整理我国铁路轨下基础的现状及发展.docx
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整理我国铁路轨下基础的现状及发展
我国铁路混凝土轨枕的现状及发展
轨枕是轨道结构的重要部件。
它承受来自钢轨的各种作用力，并弹性地将作用力传布于道床，同时有效地保持轨道的轨距、方向和位置。
世界高速铁路有碴轨道正线全部采用混凝土轨枕。
我国既有铁路干线绝大部分铺设混凝土轨枕，在高速铁路、客运专线和既有主要干线则要求全部采用混凝土轨枕。
混凝土轨枕的主要优点是：
纵、横向阻力大，提供足够的稳定性，可以满足高速铁路的要求;轨枕承载能力可以根据不同的高速运行条件进行设计，使之满足长期使用的耐久性要求;由于高速运行的平顺性、舒适性要求，高速铁路和客运专线必然铺设无缝线路，理论计算和经验表明，混凝土轨枕及其钢轨扣件的性能完全能够满足无缝线路的需要;寿命长和维修工作量小等。
轨枕的受力是极其复杂的，其上承受的作用力有垂向、横向和纵向作用力。
混凝土轨枕设计中的控制断面是轨枕的轨下截面和中间截面。
这两个截面所受荷载弯矩的大小取决于机车车辆轴重、行车速度、轨道状态和道床支承情况等的不同，同时，轨枕截面所受荷载弯矩在很大范围内波动，不仅每一根轨枕所受的荷载不同，而且同一根轨枕的轨下截面和中间截面在每一次轮载作用下所接受的荷载弯矩也是不同的。
在这种不稳定重复荷载作用下，轨枕在予计使用期内达到失效状态的概率应不超过某一予定值。
这是混凝土轨枕按使用安全度设计理论设计的基本含义。
一、我国铁路混凝土轨枕的现状及存在的主要问题：
自1956年我国研制出预应力混凝土轨枕以来，无论是铺设数量
、产品系列、质量控制还是技术标准，都有长足的发展。
我国铁路采用整体式混凝土轨枕，基本分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。
Ⅰ型混凝土枕包括1979年以前研制的各型轨枕和1979年以后设计的S-1型、J-1型等。
Ⅰ型混凝土枕的承载能力是按建设型机车、轴重210kN、最高速度85km/h、铺设密度1840根/km设计的。
随着铁路运输条件的变化，Ⅰ型枕早已不能适应，破损加剧，寿命缩短，几乎全部出现钉孔纵裂及轨下正弯矩横裂纹。
因此，在正线上大量更换下道，并明令禁止使用。
Ⅱ型混凝土枕的承载能力是按照韶山型机车、轴重250kN、最高速度120km/h、铺设密度1840根/km进行设计的，包括S-2型、J-2型、YⅡ-F型、TKG-Ⅱ型。
S-2型轨枕淘汰后，在总结各类Ⅱ型枕存在问题的基础上研制了新Ⅱ型枕，这种轨枕已成为次重型以下轨道的主型轨枕。
Ⅲ型混凝土轨枕是在1992年建立现代轨道结构试验段时研制的新型混凝土轨枕。
其主要特点是大大提高了轨枕承载能力和全面改善了轨枕使用性能，是适应运输发展最新需要并与国际标准接轨的产品。
Ⅲ型混凝土轨枕按机车最大轴重25t、货车最大轴重23t、旅客列车最高时速160km、轨枕长度2600mm设计，用于60kg/m和75kg/m钢轨线路、年通过总重密度60一100Mt•km/km。
Ⅲ型枕比Ⅱ型枕轨下和中间截面的承载力分别提高了43%和65%，大大提高了轨道的整体强度。
轨枕轨下截面静载抗裂强度可以达到210kN，中间截面可达到170kN。
Ⅲ型枕长度2.6m，实际的枕底面积7720cm2，若以等支承面积计，1600根Ⅲ型枕的底面积与1840根Ⅱ型枕相当，因此，加长和加宽的Ⅲ型枕可以减少每公里的轨枕配置根数。
Ⅲ型混凝土轨枕的研制成功时逢铁路实施提速战略，得到了迅速发展。
在提速的主要干线和客运专线都要求铺设Ⅲ型预应力混凝土轨枕。
目前，混凝土轨枕型号已基本适应运输条件的需要，其格局是合理的。
但是，从混凝土轨枕使用情况看还存在不少问题，在检验中静载抗裂强度和疲劳强度通不过的现象时有发生，特别是在运营中出现的各种伤损缩短了轨枕使用寿命。
在客运专线的建设中，解决这些问题已迫在眉睫。
我国铁路混凝土轨枕存在的主要问题是：
1、基础理论研究不够：
轮轨关系的复杂性和随机性决定了对轨道结构的严格要求，而轨道结构是由扣件将钢轨和轨下基础扣结在一起并支承在道床上，因此轨枕的结构、型式尺寸与其在道床上的支承状态、道碴级配、道床清洁程度和密实状态、轨下弹性垫层性能、扣件性能等都紧密相关。
我国结构每个部件的研究有一定深度，但作为一个结构、一个整体的研究比较缺乏。
例如有碴轨道轨下垫层弹性与枕下道床弹性应该如何分配、轨枕设计的计算方法采用何种支承状态更为合理、在轨枕设计中如何引入轨下弹性垫层动刚度的概念以及怎样达到与运输条件相适应的均匀变化的动刚度、轨枕设计与生产工艺的紧密结合等，都是在提高轨枕技术水平中应该解决的问题。
2、轨枕结构有待优化：
轨道结构任何部件出现问题都直接影响整个轨道结构的功能。
轨枕作为轨道结构最重要的部件之一，其本身的结构必须优化。
如扣件与轨枕的联结必须可靠，其轨下垫层必须具有足够的弹性以起到减振减噪的作用，而垫层弹性与弹条的弹性又必须有良好的匹配。
在提速道岔岔枕中使用的预埋尼龙套管曾出现部分失效，究其原因，一是尼龙套管结构不够合理，二是材质不良，三是使用中没有涂油防锈或油料质量不良促使螺栓及尼龙套管损坏。
3、制造工艺先天不足：
制造工艺是实现设计思想的基本保证。
我国混凝土轨枕制造工艺基本都是流水机组法，采用2×5或2×4长模生产，由于钢模受力，不可避免地产生变形，使轨枕中丝位发生变化，必然影响轨枕力学性能。
蒸汽养生也是轨枕生产的关键环节，但多年来轨枕蒸汽养生温度过高、养护池中温度不均匀、对枕心温度没有要求等都造成了轨枕早期开裂。
扣件予埋工艺落后使扣件埋设位置误差较大且没有规律性，使钢轨铺设后精度不够。
还有予应力筋张拉、混凝土搅拌、应力筋切割等工艺都有大量需要优化的工作。
4、粗放管理无序竞争：
先进的管理对保证良好的产品质量起到至关重要的作用。
我国混凝土轨枕厂在质量管理上都做过不少工作，但差距也是明显的，存在的主要问题是：
质量管理意识薄弱，钢模超期使用的问题普遍存在，致使丝位不准;管理制度不严格，为了应付静载抗裂强度的检验，采取超张拉、甚至增加钢筋的非正常措施，直接影响轨枕使用寿命;工装设备管理不到位，设备状态不良难以保证轨枕质量;原材料入厂检验和把关方面都存在较大差距，包括对水泥、骨料、添加剂、水等原材缺乏严格的检验;自动化、智能化程度低，生产过程受人为因素影响比较大等。
5、轨枕使用需要规范：
轨枕要严格按照运输条件和线路等级使用;养护维修中要根据轨枕受力特点进行捣固，避免出现受力不合理损坏轨枕;轨枕施工要严防野蛮装卸，施工设施必须齐备等。
二、各国铁路混凝土轨枕的发展趋势及特点：
尽管在高速铁路的发展中无碴轨道所占比例愈来愈大，在许多国
家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型式之一，在时速200km以下的客运专线建设和既有线改造、线路换轨大修中，有碴轨道仍会大量存在，因此，混凝土轨枕的性能和质量仍然是我们关注的重点之一。
高速铁路和客运专线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型式是双块式轨枕，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。
高速铁路已有近四十年的历史，根据这些国家的经验，整体式轨枕和双块式轨枕都可满足高速运行的技术要求。
为了适应高速铁路和客运专线轨道承载及线路养护维修的技术要求，一般都采用强化型的轨枕结构，即比既有线的轨枕更为优化，包括增加予应力配筋和截面高度来提高关健截面的承载强度，增大截面尺寸和轨枕长度等优化外形的设计来提高轨道的纵、横向稳定性。
但是，基于各国发展、应用混凝土轨枕的历史条件不尽一致，高速列车的型式和性能、高速线路和轨道的设计标准、轨道铺设和养护维修技术条件各有差异，因此，各国混凝土枕设计中采用的设计参数都遵循本国的相关设计准则。
其结构形式和承载水平有基本相同的趋势，又有各自不同的特点。
其中，轨枕承轨槽部分的结构形式主要取决于所采用的扣件结构及其与轨枕的联结方式，由此出现了有挡肩与无挡肩、有螺栓联结与无螺栓联结，以及予留孔、予埋铁件等不同的结构设计。
此外，由于各国采用不同的生产工艺（先张或后张，长模、短模或长线台座等），使配置的预应力主筋种类、锚固方式以及结构外形等都有较大的区别。
尽管如此，高速铁路和客运专线的各类轨枕都必须满足相应的承载要求，在高速客运专线、高中速客运混跑或客货混跑等不同运营条件下长期使用的耐久性，同时，轨道框架要有足够的纵、横向稳定性，确保运行的安全性和养护维修的合理性。
世界各国铁路混凝土轨枕具有以下特点：
（1）.混凝土轨枕的铺设数量增长很快，铺设范围逐步扩大，包括岔枕和各种特殊用途的混凝土轨枕;
（2）.混凝土轨枕的型式，除法国等个别国家发展非预应力双块式轨枕外，大多数国家都发展预应力整体式轨枕;
（3）.混凝土轨枕的长度各国普遍采用2.6m，德国还有向长度2.8m发展的趋势;轨枕断面尺寸逐步加大以提高线路的纵向阻力和稳定性，适当减少轨枕铺设密度以提高铺设和维修进度;
（4）.轨枕生产线地理位置布置合理，每条生产线能力适中，避免生产能力过大造成浪费和运距过长;
（5）.先张法整体式予应力混凝土枕的生产工艺有短模流水、长模流水和固定台座，它们各有优缺点，至于选择何种工艺要视国情而定;
（6）.各国轨枕生产都十分注重轨枕设计和制造质量，利用先进工艺、新技术和严格的质量控制手段保证产品质量，轨枕使用寿命都在50年左右。
各生产厂家都有完善的检测设备，有较强的科研技术力量和计算机管理系统，不断改进产品性能，开发新产品，以满足用户的需要。
三、我国铁路混凝土轨枕发展应做好的重点工作：
（一）、采用国际标准、提高行业水平：
在高速铁路和客运专线的建设中采用国际标准，使混凝土轨枕在设计理论、计算方法、技术装备、生产工艺、企业管理、产品质量等方面达到国际水平，是彻底扭转混凝土轨枕行业落后状态、全面提高行业水平的根本出路。
在高速铁路和客运专线轨枕技术标准中，要完全等同、等效采用EN标准（欧洲工业标准），主要表现在以下几个方面：
1、确立轨枕耐久性的理念：
以钢筋混凝土为主体的基础设施是各行各业建设中不可缺少的结构，强度和耐久性是混凝土结构的两大基本特征。
长期以来，混凝土和钢筋混凝土结构设计一直十分重视强度问题，传统设计方法是按照荷载和安全的要求确定混凝土的强度，即”按强度设计”。
但国内外大量破坏实例表明，混凝土结构一般不是由于设计强度不够而破坏，而是由于混凝土隨时间劣化产生破坏，不仅造成养护维修费用的大量增加，而且直接影响结构的使用和安全。
工业发达国家的混凝土轨枕使用寿命普遍在50年以上，据我国使用情况的调查，混凝土轨枕平均寿命不足20年。
早在二十多年前，工业发达国家就提出了”按服务年限或按耐久性设计混凝土”的理念，并在研究、设计、施工、标准等方面做了大量工作。
国内水工及港工设计规范率先对混凝土耐久性提出明确要求，近年来，城市地铁和城市快运的规范修订稿已明确将设计年限定为100年，而公路和铁路结构物至今没有明确规定。
高性能混凝土（又称耐久性混凝土，简称HPC）是根据混凝土材料耐久性要求，采用优质原材料、低水胶比、掺加矿物细掺料及高效减水剂，以耐久性为主要控制指标，同时保证其工作性、强度、体积稳定性等性能指标的混凝土。
高性能混凝土的基本要求是混凝土应具有良好的耐久性、工作性和强度，在概念上它与高强度砼（HSC）是不同的。
混凝土耐久性考虑在影响混凝土结构耐久性的内、外因素作用下，结构在设计目标使用期内，正常使用和维护的条件下，无需花费大量资金维修与加固，能够承受可能出现的各种作用力，具有良好的工作性能和耐久性能，使用条件达到设计规范要求。
混凝土结构的耐久性包括混凝土材料的耐久性和混凝土结构设计的耐久性。
混凝土材料耐久性是混凝土在正常施工、使用和维护条件下，在设计使用期内具有抗冻、抗渗、防止钢筋锈蚀及抵抗设计时予知的腐蚀介质或恶劣环境的能力。
混凝土结构耐久性设计则是为保证混凝土结构具有的耐久性能，根据使用条件，确定有关技术指标和选择各种耐久性措施的过程。
高速铁路和客运专线轨枕标准在原材料选择、制造工艺、质量要求、检验方法等方面都参照EN标准充分考虑了耐久性要求。
2、原材料选择：
混凝土轨枕的原材料主要有水泥、骨料、钢材、水和适量的外加剂、掺和料等。
在既有线的轨枕标准中对原材料的强度提出了要求，而客运专线的标准体现了如下变化：
（1）、水泥、骨料、钢材强度等级达到设计要求。
（2）、对水泥和骨料分别提出了碱含量的控制要求。
如“水泥碱含量应不超过0.60%”、“不应使用具有碱-碳酸盐反应活性或砂浆棒膨胀率大了0.20%的碱-硅酸盐反应活性的骨料;当骨料的砂浆棒膨胀率为0.10-0.20%时，混凝土碱含量不应超过3kg/m3”而且强调轨枕投产前以及骨料的来源改变时，都要进行试验和评价，并提出报告。
（3）、对粗骨料的级配、细骨料的细度模数和洁净程度提出了要求。
3、制造要求：
（1）、张拉力：
不仅提出了总张拉力符合设计图的要求，而且限定了总张拉力的偏差。
无论采用何种张拉工艺，都要保证每根钢筋受力的均匀，同时，要采用自动张拉和记录设备。
（2）、针对我国轨枕生产中养生不够规范的状况，参照EN标准，从自然养生和蒸汽养生两种方式对轨枕养生提出了很多具体要求，如轨枕表面和枕心温度的差别、升温速度、降温速度、静停时间等。
（3）、采取有效措施缓慢放张拉应力。
4、质量要求：
（1）、轨枕各项弯矩检验采用EN标准的试验方法，轨下截面正弯矩试验支点距离0.6m，枕中截面负弯矩试验支点距离1.5m，试验更为严格。
（2）、轨枕主要尺寸偏差基本等同采用EN标准，如予应力钢筋不允许出现断丝（既有线轨枕允许断丝）;上排予应力钢丝距轨枕顶面距离偏差±3mm（既有线轨枕±5mm）;任意两排予应力钢丝之间的距离偏差±2mm（既有线轨枕±5mm）等。
无挡肩轨枕由于其结构特点，各尺寸偏差要求更严格。
（3）、外观质量要求的项目齐全且有量化指标。
5、检验规则：
轨枕检验分为型式检验和出厂检验。
型式检验项目除既有线轨枕的外观质量、各部尺寸和各项强度指标外，增加了原材料报告、混凝土碱含量评估、混凝土弹性模量、混凝土氯离子渗透性、予埋套管或铁座抗拔力、轨枕与扣件组装绝缘电阻等。
出厂检验则增加了混凝土弹性模量的项目。
另外，根据我国的实际情况，增加了动载试验。
对各项质量检验数量和判别都应有量化要求。
在我国的标准中首次提出了质保期的要求，即质保期自出厂起五年，而且生产厂家要承担更换质保期内发现的由于生产者过失造成的不合格轨枕。
（二）、优化生产工艺、提高产品质量：
流水机组法和长线台座法是目前我国生产混凝土轨枕的主要两种方法，从实际业绩来看，各有优缺点，但是相对高速铁路和客运专线轨枕的技术要求而言，我国这两种方法的实际水平都有很大的差距，不可能生产出高质量轨枕。
为此，必须认真改造工装，优化生产工艺，需要解决的主要问题有：
1、配料自动控制和搅拌工艺：
混凝土原材料在动态称重情况下会产生配料误差，为实现在动态称重情况下按规定的配合比进行精确投料搅拌，要设置具有自动称重、配料、搅拌功能的控制设备，并能适时自动记录、查询及修改各个工艺环节的参数。
2、钢筋张拉工艺：
预应力钢筋、箍筋和螺旋筋都必须分别达到技术条件的要求。
对预应力钢筋的张拉工艺要拟定操作规程，总张拉力应严格符合设计图的规定，施加的总张拉力偏差不应超过设计值的±5kN。
保证每根钢筋张拉力的均匀性也是十分重要的，无论采用钢筋或钢鉸线、无论采用单根张拉或整体张拉，都要保证钢筋受力均匀，为达到这个目的，要利用高精度传感器测量技术和计算机控制技术装备先进的张拉设备，并定期检验、校正张拉设备，配备精度不低于1.5级的测力设备。
在解决钢筋张拉均匀性的工作中，有很多关健技术和基础理论的研究工作，如钢筋有效长度误差对张拉均匀性的影响、模具变形对张拉均匀性的影响、张拉速度及模具长度和刚度对钢筋应力松弛的影响、均匀张拉调节技术等。
3、混凝土灌注与振捣工艺：
三、规划环境影响评价轨枕混凝土胶凝材料用量不得超过500kg/m3，这是为了不致产生过高的水化热。
在EN标准中明确规定“混凝土应具有足够密实度以最大程度减少水的渗入”，而我国的技术标准中尚无这方面的明确规定，实际上，混凝土的密实度对轨枕使用寿命有重要影响。
因此，对不同的生产工艺要有不同的布料、灌注、振捣设备和工艺规程，同时建立振捣台的自动控制系统。
对轨枕混凝土应具有的最佳密实度以及如何达到最佳密实度，还需要在生产线的改造过程中认真解决。
4、轨枕养生工艺：
（五）建设项目环境影响评价文件的审批轨枕养生分为自然养生和蒸汽养生。
[例题-2005年真题]《中华人民共和国环境影响评价法》规定，建设项目可能造成轻度环境影响的，应当编制（ ）。
轨枕采用自然养生时，应在振捣完成后立即进行，并应覆盖混凝土直接保湿膜。
为了达到最好的养生效果，要求开始养生时的环境温度不大于30℃，枕心混凝土温度与轨枕表面混凝土温度应尽量相近，其温度差不应大于20℃。
轨枕采用蒸汽养生时，要注意进行如下控制：
在温度不大于30℃的环境中静停时间不少于3小时;混凝土升温得速度不大于15℃/h;应有一定的停汽降温时间，降温速度不大于15℃/h;养生结束时轨枕表面与坑外温差不大于15℃。
4.广泛参与原则。
养生期间，要根据水泥中三氧化硫的含量控制最高养生温度。
轨枕脱模后，应湿润养生7天以上;冬天环境温度低于5℃时，应喷涂混凝土养生剂并覆盖保暖保湿层。
为了确保养生温度控制的准确，要做好以下工作：
制定满足客运专线轨枕技术条件要求的养生工艺;购置和研制满足以上工艺的工装设备，如优化养护坑结构、改进养护坑送汽系统等;深入研究混凝土蒸养过程中水化热的影响，测定枕心、轨枕表面和池内环境温度随时间变化的规律等。
（4）跟踪评价的结论。
5、钢筋放张、切割工艺：
在台座（长线台座法）或模具（流水机组法）上放松钢筋予应力以施加于轨枕时，混凝土的强度应不低于45MPa，而且不允许在带应力情况下直接切割钢筋。
目前，有的轨枕生产线已经采取了一些措施来缓慢放松张拉力，但仍然存在差距。
要从根本上解决问题，还需要采取如下措施：
采用活壳钢模，保证放张的均匀性;制定切实保证缓慢放张的工艺措施;采用先进的切割工艺等。
6、扣件定位工艺：
目前扣件的定位，有螺栓有挡肩轨枕的予埋套管和无螺栓无挡肩轨枕的予埋铁座定位方式不可靠，振捣后予埋位置发生变化，影响制造精度。
有的轨枕生产线采用电磁定位或机械刚性定位的方式，对予埋效果有一定作用，但按客运专线轨枕技术条件实现“千分之三”原则还有很大差距，如要达到百分之百的合格，则在定位工艺方面还要做大量工作。
扣件定位工艺方案的基本要求是形位精确、予埋可靠、安装方便。
（三）、加强行业管理、实现企业升级：
环境，是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体。
1、加强轨枕基础理论的研究：
我国铁路混凝土行业在轨枕设计理论和计算方法方面做过大量工作，但还需进一步深化和优化。
另外，轨枕受力极其复杂，要建立符合实际的数学模型，便于进行仿真计算。
还有涉及各种掺合料、外加剂化学成份及用量与轨枕性能的关系、不同养生温度和工艺对轨枕性能影响的程度、不同温度条件下收缩徐变对予埋件精度的影响、高速铁路轨枕钢筋合理予应力以及对徐变上拱的影响、轨枕采用耐久性混凝土的基础研究等，都要深入研究并尽快用于生产实践。
2、加强原材料管理：
客运专线轨枕原材料的要求是严格的、明确的，目前原材料管理的差距也是明显的。
轨枕原材料的管理必须从水、水泥、钢材、骨料、掺合料、添加剂等的供货渠道和方式、运输、儲存和质量检验等各个环节实现工厂化管理，每个环节都要建立严格的责任制，从源头控制轨枕质量。
（四）环境价值评价方法3、建立轨枕质量管理系统：
（3）公众对规划实施所产生的环境影响的意见；隨着计算机技术、微电子和数字通讯技术的飞速发展，工业生产过程控制技术正在发生巨大的变化。
自二十世纪九十年代以来，工业生产过程控制明显地向分布式、网络化方向发展，驱动器、执行机构、传感器等现场设备通过工业PC机及其应用软件实现自动控制，再通过工业控制网络与上层生产管理系统连接起来，实现数据通信，形成设备信息集成系统。
轨枕的传统生产方式只有与这些高新技术有机的结合，才能实现真正意义上的质量过程控制，在各个生产环节把人为因素的影响减少到最低程度，确保客运专线轨枕质量的稳定可靠。
安全评价的基本原则是具备国家规定资质的安全评价机构科学、公正和合法地自主开展安全评价。
（4）根据评价的目的、要求和评价对象的特点、工艺、功能或活动分布，选择科学、合理、适用的定性、定量评价方法对危险、有害因素导致事故发生的可能性及其严重程度进行评价。
卢祖文
二OO五、二、十四
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