CRTSⅢ型板式无砟轨道的现状与发展.docx

1、CRTS型板式无砟轨道的现状与发展CRTS型板式无砟轨道的现状与发展西南交通大学 王其昌（2010-08）1引言1.1 研发目的中国铁道土木界科学地把握了高速铁路无砟轨道构建的基本规律,即线下工程基础稳固、轨道工程高精度化。并已据此成功地构建了具有世界一流水平的CRTS型、型板式和双块式无砟轨道。为了适应中国铁路“走出去”战略的需要，必需提升中国无砟轨道技术的自主创新,打造中国无砟轨道的自身品牌。为此，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，研发并铺设了具有完全自主知识产权的CRTS型板式无砟轨道。1.2 自主创新CRTS型板式无砟轨道是对既有无砟轨道的优

2、化与集成,其主要创新点是:改变了板式轨道的限位方式、扩展了板下填充层材料、优化了轨道板结构、改善了轨道弹性及完善了设计理论体系等方面。1）板下填充层材料型板式轨道通过轨道板板下两排U形筋，将内设钢筋网片的自密实混凝土与轨道板可靠连接成复合结构，结构整体性好，可以控制轨道板离缝、翘曲和板下填充层开裂；自密实混凝土与CAM填充层相比较，其工艺简单、性能稳定、耐久性好、成本低廉。2）板式轨道限位方式型板式轨道采用板下U形筋自密实混凝土底座凹槽的限位方式，彻底取消了型板的凸台、型板的端刺限位方式。同时也取消了作为板下填充层材料用的CA砂浆。从而，可简化施工工艺，减少环境污染，降低工程投资。3）轨道弹性

3、轨道板改原用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。1.3 中国模式CRTS型板式无砟轨道已在成灌铁路成功铺设，迄今运营状态良好。武汉城市圈城轨铁路已确定铺设再经优化、完善后的CRTS型板式无砟轨道。同时，铁道部已批复在盘营客专、沈丹客专铁路上推广使用。我们有理由相信，通过建设及运营实践的不断考核与检验，最终必将形成中国板式无砟轨道模式。2成灌与武汉城轨铁路型板式轨道结构2.1 结构组成CRTS型板式无砟轨道是由钢轨、弹性不分开式扣件、预制有挡肩轨道板、自密实混凝土填充层、中间隔离层和钢筋混凝土底座或支承层等部分组成。2.2 轨道结构的异同1）成灌市域与武汉

4、城轨铁路所用CRTS型板式无砟轨道的典型横断面和结构组成分别如图2.1和表2.1所示。图2.1 III型板板式轨道典型横断面图表2.1 III型板板式轨道结构组成结构组成单位成灌市域铁路武汉城轨铁路沈丹盘营客专钢轨类型U71Mn(K) 60U71Mn(K) 60U71Mn(K) 60定尺长m100100100高度mm176176176扣件类型WJ-8CWJ-8BWJ-8B高度mm383838间距mm687687630轨道板承轨槽厚mm383838长度mm535053505600宽度mm250025002500厚度mm190190210填充层材料自密实混凝土自密实混凝土自密实混凝土厚度mm100

5、90100宽度mm270027002500长度mm同轨道板长同轨道板长同轨道板长底座厚度mm138（桥）、162（隧）240（路）、190（桥隧）280（路）、180（桥隧）宽度mm2700（桥）3100（路）、2900（桥隧）3100（路）、2900（桥隧）长度mm1块轨道板长路基连续或4块板长，桥上1块板长，隧道24块板长路隧23块板，桥上1块板长支承层厚度mm238（路）宽度mm3100（路）限位方式板下U形筋+底座凹槽或凸台板下U形筋+底座凹槽板下U形筋+底座凹槽板间连接方式桥上无连接路基上用预应力钢棒路桥隧板间无连接路桥隧板间无连接结构高度路基mm780772842桥梁mm68072

6、2742隧道mm7807227422）由图2.1和表2.1不难看出，两者板式轨道结构的主要不同点是在路基上,而在桥梁上和隧道内则完全相同。成灌路基上轨道板为纵连板,板间用预应力钢棒或普通锁扣连接,支承在素混凝土支承层上； 桥梁上和隧道内轨道板为单元板,板间无连接, 支承在钢筋混凝土底座上。武汉路基、桥梁和隧道的轨道板均为单元板，板间无连接,又均支承在钢筋混凝土底座上。这有利于工程的标准化施工管理。3型板式轨道主要技术特征3.1 钢轨与扣件3.1.1 钢轨U71Mn（K）60kg/m , 定尺长100m无孔新轨。3.1.2 扣件 1）扣件类型为WJ-8型有挡肩弹条扣件，有利于降低轨道刚度，提高轨

7、道弹性。成灌是8C武汉是8B，区别仅在于有无无级填充垫板。2）调整范围： 高低 -4mm+26mm； 轨距 10mm。3）弹性垫板静刚度 C静=233 kN/mm； 动刚度 C动=3010kN/mm； 动静刚度比 1.5。4）扣件阻力：常阻力扣件钢轨纵向阻力9kN；小阻力扣件钢轨纵向阻力为4kN。5）扣件结构高度：38 mm。3.2 型轨道板3.2.1 轨道板结构1） 轨道板为有挡肩、双向后张法预应力钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C60，按60年使用寿命设计。2）板上设置承轨槽，承轨面设置1:40轨底坡，配套有挡肩扣件，可采用低刚度钢轨扣件。3）为适应城轨轨道交通小半径曲线地段铺设的需要，可视

8、具体情况，考虑是否采用二维可调模板方法制造型板，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紧密联结，形成复合板结构，以期防止轨道板离缝或自密实混凝土裂缝的出现。3.2.2 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57m左右为限。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

9、板长标准化，尽量减少异形板的类型。4）现行轨道板标准长度，I型板长4962mm扣件间距629mm，板长4856 mm的扣件间距为617 mm；II型板长6450mm扣件间距650mm；型板长5350mm，扣件间距687 mm。5）型板较I型板每公里少铺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。3.2.3 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。这是考虑在实用中不必担心板端会有过大的冲击作用。2）目

10、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；而型板式轨道，成灌市域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；武汉城轨铁路已定在路桥隧地段均采用单元板，板间无连接。3）至于板间是连接还是不连接问题，各有利弊，各有所得，两者皆行。一般说，纵连板式轨道整体性好，构建复杂，费用较高，维修较差；而单元板式轨道受力明确，结构简单，施工方便，维修较易。3.2.4 梁上配板板缝一般为70100mm。1）I型板：32m梁 54962+23685+670=32600mm；24m梁 54856+480=24600mm。2）II型

11、板：连续配板，板间需连接，形成纵连板。3）型板：32m梁 65350+5100=32600mm，梁缝处扣件间距为641 mm；24m梁 54856+480=24600mm，梁缝处扣件间距为637mm。3.3自密实混凝土3.3.1 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。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。3.3.2 板下

12、填充层材料现状1） I型板采用低弹性模量200300 Mpa的乳化沥青水泥砂浆(CAM)填充层材料，雷同日本的CAM；2） II型板采用高弹性模量700010000 Mpa的乳化沥青水泥砂浆(CAM)填充层材料，雷同德国的BZM；3） 型板采用弹模高至20000 Mpa以上的自密实混凝土填充层材料，属于自主研发并已成功应用的一种新型板下填充层材料。4）运营实践表明，无论是采用低弹模或高弹模或甚高弹模材料，均可作为板下填充层材料。5）因此，从板下填充层的功能来看，将乳化沥青水泥砂浆,改用自密实混凝土是可行的。3.3.3 为什么要采用自密实混凝土？1）板下砂浆垫层不起弹性作用计算分析以上三种类型砂

13、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3.3.1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3.3.1 三种不同砂浆垫层弹性模量时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200300060/3058.8/29.7低弹模CAM类同日本CAM70001050060/3060.0/30.0高弹模BZM类同德国BZM2000030000060/3060.0/30.0自密实混凝土由表3.3.1计算结果可知，砂浆垫层弹性模量无论是200 MPa、7000 MPa还是20000

14、MPa，对轨下基础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。实践表明,即使CAM填充层的弹性模量相差100倍,其轨道整体刚度也仅差3 kN/mm, 微乎其微。设计CAM填充层的压缩变形为0.074 mm, 实测CAM填充层的动位移为0.070.1 mm, 可见, 变形很小, 起不到缓冲作用。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。当弹性垫板刚度从60 kN/mm降至30 kN/mm时，无论砂浆垫层弹性模量如何，轨下基础弹性几乎提高1倍。可见， WJ-7型和WJ-8型扣件规定其弹性垫板刚度指标为2030 kN/mm，是符合板式轨道对其整体弹性

15、要求的。2）如何提高板下填充层质量水平？板式轨道设计使用寿命为60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，确实是一大疑问。如果达不到60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。就板下填充层而言，所谓寿命主要是指其耐久性，而耐久性又主要体现在填充层砂浆的干燥收缩性、耐水性和耐候性等方面。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。CA砂浆对温度非常敏感，为防止夏天凝胶，冬天粘度增大，必须严格管理其可使用时间及流动性。现场作业实践表明，CA砂浆质量难以控制。此外，还有一个涉及到诸如材料、拌合、

16、注入、工艺、设备和环保等多方面的投入问题，特别是大量使用时的成本低廉性问题。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，确保板下填充层的灌注质量。3.3.4 自密实混凝土技术要求1）自密实混凝土是由水泥、粉煤灰、细骨料、粗骨料、外加剂、膨胀剂和水等经配制而成。2）自密实混凝土的参考配合比（kg/m3）为：水泥400、矿粉200、砂845、碎石719、水185、减水剂6.6、膨胀剂36、保水剂0.24和增粘剂3。3）在自密实混凝土填充层内，配置HRB33512钢筋网片，以便与带有U形筋的轨道板紧密连结，同时

17、也可起到控制自密实混凝土裂缝的生成与扩展。4）自密实混凝土强度等级为C40。5）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万分之三。6）自密实混凝土的自密实性能包括流动性、抗离析性和填充性。可采用坍落扩展度试验、V漏斗试验（或T50试验）和U型箱试验进行检测,其性能指标应符合表3.3.2的要求。表3.3.2 自密实混凝土性能指标检测项目指标要求U型箱试验填充高度（mm）320以上（隔栅型障碍1型）坍落扩展度 （mm）70050T50（s）520V漏斗通过时间（s）10253.3.5 实践经验值得注意1）采

18、用自密实混凝土作为板式轨道板下填充层材料，工装简单，作业方便、质量易控、成本低廉。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710730mm左右为宜，最低不能低于680mm，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

19、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）采用自密实混凝土灌注形成的板下填充层，对精调后的轨道板位置、标高精度影响较小，影响误差在允许范围内。7）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，对板式无砟轨道结构的使用和耐久性能影响较小。8）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。3.4 底座3.4.1 底座外形尺寸1）成灌市域铁路桥上厚

20、度138mm，宽度2700mm，长度对应1块轨道板长；2）武汉城市圈铁路路基上厚度240 mm，宽度3100mm ，长度连续或对应4块轨道板长； 桥梁上厚度190mm，宽度2900mm，长度对应1块轨道板长；隧道内厚度190mm，宽度2900 mm，长度对应2-4块轨道板长。3.4.2 底座结构1）底座配筋采用HRB335、HPB235热轧钢筋，混凝土强度等级C40，使用年限应不低于60年。2）底座通过梁面预埋钢筋与梁联结在一起。3）在底座顶面和自密实混凝土之间设置4mm的土工布，以起到隔离作用，为运营维护提供方便。3.4.3 底座凹槽尺寸1）对应于每块轨道板板下的底座两端，各设置一个凹槽。2

21、）凹槽尺寸：成灌市域为600400mm，深度同底座厚度；武汉城市圈则为1000700mm，深度为100mm。3）此外，在凹槽四周设有10mm厚的复合弹性橡胶垫层，底部设置隔离层，槽中配有钢筋。3.5 素混凝土支承层1）成灌线路基地段铺设支承层，采用水硬性混凝土支承层，宽度3100mm，厚度238mm，沿线路纵向连续铺设。2）支承层在板缝处设置一道横向伸缩假缝，缝深80mm，宽10mm，在假缝处铺设0.26m长4mm厚防水土工布，假缝必须在支承层初凝时施工完成。支承层施工完成后应进行拉毛处理。3）支承层材料分为水硬性混合料和低塑性水泥混凝土，其性能应满足表3.5.1的要求。为提高支承层抗弯及抗裂

22、等性能，无砟轨道支承层应优先采用水硬性混合料，为减小用水量，水硬性混合料的施工工艺应优先选用摊铺碾压施工工艺。表3.5.1 支承层材料的技术要求支承层材料类别项目单位技术要求试验室检验现场检验支承层检验水硬性混合料28d抗压强度MPa121828d抗折（弯拉）强度MPa228d收缩率（10-6）200相对密实度%9828d单个芯样强度MPa628d单组芯样强度MPa83.6 轨道板限位方式1）型板板式轨道是通过板下两排U形筋带有钢筋网片的自密实混凝土底座凹槽而形成的限位方式，限制轨道板的纵横向移动。彻底取消了型板的凸台、型板的端刺限位方式。2）在成灌线，路基地段也是在轨道板和支承层间填筑自密实

23、混凝土。但路基上轨道板采用纵连方案，板间需通过连接器连接，板缝需灌注树脂砂浆。3.7 板端纵向连接1）为了减弱轨道板纵连后温度变化的影响，板端连接装置上设有剪力板结构，用于传递板间剪力。同时在板间填筑了力学性能优良的、弹性模量较小的树脂砂浆，以使轨道板纵向形成整体结构。2）板间预应力钢棒螺纹中径为13.0mm，其抗拉强度不低于1420MPa，屈服强度不低于1280 MPa，断裂延伸率不低于7%，为级松弛要求。3）连结器组件应进行调质热处理，不得产生裂缝、过烧和脱碳，表面硬度不应小于HB225（相应HRC20）。热处理工艺应能保证整件工作表面的硬度及金相组织均匀一致，并应符合JG/T5011.9

24、有关规定。 4. 沈丹与盘营客专铁路型板式无砟轨道4.1 轨道结构组成CRTS 型板式无砟轨道由钢轨、扣件、工厂预制带挡肩的预应力结构轨道板、自密实混凝土、土工布隔离层以及钢筋混凝土底座等部分组成。其中自密实混凝土层与轨道板紧密连接形成“复合板”，轨道纵横向限位通过自密实混凝土层及底座内设置的凹槽咬合实现。4.1.1 轨道板轨道板采用工厂预制带挡肩的双向后张部分预应力结构。轨道板宽度为2.5m；标准轨道板的长度按照32m和24m梁上布板设计确定，兼顾其他梁型的布板适应性，并综合考虑制板和铺设的效率确定。沈丹客专地处我国寒冷地区，具有温差大、冬季寒冷期长和气温低的气候特点，借鉴哈大客专型板式无砟

25、轨道寒冷地区设计经验，为增强轨道板在寒冷地区的耐久性，宜较温暖地区适当增加轨道板厚度及轨道板钢筋保护层厚度，同时增加轨道板自重可降低轨道结构动力响应。轨道板厚度按采用210mm。板上扣件间距根据高速铁路设计规范（试行）的规定，按不大于650mm控制。轨道板三视图见图4.1.1。图4.1.1 5.6m长轨道板三视图4.1.2 自密实混凝土层1）宽度考虑到沈丹线冬季气候寒冷、雨雪频繁，如施工时采用在轨道板侧面进行自密实混凝土灌注，自密实混凝土必须较轨道板宽出。当宽出轨道板的自密实混凝土开裂，雨雪侵入冻胀后加剧裂缝，易延伸进轨道板下的自密实混凝土。因此，自密实混凝土层宽度按与轨道板相同考虑，即2.5

26、m。自密实混凝土施工时，通过轨道板设置的灌浆孔进行灌注。2）厚度型板式无砟轨道将轨道板与自密实混凝土层复合成一体，形成紧密连接的“复合板”结构。但由于两者弹性模量、灌注时间不同，同时界面连接处还承受列车荷载负弯矩、温度梯度等作用下的上拔力，以及列车荷载、自密实混凝土收缩徐变等传来的水平剪力作用，将使两者有分离的趋势。因此，在轨道板与自密实混凝土间应设置连接钢筋。为保证连接门型钢筋具有可靠的锚固作用，自密实混凝土层的厚度不宜太小；但自密实混凝土层太厚不易控制其收缩率，综合考虑两方面因素影响，自密实混凝土层的厚度采用120mm（最后定为100 mm）。这样12mm的连接门形筋深入自密实混凝土层80

27、mm，门形筋净保护层厚34mm。设计中连接门形剪力筋的数量根据受力计算确定。3）长度自密实混凝土与轨道板长度相同。4）结构配筋设计轨道板与自密实混凝土层形成“复合板”结构，这样轨道板与自密实混凝土层成为一体协同变形受力，自密实混凝土层处于“复合板”结构的受拉区，因此自密实混凝土层应做为结构层进行结构受力及裂缝控制计算，根据计算配置结构钢筋。（自密实混凝土层功能定位为填充调整层，按构造层考虑，不按结构层处理，故不需结构配筋设计）。4.1.3 钢筋混凝土底座路基、桥梁、隧道地段均采用分段钢筋混凝土道床结构。路基、隧道地段钢筋混凝土底座按23块板为一个单元，桥上底座按1块轨道板为一个单元。相邻底座板

28、间设置2cm伸缩缝，伸缩缝缝内填充聚乙烯泡沫板，并用沥青软膏或聚氨酯密封。自密实混凝土层上设置凸台，底座对应设置凹槽，自密实混凝土层与底座之间设置隔离层。4.1.4 轨道结构高度沈丹客专目前线下专业暂按路基、桥梁和隧道地段轨道结构高度分别为787、687和687mm进行设计。本次研究桥梁地段轨道结构高度根据175mm超高，底座内侧最小厚度不小于100mm确定为762mm，如图4.1.2所示，比原设计高75mm（改按55 mm考虑）。图4.1.2 桥梁地段超高175mm轨道横断面图为避免纵断面由于上建高度变化大幅调整，从而对线下专业设计产生较大影响，本次设计按路基和隧道地段的轨道高度统一相对原设

29、计上调75mm（改55 mm），即路基、桥梁和隧道地段的轨道结构高度分别为862（改842）mm、762（改742）mm和762（改742）mm。4.2 路基地段型板式无砟轨道4.2.1 轨道结构组成（1）路基地段型无砟轨道由钢轨、WJ-8型扣件、C60预应力混凝土轨道板、C40自密实混凝土层、隔离层和底座板组成。如图4.2.1图4.2.3所示，轨道结构高度为862（改842）mm。图4.2.1 路基地段轨道横断面图4.2.2 路基地段双线轨道横断面图4.2.3 路基地段轨道平纵断面（2）轨道板厚210mm，承轨台厚38mm。轨道板为双向后张、部分预应力混凝土结构，厂内预制。顶面设置与WJ-8

30、扣件匹配的有挡肩承轨台，底面设置与自密实混凝土连接的预埋钢筋。（3）自密实混凝土长与轨道板相同，宽2500mm，厚120（改100）mm。强度等级C40，根据受力检算配置单层钢筋网片。对应每块轨道板范围自密实混凝土层形成两个凸台，与底座板上设置的凹槽相互结合，凸台与凹槽之间设置弹性橡胶垫层。（4）自密实混凝土与底座板间设置中间隔离层。（5）底座板混凝土强度等级为C40，宽3100mm，直线地段厚280mm，曲线地段根据实设超高确定。底座板分块设置，对应每23块轨道板设置20mm厚伸缩缝，缝内填充聚乙烯泡沫板，并用沥青软膏或聚氨酯密封。（6）曲线超高通过底座板实现，线间排水采用集水井方式。4.2.2 技术特点（1）轨道板的设计考虑了寒冷地区气候特点。（2）单