无砟轨道

无砟轨道（Ballastless Track）是指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构，又称作无碴轨道。

无砟轨道由钢轨、扣件、单元板等组成，起减振、减压作用。无砟轨道的轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，钢轨、轨枕直接铺在混凝土路上。无砟轨道种类繁多，目前国际上没有对无砟轨道的统一分类法，中国无砟轨道结构形式主要有长枕埋入式、弹性支承块式、板式无砟轨道3种^[3]。其设计的关键技术包括结构设计、下部基础和过渡段设计^[4]。

日本、德国是最早开始研究无砟轨道的国家，日本从1965年开始板式无碴轨道的研究，除1964年开通的东海道新干线未采用无砟轨道外，其后修建高速铁路采用无砟轨道的比例逐渐增加^[5]。德国于1959年开始研究土质路基无砟轨道的设计和铺设问题，之后逐步推广至桥梁和隧道^[4]。

无砟轨道是当今世界先进的轨道技术，可以减少维护、降低粉尘、美化环境，比较舒适而且列车时速可以达到500公里以上^[6]。

铁路轨道结构类型有有砟轨道和无砟轨道。有砟轨道是铁路的传统结构，它具有弹性良好、价格低廉、更换与维修方便、吸噪特性好等优点。但随着行车速度的提高，其缺点也逐渐显现，有砟轨道不均匀下沉产生120Hz以下频率范围的激振严重，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。不再适用于高速铁路^[5]。

在高速铁路上应用无砟轨道，以日本、德国最为广泛。日本除在1964年开通的东海道新干线未采用无砟轨道外，其后修建的高速铁路采用无砟轨道的比例逐年增加^[5]。日本从1965年开始板式无碴轨道的研究，到目前大规模的推广应用，走过近40年的历程。日本新干线无砟轨道最初一般铺设在基础坚固的隧道内、高架结构和桥梁上，后来逐渐扩大到土质路基上。德国是世界上研究开发无砟轨道最早的国家，采用企业自主研发、政府统一管理的模式^[2]。德国自1959年开始研究、试铺无砟轨道，德国高速铁路无砟轨道,首先解决了在土质路基上铺设的技术问题，逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间无碴轨道的应用创造了有利条件^[4]。

中国于20世纪60年代开始对无砟轨道进行研究，与国外研究几乎同时起步，采用以政府主导、科研机构研发为主的模式。主要技术路线为通过理论研究确定设计参数，进行实尺模型铺设和技术性能试验，完善设计参数，提出施工方案、试铺^[2]。1995年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的推进，无砟轨道在中国重新得以关注并在相关工程中应用，在秦岭Ⅰ线隧道中铺设了18.4km的弹性支承块式无砟轨道；在秦沈客运专线中沙河桥铺设了692m长枕埋入式无砟轨道；狗河桥和双河桥分别铺设了741m、740m板式无砟轨道^[7]。随后板式无砟轨道在中国均实现了自主知识产权，并运用于各大高速铁路线上，CRTS Ⅰ型板式应用于遂渝试验线、石太、广州新客站、广深港、广株、沪宁城际等高速线路；CRTS Ⅱ型板式应用于京津城际、京沪、京石、石武、津秦、沪杭线等高速线路^[1]；CRTS Ⅲ型板式应用于盘营、沈丹、成绵乐（眉乐段）、西宝、郑徐等高速线路^[8]。同时CRTS Ⅲ型板式无砟轨道在印尼雅万高铁、俄罗斯莫喀高铁等国外项目中得到应用^[9]。

无砟轨道一般由混凝土底座、水泥乳化沥青砂浆垫层、预制混凝土轨道板、板间连接构件、钢轨及扣件等构成^[10]。不同型式无砟轨道结构会稍有不同。德国无砟轨道结构型式有Rheda、Zublin、Berlin、ATD、Getrac型。其中Rheda型无砟轨道结构是德国铁路无砟轨道最主要的结构型式，属于轨枕埋入式的现浇混凝土结构，由钢轨、高弹性扣件、带桁架钢筋的双块式轨枕、现浇混凝土板和下部支承体系组成^[11]。日本板式轨道主要应用于隧道、桥梁，主要由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆及底座等组成^[11]。

无砟轨道结构形式种类繁多，技术性能也各有特点^[12]。目前国际上没有对无砟轨道的统一分类法。中国无砟轨道结构形式主要有长枕埋入式、弹性支承块式、板式无砟轨道3种^[3]。

长枕埋入式无砟轨道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。轨枕可在工厂预制，道床板和底座需要在现场灌注^[13]。长枕埋入式无砟轨道采用中国较成熟的钢轨支撑架法由上至下进行施工^[4]。

弹性支承块式无砟轨道由混凝土支承块、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，混凝土底座现场浇筑，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，最后灌注混凝土道床板成型^[13]。

板式无砟轨道由预制的轨道板、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筑完再将轨道板及其上钢轨、扣件就位，然后在轨道板和混凝土底座间灌注乳化沥青砂浆^[3]。

CRTSⅠ型为单元板式无砟轨道，由钢轨、扣件、预制轨道板、乳化沥青水泥砂浆（CA 砂浆）、混凝土凸形挡台及底座板等部分组成，轨下设置充填式垫板。

CRTS I型板式无砟轨道和双块式无砟轨道主要铺设在京广深高速铁路信阳至深圳段、哈大高铁、兰新高铁等项目^[14]。

CRTS Ⅱ型为纵连板式无砟轨道，由钢轨、扣件、Ⅱ型板、砂浆调整层、连续底座板、滑动层、侧向挡块等组成^[5]。京津城际铁路采用了CRTS Ⅱ型板式无砟轨道，采用60kg/m钢轨、Vossloh300—1型扣件。轨道板为单项预应力、有挡肩结构，轨道几何精度较高。在开通运营以来，状态良好^[10]。

CRTS Ⅱ型无砟轨道主要应用于京津城际（北京至天津）、京沪高铁（北京至上海）、京石武客专（北京至石家庄至武汉）、宁杭客专（南京至杭州）、合蚌客专（合肥至蚌埠）、津秦客专（天津至秦皇岛）、杭甬客专（杭州至宁波）^[14]。

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道由钢轨、扣件系统、混凝土轨道板、自密实混凝土层和底座等部分组成^[15]。主要结构特征有：1.预制轨道板与现浇自密实混凝土层形成“复合板”结构；2.沿线路纵向，复合板与底座均为分段设置；3.复合板与设置凹槽的底座形成凸凹限位结构；4.复合板与底座之间设置隔离层，凹槽周边设置弹性缓冲垫层，复合板与底座可分离^[15]。

高速铁路CRTS Ⅲ型板式无砟轨道系统技术研究成果已应用于盘营、沈丹、成绵乐（眉乐段）、西宝、郑徐等高速线路，铺设里程已超过1000铺轨公里。根据《中国铁路总公司关于印发<铁路工程设计措施优化指导意见>的通知》（铁总建设[2013]103 号）：路基和桥梁地段宜优先采用CRTS Ⅲ型板式无砟轨道结构^[8]。

为满足高速列车在无砟轨道运行快速、安全、舒适性要求，最大限度减少线路维修，无砟轨道的设计除考虑结构强度、横向稳定性外，还需要各组成部分的耐久性、减振性以及线路平顺性等^[4]。

对于板式轨道而言，对轨道板起限位作用的混凝土凸形挡台直接承受由钢轨传递到轨下基础的纵向力和横向力^[3]。在板式无砟轨道设计时需要充分考虑结构强度、横向稳定性、线路平顺性和刚度均匀性、减振性、耐久性的要求^[3]。

设计荷载：在无砟轨道结构设计中轮重是最主要的设计荷载之一，包括设计轮重、疲劳检算轮重。设计轮重是考虑了因车轮扁疤、钢轨接头不平顺等使轮轨动力作用增大而采用的设计荷载^[16]。通常根据车轮扁疤和钢轨接头不平顺的动力学分析，确定其动力系数。《铁路技术管理规程 》中规定车轮踏面上的缺陷或剥离长度不超过40ｍｍ，深度不超过1ｍｍ^[17]。《新建时速 300～350kｍ客运专线铁路设计暂行规定 》中规定钢轨焊接接头轨顶面平直度标准为小于 0.2ｍｍ/1ｍ^[18]。

疲劳检算轮重：疲劳检算轮重是列车在正常线路运行过程中轮轨力的统计最大值，若列车运行时的轮重变动系数为α，静轴重为P0，则疲劳检算轮重为^[19]。日本根据东海道新干线的实测值得出当轮重变动均方差为1σ时（σ为 均 方 差 ）α=0.15；当轮重变动均方差为3σ时α＝0.45^[20]。

轨下基础是轨道结构的重要组成部分，轨下基础承载能力可以根据不同高速运行条件进行设计，使之满足耐久性要求^[5]。针对桥梁和隧道的无砟轨道需要分别根据情况予以设计^[4]。

预应力混凝土桥梁的徐变上拱、墩台基础不均匀沉降等影响桥梁轨道不平顺，针对桥梁的影响因素，需要设计与施工组合的原则控制梁体徐变上拱，设计方面如适当增加梁高，提高梁刚度等^[4]。

隧道基底处理的好坏直接影响无砟轨道耐久性。应根据隧道围岩级别、地下水状况，选择合理的隧道衬砌结构^[4]。

在满足轨道变形要求的前提下，从动力学角度考虑降低轮轨动作用力和轮轨磨耗，提高行车安全，高速铁路无砟轨道结构轨下基础的合理刚度范围为20～30MN/ｍ，钢轨变形的范围为1.3～1.7ｍｍ^[16]。

在桥台、隧道基础与路基衔接处如设计不当会影响高速列车的安全性和稳定性，因此在这些位置需要设置一定的过渡段。其原则是将桥台、隧道基础与过渡段路基的工后沉降控制在较小范围，并保持一致，最大限度减小过渡衔接处的轨面弯折角^[4]。

钢轨扣件必须有足够的扣压力以保证钢轨与支承体之间的可靠联结。这个扣压力应使钢轨在弯曲和转动时，不致使轨底沿垫板发生纵向位移，即要求扣件的纵向阻力大于道床的纵向阻力。扣压力也不易太大，否则会使扣件弹性急剧下降，影响扣件使用寿命。如果钢轨扣压力较大，则由于防爬阻力的增大钢轨的温度伸缩或断口量就小，又由于轨排刚性的增大，阻止长钢轨臌gǔ曲的能量就大，这对无缝线路的稳定性是极其有效的。中国铁路轨道PC枕和轨道板多用弹条扣件，其单个弹条扣压力设计参数：II型弹条≥10Ｎ；III型弹条≥11kN，WJ-2弹条为4kN^[21]。

支承层摊铺后，需要及时对道床板边缘以外的部分进行抹光处理确保外观美观。支承层摊铺后及时养护和切割变形缝，以减少支承层裂纹的产生，使支承层裂纹更加可控。排水处理，直线无集水井地段支承层施工时，两线间的降雨需人工辅助抽排，以使基床表层集水快速排走。曲线地段，两线间的降雨则通过集水井排出^[22]。

设站时必须进行气温、气压校正，设站精度误差应控制在0.7mm以内，转站后误差采用1mm/10m原则顺接。平面、高程偏差应控制在0.5mm内，偏差变化率均不得大于0.7‰。轨向和高低指标须控制在1mm内。精调后尽早浇筑混凝土，如轨排受到外部扰动、轨道放置时间超过12h、环境温度变化超过15℃时必须重新调整。道床板浇注后，必须及时进行复检^[23]。

在浇筑前须对轨枕表面、底面喷水3～4次湿润。加强对工具轨下方、托盘下方、支撑螺杆和轨枕四周等部位的施作控制。采用坡度尺控制顶面标高，确保表面平整。浇注前做好钢轨、扣件的保护。抹面后，及时清刷轨枕、扣件和钢轨顶面及底面。道床板浇注后，必须及时进行复检^[23]。

完成每段轨排浇注后现场标记浇注完成时间和钢轨的温度。混凝土浇筑后1～2h（初凝前），螺杆放松1/2圈。同时松开钢轨接头处的鱼尾板。混凝土浇筑后2～3h（初凝后）立即松开全部扣件和横向约束。操作时注意不要扰动轨排。初凝前，严禁钢轨受阳光直射，必须采用湿布覆盖钢轨。道床板浇注后须进行复检^[23]。

内外循环施工物流组织困难，施工作业场地受到制约。隧道内无砟轨道施工物流组织是关键，特别是长大隧道的轨枕存放及钢筋存放加工场地的布置，混凝土的运输及泵送需要有专人进行组织^[24]。

离缝出现在砂浆层与轨道板结构之间，又称轨道板吊空。形成原因：一是轨道板四角翘曲；二是灌注砂浆不饱满；三是轨道板与砂浆层热胀冷缩速率不同；四是钢轨精调时由扣件引起^[25]。砂浆层离缝伤损将会使砂浆层与轨道板或底座板( 支承层) 粘结失效，削弱无砟道床的整体性，影响轨道静态几何形位和动态稳定性。如果伤损未及时进行修复，在列车荷载和环境因素共同作用下还会对无砟道床耐久性产生影响^[26]。

对由于温度荷载引起的砂浆层与轨道板或底座板( 支承层) 间的离缝，应在轨道板设计纵连锁定温度范围内对轨道板进行应力放散、重新锁定，并采用低黏度树脂材料按规范要求对离缝伤损进行注浆修补; 对于基础不均匀沉降引起的砂浆层离缝伤损宜在解决基础沉降问题的基础上对离缝进行修补，并应考虑与扣件系统的高低调整配合作业^[26]。

砂浆层缺损指砂浆因过度老化导致砂浆层断裂和剥落，主要出现在我国早期的无砟轨道试验段。目前，新建线路开通时间短，砂浆层采用了优化的砂浆配方，以及灌注袋的保护，尚未出现此类病害，长期运营可能会出现^[27]。

砂浆层缺损维修施工步骤如下：1.清除松动破损砂浆层；2.将混凝土底座打毛，并清理浮土；3.每隔30cm打入锚固钢钉，并涂刷底漆；4.填入新的修补砂浆，并捣鼓密实；5.立模至材料固化，防止因重力原因导致材料及灌注袋滑落；6.清理施工垃圾^[25]。

无砟轨道扣件系统紧固部件普遍采用预埋尼龙套管，部分尼龙套管随着线路运营老化，造成扣件系统失效，影响行车安全^[25]。

预埋套管因埋在混凝土轨道板中较难取出，较为快捷的取出方法是采用水钻钻取，但维修前需要进行套管定位，维修施工步骤如下：1.拆除扣件，露出预埋套管；2.用定位装置定位套管位置；3.使用适合的钻头，钻取套管；4.吸出孔内残水并烘干；5.倒入锚固树脂，旋入新套管并定位；6.待树脂固化后，组装扣件^[25]。

混凝土伤损指无砟轨道混凝土结构伤损，主要包括轨道板承轨槽掉块且扣件系统无法紧固、轨道板混凝土掉块且钢筋裸露、侧向挡块大面积掉块、混凝土底座及路基混凝土裂缝等^[27]。

混凝土伤损维修是防止因混凝土伤损造成钢筋裸露锈蚀或结构功能丧失等。维修的部位在强度上应该符合原混凝土要求，并且有良好的黏结性和耐腐蚀性，并应防止脱落造成更多隐患，需在伤损部位进行植筋等^[25]。

无砟轨道具体优点有：线路稳定、平顺，有利于铺设无缝线路，可以高速行车。建成后维修工作量少。坚固耐久、整洁美观，使用寿命长（60年以上）。横向阻力提高（有砟轨道为12KN/枕，无砟轨道为25KN/枕），可获得高运营安全性。在隧道、地铁中减少开挖面积。结构高度低，自重轻，可降低隧道净空，减少桥梁二期恒载^[28]。

无砟轨道主要缺点包括：投资问题，无砟轨道的初期投入比有砟轨道高得多，无砟轨道的成本系数为有砟轨道的1.5～2.0。无砟轨道的建设和维修都远未达到自动化程度，无砟轨道的质量需要高水平的养护措施提供保障，这意味着在施工工序和质量控制方面都要增加额外的费用和时间。无砟轨道不能在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设。对脱轨或其他原因导致的严重损坏还没有特别有效的措施，而且一旦发生问题，修复时间很长。在路基上铺设无砟轨道时，在任何情况下都要铺设防冻层（至少70cm厚），路基处理深度也比有砟轨道深^[28]。

无砟轨道与有砟轨道相比，具有平顺性好、轨道结构稳定好、使用寿命长、耐久性好、维修工作量少等优点，但同时比有砟轨道设计复杂、造价高、铺设相对繁琐^[24]。两者对比见下表。