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行業資訊| 無砟軌道國內發展狀況分析

2019年06月11日文章來源:

無砟軌道(Ballastless track)是指采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒碎石道床的軌道結構,又稱作無砟軌道,是當今世界先進的軌道技術。與有砟軌道相比,無砟軌道避免了飛濺道砟,平順性好,穩定性好,使用壽命長,耐久性好,維修工作少,列車運行時速可達350千米以上。

世界無砟軌道發展概述

發展無砟軌道技術是我國鐵路快速提升技術裝備水平,實現鐵路跨越式發展的重要舉措之一。

20世紀60年代,世界各國開始研究使用無砟軌道,從室內試驗、現場試鋪發展到在高速鐵路上普遍推廣,歷經40余年,形成了具有各國特色的系列化、標準化產品,近年來韓國、印度、荷蘭、中國臺灣修建的高速鐵路都廣泛地采用了無砟軌道技術。

目前各國發展的無砟軌道結構形式多樣,各具特色。主要國家的無砟軌道發展情況如下。

1)德國

德國是世界上研究及應用無砟軌道較早的國家。德國鐵路研究開發無砟軌道采用的體制是由德鐵制定統一設計基本要求,有公司、企業自行研制開發。新開發的無砟軌道在進入德鐵路網之前,必須通過指定試驗室的實尺模型激振試驗及性能綜合評估,并經EBA(德鐵技術檢查團)認證、批準后,方有資格在鐵路線上進行有線長度的試鋪。試鋪的無砟軌道要經過5年的運營考驗并經EBA的審定,通過后方可正式使用。

德國自1959年開始研究、試鋪無砟軌道,首先在希爾塞德車站試鋪了3種結構,隨后又在雷達車站和奧爾德車站試鋪了2種結構,1977年又在慕尼黑試驗線試鋪了6種。

1959-1988年是德國無砟軌道的試鋪期,共鋪設無砟軌道36處,累積21.6km。在此期間先后在土質路基、高架橋及隧道內試鋪了各種混凝土道床的無砟軌道。經過不斷改進、優化和完善,形成了德國鐵路無砟軌道系列和比較成熟的技術規范及管理體系,研制了成套的施工機械設備和工程質量檢測設備,為無砟軌道在德鐵的推廣應用創造了良好的條件。

經過幾十年的開發和研究,德國已經成功研發了雷達型、Bogl型、Zubin型、ATD型、Getrac型、BTD型、SATO型、FFYS型、Walter型、Heitkamp型等十幾種無砟軌道結構形式。到2003年,德國鐵路無砟軌道總鋪設長度600多公里。德國無砟軌道的主要結構是軌枕埋入式和博格板式無砟軌道。初期鋪設的雷達型和博格板式軌道都經歷了30年的運營考驗,軌道狀態始終良好。

2)日本

日本是發展無砟軌道較早的國家之一,從20世紀60年代中期開始進行板式無砟軌道的研究到目前大規模地推廣應用,走過40年的歷程。日本的高速無砟軌道占當年鋪設鐵路的比例,在20世紀70年代達到60%以上,而90年代則達到80%。目前,其累計鋪設里程已達2700多公里(其中新干線約1600多公里),為世界上鋪設無砟軌道最長的國家。在規模發展的同時,日本還不斷改進、完善結構設計參數和技術條件,最終將普通A型和框架型板式結構作為標準定型。框架型在混凝土和CA砂漿用量上較A型板少,可減少板的成本,也可減少日溫差引起的板的翹曲。最初的A型和框架型板為普通鋼筋混凝土結構,適用于溫暖地區和隧道內,在東北、上越新干線等寒冷地區則采用雙向預應力A型板。

另外,為解決新干線的噪聲及振動問題,實現客運專線高速鐵路發展與社會環保兼容的目的,經試驗后,將減振G型板式軌道作為標準形式,規定在減震降噪區段鋪設。

3)法國

法國是以有軌道為代表的高速鐵路國家,一直以軌道能以270~300km/h運營而感到驕傲。但后來發現在早期建造的東南線、大西洋線上,道碴的粉化嚴重,使軌道幾何尺寸難于保持,維修周期縮短,維修費用大大增加,甚至影響正常的運營,結果使用不到10年就不得不全面大修,更換道碴,且不得不通過提高道碴標準及采取一些輔助措施來維持有碴軌道的高速運營。于是法國也逐漸認識到無砟軌道的優越性,開始了無砟軌道的研究和試驗。法國開發的VSB-STEDEF是雙塊式無砟軌道,屬于LVT型無砟軌道。

4)英國

英國的無砟軌道主要有兩種,即LVT型無砟軌道和PACT型無砟軌道。LVT型無砟軌道是在雙塊式軌枕(或兩個獨立支撐塊)的下部及周圍設橡膠套靴,在塊底與套靴間設橡膠彈性墊層,在雙塊式軌枕周圍及底下灌注混凝土而成形,為減振型軌道,現已鋪設總長度約為360km。

PACT型無砟軌道:鋼筋混凝土灌注成的無接縫連續的剛性道床板直接支承鋼軌,在軌底與混凝土道床之間放置一條帶狀的連續橡膠墊層,以給軌道提供必要的彈性,采用潘德羅爾彈條扣件聯結,現已鋪設總長度約為80km。

5)韓國

韓國首爾至釜山的高速鐵路全長412km,分2期工程建設,一期工程由首爾至大邱,全長289.3km,二期工程由大邱至釜山南段,全長122.7km。一期工程在光明車站和章上、花信、黃鶴3個隧道鋪設了53.841km無砟軌道,主要采用德國普通雷達型無砟軌道。二期工程已于2002年6月開工,預計2010年12月竣工,計劃全部鋪設雷達2000型無砟軌道。

目前,韓國鐵路無砟軌道建設中采用較多的是雷達雙塊式軌道(德國)、Zublin雙塊式軌道(德國)、Bogl板式軌道(德國)、日本板式軌道。

經過多年的運營考驗,一般認為日本的板式無砟軌道和德國的博格板式無砟軌道、雷達無砟軌道以及Zublin無砟軌道的技術比較成熟。

1

日本無砟軌道

日本是發展無砟軌道較早的國家,于1965年開始,為了適應高速行車的需要,解決線路維修困難的問題,開發了板式無砟軌道結構。

由于山陽、東北、上越等新干線橋隧工程結構占全線的比例非常大,板式軌道又得到進一步發展,東北、上越等新干線的無砟軌道分別占全線延長公里的90%和93%。

從20世紀60年代中期,日本開始了板式無砟軌道結構系統的理論研究與試驗。鐵道綜合技術研究所匯集軌道、土工、橋隧、材料以及化工等專業的研究人員組成系統攻關研究小組。

在研究開發初期,研究小組針對不同的板式軌道方案進行了設計選型,并通過部件試驗、實尺模型加載試驗以及運營試驗段鋪設,最終形成了日本板式軌道的系列產品。

日本板式軌道結構由軌道板、水泥瀝青砂漿(CA砂漿)和混凝土基礎三大部分組成。鋼軌鋪設在軌道板上,CA砂漿作為軌道板的彈性墊層,同時可以通過再次灌注CA砂漿對軌道板進行一定程度上的調整。

混凝土基礎上每兩塊軌道板的板縫處布置凸型擋臺,以承受來自軌道的縱、橫向力,并將其傳到下部基礎。A型軌道板的長度通常為5.00m,寬度為2.34m,厚度190mm,CA砂漿厚度40-50mm。

日本鐵路廣泛鋪設板式軌道,到目前為止,日本板式軌道鋪設己經超過了2700km。目前A型板式軌道(如圖1)已標準定型,并作為基本軌道結構推廣應用。

 

 

圖1  A型板式軌道結構形式


近年來,隨著北陸等新干線的建設,板式軌道又有了較大發展,主要表現在以下幾個方面:

(1)可用于露天地段使用的土路基上板式軌道得到了發展和應用;

(2)由于普通型板式軌道板中的負彎矩(特別是橫向方向)比較大,從而需要很多的鋼筋量,然而板中這部分的鋼筋混凝土其實是多余的,所以就將這部分挖去便發展成了框架型板式軌道(如圖2)。同時框架型軌道板板面和板底的最大溫差也將減小,減小了翹曲應力,較其它鋪裝軌道,具有荷載分散性能好,下沉少等優點;

(3)為了提高CA砂漿的灌注效率,節約模板用量,易于調整軌道板位置,保持軌道結構的美觀整潔,發展了CA砂漿的編織袋灌注方法;

(4)在人口稠密的居民區,為了降低噪聲的干擾,在軌道板和CA砂漿墊層間鋪設25mm厚的橡膠墊層,發展了防振型板式軌道;

(5)為適應氣候條件的需要,防止在嚴寒地區軌道板的龜裂問題,在軌道板中

引入了預應力鋼筋。

 

 

圖2  AF框架型板式軌道結構形式

2

博格板式無砟軌道

博格板式無砟軌道系統的前身是1979年鋪設在德國卡爾斯費爾德一達豪試驗段上的一種預制板式無砟軌道,軌道的結構圖,如圖3所示。

通過對其進行包括預應力結構、結構尺寸、縱向連接等方面的優化改進,采用先進的數控磨床來加工預制軌道板上的承軌槽,使用快速方便的測量系統,使其精度容易滿足高速鐵路對軌道幾何尺寸的高要求。高性能瀝青水泥砂漿墊層可以為軌道提供適當的剛度和彈性。

德國的博格公司為軌道板施工研制生產了成套的設備,使得博格板式軌道機械化程度高于一般軌道結構。博格板式無砟軌道可用于的高速鐵路,目前已在德國紐倫堡至英戈而施塔特的新建高速線上鋪設。

 

圖3  格板式無砟軌道系統的結構圖

路基上的博格板式軌道從下往上,其層次的構成依次為:級配碎石構成的防凍層(FSS)、30cm厚的水硬性混凝土支承層(HGT)、3cm厚的瀝青水泥砂漿層(CA砂漿)、20cm厚的軌道板,在軌道板上安裝扣件。博格板式軌道系統軌頂至水硬性混凝土頂面的距離為474cm。

預制軌道板是在預應力臺座上生產出來的,混凝土強度等級為C45/55,可以采用普通混凝土或鋼纖維混凝土。預制軌道板的橫向為預應力鋼筋,縱向為普通鋼筋,板與板之間在縱向通過伸出鋼筋進行連接。

采用這種預制軌道板的軌道均勻性好、耐久性強,橫向及縱向的抗滑移阻力高。標準預制板為長度6500mm,板厚200mm的單向預應力混凝土板,適用于路基、橋梁和隧道中。


3

雷達2000型無砟軌道


德國鐵路于上世紀60年代開始無砟軌道的研究,曾試鋪過十余種無砟軌道結構。

1972年原西德鐵路在雷達車站試鋪了由德國慕尼黑工業大學陸地交通工程試驗中心開發的枕式無砟軌道,軌下基礎由整體混凝土枕和現澆鋼筋混凝土板組合而成。

雷達型無砟軌道因最初鋪設在德國雷達車站而得名,在使用過程中得到不斷的改進,已從最初的雷達普通型發展到現在的由鋼筋桁架連接的雙塊式無砟軌道,成為了目前世界先進無砟軌道結構形式的代表之一。通過不斷的試驗和完善,目前已發展到雷達2000型。

雷達型無砟軌道使用范圍廣泛,路基、橋梁、隧道都可以使用,除了在德國成規模地應用外,在世界其它國家和地區也得到認同并使用。

雷達2000型無砟軌道系統由鋼軌、高彈性扣件、改進的帶有桁架鋼筋的雙塊式軌枕、現澆混凝土板和下部支撐體系(水硬性混凝土支承層或底座)組成,如圖4、5所示。

 

圖4  路基上雷達2000無砟軌道典型斷面 

 

圖5  雷達2000雙塊式軌枕B


雷達2000無砟軌道系統在橋上設計為分塊的道床板,道床板下的混凝土底座也是分塊的結構,混凝土底座通過一定方式與橋梁結構連接,道床板與混凝土底座間通過榫槽連接傳力,并在底座的上表面用土工布對其進行隔離。

而在路基上設計為無預應力的、連續的鋼筋混凝土道床板,其整體思想是基于一個連續澆鑄的帶自由裂縫構造的混凝上板,土質路基上無砟軌道系統雷達2000的設計原理是它由路基上復合的雙層系統構成,這兩層都采用連續建造的方式施工(受到水硬性混凝土支承層的限制,每隔5米應有一個深度為支承層厚度的1/3的假縫)。


4

Zublin無砟軌道


Zublin無砟軌道結構如圖6所示,其組成部分由下至上依次為:在地基上是防凍層,然后是30cm厚的由水硬性承載層(HGT-C12/15),最上面是24cm厚無伸縮縫的混凝土承載板。

混凝土承載板采用沿軌道縱向配筋,配筋率為0.8%-0.9%,以確保混凝土結構的開裂能滿足裂縫間距小于2m和裂縫寬度小于0.3mm的要求。

雙塊式軌枕同樣采用鋼筋混凝土結構,兩塊軌枕由桁架鋼筋連接在一起,并且兩側向外伸出。

為確保軌枕的幾何形狀及其與上部鋼軌的順利接合,該鋼筋混凝土結構將采用預制構件。

 

圖6  路基上旭普林無砟軌道典型斷面


我國無砟軌道的發展概述

我國無砟軌道的研制工作起步相當早。在1934年就曾鋪設過混凝土整體道床軌道,從1965年即開始在長大山嶺隧道內大量采用混凝土整體道床。北京地下鐵道也全部采用了整體道床無砟軌道,并取得了較好的效果。橋上無砟軌道主要研制了無砟無枕梁,并在九江長江大橋的混凝土引橋上采用。

80年代初,為完善和發展整體道床軌道,開始積極研究并嘗試應用板式軌道。進入90年代以來,為適應我國鐵路高速行車,發展高速鐵路的需求,經過研究和開發,提出了可適用于隧道、橋梁和大型車站等地段的彈性支承塊式、長枕埋入式及板式無砟軌道。

隨著我國快速鐵路的發展,我國參照日本板式軌道,研制出了自己的板式軌道CRTSⅠ型板式無砟軌道結構,并己經鋪設在時速的秦沈客運專線的橋梁上;通過進一步研制和發展,經過改進的博格板式無砟軌道系統研制出了自己的無砟軌道CRTSⅡ型板式無砟軌道系統并鋪設在遂渝線無砟軌道綜合試驗段中。

2000年后無砟軌道在我國的主要發展歷程如下:

2004年9月,鐵道部決定在遂(四川遂寧)渝(重慶)鐵路建設我國首條無砟軌道試驗段,正線全長13.16公里。

2007年1月3日,遂渝鐵路無砟軌道試驗段開始綜合試驗。

2009年12月26日,武廣高速鐵路投入運行。該線采用從德國睿鐵公司(RAIL.ONE)引進的雷達2000雙塊式無砟軌道技術。

京滬高鐵、京石高鐵、石武高鐵、廣深港高鐵、京沈高鐵、哈大高鐵、滬寧城際均采用CRTSⅠ或CRTSⅡ型板式無砟軌道技術。

2015年4月,第一條采用CRTSⅢ軌道板的鄭徐客運專線開始鋪設。

我國在經歷了引進、消化、吸收階段后,目前已經進入到自主研發創新階段。

國內無砟軌道方面專利概況分析


1

申請趨勢分析

通過檢索國內無砟軌道相關專利,其每年的申請數量如下圖所示(由于專利公開的滯后性,2017年與2018年所示數量較該年的真實數量少):

 


通過上圖可知有關無砟軌道方面的專利申請在我國開始出現的時間是2007年,系與2007年1月初遂渝鐵路無砟軌道試驗段綜合試驗成功后的成果轉化有關;2009年申請量出現跳躍式增長,系與2009年武廣高速鐵路從德國睿鐵公司(RAIL.ONE)引進的雷達2000雙塊式無砟軌道技術有關;2013年的申請量最少,系與鐵道部改組中國鐵路總公司有關;2014-2015年的專利申請量與往年申請數量持平;自2016年開始無砟軌道相關的專利申請量開始出現大幅度的增加。

可見無砟軌道方面的相關技術在我國經歷了引進吸收階段,目前正處于快速發展階段。


2

專利申請技術組成分析


無砟軌道方面的專利申請技術分支如下圖所示:

 


(注:IPC分類號說明:E01B 鐵路軌道;鐵路軌道附件;鋪設各種鐵路的機器。B28B 黏土或其他陶瓷成分、熔砟或含有水泥材料的混合物,例如灰漿的成型。C04B石灰;氧化鎂;礦砟;水泥;其組合物,例如:砂漿、混凝土或類似的建筑材料;人造石;陶瓷;耐火材料;天然石的處理。E01D 橋梁。G01N 借助于測定材料的化學或物理性質來測試或分析材料。G06F 電數字數據處理。G01B 長度、厚度或類似線性尺寸的計量;角度的計量;面積的計量;不規則的表面或輪廓的計量。E02D 基礎;挖方;填方;地下或水下結構物。)

從上圖可知,無砟軌道方面的相關專利申請的技術分支主要為無砟軌道結構、附件、鋪設、配套機械或工具方面;水泥材料方面及有關高速鐵路橋梁方面的專利申請也有一定的比例;其余方面的專利申請數量較少。

各技術分支在我國的申請趨勢如下圖所示(由于專利公開的滯后性,2017年與2018年所示數量較該年的真實數量少):

 


從上圖可以看出,無砟軌道結構、附件、鋪設、配套機械或工具方面的專利申請數量最多,且穩步增加;水泥材料方面的專利申請數量呈現出明顯的奇點增長,即只有在技術取得突破時申請數量才會大幅度增加,之后又恢復較少水平;其他技術分支的專利申請數量一直處于較少水平。


3

申請人分析


國內無砟軌道方面相關專利的申請人中,企業的申請數量最多,占76.47%,其次為高校,占12.44,科研單位占8.1%,其余類型申請人較少,如下圖所示。

 


國內無砟軌道方面相關專利申請數量排名前20的申請人如下圖所示:

 


如上圖可知,國內無砟軌道方面相關專利申請數量排名前20的申請人分別為:中鐵二院工程集團有限責任公司、中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所、中鐵第四勘察設計院集團有限公司、中鐵第五勘察設計院集團有限公司、中鐵二十三局集團有限公司、西南交通大學、秦皇島老虎重工有限公司、中國鐵路總公司、中南大學、中國鐵道科學研究院、中鐵第一勘察設計院集團有限公司、中鐵二局股份有限公司、中鐵十一局集團有限公司、中鐵三局集團有限公司、中鐵四局集團有限公司、北京交通大學、北京鐵五院工程機械有限公司、山西高行液壓股份有限公司、無錫盾建重工制造有限公司、中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所、廊坊合力天一機械設備有限公司。

其中中鐵二院工程集團有限責任公司、中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所、中鐵第四勘察設計院集團有限公司的專利申請數量最多。


4

專利價值分析


各申請人所申專利的專利價值度如下圖所示:

 


從上圖可知,我國國內有關無砟軌道方面的專利申請其價值度均較高,一般在5以上,可以在一定程度上說明我國國內已有有關無砟軌道方面的專利申請的技術核心程度。

將我國國內有關無砟軌道方面的專利按法律狀態進行統計,可得下圖所示的法律狀態組成:

 


從上圖可知,在無砟軌道方面,由于技術發展和更迭較快,故失效比例較高,占整體數量的27.65%;近年申請的專利數量也較多,占整體數量的15.04%。可見無砟軌道方面的相關技術在我國蓬勃正處在發展之中。  


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