高速铁路轨道结构理论研究进展

沈云飞

摘要：经济的发展，城镇化进程的加快，促进铁路建设项目的增多。在高速铁路蓬勃发展的环境下，如何科学高效地维护我国规模庞大的运营线路，实现高速铁路在全生命周期内的稳定、安全运营，是目前我国高速铁路面临的一个至关重要且亟待解决的问题，而探明高速铁路轨道结构在长期运营过程中动态性能演变及服役安全控制机制则是解决这一问题的关键。安全是铁路运输永恒的主题，更是高速铁路的核心要求。本文就高速铁路轨道结构理论展开探讨。

关键词：高速铁路；无砟轨道；道岔；无缝线路

引言

近年来，随着高铁的快速发展，投入运营的高铁线路越来越多，由于200～250km/h的高铁线路多以有砟轨道为主，因此重视研究、探索解决有砟轨道病害特别是长波不平顺病害在维护中存在的运用管理薄弱、作业精度不高、生产组织不合理、作业质量跟踪监控不严等问题，对于提高有砟轨道养修管理水平，确保高铁设备运营安全，具有重要意义。

1高速铁路轨道结构研究现状分析

自1964年世界首条高速铁路在日本东海道新干线开通以来，高速铁路技术已历经了五十多年的发展，但其运营安全问题仍未得到全面彻底的解决，危及高速列车运行安全的故障和事故在德国、韩国、日本等地仍时有发生。出现此类问题的原因，除了对车辆结构关键工程材料失效机理、高速列车脱轨机制等问题认识不足之外，未系统研究作为固定设备之一的高速铁路轨道结构服役性能的时空演变机制，未深入了解高速铁路轨道结构初始损伤演变、动态性能劣化、特殊条件下状态突变对行车安全的影响，以及对高速铁路运营安全保障和长效服役能力关键支撑理论的研究和认识不足，也是极其重要原因。国内外相关研究成果表明，在动荷载和环境因素耦合循环作用下，高速铁路轨道结构在长期服役过程中，其各项构成材料(如水泥乳化沥青砂浆、混凝土等)的微观结构会发生变化，从而导致关键部件出现伤损甚至失效(如轨道板裂纹、水泥乳化沥青砂浆劣化、扣件折断、钢轨波磨等)，而轨道结构与关键部件材料初始损伤的动态演化，轨道结构与关键部件的持续劣化以及特殊条件下结构局部状态的瞬时突变等，势必会引起轨道服役状态与结构动态性能的持续劣化，导致轨道结构与高速车辆系统不匹配，从而加剧高速铁路线路服役状态的恶化，耐久性和经济性的明显降低，同时影响行车品质，甚至留下安全隐患，危及高速列车运行安全。高速铁路关键的轨道结构如由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆充填层、混凝土支承层等不同材料组成的无砟轨道、线路交叉处轨线连续性中断的高速道岔以及跨越不同地区及不同基础结构的无缝线路等，因构成材料属性不同、结构形式迥异、界面传递机制复杂以及荷载环境耦合交变等，其动态服役性能的时空演变机制与规律十分复杂，其劣化与失效模式呈多样性，是完善高速铁路运营安全技术体系的主要障碍之一，也是当前高速铁路技术发展面临的国际性难题。

2有砟轨道优缺点分析

有砟轨道作为传统的轨道结构形式，在国内外已获得广泛应用，有砟轨具有建设费用较低、噪声传播范围小、建设周期短、养护维修方便、机械化使用效率高、轨道超高和几何状态调整简单等优点。有砟轨道道床为散粒体结构，在列车荷载作用下其道床肩宽、砟肩堆高、道床边坡、轨枕间距及轨枕在道床中的支承状态相对容易变化，导致轨道几何变形。同时随着运量的增加，将会产生道床脏污、道砟颗粒磨耗、粉化及板结现象，影响道床弹性和美观，因而必须对轨道进行定期维护。根据统计资料，有砟轨道的养护维修工作量的40％以上为道床作业，其内容包括整修砟肩、扒砟、补砟、清筛道砟和大机捣固等作业。此外，当列车速度提高到一定程度时，在列车空气动力和车轨动力共同作用下，可能发生道砟颗粒飞离道床，并击打列车转向架、车轮及钢轨踏面等现象，对列车和轨道结构具有巨大危害。相关研究表明列车运行速度提高到300km/h以上时，飞砟发生的概率将提高一倍。无砟轨道采用钢筋混凝土代替松散的道砟结构，提高了轨道的纵、横向阻力，轨道的平顺性、稳定性得到显著提高，对减少因高速列车剧烈振动造成的轨道变形，提高列车运行的平稳性和安全性均取到了十分有效的作用。

3高速铁路轨道部件高频振动特性及共振疲劳研究

列车高速运行会导致轨道不平顺激振频率提高，由低频段逐渐拓宽到中高频段，外部激扰频率增大至接近或超过轮轨系统固有频率时，将会导致轮轨系统产生谐振或局部共振(或颤振)。一方面导致钢轨波磨和车轮多边形磨损朝着与共振频率相对应的固定波长发展，另一方面加剧轮轨系统各部件的振动及疲劳伤损，大幅降低这些关键部件的结构强度和服役寿命。因此需探究轮轨系统共振对钢轨波磨、车轮多边形发展及部件疲劳损伤的影响机制。过去，在车辆轨道系统设计过程中，一般只注意其强度和可靠性问题，很少关注轮轨系统结构自身的高频振动特性，在某些条件下被激发出来后，可能会导致难以预测的轮轨伤损，如车轮多边形和高速铁路钢轨短波长波磨问题。因此，需要从控制高频振动的激励源、减缓高频振动向探究列车及轨道结构传递、优化列车及轨道结构设计避开共振模态等途径来综合调控轮轨系统的高频振动及其影响。通过优化结构线型，可提高弹条的固有频率并延长其疲劳寿命。

4高速铁路无砟轨道研究与试验

20世纪90年代，随着京沪高速铁路可行性研究的深入，高速铁路无砟轨道研发被提上日程，在大量试验研究基础上，初步提出了弹性支承块式、长枕埋入式和板式3种无砟轨道型式，并提出了高速铁路在刚性基础上铺设无砟轨道的选型原则、设计荷载、轨道刚度、几何参数和配套扣件系统。1999年，我国在西康铁路秦岭隧道铺设了弹性支承块式无砟轨道试验段，在秦沈客运专线沙河特大桥铺设了长枕埋入式无砟轨道试验段，在秦沈客运专线狗河特大桥和双何特大桥铺设了板式无砟轨道试验段。并由自主研发的“中华之星”动车组创造了321.5km/h的试验速度。为进一步完善新型无砟轨道技术，2003年，我国在渝怀铁路鱼嘴2号隧道铺设了长枕埋入式无砟轨道，在赣龙铁路枫树排隧道铺设了板式无砟轨道。至此，我国在桥梁和隧道地段已完成高速铁路无砟轨道的试铺及试验。2004年，我国在设计速度200km/h的遂渝铁路铺设了13.2km的无砟轨道综合试验段，第一次成区段铺设了双块式无砟轨道、单元板式无砟轨道(含预应力混凝土平板、预应力混凝土框架板、普通混凝土框架板)、纵连板式无砟轨道以及岔区长枕埋入式无砟轨道，实现了无砟轨道在路基、桥梁、隧道和道岔区的成段铺设。采用无砟轨道绝缘化处理技术解决了无砟轨道与ZPW-2000轨道电路的适应性问题，研制了无砟轨道配套WJ-8型有挡肩和WJ-7型无挡肩扣件系统，研制了12号、18号无砟道岔系统，研发了无砟轨道制造、施工配套装备，为客运专线大规模、成区段铺设无砟轨道提供了有力技术支撑。至此，我国形成了时速200km级无砟轨道设计、制造、施工的成套技术。

结语

保证高铁线路“高可靠性、高稳定性、高平顺性”和列车安全平稳运行，需要切实加强轨道结构了解和线路养护维修管理，不断提高养护维修技术水平；需要坚持探索高速铁路线路变化规律，总结养修经验和方法，提高线路病害的整治效果，惟有如此，才能确保高铁线路设备质量均衡稳定。

参考文献

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