重大技术问题汇编.docx
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重大技术问题汇编
京津、武广、郑西客运专线
工程咨询重大技术问题汇编
铁道部工程管理中心
二○○六年七月北京
1京津城际铁路工程咨询重大技术问题
京津城际铁路为新建时速350公里的无碴轨道客运专线铁路,建设单位为京津城际铁路有限责任公司,线下工程由铁三院设计。
为引进、消化、借鉴国外先进的无碴轨道技术和经验,工程试验段由中铁十七局与德国博格公司联合体设计施工总承包,由铁科院、铁一院与法国SYSTRA公司咨询联合体进行工程咨询。
在施工图设计文件的咨询中,各方进行了沟通与协商,对因中外规范体系不同、设计理念差异等难以达成一致的重大技术问题,京津公司以书面汇报和京津铁工管[2006]64号文上报了工管中心,涉及线路轨道、路基、桥涵和隧道专业,共8个问题,其中轨道专业2个,路基专业1个,桥涵专业5个。
工管中心组织了专题研究,形成了专家意见,并以技委[2005]13号、工管[2006]49、72号文进行了回复。
为便于理解和应用,对这些问题按专业进行了汇总。
1.1线路轨道工程
1.1.1曲线地段轨道超高设置
(1)中铁十七局-博格-铁三院联合体意见
联合体认为:
考虑到今后一段时间行车速度主要是在200km/h和300km/h之间,建议曲线半径5500m时采用165mm的超高。
中铁十七局-博格-铁三院联合体超高设置方案
速度V(km/h)
曲线半径R(m)
均衡超高
h0(mm)
实设超高
h(mm)
过、欠超高hg/hq(mm)
过、欠超高[hg]/[hq](mm)
350
5500
263
165
98
80
300
5500
193
165
28
80
200
5500
86
165
-79
80
350
8000
181
120
61
80
300
8000
133
120
13
80
200
8000
59
120
-61
80
350
9000
161
100
61
80
300
9000
118
100
18
80
200
9000
52
100
-48
80
(2)外方(SYSTRA公司)咨询意见
速度V(km/h)
曲线半径R(m)
均衡超高
h0(mm)
实设超高
h(mm)
过、欠超高hg/hq(mm)
过、欠超高[hg]/[hq](mm)
350
5500
263
170
93
80
300
5500
193
165
28
80
200
5500
86
165
-84
80
外方咨询认为:
假如今后一段时间内行车速度主要在300km/h到350km/h之间,则建议在5500m曲线半径下,选择170mm的超高。
(3)工程技术咨询研讨会专家意见
10月28日工程技术咨询研讨会认为:
考虑到京津线以300km/h的动车组为主,同时兼顾200km/h上线车及今后速度提高到350km/h,各方一致同意曲线地段轨道超高设置为:
曲线半径5500m超高为165mm,曲线半径8000m超高为120mm,曲线半径9000m超高为100mm。
(4)工管中心回复意见
同意按300km/h运行速度为主进行曲线地段轨道超高设计,曲线半径5500m超高为165mm,曲线半径8000m超高为120mm,曲线半径9000m超高为100mm。
1.1.2轨道扣件选择与无缝线路断缝取值
(1)设计情况
钢轨:
时速350km/h客运专线60kg/m钢轨;
最高轨温Tmax=+60.6℃;
最低轨温Tmin=-27.4℃;
设计锁定轨温Te=28±5℃;
动轮载:
300kN;
扣件纵向阻力7~8kN/(m·轨),桥上扣件采用无挡肩型小阻力扣件;
钢轨断缝允许值[λ]=10cm。
(2)规范规定
主要设计依据是《京沪高速铁路设计暂行规定》,对钢轨断缝允许值的规定为:
“钢轨断缝值可取7cm;对于采用小阻力扣件的无碴轨道,当检算断缝值不能满足上述要求时,钢轨断缝值可适当加大,但不得超过10cm。
”
(3)中方(铁科院)咨询意见
①若桥上线路纵向阻力由7~8kN/(m·轨)增加到12kN/(m·轨),则无缝线路作用于墩台的纵向力约增加40%,由此带来的影响有:
修改桥墩的最小纵向刚度限值,墩台截面显著增大,桥墩配筋率显著增加,墩台基础加固,桥梁工程投资增加;
②桥上扣件阻力减小,对墩台和轨道受力有利;
③从运营实践来看,桥上发生钢轨断缝的机率很小,恰巧出现近30年最低轨温时发生钢轨折断的机率更小,我国仅发生的两次大跨桥上钢轨折断值分别为5.16cm、2.07cm,远小于检算值10cm。
所以,用近30年最低轨温检算断缝,已有很大的安全储备量;
④从试验来看,环形线列车以85km/h的速度通过13.8cm的断缝时,6项决定行车安全的轨道参数均满足要求;
⑤《京沪高速铁路设计暂行规定》历经2年研究、编写和反复讨论,并请德、法、日三家公司咨询,最后修改定稿,已正式发布,应作为我国修建高速客运专线的主要设计依据。
(4)外方(SYSTRA公司)咨询意见
“建议采用释放温度为23±5℃时最小摩擦力12kN/m/rail的扣件”。
理由:
①对于钢轨断缝允许值[λ],考虑到安全因素,这个值必须限制在7cm,日本和中国台湾的高速铁路规章也这样规定的,能够获得较满意的安全性指标;
②取[λ]=7cm,则扣件纵向阻力为:
E·A·(α·ΔT)2/λ=12kN/(m·轨)
③通过计算,当设计锁定轨温为28±5℃时,允许伸缩的最大长度为86m,若桥跨超过此值,就需要考虑设置伸缩调节器,而设计锁定轨温为23±5℃时,允许伸缩的最大长度可达108m。
(5)专家意见
9月29日京津公司组织的专家论证会认为:
①无碴轨道上使用扣件类型和扣件参数应尽快明确,建议采用无挡肩扣件;
②桥上无缝线路设计,历年(近30年内)最低轨温下钢轨折断的允许断缝采用100mm,设计锁定轨温:
无碴轨道上限为30℃、下限20℃;有碴轨道上限为32℃、下限22℃。
扣件纵向阻力:
无碴桥采用7.5kN/(m·轨),有碴桥采用8kN/(m·轨)。
(6)部与博格公司就无碴轨道技术引进谈判成功后,决定在京津全线采用博格板式无碴轨道,扣件采用vossloh扣件。
Vossloh扣件是有挡肩型大阻力扣件,能保证钢轨断缝值限制在7cm。
(7)工管中心回复意见
按部已明确的扣件进行轨道设计,无缝线路断缝值取7cm。
1.2路基工程
1.2.1桩网结构
(1)设计情况
铁三院按初步设计审查意见进行的施工图设计,地基处理采用CFG桩与一层土工格栅和一层土工格室组成的桩网结构,桩顶设置碎石垫层,垫层内夹铺一层抗拉强度为100kN/m的带凸点双向钢塑土工格栅和一层GC-100-400土工格室。
但目前我国没有成熟的计算桩网结构的理论和方法。
(2)博格公司意见
可以采用土工格栅,但不能用土工格室。
其原因:
①土工格室孔网较大,受力变形后孔内填料遗漏,将使格室变形超出标准要求;
②格室的焊点强度仅10kN/m,无法满足结构要求;
③目前还没有土工格室在类似结构中成功运用的范例,而CFG桩与土工格栅形成的桩网结构形式曾在德国柏林—汉堡高速铁路上成功运用(有碴,时速250km/h,已运营约5年),对本工程具有借鉴作用,在试验段地基处理工程中可以采用土工格栅结构。
同样,CFG桩与钢筋混凝土板组成的桩板结构形式,可以满足本工程要求。
(3)联合体中方意见
CFG桩与土工格栅形成的桩网结构形式在本工程中不适用,其原因:
①国内常规材料的强度达不到设计要求,按德国EBGEO方法计算,设计要求土工格栅的材料强度应达到400~600kN/m,而国内厂家生产的土工格栅材料强度均不超过150kN/m,无法满足设计要求;
②进口土工格栅可满足工程需要,但价格昂贵;
③经调查,国内厂家也具有满足设计强度要求土工格栅的研发能力,但研发时间需要约半年时间,无法满足工程的工期要求,且因小批量供应,研发费用将直接转入材料,价格昂贵。
铁三院认为土工格室符合初步设计审查意见,但博格公司提出的CFG桩与钢筋混凝土板组成的桩板结构形式与初步设计审查意见不符。
土工格室应用于软弱地基处理工程实例较多,应用于刚性桩顶尚属首次,虽然目前尚未有成熟设计理论,在试验段沉降控制中应用可积累相关经验。
(4)中外咨询联合体意见
建议采用桩板结构形式,不同意采用任何CFG桩网结构形式。
原因是CFG桩网结构没有成熟的计算方法和应用于高速铁路无碴轨道的经验,如采用风险较大。
(5)京津城际公司意见
采用桩板结构。
(6)专家意见
①目前我国没有成熟的计算桩网结构的理论和方法。
根据德方提供的资料使用德国EBGEO计算方法,专家认为比较可行,可供设计参考;
②根据德国EBGEO方法计算,要求京津试验段桩网结构中的土工格栅抗拉强度为400~600KN/m;
③采用土工格室-桩网结构目前国内外没有成熟的计算方法,中方建议在试验段用原设计方案和EBGEO方法进行工程对比试验,研究和总结理论计算方法。
外方对此认为没有成熟的计算方法,采用风险较大,不同意在正线做试验。
(7)工管中心回复意见
考虑到京津城际铁路工期十分紧张,同意在速度目标值300km/h地段采用桩板结构。
1.3桥梁
1.3.1抗震力计算
(1)设计情况
在施工图设计中,桥墩地震力计算依据是《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111-87)。
(2)外方(SYSTRA公司)咨询意见
①国标GBJ111-87没有考虑塑性区,结构在地震条件下的表现仅考虑了弹性区,无法确定结构首先塑性变形的部分。
国标GBJ111-87中采用的地震力计算公式得出的地震力过低,使用国际方法计算的地震值是国标的3至5倍(纵向3.8倍、横向5.77倍),法国SYSTRA公司认为国标GBJ111-87不足以进行安全的抗震设计。
②正在报批的新抗震规范(报批稿)与国标GBJ111-87相比,体现了其进步性,但仍需进行调整,以便和国际规范相一致。
以永定新河特大桥276号墩(7度地震)为例,按国际规范和新抗震规范(报批稿)计算结果对比如下:
纵向地震力:
采用欧洲标准的计算结果为1338KN,采用新抗震规范(报批稿)的计算结果为1240KN,欧洲标准下的纵向地震力是新抗震规范(报批稿)的1.08倍;
横向地震力:
采用欧洲标准的计算结果为2939KN,采用新抗震规范(报批稿)的计算结果为1769KN,欧洲标准下的横向地震力是新抗震规范(报批稿)的1.66倍。
以下是墩柱底部所需的纵向钢筋和桩基内所需的纵向钢筋的对比:
墩柱底部所需的纵向钢筋对比(276号墩)
墩柱底部
纵向钢筋的百分比
欧洲标准
0.2
新规范
0.5
国标GBJ111-87
0.3
博格
0.3
桩基内所需的纵向钢筋对比(276号墩)
墩柱底部
纵向钢筋的百分比
长度m
欧洲标准
>1.5
25
新规范
0.5
25
国标GBJ111-87
0.5
25
博格
0.9
35
③结论
桥墩纵向钢筋和桩基承载能力满足要求,但桩基钢筋数量不够,建议采用欧洲标准(墩配筋率0.2%,桩配筋率1.5%),以确保设计既安全又经济。
(3)专家意见
2005年9月29日专家论证会认为:
关于地震力的计算和下部结构的配筋布置,按GBJ111-87抗震规范的设计与按欧洲规范的咨询结果有较大差别,而新抗震规范有较大改进,已报建设部审批。
建议在本工程中采用新抗震规范(报批稿)。
(4)铁三院按照新抗震规范(报批稿)设计情况
按照新抗震规范(报批稿),7度地区墩身配筋率为0.25%,桩基配筋率为1.2%;8度地区墩身配筋率为0.38%,桩基配筋率为1.3%。
增加费用(常规梁跨)4亿左右。
(5)工管中心回复意见
新抗震规范已颁布,未施工工程应按规范检算修改。
1.3.2制动力和牵引力
(1)设计情况
按《京沪高速铁路设计暂行规定》,桥上列车制动力或牵引力按ZK竖向荷载的10%计算。
双线桥采用一线的制动力或牵引力。
(2)外方(SYSTRA公司)咨询意见
根据欧洲规范,制动和加速力是ZK竖向荷载的25%,适用于双线。
法国SYSTRA公司坚持以下几点:
①建议采用双线的制动和加速荷载,原因是在同一条铁路线上有一列车加速且另一列制动是经常发生的情况(如列车出站时或在有坡度的线路上);
②应该确定线路上运行的列车轴的类型和荷载。
列车荷载的25%应该低于ZK竖向荷载的10%;
③任何比上述实际列车重的列车在没有经过验证前不得在轨道上运行。
此限制尤其针对轨道上运行的工程用车。
另外,如果下一代型号的列车的制动和加速应力更大,可能影响远期运营。
(3)中方设计意见
考虑到两列车同时在一孔梁上加速、制动的可能性很小,且制动力最大出现在即将停车的瞬间。
设计认为应该按《京沪高速铁路设计暂行规定》执行。
(4)专家意见
2005年9月29日专家论证会认为,制动力和牵引力建议按现行中国有关规范执行。
(5)工管中心回复意见
原则同意按《京沪高速铁路设计暂行规定》进行制动力和牵引力的取值。
1.3.3承台及桩的钢筋布置
(1)设计情况
施工图设计承台配筋采用上下各一层钢筋网布置,桩基采用12根Ф20mm的Q235光钢筋。
(2)外方(SYSTRA公司)咨询意见
桩的设计符合中国规范要求,但设计采用的制动-加速应力和地震应力不符合国外标准。
建议设计参考必要的国外桩基最小配筋率标准(>1.5%)。
(3)中方设计意见
桩基配筋是依据计算确定的,桩基采用构造配筋,与外方要求最小配筋率有差别,钢筋型号也有差别。
中方设计认为,桩基配筋是合理的,承台满足刚性角的要求。
因此,施工图配筋是合理的。
(4)专家意见
2005年10月28日工程技术咨询研讨会专家认为,关于承台及桩的配筋布置:
为适应抗震要求,桥墩伸入承台的钢筋适当加长;承台按地震荷载进行检算;桩头附近适当提高配箍率。
(5)工管中心回复意见
同意按新抗震规范和现行桥规进行承台和桩的钢筋设计,并适当提高桩头配筋率。
1.3.4钢轨伸缩调节器的设置
(1)设计情况与中方设计意见
京津城际多处设计有(60m+100m+60m)的连续箱梁,设计在跨中位置设置钢轨伸缩调节器。
钢轨伸缩调节器设置在连续梁梁跨中部可极大地减小桥梁墩台的附加纵向力,达到技术、经济系统优化的目的,理由如下:
①极大地减小墩台的纵向附加力;
②此方案成功应用于钱塘江二桥、广深线、秦沈线等工点,至今运营良好;
③钢轨伸缩调节器的设置方案涉及线路纵向阻力、断缝控制、不同轨道结构附加应力限值、桥梁墩台结构设计等诸多因素,国内具有多年的无缝线路铺设经验,形成较为成熟的、系统的轨道和桥梁结构设计理论与标准。
(2)规范规定
《京沪高速铁路设计暂行规定》关于钢轨伸缩调节器的设置原则是“钢轨伸缩调节器应尽量少用或不用”,对设置位置没有具体规定。
(3)外方(SYSTRA公司)咨询意见
建议将伸缩缝安置在连续梁的两端,因为不易受温度变化而引起桥面变形。
理由如下:
①伸缩缝远离轨道的应力最大区域,可能发挥不了作用;
②当列车通过时,桥梁中部的伸缩缝将受到桥面纵向和竖向变形影响,接近固定支座的伸缩缝受变形影响较小;
③如果伸缩缝远离“固定区”,可能不易调整;
④9月29日与中方专家讨论后,建议将钢轨伸缩调节器装在固定支座附近或在一个无自动力的桥跨上,以避免伸缩调节器固定部分的位移。
(4)博格公司意见
在10月28日工程技术咨询研讨会上,博格公司提出:
在由简支梁或简支梁与连续梁组成的长桥上,在梁面上制作一个跨越桥梁端缝的连续承载板,并在承载板上铺设与路基相同的标准轨道板(长度为6.5m),并对轨道板进行纵向连接,采取这种设计可以不设置钢轨伸缩调节器。
同时,此方案与设置钢轨伸缩调节器的方案相比,对墩台的支座反力基本没有变化。
(5)中方(铁科院)咨询意见
按不同情况在连续梁的中跨跨中设置伸缩调节器是可行的。
理由如下:
①通过理论分析与实测得出:
钢桥梁端伸缩量大(济南黄河大桥232m跨度的梁端伸缩量达到21.4~32.9mm),混凝土梁端伸缩量小(石龙大桥112m跨度的梁端伸缩量仅2.5~3.8mm);
②为补偿钢梁的较大位移,应在梁端设置钢轨伸缩调节器;
③联长不太长的混凝土连续梁梁端位移较小,没必要在梁端设置钢轨伸缩调节器来补偿钢轨的位移量,设置钢轨伸缩调节器的目的是减小作用于墩台上的无缝线路纵向力;
④在跨中设置双向钢轨伸缩调节器,可使调节器前后两个方向长轨条的伸缩量位移方向相反,作用于墩台的无缝线路伸缩纵向力相互抵消,近似为零;
⑤只有在混凝土连续梁的联长很长或困难情况下才在梁的两端分别设置双向钢轨伸缩调节器。
(6)专家论证会意见
9月29日京津公司组织的专家论证会认为:
在连续梁的中跨跨中设置双向调节器是可行的。
(7)工程技术咨询研讨会专家意见
10月28日工程技术咨询研讨会认为:
关于60m+100m+60m长桥无碴轨道设计和钢轨伸缩调节器的设置,博格公司介绍了设计方案,与会专家认为其提供数据不够全面,难以对其解决方案进行评价,建议:
①铁三院提供本线无碴轨道设计外部边界条件、60Kg/m钢轨参数及大跨度梁设计参数,博格公司按中方提供的技术条件进行桥梁上无缝线路设计计算,同时铁三院及SYSTRA公司针对博格板式无碴轨道的结构,进行桥梁无碴轨道无缝线路检算。
各方将计算结果报京津城际公司汇总,适时组织专题论证。
②博格公司尽快将无碴轨道桥梁支座反力提供给铁三院,以便与原设计进行对比,进一步检算桥梁设计。
(8)工管中心回复意见
尽快组织对博格公司提出的(60+100+60)m连续梁无碴轨道取消钢轨伸缩调节器的设计方案进行技术论证,12月20日前报部。
1.3.5承台和桥墩设计问题
(1)博格公司意见
墩身和承台之间、承台和桩身之间属于结构间的连接,根据《震规》分类,应按“设计地震”进行检算,地震动峰值加速度取0.15g。
承台六个面均配置钢筋,以提高整体性和改善承台因混凝土水化热产生的裂缝,墩身钢筋伸入承台与承台底面钢筋连接,配筋量为6.8t。
(2)设计院意见
墩身和承台之间、承台和桩身之间不属于结构间的连接,《铁路工程抗震设计规范》中界定的桥梁上、下部结构连接指的是支座、伸缩缝、抗震档块、限位装置等(《震规》条文说明中的解释)。
承台应按照“多遇地震”进行检算,地震动峰值加速度取0.05g。
承台顶、底面配置钢筋,墩身钢筋伸入承台的长度按钢筋混凝土锚固长度进行设计,锚固长度满足要求,构造上不要求必须与承台底面钢筋连接,配筋量3.3t。
两个单位承台配筋情况对比见图1:
图1两个单位承台配筋情况对比
(3)咨询单位意见
①关于承台配筋
铁三院确认其设计符合京津城际铁路承台地震力设计应用《铁路工程抗震设计规范》研讨会会议纪要(工管[2006]49号)及3月22日建设司组织的专家会议意见,满足现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》,并按照有限元理论进行了检算。
咨询方SYSTRA公司认为有限元理论适用结构处于弹性状态,对于桥梁承台应按照国际通用方法双轴弯曲法和压拉杆法对承台底部钢筋进行检算。
由于计算方法不同,目前9种简支梁承台,SYSTRA公司确认1、2类(8根φ1.0m)承台设计底部配筋与咨询方计算配筋量比较接近,同意1、2类承台设计,其他承台应增设底部配筋2至3倍。
承台配筋对比见下表:
承台尺寸
(高度含加台高)
11.0×8.0
×3.5m
12.5×8.1
×4.0m
12.5×9.1
×4.0m
11.0×8.0
×2.5m
12.5×8.1
×5.0m
桩基
12φ1.0m
10φ1.25m
12φ1.25m
12φ1.0m
11φ1.25m
平行轨道方向
Asx(cm2/m)
设计
31.4
31.4
31.4
31.4
31.4
咨询
65.1
61
89.8
38
69.9
差别
2.07
1.94
2.86
1.21
2.23
增加量(T)
2.35
2.39
5.31
0.46
3.13
垂直轨道方向
Asy(cm2/m)
设计
31.4
31.4
424
39.3
31.4
咨询
50.9
55.5
72.7
51.2
90.0
差别
1.62
1.77
1.73
1.30
2.87
增加量(T)
1.36
1.96
2.76
0.82
6.27
②关于桥墩配筋
铁三院认为桥墩设计按照铁路设计规范进行了设计,满足京津城际铁路承台地震力设计应用《铁路工程抗震设计规范》研讨会会议纪要(工管〔2006〕49号)及3月22日部建设司组织的专家会议意见。
SYSTRA公司认为目前墩身设计虽满足现有中国规范,但其配筋不能够保证足够的延性,对于新建高速铁路,建议参照国际惯例对现有的混凝土桥墩承台以上3米范围内加强勾筋,将混凝土桥墩底部配筋参照钢筋混凝土桥墩进行设计,使得地震作用下桥墩的延性得到保证。
对于圆端形桥墩,建议改用Ф12mm的箍筋每200mm对竖向主筋进行约束,每层中这些勾筋的水平间距为400mm(每墩约需要增加1吨钢筋)。
桥墩箍筋对比见下表:
圆端形桥墩配筋率
三院
欧洲、美国
咨询方建议
纵向配筋率(平行轨道)
0.09%
1%
0.36%
横向配筋率(垂直轨道)
0.08%
1%
0.22%
(4)研讨会主要意见
在3月9日的研讨会上,与会人员听取了博格公司、铁三院和铁科院咨询联合体就京津试验段桥梁承台地震力设计应用《铁路工程抗震设计规范》的情况介绍,经过充分的讨论和交流,形成下列意见:
①原则同意按照多遇地震进行桥墩抗震检算。
②考虑到结构整体进入非弹性工作阶段后,结构振动特性发生了变化,仍按弹性阶段计算不尽合理,建议对墩身、承台、桩基连接的关键部位适当加强,以提高结构的抗震性能。
Ⅰ.桩头配筋设计按照抗震规范的相关要求进行加强。
桩头两倍桩径范围内箍筋加密,直径不小于10mm,间距不大于10cm;主筋配筋率不小于0.5%。
Ⅱ.墩身的纵向钢筋伸入到承台应具有足够的锚固长度。
Ⅲ.加台和承台可按构造设置护面筋。
(5)工管中心回复意见
按研讨会意见执行。
2武广客运专线工程咨询重大技术问题
武汉至广州客运专线为新建时速350公里的无碴轨道客运专线铁路,建设单位为武广客运专线有限责任公司,线下工程由铁四、二设计院设计。
为引进、消化、借鉴国外先进的无碴轨道技术和经验,武汉工程试验段由中铁八局与德国海德坎普公司联合体、新广州站工程试验段由中铁四局与日本海外铁道联合体设计施工总承包,由铁四院与德国欧博迈亚公司咨询联合体进行工程咨询。
在施工图设计文件的咨询中,各方进行了沟通与协商,对因中外规范体系不同、设计理念差异等难以达成一致的重大技术问题,武广客专公司以武广工[2005]81、[2006]34、38、79号、武广函[2005]78、[2006]80号,广州新客站工程指挥部以新站指[2006]3号文上报了工管中心,涉及路基、桥涵和隧道专业,共27个问题,其中路基专业13个,桥涵专业8个,隧道专业6个。
工管中心组织了专题研究,形成了专家意见,并以技委[2005]15号、工管[2006]20、50、62、73、81、85号文进行了回复。
为便于理解和应用,对这些问题按专业进行了汇总。
2.1路基专业
2.1.1基床换填厚度问题
(1)设计情况:
①根据《客运专线无碴轨道设计指南》