1.概述
京滬高速鐵路設(shè)計(jì)速度350 km/h，沿線廣泛分布軟土、松軟土，還存在大面積區(qū)域沉降和采空區(qū)，以及高架橋上道岔咽喉區(qū)等影響軌道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題，本文對(duì)此進(jìn)行初步探討。
2.無碴軌道鋪設(shè)地段
2.1 無碴軌道鋪設(shè)原則
高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)以無碴軌道為主要形式國內(nèi)外已形成共識(shí)?？紤]京滬高速鐵路沿線特殊性，無碴軌道鋪設(shè)地段按以下原則確定：
(1)凡沉降量滿足鋪設(shè)無碴軌道設(shè)計(jì)技術(shù)要求的地段，盡可能鋪設(shè)無碴軌道；
(2)對(duì)不良地質(zhì)(軟土、松軟土等)及斷裂帶、采空區(qū)等沉降難以控制的地段，要在綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后確定；
(3)大型到發(fā)站、大跨度橋梁、沉降難以控制的漏斗區(qū)暫按鋪設(shè)有碴軌道設(shè)計(jì)。
2.2 京徐段無碴軌道鋪設(shè)地段研究
根據(jù)沿線工程地質(zhì)、路橋工點(diǎn)設(shè)計(jì)情況，對(duì)以下地段做重點(diǎn)研究。
2.2.1 大型車站道岔區(qū)
(1)北京南站道岔區(qū)
CK0+000-CK4+102段位于北京南站咽喉區(qū)的道岔群以及玉泉營特大橋800 m半徑曲線(含60rn+110m+60m大跨連續(xù)梁)，區(qū)間最高運(yùn)行速度120km/h。本段范圍按有碴軌道設(shè)計(jì)。
(2)高架車站道岔區(qū)
華苑站為高架車站，按目前設(shè)計(jì)兩端咽喉區(qū)計(jì)20組18號(hào)道岔，2組58號(hào)道岔位于橋上。橋上鋪設(shè)無縫道岔在國際上鮮有先例，在滬寧段、京寧段工程設(shè)計(jì)國際咨詢中，法國SYSTRA公司、德國DE-C公司分別對(duì)由國內(nèi)聯(lián)合設(shè)計(jì)組完成的高架車站有碴軌道道岔區(qū)無縫線路和橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了咨詢，但均未解決橋上道岔群無縫線路和橋梁設(shè)計(jì)難題。DE-C公司咨詢意見認(rèn)為，若鋪設(shè)無碴軌道，由于道岔對(duì)橋梁變形要求非常嚴(yán)格，系統(tǒng)工程技術(shù)方案解決難度極大。本段范圍暫按有碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.2.2 地質(zhì)不良地段
(1)煤礦開采及采空區(qū)
在CK645+850一CK649+600段穿過韓臺(tái)煤田大興井田，并從張山子煤礦、北莊煤礦(原張山子一礦)東部經(jīng)過，可能產(chǎn)生地面變形，考慮到對(duì)煤礦開采情況掌握、對(duì)開采的控制及沉降預(yù)測(cè)的難度較大。
(2)巖溶發(fā)育地區(qū)
在CK654+456一CK657+800段范圍，巖溶弱發(fā)育一中等發(fā)育，巖溶類型主要有：巖石表面沿裂隙發(fā)育溶溝、溶槽；河流發(fā)育徑流作用強(qiáng)烈和巖石破碎地區(qū)形成溶蝕裂隙和洞穴。鉆探揭露的溶洞縱向最大直徑約10．4 m，且半充填及未充填洞穴較多，有發(fā)生地面變形的可能性。
以上地段及所夾中間地段按有碴軌道設(shè)計(jì)。
2.2.3 大跨度橋梁
CIK406+919一CIK411+768為黃河橋范圍，黃河主橋采用(112+3×168+112)m大跨度的鋼梁橋，主橋跨度過大，梁端轉(zhuǎn)角過大，橋梁變形不易控制。本段范圍按有碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.2.4 區(qū)域地面沉降地段
北京至濟(jì)南段地處華北平原，沿線經(jīng)過的大部分地區(qū)都不同程度存在地面沉降問題，其中以廊坊、天津、滄州、德州地區(qū)最為嚴(yán)重。由于地下水的開采主要集中在城區(qū)附近，因此，地面沉降的中心一般也都在市區(qū)及附近。從收集到的資料來看，京滬高速鐵路CK212+000～CK225+000段地面年沉降量為50-100 mm，其中以CK218+000附近年沉降幅度最大，約為100 mm。該段線路縱向坡度年最大變化為0.02‰，橫向坡度變化微乎其微。從以上數(shù)據(jù)來看，對(duì)高速鐵路的運(yùn)營不會(huì)造成直接影響。
但處于過量抽取地下水而導(dǎo)致地下水水位大幅下降的地區(qū)，如果長期得不到補(bǔ)償或難以減緩，勢(shì)必造成黏性土的壓縮變形和不斷發(fā)生地面不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生地面變形的突變。
沿線的區(qū)域性地面沉降主要是由地下水的超量開采引起的，要防止地面沉降進(jìn)一步發(fā)生，危害高速行車安全，應(yīng)采取嚴(yán)格控制地下水開采、適當(dāng)增加人工回灌等合理措施。
設(shè)計(jì)上應(yīng)采用大調(diào)高量扣件、選用可修復(fù)性強(qiáng)的無碴軌道結(jié)構(gòu)型式。對(duì)于沉降超過預(yù)測(cè)的橋梁地段，通過調(diào)高支座進(jìn)行調(diào)節(jié)。工程施工期間進(jìn)行觀測(cè)，達(dá)到鋪設(shè)無碴軌道要求的沉降條件才能進(jìn)行軌道施工。高速鐵路建成后，應(yīng)設(shè)長期觀測(cè)標(biāo)志，布設(shè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，長期定時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握地面沉降的發(fā)展情況，防止地面沉降危害高速鐵路安全。通過采取上述有力措施，可按無碴軌道設(shè)計(jì)。
3.無碴軌道結(jié)構(gòu)類型
世界各國鋪設(shè)的無碴軌道多種多樣，除大力發(fā)展無碴軌道技術(shù)的日本、德國外，其他歐美國家如瑞士、英國、法國等也鋪設(shè)了多種軌道結(jié)構(gòu)。
3.1 結(jié)構(gòu)類型
高速鐵路技術(shù)先進(jìn)的德國、日本采用的無碴軌道主要類型見表1。
其中，日本新干線板式軌道應(yīng)用最為廣泛，設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)維修等系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，累計(jì)鋪設(shè)里程達(dá)2700多km；德鐵批準(zhǔn)上道的無碴軌道有6種：Rhe-da、ZaBLIN、ATD、Getrac、BERLIN和Bt-GL。在鋪設(shè)的660 km無碴軌道(含80多組道岔區(qū))中，Rhe-da型軌道(含Rheda2000型)約占一半以上；BtiGL在紐倫堡至英戈?duì)柺┧匦戮€(計(jì)劃于2006年開通)長度為35雙線km北標(biāo)段鋪設(shè)，目前已完工。據(jù)悉，在近期完成的200 km/h以上動(dòng)車組實(shí)車試驗(yàn)中，BttGL軌道測(cè)試結(jié)果非常理想。
3.2 不同無碴軌道技術(shù)特點(diǎn)
由日本、德國無碴軌道應(yīng)用情況可以看出，高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)型式多種多樣，根據(jù)各自國情或軌道承包商技術(shù)特點(diǎn)，日本大量應(yīng)用預(yù)制混凝土板式軌道(含平板型、防振G型、框架型等)；德國大量應(yīng)用現(xiàn)澆混凝土式無碴軌道(如Rheda(傳統(tǒng)型、Rheda2000型、岔區(qū)Rheda型)、ZaBLIN等)，并正式鋪設(shè)了預(yù)制混凝土板式軌道(Bt~GL型)。
根據(jù)國外無碴軌道技術(shù)資料，結(jié)合我國科研成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，預(yù)制混凝土板式、現(xiàn)澆混凝土式無碴軌道技術(shù)特點(diǎn)分析見表2。
由表2可知，不同無碴軌道結(jié)構(gòu)具有鮮明的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特征，應(yīng)針對(duì)京滬高速鐵路不同區(qū)段的具體工程條件合理確定無碴軌道結(jié)構(gòu)方案。
國內(nèi)鐵路無碴軌道研究始于上世紀(jì)60年代，曾試鋪過支承塊式、短木枕式、整體灌筑式整體道床以及瀝青道床、橋上無碴無枕軌道結(jié)構(gòu)。自上世紀(jì)90年代以來，我國成功開發(fā)了軌枕埋入式、板式和彈性支承塊式無碴軌道結(jié)構(gòu)，并在秦沈客運(yùn)專線、西康線、渝懷線及贛龍線鋪設(shè)了試驗(yàn)段。在秦沈客運(yùn)專線3次大規(guī)模綜合試驗(yàn)中，沙河等3座特大橋上無碴軌道技術(shù)性能良好，試驗(yàn)圓滿成功。上述工程為我國無碴軌道技術(shù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
2004年12月，鐵道部先后決定在遂渝、武廣、鄭西及京津城際等線路設(shè)立無碴軌道綜合試驗(yàn)段，采取自主研發(fā)或中外聯(lián)合設(shè)計(jì)的方式，進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。目前，各試驗(yàn)段正在實(shí)施。
3.3 無碴軌道結(jié)構(gòu)方案
綜合考慮國內(nèi)外不同無碴軌道技術(shù)特點(diǎn)和國內(nèi)無碴軌道研究與試驗(yàn)的實(shí)際情況，京滬高速鐵路基礎(chǔ)穩(wěn)定的區(qū)間線路橋梁及隧道地段成段鋪設(shè)質(zhì)量易于控制、施工進(jìn)度較快的板式軌道；噪聲振動(dòng)影響敏感地段采用減振型板式軌道；路基地段采用雙塊式無碴軌道；道岔區(qū)段采用軌枕埋人式無碴軌道。
4.需要進(jìn)一步研究的問題
(1)無碴軌道選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，無碴軌道結(jié)構(gòu)形式一般都基于室內(nèi)模型試驗(yàn)、小規(guī)模試驗(yàn)鋪設(shè)、至少5年以上的運(yùn)營考驗(yàn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估后確定。結(jié)構(gòu)形式的選擇在確保高速列車運(yùn)行安全和舒適性的同時(shí)，必須考慮規(guī)模鋪設(shè)后的經(jīng)濟(jì)性。鑒于不同軌道結(jié)構(gòu)直接影響路基、橋梁、信號(hào)、接觸網(wǎng)等系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)不同無碴軌道結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)研究(如軌道結(jié)構(gòu)剛度的合理匹配、無碴軌道結(jié)構(gòu)與信號(hào)系統(tǒng)適應(yīng)性研究、不同無碴軌道結(jié)構(gòu)減振降噪研究及無碴軌道扣件系統(tǒng)研制等)，以便為形成我國無碴軌道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)積累經(jīng)驗(yàn)。
(2)道岔區(qū)無碴軌道設(shè)計(jì)
道岔區(qū)無碴軌道涉及多組高速道岔，其關(guān)鍵技術(shù)包括：高速道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、與道岔結(jié)構(gòu)相應(yīng)的無碴道床設(shè)計(jì)、道岔區(qū)扣件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備安裝等。
目前，我國客運(yùn)專線用道岔正處于研制或引進(jìn)階段。應(yīng)結(jié)合有關(guān)高速道岔研制(引進(jìn))工作，針對(duì)岔區(qū)無碴軌道關(guān)鍵技術(shù)開展中外聯(lián)合設(shè)計(jì)，一并解決道岔區(qū)無碴軌道問題。
(3)無碴軌道對(duì)線下基礎(chǔ)技術(shù)要求研究
高速鐵路對(duì)軌道高平順性的要求給鋪設(shè)無碴軌道的線下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來了許多新的課題，如預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的徐變上拱、荷載作用下的梁端轉(zhuǎn)角(橋間過渡)、墩臺(tái)基礎(chǔ)的不均勻沉降、梁體上下緣不均勻溫差、隧道合理的襯砌結(jié)構(gòu)、隧道基底承載力、土質(zhì)路基地質(zhì)勘察和沉降控制以及不同結(jié)構(gòu)物和不同軌道結(jié)構(gòu)間過渡段設(shè)計(jì)等，應(yīng)結(jié)合無碴軌道選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，以系統(tǒng)工程的理念，對(duì)不同線下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)要求及控制措施進(jìn)行深入研究。
5.結(jié)語
筆者僅對(duì)京滬高速鐵路軌道設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題做了初步探討，隨著設(shè)計(jì)工作的深入和開工建設(shè)，軌道設(shè)計(jì)將面臨更多需要解決的問題。期望通過幾個(gè)項(xiàng)目中外聯(lián)合設(shè)計(jì)及綜合試驗(yàn)和國內(nèi)進(jìn)行的幾種形式的無碴軌道試驗(yàn)，建立起我國的無碴軌道技術(shù)體系。
參考文獻(xiàn)：
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