长枕埋入式无砟轨道电路传输长度为900m。
如果道床泄漏电阻提高到3Ω·km，则轨道电路传输长度相应延长到850m和1100m。
因此，应在设计时尽量增大扣件绝缘电阻。
5）方便施工。
用于高速铁路的无砟轨道，采用“自上而下”施工方法施工的轨枕埋入式无砟轨道都是混凝土结构，进行系统精细调整时，只能使用扣件的调整能力；采用“自上而下”施工方法施工的板式无砟轨道，只用填充层进行一次调整，难以保证轨道精度，必须用扣件调整，才能满足轨道高精度、高平顺性的要求。
因此，扣件对施工精度有很大作用，在扣件设计中要充分考虑其对施工方便性的影响。
（3）无砟轨道上部结构层
无砟轨道上部结构层包括道床板/轨道板、隔离/调整层、底座或支承层及联结结构等，其功能类似于有砟轨道的轨枕和道床，起到支承和传递荷载的作用。
高速铁路上的无砟轨道都由预制结构和现场浇筑结构组成，其中预制结构都为混凝土制品。
为提高无砟轨道结构的耐久性，必须在原材料、养生等方面严格要求。
基本原则
无砟轨道上部结构层的设计和制作是一个系统工程，与机车车辆（荷载）、电力（速流）、信号制式（轨道电路）、基础工程（结构要求）、减振降噪（弹性）、施工（方法及工期）、养护维修（结构要求）等都有密切关系，应当将其与上述各专业的协调以及技术经济的最佳平衡作为设计目标。
所以，上部结构层的设计和制造一般应遵循以下原则：
1）应具有足够的承载能力和抵抗变形能力，以适应高速列车长期动荷载作用，维持轨道结构稳定和几何状态良好。
2）应具有合理的几何尺寸，尤其是合理的结构高度，既保证结构承载能力和抵抗变形能力，又满足谐振式的轨道电路要求。
3）应具有良好的施工性和修复性，便于组织快速施工和安装，便于配套设备和机械的应用，便于保证施工质量和提高施工进度；对于混凝土道床的局部
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