第1章　绪论

1.1　研究背景与意义

1.1.1　高速铁路

铁路是国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化交通工具,在综合交通运输体系中处于骨干地位[1,2]。针对铁路运输能力不足的问题,国家提出了实现我国铁路跨越式发展的战略政策,并制订了《中长期铁路网规划》[3-8],根据该规划,我国将大规模建设高速铁路,建成“四纵四横”的快速客运专线以及3个区域(长江三角洲、珠江三角洲和环渤海)城际快速轨道交通系统,实现了主要繁忙干线客货分线运输,预计到2020年,我国铁路营业总里程将达到10万km。

高速铁路是指通过改造原有线路,使营运速率达到200km/h以上,或专门修建新的“高速新线”,使营运速率达到250km/h以上的铁路系统[9-13]。高速铁路是以现代高新科技装备的、全新类型的现代化铁路。由于运行速度快,且具有全封闭、全立交、高度自动化、舒适度高、安全性高、可靠性高等特点,使得高速铁路在许多国家得到快速发展[14]。根据高速列车的支承和推进原理,高速铁路分为磁悬浮式(图1-1)和轮轨式(图1-2)。两者的区别如图1-3所示,轮轨式安全性好、造价相对较低,因此成为目前世界上成功投入商业运营的高速铁路[15,16]。日本、德国和法国代表着世界高速铁路的科学技术水平[17,18],我国通过全面引进核心技术,实现了消化—吸收—再创新的飞跃,从2008年的第一条350km/h的京津城际高速铁路到2010年的最高486km/h的和谐号新一代高速动车试验列车的研制,说明我国已进入高速铁路快速发展时期[19,20]。

1.1.2　无砟轨道技术

1.1.2.1　无砟轨道结构技术特点

高速铁路采用有砟轨道和无砟轨道两类轨道结构形式[21]。高速有砟轨道和普通有砟轨道的不同之处在于轨道几何尺寸和道砟指标的要求严格,其大量应用主要以法国的高速铁路系统、德国曼海姆—斯图加特、汉诺威—维尔茨堡和意大利的高速铁路线为代表;无砟轨道没有道砟,主要由扣件系统或者弹性垫层替代原来的散粒道砟作为减振结构,主要以日本的山阳、东北及北陆等新干线以及德国的科隆—法兰克福、纽伦堡—英戈尔施塔特为代表[22-30]。

有砟轨道具有建设费用较低、噪声传播范围相对小、建设周期短、弹性良好、破坏时修复时间较短、自动化及机械化维修效率较高、轨道超高和几何状态调整简单等优点。但在高速铁路上,石砟道床的变形极快,给轨道的维修造成了困难,同时还因为石砟变形的不均匀性造成了轨道的各种不平顺,影响高速列车的安全性和舒适性。无砟轨道具有整体性强、纵向及横向稳定性高、可持久保持轨道的几何尺寸、养护维修工作量较少、维修费用小以及使用寿命周期长等优点[31],因此无砟轨道正在国内外高速铁路上获得了越来越广泛的应用。

1.1.2.2　无砟轨道类型

无砟轨道自应用以来,就可按照结构类型分为很多种,在技术上也都拥有各自的特点。如今,国际上也并未对无砟轨道进行统一的系统分类。按无砟轨道的结构特点可分为整体结构式和直接支承结构式。整体结构式是指将起支撑作用的混凝土枕和混凝土基础通过浇筑或预制使它们一体化,因此整体结构式又分为预制式和现浇混凝土式。而直接支承结构式是指在原有的基础上直接铺设轨道的结构形式[32]。

目前已有的无砟轨道结构类型很多,主要区别在于:①支承扣件的方式(有无轨枕);②支承轨枕的方式(埋入道床板中/支承在道床板上/嵌入道床板中);③道床板的材料(水泥混凝土/沥青混凝土);④道床板的制作方式(预制/现浇)。根据这些结构方案不同,可将无砟轨道进行图1-4所示分类。

目前世界上应用较普遍的几种无砟轨道结构包括德国的雷达、旭普林、博格板以及日本的板式无砟轨道[33-37]。为了发展我国的高速铁路,2006年铁道部专家对世界各国无砟轨道形式进行分析研究,选用了单元板式无砟轨道结构——日本新干线板式CRTSⅠ型及德国博格板式CRTSⅡ型,作为我国现阶段发展无砟轨道的主要形式。在对国外技术进行引进、吸收、再创新的基础上,我国自主研发了新型轨道结构形式——CRTSⅢ型板式结构。

1.CRTSⅠ型板式无砟轨道

CRTSⅠ型板式无砟轨道为预制单元板式轨道结构,在路基、桥梁、隧道地段结构组成相同,自上而下由轨道板、CA砂浆调整层、钢筋混凝土底座、凸形挡台等组成[38],如图1-5所示。

该轨道结构通用性强,弹性好,施工进度快,可修性好。CRTSⅠ型板式轨道结构特点如下:①CRTSⅠ型板式轨道按明确的层状结构体系设计,并确保能够方便地维修或更换;②轨道板承担了钢轨定位、传力、承载的多重作用,为减小轨道板的设计强度和体积,采用比较坚实的混凝土基础;③为确保轨道板的定位,采用一层现浇、有较好的填充性能和传力能力的CA砂浆调整层;④为解决水平力的传递问题,在混凝土底座上设置圆形凸台结构作为专门的传力部件。板式轨道的传力机理十分明确。竖向荷载的传递:从上至下逐层传递。水平荷载的传递:通过凸形挡台作为主要的水平力传递部件。为减少水平力对凸台的冲击,在凸台和轨道板之间设置缓冲层[39]。

2.CRTSⅡ型板式无砟轨道

CRTSⅡ型板式无砟轨道为预制板式轨道结构,在路基、隧道地段自上而下由轨道板、BMZ砂浆调整层、支承层等组成,桥梁上由轨道板、BMZ砂浆调整层、钢筋混凝土底座、滑动层、侧向挡块等组成。沿线路纵向轨道板、底座及支承层均为连接结构[40],如图1-6所示。

CRTSⅡ型板式轨道结构特点如下:①CRTSⅡ型板式轨道按明确的层状结构体系设计;②轨道板通过精确加工可以确保钢轨的精确定位,承力传力性能可靠、耐久,满足不同线路平面线形时轨道板纵连的需要;③纵连结构保证轨道结构连续性。路基上列车纵横向力、温度力由轨道板与BMZ砂浆、支承层的层间粘接传递;桥梁上通过侧向挡块、锚固销钉及桥梁端端刺等结构传递;④轨道板采用预设裂缝(假缝)设计方案,一方面裂缝控制不超过0.5mm,另一方面实现轨道板轨枕化;⑤桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道,需要从梁轨相互作用的理论加以验算。

3.CRTSⅢ型板式无砟轨道

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、自密实混凝土、限位挡台、中间隔离层(土工布)和底座(路基上为支承层)等部分组成,如图1-7(a)所示。桥隧地段采用单元板式结构,路基地段采用纵连板式结构。轨道板与自密实混凝土利用门型筋连接在一起,底座板在每块轨道板范围内设置限位挡台(凹槽结构),底座板与自密实混凝土层间设置中间隔离层。这种无砟轨道结构桥梁地段为单元板式,如图1-7(b)所示,取消了CA砂浆作为板下填充层,而用自密实混凝土作为板下填充层,轨道板与自密实混凝土间设置U形连接钢筋,加强两者之间的连接。底座上设置两个凸台传递水平力及限位;路基地段采用纵连板式,板间填充树脂砂浆,板下填充自密实混凝土,支承层采用水硬性材料(HGT)[41,42]。CRTSⅢ型板式无砟轨道的设计吸取了CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式两种无砟轨道的经验,目前已成功应用在成灌线全线,如图1-7(c)所示。

1.1.2.3　高速铁路对轨道结构的要求

高速铁路的主要行车特点是速度快、密度大和小编组,目的是获得较高的安全性和良好的舒适性,故要求轨道结构必须具有高平顺性、稳定性且少维修。

(1)高平顺性。高平顺性的核心是保持轨道结构具有良好的几何状态,具体要求是:

1)使用精度高和可靠性高的轨道结构部件。轨道结构主要由钢轨、扣件、轨枕及枕下基础等部件组成的结构体。其中,钢轨直接支撑列车的运行,其合理外形、几何尺寸和良好的内在质量是高速列车运行高舒适性和高安全性的前提;轨下基础的高精度和高可靠性,是钢轨高度精确稳定几何位置的重要保障。

2)铺设精度高。提高铺设精度是为了实现轨道初始高平顺性,避免了运营阶段轨道不平顺的产生及发展恶化。

3)良好的养护维修质量。

(2)高稳定性。高稳定性是指钢轨在高速运行条件下保持高平顺性与均衡弹性及维持部件有效性与完整性的能力,少维修或者免维修。具体要求是:

1)使用高精度和高可靠性的轨道结构部件,提高轨道结构的系统性和耐久性,实现轨道长期高平顺性以及轨道部件的长期有效性和完整性。

2)合理的轨道刚度,轨道应该具有良好的弹性,使轨道能缓冲振动与冲击,减弱噪声。

此外,应该保持沿线路纵向轨道弹性均匀。

(3)少维修。高速铁路的铺设标准远高于普通铁路,同时要求养护维修达到更高的标准。由于我国的高速铁路要与既有线兼容、运量大、线路的使用率高、天窗时间很短,造成了运输与维修的矛盾。因此,为适应高速行车与繁重运输任务的需要,尽快实现高速铁路的少维修具有极其重要的意义。

1.1.3　调整层所用材料及其研究进展

目前我国主要采用的CRTSⅠ型(武广客专部分线路)、CRTSⅡ型(京津城际大部分线路、京沪客专大部分线路),这两种无砟轨道结构均采用水泥乳化沥青砂浆作为板下调整层。从材料特性、国外调研及国内建成线路的应用现状可以看到,无砟轨道结构体系中水泥乳化沥青砂浆应用是薄弱环节。

1.1.3.1　水泥乳化沥青砂浆的材料特性

水泥乳化沥青砂浆,英文名称Cement Asphalt Mortar,常常缩写为CA砂浆,也称CAM,是一种由水泥、细骨料(砂)、乳化沥青、混合料、铝粉、水及功能外加剂等多种原材料组成,经胶凝材料水化硬化与沥青破乳胶结共同作用而形成的一种新型有机—无机复合材料[43,44]。CA砂浆是板式无砟轨道的关键结构材料,填充在轨道板与混凝土道床之间厚度约为50mm的扁平状空间内,主要起支承轨道板、缓冲高速列车荷载及减振的作用。使用CA砂浆作为填充材料主要有三大作用:①确保轨道能承受荷载并具有一定弹性;②填充轨道板与混凝土底座之间的空隙,确保轨道的平稳;③当下部结构发生变形或者破坏时,可进行修补。CA砂浆作为全面支承轨道板的垫层结构,要求具有足够的强度和必要的弹性,以及优良的施工性,其性能的好坏直接影响到板式轨道结构的使用的舒适性、耐久性与安全性、维护工作量及经济性[45,46]。

CA砂浆的组成十分复杂、性能要求高、材料制备与施工技术难度较大,这些是制约板式轨道发展的瓶颈技术。CA砂浆属有机—无机多元复合材料体系,各材料本身的特性对复合材料体系具有重要影响,同时二者之间的协同作用也显著影响CA砂浆的性能。CA砂浆主要包含Ⅰ型CA砂浆和Ⅱ型CA砂浆两种类型。Ⅰ型砂浆中有机物所占比例较高(约为30%),组料中水泥与沥青的用量相当,其性能特点主要为组成复杂、环境敏感性强、强度及弹性模量低。Ⅱ型砂浆中有机物所占比例较低(小于15%),组成则以无机材料为主,性能上表现为水泥材料的基本特征,强度及弹性模量较高[47-51]。

1.1.3.2　水泥乳化沥青砂浆破坏形式

CA砂浆中有机组成受气候影响较大,严重影响CA砂浆的温度敏感性,如严寒气候会导致疏松及松裂。酷热气候导致CA砂浆弹性变化,影响线路的稳定性及平顺性。有机—无机组成匹配性不好,会出现乳液析出现象。CA砂浆不均匀收缩导致轨道线路板与板之间不平顺,影响行车舒适性[52-63]。

CA砂浆调整层在工程上存在的主要问题:表面层被冲蚀,如图1-8(a)所示;砂浆充填层与轨道板界面脱离—离缝,如图1-8(b)所示;边缘砂浆硬碎,严重开裂与脱落,如图1-8(c)所示;边缘里面几乎完全碎裂,造成轨道板下陷,如图1-8(d)所示。

1.1.3.3　自密实混凝土

用于高速铁路无砟轨道调整层的自密实混凝土是高速铁路建设的关键工程材料,特殊工况下,自密实混凝土需形成特殊的技术体系才能满足要求。其组成材料、配合比、现场搅拌、运输和灌注质量均直接影响无砟轨道结构的耐久性、运行安全性和平顺性,自密实混凝土除了满足施工需要的工作性能和工程要求的力学性能外,还应达到高速铁路对材料耐久性的要求。因此,必须开发出高流态、高均质自密实耐久混凝土(简称FHDC),以实现上述系列要求,并形成相应技术体系,以保证其长期安全的服役特性。

本研究来源于国家973重点研究发展规划课题(2009CB623201)以及与铁四院合作项目《武汉城市圈城际高速铁路无砟轨道充填层自密实混凝土技术深化研究》,2008年“武汉城市圈”综改方案获国务院正式批复,武汉城市圈由“1+8”9座城市组成,是指以武汉市为中心的100km半径内,整合8个中、小城市,形成湖北乃至长江中游最密集城市群,武汉城市圈城际铁路是其重点建设项目之一,城际铁路最先主要是建设武汉到黄石、孝感、咸宁和黄冈这4条线路,本研究依托武汉城市圈城际高铁工程,主要开展高流态、高均质自密实耐久混凝土的系统研究与开发,研究自密实混凝土的高流态、高均质、高耐久性技术,建立应用于长距离运输、长时间灌注等特殊使用条件下的特种自密实混凝土的材料设计、制备工艺、工程应用等方面的关键技术,为大幅度提高铁路工程的服役寿命提供关键材料与技术支撑。因此,本研究具有重要的现实意义和理论价值。