高速铁路有砟、无砟轨道结构及精调

第二章

高速铁路有砟、无砟轨道结构及精调

第一节

概述

无砟轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道碴道床而组成的轨道结构 形式。由于无碴轨道具有轨道平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能持久保 持、维修工作量显著减少等特点，在各国铁路得到了迅速发展。特别是高速铁路， 一些国家已把无碴轨道作为轨道的主要结构形式进行全面推广，并取得了显著的 经济效益和社会效益。以下是无砟轨道的主要优势和缺点。

一、无砟轨道的优势主要有：

1、轨道结构稳定、质量均衡、变形量小，利于高速行车；

2、变形积累慢，养护维修工作量小；

3、使用寿命长—设计使用寿命 60 年；

二、无砟轨道的缺点主要有：

1、轨道造价高：有砟 180 万/km，双块式 350 万，１型板式 450 万，2 型

板式 500 万。

2、对基础要求高因而显著提高修建成本：有砟轨道可允许 15cm 工后沉

降，无砟轨道允许 3cm，由此引起的以桥代路及路基加固投资巨大。 3、振动噪声大：减振降噪型无砟轨道目前尚不成功，减振无砟轨道选型 存在较大困难。

4、一旦损坏整治困难：尤其是连续式无砟轨道。

第二节

一、国外铁路无碴轨道结构型式

无砟轨道结构

国外铁路无碴轨道的发展，数量上经历了由少到多、技术上经历了由浅到深、

品种上经历了由单一到多样、铺设范围上经历了由桥梁、隧道到路基、道岔的过

程。无碴轨道已成为高速铁路的发展趋势。

1．日本

日本是发展无碴轨道最早的国家之一。早在 20 世纪 60 年代中期，日本就开

始了无碴轨道的研究与试验并逐步推广应用，无碴轨道比例愈来愈大，成为高速

铁路轨道结构的主要形式。据统计，日本高速铁路无碴轨道比例，在 20 世纪 70

年代达到 60%以上，而 90 年代则达到 80%以上。

日本从 20 世纪 60 年代中期开始进行板式无碴轨道的研究到目前大规模的推

广应用，走过了近 40 年的历程。对于最初提出的轨道结构方案，铁道综合技术

研究所相继进行了设计、部件试验、实尺模型试验、设计修改、在营业线上试铺

等工作。从津田沼、日野土木试验所内的实尺模型试验到既有线、新干线的桥梁、

隧道和路基上的各种形式无碴轨道结构的试铺，总共建立了 20 多处近 30km 的

试验段，开展了大量的室内、营业线上动力测试和长期观测的试验研究工作，并

在试验结果的基础上，不断的改进、完善结构设计参数和技术条件，最终将普通 A

型（图 4-3）、框架形（图 4-4）等板式轨道结构作为标准定型，在山阳、东北、 上越、北陆和九州新干线的桥梁、隧道和路基上大量使用。

在 20 世纪 60 年代后期到 70 年代中期，为解决新干线的噪声振动问题，实 现高速铁路发展与社会环保兼容的目的，日本在东北新干线开工前建立了“小山 试验线”，铺设了长度各 200m 的 24 种形式的轨道结构（其中包括 11 种板式无 碴轨道），观测其噪声振动效果，在进行技术、经济分析后，将防振 G 型板式轨 道（图 4-5）作为标准形式在减振降噪区段推广铺设。

图 4-3 普通 A 型轨道板

图 4-5 防振 G 型轨道

图 4-4 框架型轨道板

日本板式轨道结构在土质路基上的发展与桥上、隧上板式轨道是同时起步 的。1968 年提出 RA 型板式轨道，并在铁道综合技术研究所进行性能试验。1971 年在东海道本线 100m 的营业线上进行初次试铺，1974 年在东海道新干线含慧桥 站内共铺设 2.3km，共有 14 处作为现场试铺。但在个别试验段上发生了基础下 沉、轨道板陷入铺装底座内等问题，为此开展了长期深入的研究。直到 1993 年， 改进后的板式轨道结构（图 4-5）在北陆新干线正式应用，铺设长度约 10.8km， 占北陆新干线高崎—长野段总长的 4%，为土质路基上轨道的 25%。

图 4-6 土质路基上 RA 型板式轨道

总之，日本定型的板式轨道包括 A 型、框架型轨道板，适用于土质路基上

的 RA 型轨道板和特殊减振区段用的防振 G 型轨道板，构成了适用于不同使用

范围的轨道板系列。截止到目前，板式轨道累计铺设里程已达 2700 多 km。

日本在大量铺设板式轨道的同时，还开发了 B 型弹性轨枕直结轨道，在东

北、上越新干线上都有铺设。为了扩大铺设，必须降低造价。最后，开发了简化

结构的 D 型弹性轨枕直接轨道（图 4-7），造价为 B 型的 3/4，减振性能较防振 G

型板式轨道还略有改善；同时解决了原结构部件更换困难的问题，更适合推广。

图 4-7 D 型弹性轨枕直结轨道

近年来，日本正大力研究一种“梯子形”轨道。由两根纵向轨枕（梁）支承

钢轨，横向每隔 3m 用钢管将两根纵向枕连结成梯子形；在桥上纵向枕与轨道基

础（梁面）之间每隔 1.5m 设减振支承装置组成“浮置式梯子形轨道”。其主要特 点是：低振动、低噪声；变传统横向轨枕支承钢轨的方式为纵向支承；轨道自重 轻，约为有碴轨道的 1/4；轨道高度的调整除利用扣件的调整量外，减振支承装 置也有一定的调高功能。铺设在桥梁上的浮置式梯子形轨道，使整体结构系统实 现了从“重型和传统”到“轻型和现代化”的根本变革。路基上的梯子形轨道， 其纵向轨枕下仍然铺设有道碴，属于有碴道床与整体轨下基础的混合式结构。可 见，轨道结构的发展出现了多样化形式。

目前，梯子形轨道已完成结构的力学分析、组成部件及实尺轨道的实验室基

础试验，并在美国 TTC 运输中心的环形线上完成了 35t 重轴的快速耐久性试验，

通过吨位超过 1 亿吨。日后，还将对高速运行的适应性以及用橡胶支承取代减振

装置以降低造价等实用性作进一步研究。

2．德国

德国也是研究无碴轨道较早的国家之一。德国铁路开展无碴轨道的研究始于

上世纪 60 年代末，1972 年首次在 Rheda 车站试铺了无碴轨道结构（故称“Rheda”

型）。

德国铁路、高校研究所以及工业界自 20 世纪 70 年代一直进行无碴轨道的研

究，目前德国有 20 多家企业参与无碴轨道新结构的开发，形成了市场竞争的局

面，推进了新技术的发展，其提出的结构型式多种多样。

德国曾试铺过 10 余种无碴轨道结构，其轨道的基础分钢筋混凝土和沥青混

凝土两类。钢轨的支承方式多为分散支承（即点支承），连续支承方式仍处在试

铺阶段，未在路网上正式使用。对于分散支承方式的无碴轨道，其道床结构大体

上可分为两大类，一类为整体结构，另一类为直接支承方式，表 4-7 列出了德国

铁路目前批准可在路网正式应用和可试铺进行运营考验的无碴轨道结构类型。

表 4-7 德国铁路无碴轨道的结构类型

现浇混凝土

（含轨枕或支承块）

RHEDA*

ZüBLIN*

BERLIN*

HEITKAMP 整体结构

现浇混凝土

（不含轨枕或支承块）

FFC

BES

BTE

HOCHETIEF

RESENGLEIS

预制板

BöGL* 直接支承结构

轨枕或支承块

ATD*

GETRAC*

BTD

SATO

WALTER

注：带*的为 EBA 批准可在路网正式应用的无碴轨道结构型式，其余均在试铺运营考验阶段。

Rheda 型无碴轨道（图 4-8）为钢筋混凝土底座上的整体结构型式之一，在

大量试铺和长期观测试验的基础上，在德国铁路高速线土质路基、桥梁和隧道区

段全面推广应用，所铺设的 360km 无碴轨道（含 80 多组道岔区）中，Rheda 型

约占一半以上。Rheda 型无碴轨道结构从 1972 年开始试铺的普通型（带槽形板、 埋入轨枕）到目前研发的 2000 型（无槽形板、埋入支承块）经历了近30 年的发 展里程。

图 4-8 普通 Rheda 型无碴轨道

最近开发的 Rheda-2000 型无碴轨道（图 4-9）已投入商业应用，如在荷兰及 我国台湾高速铁路上都有应用。其结构特点是：由 2 根桁架型配筋组成的特殊双 块式轨枕取代了原 Rheda 型中的整体轨枕；取消了原结构中可能开裂和渗水的槽 形板，统一了隧道、桥梁和路基上的形式，也可在道岔和伸缩调节器区段应用；

同时，轨道结构高度从原来得 650mm 降低为 472mm。Rheda-2000 型中的支承块

只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为桁架式的钢筋骨架，使其

与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少，有利于提高施工质量和结构的整体性。

建筑高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。将无碴轨道的造价

控制到有碴轨道的 1.3～1.4 倍是德铁力争的目标。

图 4-9 Rheda-2000 型无碴轨道

最典型的直接支承方式无碴轨道结构为 ATD、GETRAC 型，如图 4-10、图

4-11 所示，上部的轨枕或支承块直接置于钢筋混凝土/沥青混凝土支承层上，成

为一个独立的组成部分，在中部有多种方式设限位装置，以限制轨排纵、横向移

动。

图 4-10 ATD 型无碴轨道结构（单位：mm）

图 4-11 GETRAC 型无碴轨道结构（单位：mm）

由 Bögl 公司开发的博格板式无碴轨道结构由预制轨道板组成，轨道板结构

高度（从水硬性材料支撑顶面到钢轨顶面）474mm，分为标准预制板、特殊预制

板和补偿预制板三种型式，标准板的外形尺寸 6450mm×2500mm×200mm，轨

道板之间用钢筋连接，板底充填水泥沥青砂浆层。与现场浇筑的混凝土轨道板相

比，博格板具有工厂化生产，加工精度高，固化时间短，不需要费时费工的现场

制模和浇筑，必要时可进行轨道板高程调整等优势，但厂房和设备等一次性投入

较高。博格板式无碴轨道为二十多年前开发的一种轨道板，但一直限于小段试铺，

最近得到 EBA 批准，在纽伦堡至英格施塔特新建线路得到大量使用，下部结构

则有路基、桥梁、隧道等。

Ioarv300 型扣件是目前德国铁路无碴轨道的标准型式，一般区段的无碴轨道

结构设计必须与标准扣件形式相匹配。此扣件的高低最大调整量为 +26/-4mm，

轨距调整量为±4mm，橡胶垫板厚度 12mm，静刚度值（22.5±2.5）kN/mm。德

国铁路使用的其他型式的扣件还有 336、A8、ERL/BWG 和 Krupp 型等。

从 20 世纪 80 年代开始，原联邦德国铁路实施私有化计划，即新建和扩建铁

路由联邦拨款，而养护维修则由德国铁路出资时，德国铁路董事会开始大力谋求

新建铁路和扩建线路要尽量采用少维修轨道，这项措施极大地推动了无碴轨道的

发展。德国在修建高速铁路的初期，无碴轨道仅占正线的 30%以下，但 1998 年

开通的柏林—汉诺威高速铁路，无碴轨道已达 80%以上。

与其他国家不同的是，德国铁路首先在车站试铺无碴轨道，接着解决了土质

路基铺设无碴轨道的技术问题，然后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺

设无碴轨道创造了有利条件。基于高速铁路有碴轨道线路的维修工作量大，道碴

粉化及道床累积变形速率加快，德国铁路根据其咨询公司对现行的有碴轨道和无

碴轨道的综合技术经济比较得出的建议，决定在所有隧道内、道岔区、制动区间

以及 300km/h 的高速线上均采用无碴轨道。目前德国铁路累积铺设无碴轨道

360km/h （含 80 多组道岔区），其中成规模铺设的线路包括科隆—法兰克福