第四节　高速铁路轨道结构

轨道由钢轨、轨枕、联结零件、道床、防爬设备和道岔等主要部件组成。它起着机车车辆运行的导向作用，直接承受由车轮传来的巨大压力，并把它传布给路基或桥隧建筑物。

轨道是一个整体性工程结构，经常处于列车运行的动力作用下，所以它的各组成部分均应具有足够的强度和稳定性，以保证列车按照规定的最高速度，安全、平稳和不间断地运行。

一、高速铁路对轨道结构的要求

1.应具有可靠的稳定性和高平顺性

轨道结构是由钢轨、扣件、轨枕及枕下基础等轨道部件组成的结构体。其中，钢轨直接支撑着列车的运行，其合理外形及几何尺寸和良好的内在质量是列车运营高舒适性和高安全性的前提；而轨下基础的高精度和高可靠性，是钢轨精确稳定的几何位置的重要保障。因此，必须选用高精度和高可靠性的轨道部件。

轨道结构铺设高精度是实现轨道初始高平顺性的保证。轨道结构铺设阶段产生的初始不平顺，是运营阶段不平顺产生、发展、恶化的根源，一旦出现这种起源于铺设精度的不平顺，就会对轨道结构和路基基础产生不良的后果。因此，应高精度铺设轨道。

我国高速铁路线路轨道铺设精度规定，见表2-4-1。

2.应具有沿纵向轨道均匀分布的合理刚度

轨道必须有合理的弹性，以满足吸收振动与噪声和减少冲击作用的需要，并保持钢轨轨底应力在允许范围内。其次，应保持沿线路纵向轨道弹性均匀分布，是无砟轨道耐久性的重要保证。

3.质量良好的养护和维修

高速铁路对舒适性标准和安全性标准要求更高，因此，可维修性是轨道结构的重要特点，也是设计和运营阶段需要考虑的重要方面。

为此，高速铁路轨道结构特点是：铺设超长轨条无缝线路、重型轨道结构、强韧性与弹性的轨道部件、有足够弹性及稳定性的道床、采用可动心轨或可动翼轨结构的大号道岔等。

二、高速铁路轨道结构类型

高速铁路轨道结构和普通轨道结构一样，是由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部件组成。由于列车对轨道结构的作用力与速度密切相关，所以要求高速铁路的轨道结构应具有足够的强度和稳定性，以保证列车运行的安全和平顺。目前应用在高速铁路上的轨道结构可分为有砟轨道（道砟轨道）和无砟轨道（板式轨道）两种类型。

（一）有砟轨道

有砟轨道即所谓常规轨道，是铁路一种传统的轨道结构，在国内外已获得广泛的应用。有砟轨道具有结构形式简单、造价低、建设周期短，线路的弹性和减振性能较好、噪声较小，轨道超高和几何形态调整简单、且被破坏后修复时间短、自动化及机械化维修效率高等优点。但它的缺点是轨道的横向抗力较小，容易产生不均匀下沉，桥上道床稳定性较差、行车中会使道砟飞散，轨道结构被破坏后，加大维修工作量。

（二）无砟轨道

无砟轨道结构是用耐久性好、塑性变形小的材料代替道砟材料的一种新型轨道结构。由于取消了碎石道砟道床，轨道保持几何状态的能力提高，轨道稳定性相应增强，维修工作减少，明显优于有砟轨道，成为目前高速铁路轨道结构的主要发展方向。德国、日本、法国、中国台湾等高速线路都大比例的应用无砟轨道，荷兰、西班牙、意大利、韩国等国家和地区也都积极进行无砟轨道的试验与试铺。在时速300km及以上的高速铁路采用无砟轨道结构更具优越性。我国在客运专线和高速铁路上积极采用无砟轨道。根据无砟轨道结构的特点和线下基础的设计要求，在桥梁、隧道和路基稳定的地段采用无砟轨道。

无砟轨道与有砟轨道优缺点，见表2-4-2。

续上表

世界部分国家高速轨道结构概况见表2-4-3。

三、高速铁路轨道结构组成

（一）钢轨与扣件（联结零件）

1.钢轨

在轨道上，钢轨是直接承受车轮压力并引导车轮运行方向的。它应当具有足够的刚硬性和柔韧性。刚硬性是为了承受车轮的强大压力，同时防止过快地磨耗；柔韧性是为了减轻车轮对钢轨的冲击作用。因此钢轨中除含铁以外，还含有碳、锰、硅等元素。

钢轨在极其复杂的受力条件下工作，钢轨状态又直接影响行车安全和平稳，为承受荷载和抵抗变形，因此，要求钢轨具有更大的刚度和更好的耐磨性。

为使钢轨具有足够的刚度，可适当增加钢轨高度，以保证钢轨具有较大的水平惯性矩。同时为使钢轨具有足够的稳定性，在设计轨底宽度时应尽可能选择宽一些。为使刚度与稳定性匹配性最佳，高速铁路通常将钢轨断面轨高与底宽之比控制在1.14～1.20（UIC60为1.14，日本JIS60为1.2，中国CHN60为1.17）。

钢轨的断面形状采用具有最佳抗弯性能的工字形断面。UIC60钢轨的断面如图2-4-1所示。

钢轨的类型或强度，以每米大致重量的千克数表示，如60kg/m、70kg/m等。

目前，高速铁路使用的钢轨除日本采用JIS60外，法国、西班牙、意大利以及韩国等都采用UIC60钢轨。我国采用CHN60的钢轨，如图2-4-2所示，尺寸与钢轨UIC60没有实质性的差别，主要考虑到与我国既有线的兼容以及在钢轨生产、管理、维修使用方面的方便。

2.扣件

钢轨与轨枕之间用联结扣件联结。联结扣件应具有足够的强度、耐久性及一定的弹性。高速铁路上对扣件的要求是：

（1）可在各类运营条件下固定钢轨，保持轨距能力强；

（2）具有足够的防爬能力，适用于较大的运营温度范围和较大的轴重范围，维持轨道稳定性；

（3）具有较高弹性和良好的减振性能；

（4）零部件精度高，可靠性好；

（5）较大的调高能力和调距能力；

（6）结构简单，少维修，长寿命；

（7）良好的电绝缘性能和适应气候的性能。

目前用于高速铁路上轨道的扣件类型主要有日本的直结8K型，德国Krupp ECF型，英国Pandrol Fast型等。

我国从20世纪60年代开始无砟轨道的研究，采用过多种扣件型式。如TF—M型扣件，TF—Y型弹性扣件和弹条扣件等。目前在我国主要干线上都采用弹性扣件。因为弹性扣件具有扣压力大、联结牢固和良好的弹性，能保持钢轨处于正确位置和稳定状态，延长轨道各部件使用寿命，减少线路的养护维修工作量等优点。

我国弹条扣件分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型弹性分开式扣件，其扣压力分别为8.5kN、10.8kN和11kN，其弹程分别为9mm、11mm、13mm。弹条Ⅲ型弹性分开式扣件，如图2-4-5所示。它是为高速与重载而研制的无螺栓式扣件，具有零件少、装卸方便、养护工作量小等优点。由于无螺栓，故无须进行涂油作业，十分适合高速行车和大型养路机械作业。

（二）轨枕

轨枕在轨道结构中的作用是支承钢轨，并将钢轨传来的压力传递给道床，同时可固定钢轨的位置及有效地保持轨距、方向等轨道形位。

轨枕按照制作材料分，主要有钢筋混凝土枕和木枕两种。木枕具有弹性好，形状简单，加工容易，重量轻，铺设和更换方便等优点。主要缺点是消耗大量木材，使用寿命较短。

目前，世界高速铁路有砟轨道广泛采用钢筋混凝土轨枕。其主要优点是：

1.由于纵向横阻力大，能够提供足够的稳定性，满足高速铁路稳定性的要求；

2.混凝土轨枕材源较多，能够保证尺寸一致，使轨道的弹性均匀，可以满足高速度、大运量的要求；

3.混凝土轨枕不受气候、腐蚀、虫蛀及火灾的影响；

4.坚固耐用，使用寿命长；

5.可提高无缝线路的横向稳定性和轨道强度。

其缺点是重量大，弹性较差，在同样的荷载作用下，轨枕受到的力要比木枕大25％左右，冲击作用也比较大，所以要求道床质量高，铺设厚度大，并在钢轨底部要增设缓冲垫层。

在高速铁路上，为保持轨道的良好几何状态，确保旅客的舒适度和减少那些只能在夜间进行的维修工作，应该采用较重型的轨道设备，因此，各国大都采用预应力混凝土轨枕。见表2-4-4。

为了减少轨道变形、增大强度，除采用整体轨枕外，法国高速铁路还采用每根重245kg、长2.24m的双块式混凝土轨枕。如图2-4-6所示。

双块式钢筋混凝土轨枕每根重245kg，长2.4m；两端各有一个长840mm的钢筋混凝土块，中间是60mm×60mm连接两个混凝土块的金属连杆（用钢轨钢或角钢），另外还有两块厚度各为9mm的橡胶垫板。它可以保证应力的分布，并减少振动和噪声。钢轨用螺纹道钉通过扣件固定在轨枕上，该螺纹道钉拧在一个预埋在混凝土中的螺旋形金属衬套里，并用一种特殊树脂嵌封。

双块轨枕的主要优点是横向有4个受力点（单块枕只有2个），增加了稳定性，而造价却比单块枕减少20％。

（三）碎石道床

道床是有砟轨道的重要组成部分，能够承受轨枕传递的各种力的作用，减缓和吸收轮轨间的振动和噪声且便于维修。道砟材料应当坚硬、稳定、有弹性，并利于排水。高速铁路有砟轨道对道砟的要求比一般线路更为严格，以便尽可能减少养护工作。同时，为了保证路基坚固稳定，不致发生翻浆冒泥，因而对砟下垫层的选择也比较严，即不仅要求所用的碎石应是有一定破碎指数的硬砾石，且其压实度也要达到规定标准，因为轨道的弹性是非常重要的。如果没有弹性，列车就无法高速行驶。采用碎石作为道床材料是因为它具有较好的弹性与渗水性。一般要求道砟颗粒尽量大小均匀（粒度为25～55mm），以保证排水通畅。

在高速铁路线路上，道床应有足够的厚度，以减少路基面所受的压力和振动，保证路基顶面不发生永久性变形。因此，一般采用双层道床。枕下道砟厚度为35mm，垫层道砟厚度为20mm。为了使道床的水能够迅速下渗，防止翻浆，在垫层底部要加设用塑料和沥青等材料制作的各种形式的封闭层。

高速铁路有砟桥上道床的主要功能是增加轨道弹性、承受列车的冲击、隔离振动、降低噪声。但在桥上有砟轨道道床会出现道砟粉化现象，导致道床脏污、弹性失效，影响排水性能，因此，我国高速铁路桥上道床厚度采用35cm，同时，为了防止道砟粉化，采用道砟下铺设砟下胶垫或采用弹性轨枕等措施。

（四）道岔

道岔是机车车辆从一股道进入另一股道时必不可少的线路设备，是铁路轨道的重要组成部分。道岔是线路影响列车运行速度和安全的关键之一。因此，对高速铁路而言，道岔占有十分重要的特殊地位。高速铁路道岔在功能和构造上，与普通铁路道岔没有很大区别，只是对安全性和舒适性提出了较高的要求。

1.高速铁路道岔的分类

在高速铁路上使用的道岔仍以单开道岔为主。高速道岔按高速通过道岔的股道方向还可分为直向高速道岔、直向和侧向均可高速通过的高速道岔两类。

（1）直向高速道岔

直向高速道岔与普通单开道岔在道岔的长度及辙叉角部分没有较大的改动。为保证列车直向通过道岔的速度与区间线路一致，只是从局部上改善道岔的几何形状、强化结构的强度、增强稳定性，并可延长使用寿命。

直向高速道岔是用于直向高速行车的道岔，即进站道岔对侧向速度要求不高、对正线通过时却要求满足高速行车要求的铁路上。一般是直向过岔速度为250km/h、侧向过岔速度为80km/h的18号道岔。如图2-4-7所示。

（2）直向和侧向均可高速通过的高速道岔

此类道岔应用于新建高速铁路上，可满足高速列车侧向通过时对运行的安全性和舒适性的要求，一般在区间的单渡线和高速联络线上使用。如德国的UIC60轨1∶26.5单开道岔，直向允许通过速度为250km/h，侧向允许通过速度为130km/h。我国的高速道岔为42号和62号道岔等。

2.高速铁路道岔的特点

高速道岔转辙器部分的尖轨一般较长，为保证尖轨转换安全、可靠及转辙器部分技术状态良好，必须安装有足够功率的转辙机。同时，在扳动道岔后，除转辙机本身应当锁闭外，还通过密贴监督装置控制开通进路，以保证尖轨转换后正常密贴。高速道岔的平面结构特征为：

（1）转辙器部分

高速道岔的基本轨的材质及断面形状与区间线路是一致的。为获得较好的侧向运行平顺性和较高的过岔速度，道岔尖轨的平面形式多采用曲线形尖轨，其断面采用特种断面钢轨制造，无需刨切基本轨轨底或抬高尖轨轨面标高，既不削弱基本轨，又可消除水平不平顺。同时，还为尖轨跟端实现弹性可弯提供了强度保证。尖轨跟端采用弹性可弯式结构，具有构造简单、坚固可靠、稳定性好及使用方便等优点。因此，得到了广泛的应用。

（2）辙叉及护轨

高速道岔的辙叉，按其平面形式分为直线型和曲线型两种。世界多数国家铁路，除德国、奥地利等少数铁路采用曲线型辙叉外，其他国家都采用直线型。

辙叉按结构型式分为固定型辙叉和可动型辙叉两种。如图2-4-8和图2-4-9所示。

固定型辙叉结构作为整体铸件，设计、制造及运营较为简单。它制造成本低廉，安全可靠，稳定性高。因此，作为常速道岔的主要结构形式，早为世界各国铁路普遍使用。早期的高速道岔，几乎无例外地采用固定式辙叉，如法国的33号、46号、64号道岔，日本的16号、18号道岔，俄罗斯铁路的18号、22号道岔等。

然而，固定式辙叉的车轮滚动轨面线及轨距线不连续，存在有害空间，限制了过岔速度，车轮通过时产生巨大的冲击荷载，增大了横向压力，由此产生的水平力不仅可能引起轨道变形，导致轨道和机车车辆损坏，恶化乘坐舒适性，给行车安全和平顺性造成很大的不利影响，而且辙叉的使用寿命很低。

可动式辙叉与固定式辙叉相比，最大的特点是能为过岔轮对提供连续不间断的轨面和轨距线，取消了直向股道的护轨。采用可动心轨辙叉道岔，不仅可以减少道岔与机车车辆相互作用的附加惯性力及垂直、横向振动加速度，还能改善乘坐的舒适度及延长辙叉使用寿命等，可动式辙叉具有固定式辙叉无可比拟的优越性。

我国铁路有砟轨道采用的38号道岔，如图2-4-10所示。无砟轨道道岔如图2-4-11所示。

四、无砟轨道

传统的有砟轨道的优点是噪声传播范围小、建设费用低、建设周期短、修复容易、自动化及机械化维修效率高等。但随着列车速度的提高，这种轨道结构不断出现轨道变形、道砟的磨损和粉化以及道砟飞散等问题，线路的维修越来越频繁，特别对高速铁路来说，由于行车密度大、速度高，只能利用列车停开的“天窗”时间进行轨道检查和维修，影响了运输秩序，特别是在长大隧道和大桥上进行维修作业更加困难。

针对有砟轨道的缺点，无砟轨道应运而生。无砟轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道砟道床而组成的轨道结构形式。由于其轨道具有平顺性高、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。

无砟轨道大体上可分两类，一类是有轨枕的，一类是无轨枕的。

板式轨道属于无轨枕的无砟轨道，钢轨直接用扣件联结到工厂预制的轨道板上，轨道板直接“放置”在混凝土底座上，通过轨道板与底座间充填沥青混凝土材料来调整轨道板，确保铺设精度（如图2-4-12所示）。板式轨道结构在日本得到广泛的应用，铺设里程已达到2700多km，主要有A型、RA型、G型和框架型等。德国也是应用无砟轨道较早的国家之一。具有代表性的无砟轨道有Rheda（雷达）、Bogl（博格）等。图2-4-13为框架型轨道板，图2-4-14为Rheda（雷达）—2000型轨道板。此外，意大利、荷兰、比利时、西班牙、韩国等均采用无砟轨道的铺设。

我国对无砟轨道的研究几乎与国外同时起步，初期只是在隧道内、大桥上和客运站上铺设。随着客运专线和京沪高速铁路的建设，无砟轨道也得到了迅速的发展，并提出了适用我国高速铁路桥梁、隧道结构上的3种无砟轨道形式。

（1）长枕埋入式无砟轨道，如图2-4-15（a）所示。由预应力混凝土轨枕、混凝土道床板和混凝土底座组成。在道床板和底座之间设置隔离层，使道床板可以修复或更换，在隔离层上还可设置弹性垫层以增加轨道整体弹性。其轨枕可在工厂预制，道床板和底座在现场灌注。

（2）板式无砟轨道，如图2-4-15（b）所示。由预制的轨道板、乳化沥青砂浆及混凝土底座组成，轨道板之间有凸形挡台。轨道板由工厂预制，在桥上或隧道内将混凝土底座现场浇注完成后，再将轨道板及其上部的钢轨、扣件就位，然后在轨道板和混凝土底座之间灌注乳化沥青砂浆，给轨道提供适当弹性的缓冲层，同时可确保轨道几何精度。

（3）弹性支承块式无砟轨道，如图2-4-15（c）所示。由混凝土支承块、块下橡胶垫、橡胶套靴、填充混凝土道床板及混凝土底座组成。在工厂完成支承块、块下橡胶垫及橡胶套靴的预制，混凝土底座现场浇注完成后，将支承块、橡胶垫、橡胶套靴与钢轨、扣件进行组装并精确定位，然后灌注混凝土道床板，就地成型。