铁道轨道和高铁轨道的结构研究与施工工艺探讨 - 图文

石家庄铁道大学四方学院毕业论文

城市轨道和高铁轨道的结构研究

及施工工艺探讨

Implementation and Process Discussion of the

New Track Structure Adopted

In urban rail and high-speed rail

2012届 土木工程 系 专 业 土木工程 学 号 20085077 学生姓名 黄 文 斌 指导教师 杨 圣 飞

完成日期 2011年5月25日

毕业论文成绩单

学生姓名 黄文斌 学号 20085077 班级 方0801-3 专业 土木工程 毕业论文题目 城市轨道和高铁轨道的结构研究和施工工艺探讨 指导教师姓名 杨圣飞 指导教师职称 高级工程师 评 定 成 绩 得分 指导教师 评阅人 得分 答辩小组组长 成绩： 得分 系主任签字： 年 月 日

毕业论文任务书

题 目 学生姓名 黄文斌 学 号 城市轨道和高铁轨道的结构研究和施工工艺探讨 20085077 班 级 导师姓名 方0801-3 杨圣飞 专 业 导师职称 土木工程 高级工程师 承担指导任务单位 土木工程系 一、课题背景 近年来，城市轨道和高铁项目发展迅速。城市轨道交通按环保方式分为噪声控制、环境振动和景观美化型三种。振动和噪声成为城市轨道影响居民生活的主要元素，为了让城市轨道更好的融入居民生活，从扣件，施工工艺等方面做了一定的探讨。高铁作为现代社会进步的重要标志，大量新型轨道结构如无砟轨道得到推广，人们也切实地感受到了高铁的高效、方便、快捷等优点，高铁发展刻不容缓。 二、具体要求 研究目前国内外城市轨道和高铁的主要特点，主要采用扣件及施工工艺。针对某种减振降噪型轨道结构，给出合适的施工方法及组织设计。论文1本，外文翻译3000字以上。 三、参考文献 [1] 王淑珍,和振兴.环境友好型城市轨道结构型式探析[J].西部交通科技,2011年02期 [2] 于春华.城市轨道交通轨道扣件综述.铁道工程学报[J],2003年9月(第3期) [3] 吴建中,李腾万,李湘久.城市轨道交通钢轨扣件的研究与设计[J].都市快轨交通,2005年03期 [4] 钟文文,方今义.广州地铁轨道单趾弹簧扣件锚固螺栓的研制[J].铁道建筑,2001年01期 [5] 金雪勇.盾构法在地铁中的应用[J].科技咨询,2010年15期 [6] 张新金,刘维宁,路美丽,罗富荣,张成满.北京地铁盾构法施工问题及解决方案[J].土木工程学报,2008年10月 [7] 李俊君,唐丽娜,羊文琦,毛晓飞.浅谈高速铁路无砟轨道的发展[J].科技传播,2011年5月 [8] 张宏亮,孙京建等.轨道扣件及减振综合试验平台的研究与设计[J].都市快轨交通,2011年6月第3期 四、进度安排 第1周~第2周：外文翻译 第3周~第4周：搜集资料及熟悉参考文献 第5周~第7周：研究城轨交通新型轨道结构 第8周~第9周：研究实施工艺 第10周~第12周：撰写论文及答辩 教研室主任签字 时 间

年 月 日

毕业论文开题报告

题 目 学生姓名 黄文斌 城市轨道和高铁轨道的结构研究和施工工艺探讨 学号 20085077 土木工程系 班 级 导师 姓名 方0801—3 杨圣飞 专业 导师 职称 土木工程 高级工程师 承担指导任务单位 一、课题背景 近年来，城市轨道和高铁项目发展迅速。城市轨道交通按环保方式分为噪声控制、环境振动和景观美化型三种。振动和噪声成为城市轨道影响居民生活的主要元素，为了让城市轨道更好的融入居民生活，从扣件，施工工艺等方面做了一定的探讨。高铁作为现代社会进步的重要标志，大量新型轨道结构如无砟轨道得到推广，人们也切实地感受到了高铁的高效、方便、快捷等优点，高铁发展刻不容缓。 二、当前形势 铁路轨道得到越来越多的国家的承认，各国大力发展城市轨道和高铁，把轨道结构和环境完好地结合，并且达到减振降噪的效果成为了研究重心。 三、具体要求 (1)研究城市轨道结构的特点、扣件及施工要求； (2)研究高铁轨道结构的特点、扣件及施工方法； (3)减振降噪型轨道结构具体实例，进行详细介绍与分析。 四、参考文献 [1] 王淑珍,和振兴.环境友好型城市轨道结构型式探析[J].西部交通科技,2011年02期 [2] 于春华.城市轨道交通轨道扣件综述.铁道工程学报[J],2003年9月(第3期) [3] 吴建中,李腾万,李湘久.城市轨道交通钢轨扣件的研究与设计[J].都市快轨交通,2005年03期 五、进度安排 第1周～第2周：外文翻译 第3周～第4周：搜集资料及熟悉参考文献 第5周～第7周：研究路基病害及防治措施 第8周～第9周：研究处理措施 第10周～第12周：撰写论文及答辩 指导教师签字 日期

摘 要

铁路交通作为一种经济、高效、安全、快捷的交通模式，已成为国内外广泛采用的交通形式。轨道结构稳定性高，养护维修工作量小，能较好地适应现代社会人口和货物高密度运输的需求，故目前绝大多数城市和城市之间的运输方式选择为铁路运输。目前，我国铁路轨道交通正处于快速建设和发展时期，其应用前景十分广阔。本文在大量的文献调研基础上，以新型轨道结构为主要研究对象，从系统的观念出发，结合我国的国情和路情，综合考虑，对其进行研究。

针对城市铁道结构和高铁轨道结构，结合近些年来科研成果和发展状况，从图纸举例，表格对比，以及文字综述等方面分别对其特点、轨道扣件、施工工艺做了分析和探讨。

在我国城市轨道交通大规模建设阶段，轨道交通产生的震动和噪声污染也引起了人们的普遍关注。针对深圳地铁5号线塘朗车辆段上盖物业开发的减振降噪问题，根据车辆段轨道振动和噪声源、以及振动和噪声值的预测成果，对各种减振与降噪措施进行综合比较，因地制宜地提出车辆段轨道的减振降噪措施，使列车运行的振动和噪声对上盖物业的影响达到环保要求。

关键词：城市轨道 高速铁路 轨道结构 轨道扣件

Abstract

Rail transport as an economic,efficient,safe,and efficient modes of transport,has become widely used at home and abroad forms of transport.The stability of the track structure,the maintenance workload,and can better adapt to the needs of modern society of people and goods of high-density transport,so the vast majority of cities and urban transport options for the rail transport.At present,China's railway rail transport is in the rapid construction and development period，and its very broad application prospects.In this paper,an extensive literature survey on the basis of the new track structure as the main object of study,starting from the concept of the system,combined with China's national conditions and road conditions,consider its study.

City rail structure structure and high-speed rail track structure,combined with scientific research and development in recent years,from the drawings,for example,form comparison,as well as text Summary of its characteristics,track fasteners,construction techniques to do the analysis and explore.

In the stage of large-scale construction of urban rail transit,rail traffic generated by the vibration and noise pollution also caused widespread concern.Vibration and noise problems for the superstructure of the Shenzhen Metro on the 5th line Tanglang Depot,Depot track vibration and noise sources,as well as vibration and noise values predict the outcome of a variety of damping and noise reduction measures compared to the light of local conditions depot track vibration and noise reduction measures,so that the vibration and noise of the trains running on the superstructure to meet environmental requirements.

Keywords: urban rail high-speed railway track structure track fasteners

目 录

第1章 绪论 ........................................................... 1 1.1课题研究背景及意义 ................................................ 1

1.1.1研究背景 .................................................... 1

1.1.2 1.1.3

研究意义 ..................................................... 1 国内外研究现状 ............................................... 1

1.2论文主要内容 ...................................................... 2 第2章 城轨轨道结构 ................................................... 3 2.1引言 .............................................................. 3 2.2城轨轨道结构特点 .................................................. 3

2.2.1噪声控制型轨道结构 .......................................... 3 2.2.2环境振动控制型轨道结构 ...................................... 5 2.2.3景观美化型轨道结构 .......................................... 7 2.3城轨轨道结构扣件 .................................................. 8

2.3.1扣件作用及主要设计原则 ...................................... 8 2.3.2主要设计参数 ................................................ 8 2.3.3我国城市轨道交通铺设的扣件 .................................. 9 2.4城轨施工方法 ..................................................... 15

2.4.1地铁施工技术发展概况 ....................................... 15 2.4.2盾构法的简单介绍 ........................................... 16 2.4.3盾构法在城市轨道中的应用 ................................... 17 2.4.4盾构法在施工中常见问题及分析 ............................... 21 第3章 高铁轨道结构 .................................................. 31 3.1引言 ............................................................. 31 3.2高铁轨道结构特点 ................................................. 31

3.2.1高速铁路轨道结构应具备的主要性能 ........................... 31 3.2.2国外主要高速铁路轨道结构的基本形式 ......................... 32 3.3高铁轨道结构扣件 ................................................. 33

3.3.1国外高速铁路扣件型式及其主要参数 ........................... 33 3.3.2京沪高速铁路扣件的基本设计参数 ............................. 33

I

3.3.3轨道扣件的设计原则 ......................................... 34 3.4 无砟轨道 ......................................................... 38

3.4.1我国无砟轨道结构的研究及应用概况 ........................... 38 3.4.2我国无柞轨道结构设计理论的研究状况 ......................... 39 3.5无砟轨道施工技术 ................................................. 40

3.5.1施工方案 ................................................... 40 3.5.2客运专线岔区无砟轨道施工技术 ............................... 42 第4章 减振降噪型铁道轨道案例分析 .................................... 48 4.1深圳地铁塘朗车辆段及其上盖开发概况 ............................... 48 4.2车辆段轨道振动和噪声源分析 ....................................... 49 4.3振动与噪声类比测试与分析 ......................................... 49

4.3.1轨道交通列车运营振动和噪声测试 ............................. 49 4.3.2车辆段上盖物业振动和噪声测试分析 ........................... 49 4.4塘朗车辆段上盖开发敏感点振动和噪声预测 ........................... 50 4.5国内外车辆段上盖开发减振降噪措施经验 ............................. 50 4.6塘朗车辆段上盖开发减振降噪措施研究 ............................... 51

4.6.1振动控制措施 ............................................... 51 4.6.2噪声控制措施 ............................................... 52 4.6.3轨道减振降噪措施 ........................................... 53 4.7结语 ............................................................. 54 第5章 结论与展望 .................................................... 55 5.1结论 ............................................................. 55 5.2我国城市轨道交通发展有关对策的建议 ............................... 55 5.3高速轨道结构的发展趋向 ........................................... 55 参考文献 .............................................................. 57 致 谢 ................................................................ 58 附 录 ................................................................ 59 附录A-1英文原文 ..................................................... 59 附录A-2中文翻译 ..................................................... 64

II

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1研究背景

目前我国城市特别是大中城市规模不断扩大，人口不断密集，卫星城的建设，必需积极发展以城市轨道交通为骨干的交通系统，缓解日益繁忙的城市交通。轨道交通具有安全、正点、快捷、舒适等特点，是一种大容量的公共交通运输方式，在城市发展中起到了不可忽视的作用。

近年来，我国加快了改革开放步伐，国民经济进入高速发展的新阶段，在此情况下，使本来就很不适应的铁路运输更加全面紧张。大力提高货物列车重量、积极增加行车密度、努力提高行车速度，既是扩大运输能力的有效途径，又是能否依靠科技进步、改善装备水平、综合应用高新技术、保持铁路在运输业中的地位和作用的关键措施。“铁路主要技术政策”中明确规定了我国铁路2000年前后阶段技术发展方向和原则。其中有关重量、密度和速度目标值的实现，无不与轨道结构标准和状态有极为密切的关。可见轨道结构无疑将围绕适应重载、高速的要求，走依靠科技进步、强化设备、科学管理的发展道路。

1.1.2研究意义

轨道是城市轨道交通运营设备的基础，它直接承受列车荷载，引导列车运行。轨道是行车的基础，能否与运行条件相适取决于其结构的承载能力。它直接关系到列车运行的安全、旅行舒适度、更换周期和养护维修一工作量。国内外运营实践表明，随着运量的增长和运行速度的提高，轨道结构日趋重型化，并辅以作业机械化和管理科学化，以期在确保安全、不间断运行的前提下达到经济和高效的目的。

1.1.3国内外研究现状

从技术上来说，世界上具有较长高速铁路发展历史以及高铁技术比较发达的国家有日本、法国和德国等。日本是世界上最早建成高速铁路的国家，1964年开通的新

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干线是世界上最早的高速铁路。这些国家通过高速铁路建设完善了各自的高速铁路网络，带动了相关产业的发展，也拉动了沿途城市的发展。

中国的高铁技术，是在借鉴世界高铁技术先进的几个国家的基础上经过再创新而达到目前状况的，还在不断完善和发展中。

在我国目前新建的铁路中，大概包括以下几种形式：一是指时速在300公里以上的完全意义上的高速铁路，比如已经开通的京津城际铁路和武广客运专线，这种高速铁路的特点是速度快，同时只运行动车组；二是时速在200公里左右的准高速铁路，在这种路轨上，既运行高速列车，又开行普通列车，比如秦沈客运专线和石太客运专线；三是时速在200～250公里，但是只运行动车组，比如长吉城际铁路等；四是时速在200公里左右，既运行客运列车，又兼顾货运列车，这种情况主要发生在一些原有的铁路基础比较薄弱的地区，比如闽东地区，2010年4月开通的福厦铁路就是这种情况。

1.2论文主要内容

近些年，铁道技术迅猛发展，在原有的铁道轨道结构基础上不断完善，形成了很多新的类型和技术，本文主要论述新型铁道轨道结构及施工，包括城市轨道和高铁的轨道结构特点，以及轨道扣件和施工技术。

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第2章 城轨轨道结构

2.1引言

城市轨道交通具有安全舒适、快速环保、运能大和耗能少的特点，已经成为解决大城市交通拥堵问题的首选措施。发展城市轨道交通已经成为解决大城市交通拥堵问题的首选措施。近几年来各大城市的轨道交通项目纷纷上马，打造绿色、环保的城市轨道交通已经成为城市轨道交通建设的时代要求。

城市轨道交通基本采用钢筋混凝土整体道床，相对于砟石道床，列车运行时引起的环境振动和噪声有所增强，不仅影响人们的正常生活、工作和身心健康，而且对古建筑结构、精密仪器工作单位等其他敏感点也有不同程度的影响。轨道结构及其基础混凝土外观与周围环境的不协调还会造成景观污染。鉴于上述原因，在环境友好型城市轨道交通建设中衍生出了各种各样的特殊轨道结构型式应对环境敏感点的不同要求，这些轨道结构可归结为噪声控制型、环境振动控制型和景观美化型三类。现从设计选型的角度，对每类轨道结构的使用特点、效果及应该注意的问题进行阐述。

2.2城轨轨道结构特点

2.2.1噪声控制型轨道结构

城市轨道交通列车运行速度较低[1]，一般≥120km/h。轮轨动力噪声占城市轨道交通噪声70%以上是主要噪声源。轮轨噪声是由轮轨之间的动力作用产生的，如图2-1所示。钢轨的振动频率范围在数百到数千赫兹，尤以1000Hz以上频率成分为甚。轨道结构对轮轨动力噪声的控制一方面可从振源入手，优化轮轨相互动力作用条件；另一方面是切断噪声、振动的传播路径或采用吸声结构、吸声材料加以控制，如采用钢轨辐射屏蔽系统、轨道吸声板等。

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图2-1 轮轨噪声发声示意图

2.2.1.1增大钢轨阻尼

如图2-2所示，在钢轨轨腰、轨底表面粘贴由高阻尼材料和约束板材构成的复合阻尼板，改变钢轨噪声辐射特性，可以有效地减小钢轨的振动。在北京地铁试装了钢轨阻尼板，测试结果表明，这种方法可降低轨道附近3.5m处的噪声3.5dB左右。该类措施已经国产化，正处于试铺阶段，今后可以考虑在地铁车站及地面线上使用。

图2-2 钢轨复合阻尼板示例图

2.2.1.2噪声辐射屏蔽系统

噪声辐射屏蔽系统的作用是切断钢轨噪声的传播路径，目前已经出现的有安装在钢轨上的噪声屏蔽系统或设置在道床上的近轨声屏障。图2-3是英国某城市轨道交通。所采用的一种屏蔽系统，可降低噪声约4.8dB。

图2-3 钢轨辐射屏蔽系统示例图

2.2.1.3道床吸声

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道床吸声措施是在道床上铺设吸声板，根据材质不同可分为复合材料吸声板和混凝土吸声板，其吸声效果在3.2dB左右，这类措施一般用在车站及地面线上。图2-4是德国某城市轨道交通轨道上所使用的吸声板。

图2-4 混凝土材料吸声板示例图

以上噪声控制措施对轮轨动力噪声的控制能力差别不大，在实际应用中必须方便施工，不影响工期，且施工质量容易保证，方便维护，不能因为噪声控制部件的加装而降低行车的安全性，结构设计应考虑钢轨扣件系统的安装和维护。因此噪声控制措施的选用关键在于综合考虑对轨道系统其它方面性能的影响。

2.2.2环境振动控制型轨道结构

列车运行时轮轨之间的相互动力作用产生的振动通过轨道结构传给基础(路基、隧道衬砌或桥梁的墩台及基础)再传给周围地层，进而诱发附近地下结构以及地面建筑物(包括其结构和室内家具)的振动，甚至诱发二次结构噪声。

根据不同的减振要求，有众多轨道减振措施可供选择。根据减振弹性件所处位置的不同，可以分为钢轨下隔振、轨枕下隔振和道床下隔振。特定轨道减振措施的减振效果与车辆系统、轨道系统制造施工质量、轨道基础结构、行车速度、振动波的传播介质等众多因素有关，因此同类产品在不同的使用场合得到的减振效果也存在较大差异。通常情况下，轨枕下隔振措施的隔振效果优于钢轨下隔振措施，道床下隔振措施的减振效果优于轨枕下隔振措施。减振效果越好，工程造价也会相应提高。

2.2.2.1减振型扣件

减振型扣件在国内外城市轨道交通建设中使用最为广泛，其种类有几十种之多，最常用的有“科隆蛋”型轨道减振器(如图2-5所示)、Lord减振扣件、GJ－III减振扣件及设计新颖的Vanguard减振扣件。一般减振扣件的减振效果可达5～8dB左右，适用隧道、路基、高架等各类线路地段。Van-guard减振扣件在轨腰腹部采用弹性块对钢轨进行悬撑，可以取得比普通减振扣件更好的减振效果。“科隆蛋”型轨道减振器是最先从国外引进的扣件减振措施，通过环形橡胶圈的剪切变形提供轨下支撑的弹性

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和阻尼，制造过程中铁座和橡胶圈之间的粘接工艺要求较高。GJ－III减振扣件最近几年才出现，推广应用速度较快，橡胶减振垫板夹在两块铁垫板之间，上下铁垫板通过自锁结构实现连接。从目前的使用情况来看，为了提高减振性能而一味降低扣件刚度会增强轮轨之间的动力作用，钢轨过低的竖向支撑刚度、横向及扭转约束的不足与某些城市轨道交通出现不同程度的波浪形磨耗有关。因此在减振扣件选型设计中，必须根据车型确定扣件系统的动力学参数。

图2-5 “科隆蛋”型轨道减振器示例图

2.2.2.2轨枕下减振措施

目前国内城市轨道交通使用的轨枕下减振措施主要是弹性短轨枕整体道床和梯型轨枕整体道床。弹性短轨枕是目前世界上使用最多的减振措施之，一减振效果可达8～13dB。在我国广州、深圳等城市的地铁交通中被广泛采用，如图2-6所示。

图2-6 弹性短轨枕整体道床示例图

弹性短轨枕的楔状外形使其易于从道床中拔出，当钢轨内部残余应力较大时会出现轨枕空吊。因此，采取弹性短轨枕道床减振时，计要尽可能考虑消除钢轨内部的应力，施工单位要保证施工质量。梯型轨枕近年在我国北京和上海的地铁中使用较多，其使用效果有待观察。 2.2.2.3道床下减振措施

浮置板轨道是所有减振措施中性能最好的，减振效果可达18dB以上。根据减振器材质的不同，可分为橡胶浮置板轨道和钢弹簧浮置板轨道(图2-7)。这类减振措施通常用在线路从振动敏感点下面或旁边通过，并且敏感点隔振要求较高的场合(如音乐厅、歌剧院、医院、市政厅、会议中心、博物馆、中高档住宅和酒店等)。浮置板轨

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道多用于地下段，地面线和高架段也有使用。橡胶浮置板可分为点支撑、线支撑、面支撑等多种型式，在国外使用较多。钢弹簧浮置板的减振效果一般比橡胶浮置板要好，在我国被广泛采用。由于钢弹簧浮置板轨道的关键部件靠进口，所以造价较高，因此应该积极推进钢弹簧浮置板轨道的国产化和相关替代产品的研发。

图2-7 钢弹簧浮置板整体道床示意图

2.2.3景观美化型轨道结构

轨道结构引起的景观污染是指由于蜿蜒于城市中的轨道结构造型欠佳，或是与周边环境、建筑缺乏协调而导致人们在视觉和心理上的不舒适和压抑感受。城市轨道交通宜采用钢筋混凝土整体道床轨道，以改善轨道结构的景观特征，并解决有砟轨道的粉尘污染问题。当线路穿过对景观有特殊要求的地段时，还可选择使用其他轨道景观优化方案。

图2-8 “绿色”轨道结构示例图

图2-8是德国某城市轨道交通穿过绿化区时采用的“绿色”轨道结构，这种“绿色”轨道不但可以产生出色的视觉效果，而且还可对噪音起到一定控制作用。“绿色”轨道主要用在运行速度低、对景观要求高的城市有轨电车线或旅游观光线上，这种线路会对钢轨、扣件的更换和杂散电流的防护带来困难。

在高架段和桥隧过渡段，可对混凝土整体道床表面的颜色进行专业设计，使轨道结构的色调和周围环境和谐一致，降低轨道结构的景观污染。振动、噪声控制措施与景观污染治理措施亦可综合使用，例如在道床表面安装吸声板，并合理设计吸声板的颜色，同时达到控制噪声污染和景观污染之目的。

在绿色、环保的城市轨道交通建设中，轨道结构可以从噪声控制、振动控制、景观美化3个方面满足环境敏感点的不同要求。上文综合讨论了每一类中的代表性轨道结构的适用条件和效果，及选型设计中应该注意的问题。对于轮轨动力噪声，可以采用增大钢轨阻尼、设置噪声辐射屏蔽系统、在道床上铺设吸声材料三类措施加以控制；

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对于列车引起的环境振动，可在钢轨下隔振措施、轨枕下隔振措施和道床下隔振措施中，根据减振轨道的性能和造价差别选择合理的减振轨道结构；对景观有特殊要求的地段可采用“绿色”轨道结构，还可以对轨道结构及下部基础进行专门的颜色设计。以上噪声、振动、景观污染控制措施，既可以根据不同需要单独使用，也可以综合选用。

2.3城轨轨道结构扣件

2.3.1扣件作用及主要设计原则

轨道是城市轨道交通运营设备的基础，它直接承受列车荷载，引导列车运行。扣件是轨道中走行轨与道床之间的必要连接部件[2]。扣件的性能直接影响轨道的稳定及弹性。所以，扣件的重要性毋庸置疑。扣件的作用是固定钢轨正确位置，阻止钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾翻，还能提供适量的弹性，并将钢轨所受的力传递给轨枕或道床承轨台，其主要设计原则如下：

(1)扣件应有足够的强度，以抵抗钢轨的纵向力和横向力，其承受横向力≤40kN，抗拔力≤60kN，每组扣件防爬力≤8kN。在高架桥铺设无缝线路时，为了减少温度变化或桥梁承受列车荷载产生扰曲，梁面变形引起桥梁结构与焊接长钢轨的相互作用力，因此要求扣件阻力应控制在一定范围内。

(2)整体道床刚度大，轨道弹性主要依靠扣件及垫层提供，因此扣件应具有较好的弹性，以减少列车荷载的冲击，使钢轨承受的荷载能均匀地传递到道床上，扣件节点垂直静刚度一般在50kN/mm以下。

(3)扣件应具有良好的扣压力，每组扣件的扣压力>12kN。同时还应有满足实际需要的轨距和高低调整量。在高架桥整体道床上的扣件需要较大的高低调整量以适应预应力梁的徐变和桥墩的不均匀沉陷。

(4)扣件应具有良好的绝缘性能，以减少杂散电流，地下及高架线均采用双绝缘设计；其绝缘部件的工作电阻应大于108Ω。

(5)根据使用地段确定扣件的具体结构，尽量统一全线各种扣件的通用零部件，简化扣件结构，结构简单易铺设及维修。

(6)扣件金属部件应做防腐处理。

(7)地面线及地下线均采用无螺栓扣件，高架线采用有螺栓扣件。

(8)扣件应具有较高的减振性能，地面砟石道床采用单层减振垫层，地下及高架线采用双层减振垫层。

2.3.2主要设计参数

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(1)扣件≤受力分析

钢轨扣件所受轮轨横向力的大小取决于车辆轴重、车辆转向架轴距、线路曲线半径、钢轨横向抗弯刚度及扣件横向刚度等因素。扣件横向力一般通过经验公式估算，然后再通过现场测试进行验证。通过对比分析，决定采用UIC估算法计算作用于单个扣件的垂直力(枕上压力)R和横向水平力H：

R?0.5??H?0.4R (2-1)

(大半径)或H?0.6R(小半径)

式中?———速度系数，取1.5；

?———名义轮重，??0.5P(P为轴重，P=141kN)。

由此算得：R=52.9kN；H=21.15kN(大半径)或H=31.74kN(小半径)，小半径控制设计取H=35kN。

根据北京地铁在R=200m曲线上实测的资料，当列车速度为50km/h时，测得的扣件横向力最大可能平均值为28.9kN。北京城铁最小曲线半径为350m，因此取H=35kN是偏于安全的。

(2)扣件刚度确定

扣件刚度与扣件结构、垫层材料、外形及外部荷载等因素有关，取值是否合理直接影响到扣件减振性能的好坏。对于地面线砟石道床扣件节点，垂直静刚度取30～50kN/mm；对于高架桥及地下整体道床扣件节点，垂直静刚度取20～40kN/mm。

(3)电绝缘性

扣件必需具有良好的电绝缘性，以满足轨道电路的要求。同时扣件是城市轨道交通中防止杂散电流的第一道关卡，必须有较高的绝缘值，所有扣件绝缘部件的电绝缘性能均要求达到108Ω以上。

(4)调距调高量的确定

对于地面线，由于可以起拨道作业，故不考虑调高问题，调距能力为-8～+4mm；对于高架整体道床，应考虑桥墩下沉或桥梁混凝土收缩徐变的影响，调高量应大一些，为+40mm，其中轨下可调10mm、铁垫板下可调30mm；对于地下整体道床，由于不存在收缩徐变的影响，调高能力定为+30mm。高架和地下线用扣件的调距能力均为-16～+8mm。

2.3.3我国城市轨道交通铺设的扣件

我国已建和在建城市轨道交通铺设的扣件，类型较多，除天津地铁1号线(已建成段)铺设刚性扣板式扣件外其他均铺设弹性扣件，基本上是在国铁弹条扣件基础上设计的。扣件除刚性、弹性外，大致可分为有挡肩、无挡肩，分开式、不分开式，有T

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型螺栓、无T型螺栓几大类型。以下对铺设较多的扣件及其性能分述如下：

JDI型扣件：

适用于50kg/m钢轨为有挡肩刚性不分开式扣件，扣压件为70型刚性扣件，在天津地铁1号线已建成段使用，目前已拆除。利用更换扣板号码的方法调整轨距，调整量为+6mm～10mm。在轨下设橡胶垫板并增调塑料垫板及三圈弹簧垫圈，以增加轨道弹性，水平调整片可进行高低微量调整。

DTI型扣件：

适用于50kg/m钢轨为有挡肩弹性分开式扣件，扣压件为弹性扣板，该扣件在北京地铁使用。使用轨距调整块调整轨距，一期工程使用四边形调整块，调整量+4mm～-8mm，二期工程使用六边形调整块，调整量+8mm～-12mm。轨下设10mm厚橡胶垫，可调高低-5mm～+10mm。

DTIII型扣件：

适用于60kg/m钢轨，为有挡肩弹性分开式扣件，扣压件为<13mm弹簧钢国铁标准B型弹条，单个弹条初始扣压力为8kN，弹程10mm，该扣件在上海地铁1、2号线上使用。使用轨距垫调整轨距，调整量+8mm～-12mm。轨下设10mm厚橡胶垫，轨垫板下设16mm厚的橡胶垫，可调高低-5mm～+30mm，节点垂直静刚度21kN/mm。

DTIV型扣件：

适用于50kg/m钢轨，为有挡肩弹性分开式扣件，扣压件为<13mm弹簧钢国铁标准A型及B型(接头)弹条。该扣件在北京地铁复八线复西段上使用。其性能同DTⅢ型扣件。

DTVI型扣件：

适用于50、60kg/m钢轨，为有挡肩弹性分开式扣件，扣压件类似潘多尔扣件，DⅠ弹条<18mm弹簧钢制造，单个弹条初始扣压力8kN，弹程10.5mm，该扣件取消了T形螺栓减少零部件，在北京地铁复八线使用。使用轨距块调整轨距，调整量为+12mm～-12mm，调高量+30mm。

单趾弹簧扣件：

适用于60kg/m钢轨，为无挡肩弹性分开式扣件。扣压件为<20.6mm弹簧钢，一套扣件初始扣压力>13kN。该扣件在广州地铁1、2号线使用。轨距调整量+12mm～-12mm，高低调整量+10mm～-5mm。

弹条II型分开式扣件：

适用于60kg/m钢轨，为无挡肩弹性分开式扣件。扣压件为<13mm弹簧钢国铁标准Ⅱ型弹条，材质采用新材料60SiCrVA。该扣件单个弹条初始扣压力≤9kN，使用轨距块调整轨距，调整量+8mm～-12mm，高低调整量+15mm。该扣件具有扣压大，强

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度安全储备大，残余变形小的优点，弹条性能明显优于弹条Ⅰ型扣件。该扣件在深圳地铁一期工程使用。

WJ-II型扣件：

适用于60kg/m钢轨，为无挡肩弹性分开式扣件，扣压件为<13mm弹簧钢，单个弹簧初始扣压力4kN，弹程11mm，采用轨下复合胶垫，每组扣件防爬阻力为4kN。适用于高架桥无缝线路，为小阻力扣件，该扣件在上海明珠线一期工程使用，轨距调整量+20mm～-20mm，高低调整量40mm。

DTVII2型扣件：

适用于60kg/m钢轨，为无挡肩弹性分开式扣件，扣压件为<13mm弹簧钢，单个弹条初始扣压力4kN，弹程11mm，为地铁高架无缝线路小阻力扣件，在上海地铁2号线东延伸段，北京城铁、北京地铁八通线使用，轨距调整量+8mm～-6mm，高低调整量40mm。高架线采用无挡肩弹性分开式DTⅦ2型扣件，见图2-9。扣件节点垂直静刚度20～40kN/mm。钢轨水平调整量为40mm，轨距调整量-16～+8mm。扣压钢轨件采用DⅢ弹条(Φ13mm、?型)，弹程11mm，一个弹条的扣压力4kN。铁垫板用螺旋道钉与预埋尼龙套管的短轨枕连接。

图2-9 DTⅦ2型扣件结构图

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DTVI2型扣件：

地下线采用无挡肩弹性分开式DTⅥ2型扣件，见图2-10。其结构类似于有挡肩弹性分开式DTVI型扣件(已用于北京地铁复八线隧道整体道床)。扣件节点静刚度20～40kN/mm，钢轨高度调整量0～15mm，轨距调整量-12～+8mm。扣压件为DI弹条(Φ18mm)，弹程10.5mm，单个弹条扣压力8.25kN，弹条直接插入铁垫板铁座内扣压钢轨。用螺旋道钉将铁垫板与短轨枕(预埋尼龙套管)连接。DTVI2型扣件是在北京地铁复八线DTVI型扣件的基础上改进的。原DTVI型扣件是设混凝土挡肩的弹性分开式扣件，轮轨横向力由混凝土枕挡肩承受，螺旋道钉主要承受竖向拧紧力。DTVI2型扣件取消了混凝土枕挡肩，轮轨横向水平力由铁垫板与垫层之间的摩阻力平衡，从而解决了原DTVI型扣件铁垫板下垫调高垫板、挡肩处也要增加垫板等问题，简化了调高作业。另外，取消混凝土枕挡肩也使短枕的制造更方便。

图2-10 DTⅥ2型扣件结构图

DTVI-3型：

地面线采用无挡肩弹性不分开式DTVI—3型扣件，见图2-11。其结构型式类似于英国PhndDl无螺栓弹条扣件。轨距调整量为-8～+4mm，不能调高。扣件节点静刚度为30一50kN/mm。扣压钢轨件亦是DI(Φ18mm)弹条，直接穿入铁座内，铁座的下半部分预埋在轨枕内。

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图2-11 DTⅥ3型扣件结构

单趾弹簧扣件：

有挡肩分开式扣件是靠混凝土挡肩承受列车在曲线上运行时产生的横向水平力。国内外无挡肩分开式扣件的设计，大多采用减薄铁垫板下弹性垫片的厚度(一般为2~5mm)，提高弹性垫片的刚度(大于110kN/mm)，加大锚固螺栓拧紧力矩至300N·m，并增加传递给混凝土枕的横向水平力。而单趾弹簧扣件铁垫板下橡胶垫厚12mm，刚度仅为40~60kN/mm，锚固螺栓拧紧力矩也只有100N·m，这就决定了锚固螺栓将承受列车运行时产生的大部分横向水平力，因此锚固螺栓的研究是研制单趾弹簧扣件的关键问题之一。随着运营速度的提高，或某些区域条件限制，如轨道曲率半径过小及坡度过大等，对螺栓的技术要求也相应提高。香港地铁选用英国潘得罗尔扣件，锚固螺栓的性能等级相当于GB3098的10.9级，而广州地铁1号线最终也选用了同样等级的锚固螺栓，由此提出了单趾弹簧扣件锚固螺栓的研制。锚固螺栓的设计首先是设计荷载的确定。根据北京地铁动载试验统计结果，地铁列车以60km/h的速度在R=250m的曲线上行驶时，一组扣件承受的最大横向水平力约35kN。广州地铁一号线正线线路条件为：曲线最小半径R=300m，车辆轴重16t，轴距25m，转向架中心销距57m。在这种线路条件下，按轨道不出现危及行车安全的状态进行计算，一组扣件可能承受的最大横向水平荷载超过30kN，因此确定扣件按承受35kN的横向水平力设计。其次，扣件的设计考虑了使用的通用性，既能使用于短混凝土枕整体道床，也能用于减振道

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床。国外同类扣件用于连续支承的整体道床时，用2根锚固螺栓；用于减振道床时，用4根锚固螺栓，螺栓直径为M24，强度等级相当于GB3098的109级。再次，为使扣件相对于不分开式刚性扣件具有3~5dB的减振效果，设计考虑在单趾弹簧扣件铁垫板下橡胶垫板采用了刚性相对较小的静刚度40~60kN/mm。在此条件下列车在曲线上运行产生的横向水平力，约80%由锚固螺栓承受，通过橡胶垫板剪切变形传给混凝土基础的仅是小部分。根据上述设计要求，单趾弹簧扣件的结构设计如图2-12所示。锚固螺栓选用M27×220mm，强度等级为10.9级，螺母选用GB6170标准产品，强度等级为10级，扣紧螺母选用GB805-M27。

立面图

平面图

图2-12 单趾弹簧扣件立、平面图

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当前我国城市轨道交通项目铺设的扣件一个城市一种类型，甚至一条线一种类型，技术标准不统一，特别是扣件设计图不公开发行，被认为是知识产权，因此，其他建设项目只能另行设计新的扣件，这就造成了人力、物力的浪费，同时又增加了扣件的种类。跨入21世纪后，我国城市轨道交通建设进入发展期，有关部门应抓住这个有利时机，组织科研设计人员，总结以往经验，统一扣件标准，编制城市轨道交通的扣件通用图、标准图，并制定发展方向，这样一方面可使设计者有章可循，另一方面也有利于轨道配件标准化、通用化，有利于降低城市轨道交通的建设成本。

2.4城轨施工方法

2.4.1地铁施工技术发展概况

我国的地铁隧道施工中采用的方法主要有矿山法、盖挖法、明挖法、暗挖法、盾构法进行施工。(1)矿山法施工的优点是施工场地要求占用小，但是当地下出现有水的情况是无法正常进行作业，必须在作业过程中将地下水排除；在开挖和支护施工中必须人工操作，作业效率低，安全性差；此方法对于地表沉降问题难以得到有效解决，因此对于地下管道和地上建筑物会造成一定程度的破坏。(2)盖挖法施工过程中优点是施工占用场地也较小，对地面建筑物影响较小，施工作业也较安全，但是施工工序十分复杂，施工条件较差，且存在交叉作业现场。(3)明挖法施工占用场地较大，在一些交通比较拥挤的地方难以施工，环境污染严重。(4)暗挖法施工优点是对于地面的情况干扰较小且比较经济，但是施工作业效率低，风险大，劳动强度高。(5)盾构法施工基本集合了前几种方法的优点，地层适应性强，可以在地下有水情况进行作业，对环境污染较小，全机械化施工，作业效率高，且对地表沉降能够合理控制因此对地面建筑影响较小。

目前针对隧洞掘进施工方法有两种，一种是利用掘进机掘进，另一种是利用钻爆法形成隧洞。钻爆法施工主要是采用钻孔爆破方法将破砟岩土，例如鲁布革水电站利用了机械钻爆法进行施工。随着技术的进步，掘进机开始出现并且体现了自身的许多优点，具有掘进安全、经济效益显著、隧洞洞壁质量高、掘进速度快等。近年来，掘进机施工工艺已取得较大进步，采用了技术含量较高的盾构技术，能够实现全断面掘进，然后进行放置管道，盾构技术的出现使得施工效率更高，月进尺能够达几百甚至千米，而且盾构技术的适用范围较广，对于岩石较硬和软土等复杂的地质条件均能使用，尤其是针对地下水力压力大的工况下，更能显示出其优点，弥补了其他方法的不足，如图2-13。随着经济社会发展，我国的城市建设日程逐渐加快，地铁需要逐渐增加，盾构技术的应用更加广泛。

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图2-13 盾构法施工地铁隧道

2.4.2盾构法的简单介绍

2.4.2.1盾构技术

所谓“盾构”，是指配有护罩的一种专门用于隧道开挖的专用设备，工作原理是在盾构后面带有衬砌，利用它当做支撑点支撑整套设备前进，然后利用刀盘来将岩土切割，并将切割后的岩土砟屑排除，同时将衬砌拼装。所谓“盾构技术”是指用盾构设备的盾壳来支撑和保护隧洞，以防出现水侵和坍塌现象，将隧洞中的岩土切削，将管片安装后进行灌浆，保障隧洞洞身的质量。它具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可以控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下施工时不影响水面交通等特点，在隧道洞线较长、埋深较大的情况下，盾构法更为经济合理。盾构法施工最早出现在欧洲，随后在美洲和日本发展较快，迄今为止已在世界各地得到广泛应用。 2.4.2.2盾构法地铁应用技术参数

针对土压平衡式盾构机来进行分析相关的技术参数，其主要是靠压力仓的土压力来支撑隧道壁面。

(1)平衡压力值。根据经验公式有：P?KRH (2-2) 其中：P为平衡总压力；R为土体平均重度，kN∕m３ ；H为隧道埋深，m；Ｋ取0.6～0.8。

(2)出土量。每环理论出土量：V1?(?D)42 (2-3)

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其中：D为最大直径。实际出土量取理论值98％～100％。

(3)推进速度。一般取3cm/min～5cm/min，当有建筑物时，取1cm/min。 (4)盾构轴线。与设计偏离不得大于50mm。 (5)地面变形量。一般控制在＋10～30mm内。 (6)同步注浆。每环空隙V2??(D?d)422 (2-4)

其中：D为盾构外径；d为管片外径。压浆量为空隙的150％～250％。 (7)壁后压浆。当需特殊保护时，根据地层变形监测的信息来进行操作。

2.4.3盾构法在城市轨道中的应用

一般情况下对于盾构法施工作业来说包括以下几项内容：一是首先搞清楚盾构隧道的地质条件，包括岩石指标、地质构、地下水以及地层渗透性等方面；二是搞清楚隧道的几何尺寸，包括隧洞直径、长度、隧洞端面形状、转弯处的曲率半径以及纵向坡度等方面；三是必须搞清楚隧洞的外界条件，包括隧洞上面的建筑物分布情况、隧洞埋深、环境保护要求和标准等方面；四是针对以上条件来进行合理选择盾构机械；五是必须要制定出地铁盾构法施工的总体布置、包括出砟系统布置、管片的运输与制作、通风、供水和换气系统等必须的工厂；六是针对特殊情况要多加考虑，例如是否需要超前加固地层等[4]。已建成的某市的地铁也是采用盾构法穿越铁路区间隧道，左线里程为：ZDK21＋777.051－ZDKCK23＋819.487，盾构右线长1991.436m，右线历程为：YDK21＋828.051－YDK23＋966.7。针对已建成的地铁盾构段为例进行详细介绍盾构法在地铁施工作业过程中的施工工艺过程。 2.4.3.1盾构法施工地质情况

在盾构机施工作业过程中，需要穿越砂层、全风化花岗岩、砾质茹上、砾砂和球风化弧石，在DK23＋330处的地铁隧道的底部且存在含量不是很多的中风化和强风化的花岗岩材料，按照前面所述，一方面需要搞清楚地层岩土性质，另外还需要搞清楚的内容主要有地下水位的埋深为1.2m～8.0m之间，水位的高程为58.2m～77.0m之间，地铁隧道的底板的标高大约是57.75m，地下的水位变化幅度为0.5m～3.0m之间，而且在施工过程中地下水有可能对对施工带来一些影响。 2.4.3.2盾构法施工地质情况

在盾构机施工作业过程中，需要穿越砂层、全风化花岗岩、砾质茹上、砾砂和球风化弧石，在DK23＋330处的地铁隧道的底部且存在含量不是很多的中风化和强风化

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的花岗岩材料，按照前面所述，一方面需要搞清楚地层岩土性质，另外还需要搞清楚的内容主要有地下水位的埋深为1.2m～8m之间，水位的高程为58.2m～77.0m之间，地铁隧道的底板的标高大约是57.75m，地下的水位变化幅度为0.5m～3.0m之间，而且在施工过程中地下水有可能对对施工带来一些影响。在相差一个月的时间进行出洞，且两台盾构机的距离保持在50m以上，以便能够减小对地层的影响。 2.4.3.3实现盾构端头井加固工艺

首先针对该市铁路进行加固，在铁路的路基进行加固时采用了预应力锚索对拉的方法，锚墩作为桩板墙。锚墩桩作为挖孔其中桩长为8m，用到的是1.0m×1.5m的钢筋混凝土板，将钢筋混凝土板沿铁路的路基的两侧按照对称分布原则进行布置，保证纵向的间距约为3m左右。锚墩桩与锚墩桩之间采用0.2m厚的钢筋混凝土板进行连接。采用预应力锚索将铁路两侧的锚墩桩进行对拉，其中锚索就是1×7的钢绞线，并且在竖向上已设置3道，采用预应力锚索桩进行板墙加固，如图2-14(a)、(b)所示。采用预应力锚索桩进行板墙加固的施工顺序为：一是进行挖孔桩。采用人工操作进行挖孔，采用厚15cm的混凝土进行护壁，在护壁时保证高出地面约30cm，目的是不让其他的杂物落到井内，保证安全。在人工挖孔后的井口周围需要设置一个护栏，在护栏的上面需要标上安全警示标志，在不开挖的时候将其盖上保护起来。在地下水位以下的地方每节护壁长约0.5m，水位以上时每节护壁长约1.0m，并且在两节护壁之间的位置处需要设置直径16mm、拉筋长40cm的钢筋拉杆，环向间距约为30cm左右，采用3mm厚的组合钢材料的模版来作为护壁的模版，并且用10cm×10cm的方型木块来对撑住。当人工挖孔出现水量较大的情况时，需用1.5KW的潜水泵抽水使水位降到一定位置然后进行施工。将板桩的钢筋笼进行集中加工，在下笼时需采用履带吊进行吊装，当放置到设计的高度时，然后用槽钢扁担放置到护壁上面来进行控制其标高。采用C20商品混凝土来作为桩身使用的混凝土。

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(a)加固横剖面图

(b)平剖图

图2-14 预应力锚索桩板墙加固示意图

在井口位置处设料斗，然后在其下面悬挂串筒，保证串筒底与孔底的距离不大于1.0m，用汽车泵输送混凝土，混凝土用汽车泵水平输送，采用插入式振动棒进行振捣。

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二是预应力锚索。将3道预应力锚索以竖向方式设置在挖孔桩桩身，保证预应力锚索的竖向间距为2m，纵向间距为3m，每道锚索是通过17根钢绞线而制成，钢绞线的强度高达1860mMPa，采用张拉油泵、油压千斤顶进行张拉，在使用张拉机具前须标定。在张拉操作后采用高压注浆泵将浆体进行注入。三是安装桩间钢筋混凝土板。钢筋混凝土板制成桩间板，并且在板顶处设置吊环，方便汽车整体吊装。在挖孔桩作业时在桩侧面留槽口，用方木成槽，且保证桩间混凝土板与槽口尺寸小5cm，以便于安装预制板，桩身与混凝土板之间的间隙用水泥浆填充。 2.4.3.4穿越平南铁路方案

如图2-15所示，在DK23＋107－DK22＋683段，该市铁路和盾构隧道大致平行，从DK23＋107段隧道左转曲线与铁路交叉，隧道穿过铁路后向右拐弯下穿铁路，到DK23＋670时穿出铁路。盾构机在下穿铁路时，存在砾砂层，由于理深较浅且，距离较近，此时盾构掘进需采取加固措施，采用超前钻进打眼注浆。确定出注浆的范围在隧道外侧的3m内。

(a)DK23+300

(b)DK23+200

图2-15 地铁隧道与铁路关系图

2.4.3.5盾构机掘进措施

(1)调整盾构机，当地质地段相类似时，需进行模拟掘进工作，在盾构机靠近铁路前，需将盾构机掘进参数和状态调整好。

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(2)在工作时需保证盾构机运转良好，尽量减少或避免盾构机发生故障的次数，以免造成时间拖延，降低工作效率。在施工过程中采用土压平衡施工方法保障沉降量较小。

(3)选择了加泥土压平衡盾构机，跟好地保证了施工安全和进度。通过改良地层减小地表沉降。

(4)采取错缝拼装进行隧道衬砌，目的是可以发挥管片环间螺栓的纵向加强作用，从而加强了管片间接头处的薄弱部位，使得管片环整体刚度有所增加，从根本上控制了砂层地段管片的结构变形、结构受力和防水方面的问题，使得地铁施工过程中出现的大变形和渗漏问题得到有效地解决和控制。质量控制中管片拼装关键环节之一。必须严格把关管片的制作，杜绝投入使用不合格管片；采用高强度螺栓作为连接螺栓；施工管片接头的防水必须严格按设计要求进行，确保接头防水的效果和管片拼装的质量，防止地下水的渗入。

(5)根据施工环境和地层情况，选用泌水性小、和易性好、具有一定强度的浆液，及时填充地层和隧道间的空隙，通过适当加大浆液的注入量来保护周围环境和建筑物。同步注浆不足时采用二次注浆。采用双液注浆(水泥＋水玻璃浆液)可以减少地面变形和地基不均匀沉降量。注意注浆量和注浆压力，防止地基隆起现象发生。

(6)实测反馈盾构施工过程中的地面变形情况，采取优化调整参数，检验参数是否合理。平南铁路和砂层地层时，推进速度不宜过快，减小超挖量，缩短注浆时间，保持稳定。

(7)咨询铁路主管部门，信号线及铁路允许变形指标，保证安全和通信正常，将施工前的地层沉降预测量与设定的沉降控制指标和预警值对比，出现问题时，及时报警。必须加强监控量测工作及信息反馈工作，及时采取注浆措施来调整沉降曲线。

2.4.4盾构法在施工中常见问题及分析

通过比较详细的资料调查和统计分析，了解北京目前的几条地铁线路上盾构法的施工现状，发现盾构法在大规模应用中面临的主要问题有：盾构法连续施工的区间分散；盾构设备的利用率偏低；盾构机的非推进作业过多；盾构法施工的工期延误；盾构法施工的额外成本较多。通过分析，认为最根本的原因在于盾构区间施工与车站施工在速度和组织上的矛盾未能得到很好的协调，实际上也就是盾构过站的问题没有得到很好的解决。目前采用的三种实施方案没能真正地解决这个问题，为此提出一种新的解决方案－盾构先行贯通全线大部分车站行车隧道，再结合明挖法或浅埋暗挖法在适当的时机拓展建造地铁车站。该方案对于提高地铁建设质量，加快地铁建设速度，降低地铁工程造价有着很大的优越性，具有重要的现实意义。

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为了比较清楚地了解北京地铁盾构法施工现状，我们对北京的地铁五号线、四号线、十号线、机场线这4条线路上盾构法施工的当时具体情况进行了比较详细的资料调查和统计分析，如表2-1～表2-5所示。

表2-1 盾构机投入台数及平均掘进里程统计表

各项指标 区间线路单线总长(m) 盾构法施工单线总长(m)

盾构法区间数量 投入盾构机台数 平均掘进里程(km／台)

五号线 47840.26

十号线 46560.18

四号线 41074.68

机场线 54334

12202，11

7 6 0.8～3

23661.53

12 9 2.0～3.2

13221.32

6 5 2.5～2.8

13318

2 5 2.5～4.1

表2-2 盾构法和矿山法的掘进速度比较表

平均掘进速度 盾构法(m／ｄ) 矿山法(m／ｄ)

五号线 9.78 1

十号线 18 2

四号线 11.09 2

机场线 14.4 1.5

表2-3 盾构法施工工期统计表

非推进作业 盾构井施工 盾构下井组装 盾构调头

盾构解体、吊出、转场

盾构拖拉过站

五号线 3.5～6 个月 28～55 天 32～49 天 21～45 天 约 30 天

四号线 约 4 个月 30～60 天 30～60 天 30～60 天 26～60 天

十号线 3～7.5 个月 15～50 天 20 天 15～70 天 约 30 天

机场线 3～7 个月 28～30 天

14 天

表2- 4 盾构法非推进作业次数统计表

非推进作业 盾构始发次数 盾构调头次数 盾构转场次数 盾构拖拉过站次数

五号线 8 4 2 1

22

四号线 15 0 6 9

十号线 11 1 6 2

机场线 5

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表2-5 盾构法施工造价统计表

盾构机造

价 3000～4600

盾构井施

工

盾构下井组装

盾构解体吊出、

转场

盾构拖拉过站 车站加宽加深 200

拖拉过站 30

盾构推进平均造

价 30000～44520

(元/m)

80～705 35～400 60～200

根据表2-1～表2-5，我们可以发现北京盾构法施工存在以下几个主要问题。 (1)盾构法连续施工的区间分散

对于盾构法的应用，除了考虑一般区间隧道施工方法的选择原则外，还要考虑盾构井的位置、本盾构标段与相关盾构标段工程的总体筹划与组织以及盾构区间与相邻区间和相邻车站工程的总体筹划。地铁五号线共有2个连续段，包含7个盾构区间；四号线共有4个连续段，包含12个盾构区间；十号线共有4个连续段，包含6个盾构区间；机场线共有2个连续段，包含2个盾构区间。最长的连续段包含了6个盾构区间，最短的也就包含1个盾构区间。可以看出，盾构区间总体上是比较分散的，尽管有些盾构区间是连续的，但施工时仍采用多台盾构分段施工的方式，这样的结果是限制了盾构机长距离掘进优势的发挥。

(2)盾构设备的利用率偏低

北京目前在建的4条地铁线路中，五号线7个盾构区间共投入6台(从四号线调来2台)，四号线12个盾构区间共投入9台(由五号线转场1台)，十号线及奥运支线6个盾构区间共投入5台，机场线2个盾构区间共投入5台盾构(其中4台是北京其它线路施工完后调来的，1台是从上海调来的)，共投入盾，单线推进总长度为62.4km，构机18台(25台次)每台盾构机的平均推进长度约为3.5km。由表2-1可知，北京地铁各条线路上目前盾构机的最长推进长度约为4km，短的不到1km，而盾构机的经济里程是3～8km，实际使用寿命为10km，可见盾构设备利用率偏低。

(3)盾构机的非推进作业过多

由表2-4可知，北京目前在建的4条地铁线路上，盾构机的始发、调头和转场等非推进作业非常多。由表2-3中的盾构法施工工期统计可知，一个盾构井的施工约需3～7个月，盾构下井组装约需15～50天，盾构调头约需20～60天，盾构解体、吊出、转场约需15～70天，盾构拖拉过站约需26～60天。由此可知，盾构机的非推进作业时间是比较长的。过多的非推进作业会增加整个工程的工期，影响盾构法快速施工优越性的发挥。以五号线为例，各种非推进作业的时间姑且都按统计的最小值考虑，盾构井施工时间为105天(3.5个月)，下井组装为28天，解体、吊出、转场为21天，调头为32天，拖拉过站为30天，则一台盾构的非推进作业时间为(105×8＋28×8＋21×8＋32

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×4＋30×1)÷6＝232(天)(不考虑盾构井施作及盾构作业同时进行的情况)；五号线盾构法施工的区间总长度为12201.11m，盾构平均掘进速度为9.78m/d，则一台盾构的掘进时间为12202.11÷9.78÷6＝208(天)；一台盾构实际施工时间应为232＋208＝440(天)，因此盾构实际施工的最快平均速度为12201.11÷6÷440＝4.62(m/d)，要是算上盾构在区间内窝工的时间，盾构实际施工的速度会更慢。同时盾构机的多次解体、吊出和转场还会大大缩短盾构机的机械寿命。

(4)盾构法施工的工期延误

由于盾构法施工的灵活性差，时常出现工期延误，甚至工期不可控，难以实现预定工期的现象。如五号线某区间，盾构实际掘进时间6个月，由于多种因素制约，导致盾构机长时间停滞不前，最终区间完成工期为13个月；四号线某车站，盾构等待过站约5.5个月；十号线某车站由于多种因素影响，盾构在区间等待约5.5个月，成为了十号线上延误工期最长的车站。另外也有由于盾构井或相邻车站的工期筹划不协调而改变区间施工方法的，如四号线和十号线就有几个区间的施工方法与最初设计不一致，从而导致工期延误。

(5)盾构法施工的额外成本较多

一台盾构机造价约为3000～4600万元，而目前使用的盾构机，其工作量远低于其使用寿命。另外，盾构法施工区间的工程造价不仅包括盾构机正常推进的费用，还包括始发井、接收井、调头井的施工及盾构机解体、吊出、转场等的额外费用，每km增加高达近10％；对于盾构拖拉过站，涉及到加深加宽车站所带来的额外费用，每km增加约为6～8％；对于拆除车站部位全部盾构管片的情况，则涉及到这些拆除管片的安装费用和利用率损失的费用，而目前这些管片的再利用率最高也仅10％，一般不再使用。可以发现，除盾构正常推进费用以外的额外费用占盾构施工总费用的比例是相当大的。通过归纳总结，认为造成以上问题的最根本原因在于盾构区间施工与车站施工在速度和组织上的矛盾未能得到很好的协调，实际上也是盾构过站的问题没有得到很好地解决。

盾构法目前在我国的应用仅限于区间隧道的施工，车站的施工仍采用传统的明挖法或暗挖法。目前的施工工序安排为：车站具备盾构出入洞、或调头、或通过的条件后，才进行相应的盾构区间施工。而车站工期一般为2～2.5年，控制着整个工程的工期，另外车站的管线改移、地面建筑物的拆迁和协调等工作一般难以按时完成，因此车站能否如期动工和完成将制约地铁线路目标工期的实现。

对于盾构区间施工与车站施工在施工速度和组织上的矛盾，目前主要采用以下三种实施方案：

(1)在车站端部设置盾构井，盾构机从起点车站一端向另一车站推进，到达目标

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车站后，解体吊出或调头往回推进到起点车站，从盾构井将盾构机吊出，然后转场到另一区间施工。

这种方案的缺点是：①造成盾构机的多次拆卸组装，不仅降低施工进度，还会缩短盾构机的使用寿命，增加安全隐患；②增加了全线盾构机的投入台数，使盾构机的使用率降低，寿命与工作量不匹配，同时增加全线的工程成本。③实际施工中，车站的管线改移、地面建筑物的拆迁和协调等工作一般难以按时完成，导致车站施工不能达到盾构调头的条件，从而出现盾构因调头井没做好而在区间窝工的现象，使盾构机快速施工的优势得不到发挥，同时可能带来较大的工期风险。

(2)盾构推进至车站位置前，先通过适当扩大车站宽度和底板深度提供盾构拖拉过站的条件，然后让盾构拖拉过站。

这种方案理论上可以最大限度地避免车站施工对盾构区间施工的干扰，减小地下管线和周围建筑物对盾构区间施工的影响，充分发挥盾构机施工速度快和长距离掘进的优势，减少盾构机的投入数量。但实际上，由于车站施工受诸多因素的影响，车站的管线改移、地面建筑物的拆迁和协调等工作一般难以按时完成，车站的施工工期得不到保证，导致全线的施工工期也得不到保证，另外车站加宽和底板加深也增加了过多的额外工程造价，车站加宽和底板加深带来的额外造价约200万元以上，加上拖拉过站的费用约30万元，总共增加约为230万元。

(3)盾构先行贯通车站行车隧道，然后拆除全部盾构管片，再进行车站施工，如北京地铁五号线北新桥站和十号线三元桥站。

这种方案对减小盾构机的拆卸组装以及转场的次数，延长盾构机的机械寿命，缩短施工工期是很有价值的，不过盾构过站后拆除的管片基本上不再在区间正线上使用，其再利用率最高也就10％。按北新桥站的经验，约有90％的盾构管片报废。按每环管片1万元计，每车站平均损失256万元。

上述三种方案没能充分发挥盾构法施工的优势，没有很好地解决盾构区间施工与车站施工在施工速度和组织上的矛盾。

新的解决方案

盾构过站这个问题在前苏联、日本等国家都已经有所研究，目前在建的德国科隆城市南北轨道交通线也碰到了同样的问题，国内已有少量学者和单位开始关注和探索这个问题的解决方案。本文经过对国内外相关资料的调研分析，结合国内目前的技术和经济水平，提出一种新的盾构过站问题的解决方案—盾构先行贯通全线大部分车站行车隧道，再结合明挖法或浅埋暗挖法在适当的时机拓展建造地铁车站。即先将整条线路上的盾构区间修建完毕，再逐个落实预留车站周围的条件，采用明挖法或浅埋暗挖法拓展建造地铁车站，而且保留管片，仅在管片上开通道提供乘客上下车的条件。

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浅埋暗挖法拓展建造的塔柱式车站三维效果图如图2-16所示。

图2-16 塔柱式车站三维效果图

该解决方案的优势主要在于以下几点：

(1)尽可能多地采用盾构法修建区间隧道，可以确保施工期间的安全性和极大地减小对周围环境的影响，提高地铁工程的建设质量。

(2)由于盾构区间施工和车站施工速度和组织的矛盾得到协调，大大减少了盾构机的始发、调头、转场等非推进作业，最大限度地开展平行作业，从而可以缩短工期，优化全线的施工组织计划。

(3)利用区间盾构机连续完成区间隧道和车站行车部分结构，而不必在车站端部调头或解体吊出，创造一台盾构机连续施工至设计极限的有利条件，减少盾构井的数量和盾构设备的投入台数，大大提高盾构机的一次推进距离，从而通过盾构机的长距离推进的规模效益，从总体上大幅度地降低工程造价。

为了使新的解决方案在技术上能够得到很好的实现，需要业主在项目管理上的支持。业主在对盾构区间施工和车站施工综合研究的基础上，可以统筹兼顾，协调一致。一方面把标段划大，有利于盾构施工的统一安排，减少非推进作业所占的份额，充分发挥盾构机的效率；一方面加强各承包商间的协调配合，保证施工的顺利进行，避免出现窝工现象。

方案比较

以五号线为例，从工期和造价两方面，对新的解决方案和实际的施工方案进行比较。

按照五号线实际的施工方案，从宋家庄站到大屯站之间的区间隧道采用的是矿山法或盾构法施工。如果按照新的解决方案，从宋家庄站到大屯站之间的区间隧道全部采用盾构法施工，以东四站为界分成两段施工，采用4台盾构(左右线各2台)分别从宋家庄站推进到东四站，从大屯站推进到东四站。由于宋家庄站、大屯站和东四站的施工方法为明挖法或明暗挖相结合的方法，可以为盾构的始发、接收创造条件，不需要施作专门的盾构井。

工期上的比较。(1)按照新的解决方案，不需要为盾构法施工施作专门的盾构井，不需要转场和拖拉过站；而实际的施工方案共施作了11个盾构井，转场2次，拖拉过站1次。新的解决方案相对于实际的施工方案来说，盾构机的非推进作业时间大大减

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少。(2)由于新的解决方案尽可能地采用盾构法施工，而盾构法掘进速度约为暗挖法的8倍，所以新的解决方案相对于实际的施工方案来说，在掘进速度上有绝对的优势。所以新的解决方案相对于实际的施工方案来说，在工期上会有很大的优势。下面对两种方案的工期进行具体计算比较。

新的解决方案的工期计算：宋家庄站到东四站之间的盾构推进双线里程为8066m，大屯站到东四站的盾构推进双线里程为8724m。盾构法的平均推进速度取为14m/d(新的解决方案充分发挥了盾构的长距离掘进优势，大大减少了负环段、出洞段、进洞段的掘进，这个推进速度是可以达到的)，则两个盾构段的推进时间分别为：8066m÷14m/d＝577d，8724m÷9.78m/d＝624d。两段平行施工，因此盾构的推进时间为624天。盾构始发条件的准备时间约为3个月，假设盾构通过后全线车站可以同期开工，则再加上一个车站的工期24个月(实际上，盾构机通过后车站即可开工，所以工期还可以缩短)，因此五号线的总工期为：3＋244＋624/30＝48(月)。

而五号线实际施工的起止时间是2002年12月到2007年6月，工期为55个月。 由此可见，新的解决方案比五号线的实际施工方案在工期上可以节省7个月，同时新的解决方案减少了盾构设备的投入，尤其是减少了大量的人工。如果采用相同的盾构设备和人员配备，新的解决方案在工期上的优势会更显著。

造价上的比较

(1)经过长期地研究，我们已经掌握了新的解决方案修建车站的关键技术，该技术不需要追加额外设备，所有的技术只需要在现有的技术条件下稍加改变就可以实现。通过和现行的暗挖法修建车站技术进行比较，我们认为新的解决方案修建车站的造价不会超过现行暗挖法修建车站的造价。

(2)对于区间施工，现有的盾构法(采用调头、拖拉过站或拆除全部管片的方式)和矿山法在每米的造价上基本接近，因此五号线采用现有的盾构法方案施工全部暗挖区间和实际的施工方案(既有盾构法，又有矿山法)在造价上接近。所以对于区间施工的造价比较，可以用新的解决方案和现有的盾构法方案施工全部暗挖区间进行比较。

盾构法施工的成本由4部分组成，即盾构机的相关费用、盾构机掘进费用、钢筋混凝土管片费用和盾构机安装拆除、转场等非推进作业费用。

(1)盾构机的相关费用

盾构机的相关费用包括折旧费、大修理费和经常维修费。 折旧费的计算采用工程量法。盾构机每米折旧费的计算公式为：

F?Y?(1?c)?I?L (2-5) (2-6)

I?1?0.5?i?(M?1)

式中：F为盾构机台班折旧费；Y为盾构机价格，取为3000万元；c为盾构机残值

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率，参照2001年《全国统一施工机械台班费用编制规则》，取为5％；I时间价值系数；i为年利率，按目前银行贷款利息年利率，取为4.5％；L盾构机在使用寿命内平均推进长度，按照国际通常的计算方法，盾构机推进8～10km报废，故假定盾构机在使用寿命内平均推进长度为9km；M为使用年限，实际施工方案中的盾构平均推进长度为2.1km，这样盾构机要完成3至4个左右的项目才能达到报废工程量。考虑施工任务不饱满因素，使用年限按7年计算。新的解决方案中的盾构一次推进距离分别是8.066km和8.724km，基本达到报废工程量，使用年限分别为1.58年和1.71年，计算时取为1.71年。

根据式(2-1)和式(2-2)，实际施工方案的盾构机每米折旧费计算为： I1＝1＋1／2×4.5％×(7＋1)＝1.18

F1＝30000000×(1－5％)×1.18÷9000＝2737(元) 新的解决方案的盾构机每米折旧费计算为： I2＝1＋1／2×4.5％×(1.71＋1)＝1.06

F2＝30000000×(1－5％)×1.06÷9000＝3357(元) 新的解决方案相对于实际施工方案，盾构机每米

折旧费节省3737－3357＝380(元)，全线33580m共节省折旧费为： 380元／m×33580m≈1276万元。

由于新的解决方案减少了盾构机的拆卸组装和转场等作业，大修费和经常维修费也要减少。

盾构机掘进费用

掘进内容包括负环段掘进、出洞段掘进、正常段掘进、进洞段掘进以及出渣(洞内、洞外)，其中正常段掘进费用是最低的。新的解决方案充分发挥了盾构长距离掘进的优势，大大减少了负环段、出洞段和进洞段的掘进，可以降低盾构机在每米掘进上的费用。

实际施工方案中盾构机掘进12202.11m共8次出入洞，则一次出入洞的单线掘进长度为1525m。假设盾构机长10.8m，盾构机直径6.2m，则负环段掘进14m，出洞段掘进40m，进洞段掘进31m，正常段掘进1458m。按照《全国统一市政工程预算定额》计算每米掘进费用如表2-6所示。

表2-6 实际施工方案盾构每米掘进费用表

编号 4－265 4－266 4－268 4－267

工程项目 负环段掘进 出洞段掘进 进洞段掘进 正常段掘进

数量 0.0092m 0.0274m 0.0213m 0.9561m

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单价(元) 5376.73 5017.92 4049.4 3541.23

合计(元) 53 137 86 3386

石家庄铁道大学四方学院毕业论文 表2-6 实际施工方案盾构每米掘进费用表

编号

工程项目 密闭舱填加泡沫剂

洞外运土方 合计

数量 20kg 30.18 m3

单价(元) 69.3 33

合计(元) 1386 996 6044

新的解决方案中盾构机掘进双线里程16790m，4次出入洞，则一次出入洞的单线掘进长度为8395m其中负环段掘进14m，出洞段掘进40m，进洞段进31m，正常段掘进8310m。计算每米掘进费用表2-7示。

表2-7 新的解决方案盾构每米掘进费用表

编号 4－265 4－266 4－268 4－267

工程项目 负环段掘进 出洞段掘进 进洞段掘进 正常段掘进 密闭舱填加泡沫剂

洞外运土方

合计

数量 0.0017m 0.0048m 0.0037m 0.9898m 20kg 30.18 m

3

单价(元) 5376.73 5017.92 4049.4 3541.23 69.3 33 5936

合计(元) 10 24 15 3505 1386 996

新的解决方案相对于实际施工方案，盾构机的每米掘进费节省6044－5936＝108(元)，全线33580m共节省费用：

108元/m×33580m＝3626640元＝362.7万元。

(3)钢筋混凝土管片费用新的解决方案和实际施工方案区间上所需的管片费用一样。

(4)盾构机非推进作业费用，包括盾构井的施作，盾构机的安装拆除、转场、拖拉过站等的费用。

根据五号线的造价统计，一个盾构井的费用至少为310万，安装拆除一次费用至少为35万，转场一次费用至少为60万，拖拉过站一次费用为230万，拆除管片的报废率是90％，每环管片造价按1万计算。

现有的盾构法盾构机掘进单线长度12202.11m时共施作11个盾构井，盾构机安装拆除8次，转场2次，拖拉过站1次，拆除管片142环。非推进作业费用为：310×11＋35×8＋60×2＋230×1＋142×0.9＝4167.8(万元)。全线33580m都采用现有盾构法施工的非推进作业费用为：4167.8×(33580÷12202.11)＝11469.7(万元)。

新的解决方案不需要施作盾构井，盾构机只需安装拆除4次，不需要转场和拖拉过站。则新的解决方案的非推进作业费用为：35×4＝140(万元)。

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新的解决方案相对于实际施工方案，在非推进作业费用上共节省： 11469.7－140＝11329.7(万元)

把4部分节省的费用相加，可以得到新的解决方案总共节省的费用至少为： 1276＋362.6＋0＋11329.7＝12968.3(万元)。

由此可见，新的解决方案比五号线实际的施工方案在造价上有显著的优势。 经过比较可以得知，新的解决方案相对于实际的施工方案，在工期和造价上都有着显著的优势。

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第3章 高铁轨道结构

3.1引言

2011年6月30日，连接中国最重要两大城市———北京与上海的京沪高速铁路开通运营，这标志着中国真正迈入“高铁时代”。中国第一条高速铁路是秦皇岛到沈阳的铁路客运专线，该条专线于1999年开工建设，2003年开通。随后，中国的高速铁路建设如火如荼地展开，多条客运专线开通或正在建设。这些高速铁路的建成通车使我国步入高铁时代，高铁经济也应运而生。

高速铁路是指通过改造原有线路(直线化、轨距标准化)，使营运速率达到每小时200公里以上，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时250公里以上的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运时达到一定速度的标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。完全用于客运的高速铁路也称为客运专线。

从技术上来说，世界上具有较长高速铁路发展历史以及高铁技术比较发达的国家有日本、法国和德国等。日本是世界上最早建成高速铁路的国家，1964年开通的新干线是世界上最早的高速铁路。这些国家通过高速铁路建设完善了各自的高速铁路网络，带动了相关产业的发展，也拉动了沿途城市的发展。

中国的高铁技术，是在借鉴世界高铁技术先进的几个国家的基础上经过再创新而达到目前状况的，还在不断完善和发展中。

在我国目前新建的铁路中，大概包括以下几种形式：一是指时速在300公里以上的完全意义上的高速铁路，比如已经开通的京津城际铁路和武广客运专线，这种高速铁路的特点是速度快，同时只运行动车组；二是时速在200公里左右的准高速铁路，在这种路轨上，既运行高速列车，又开行普通列车，比如秦沈客运专线和石太客运专线；三是时速在200～250公里，但是只运行动车组，比如长吉城际铁路等；四是时速在200公里左右，既运行客运列车，又兼顾货运列车，这种情况主要发生在一些原有的铁路基础比较薄弱的地区，比如闽东地区，2010年4月开通的福厦铁路就是这种情况。

3.2高铁轨道结构特点

3.2.1高速铁路轨道结构应具备的主要性能

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高平顺性

(1)提高钢轨的平直性、轨面的平顺性及钢轨焊接接头的平直性。

(2)避免由于轨道结构的连续性、均一性遭到破坏而引起的中、长波不平顺。 (3)提高轨道弹性的均匀性。防止由于路基、道床、轨下胶垫弹性不匀所引起的长波不平顺。

高可靠性，长寿命

(1)高可靠性主要是指轨道结构保持平顺性，维持线路正常运营的能力。 (2)长寿命，指的是轨道结构有较长的维修和大修周期。 高稳定性

(1)采用跨区间无缝线路是提高轨道结构的连续性，均匀性的重大举措。而无缝道岔直基本轨的温度附加力会使道岔区成为无缝线路稳定性的控制点。

(2)高速列车的高频冲击和振动，会使轨道结构的纵、横向阻力，即轨道自身保持稳定的能力降低，

(3)而高速列车的蛇行和横向振动又会使作用到轨道上的横向荷载加大。

3.2.2国外主要高速铁路轨道结构的基本形式

有砟轨道结构

(1)日本东海道新干线大部分线路为有砟轨道结构。最初采用50kg/m焊接长钢轨，每公里1720根预应力混凝土轨枕，道床砟石及底砟层总厚50cm，砟肩宽50mm。120双弹性扣件，扣压力6kN，轨下胶垫60～90kN/mm。东海道新干线于1973年开始有计划地以60kg/m焊接长钢轨更换原有的50kg/m钢轨，以重型轨枕更换原有轻型轨枕。

(2)法国TGV线路采用UIC60900A自然硬度(非淬火)钢轨，跨区间无缝线路、U41型双块式混凝土轨枕、(1667根/km)，Nabal扣件、扣压力11kN，轨下弹性垫层厚9mm、静刚度为72.65kN/mm，加强型道床断面、肩宽60cm、砟肩堆高10cm、边坡1:1.5，厚度东南线50cm(面砟30，底砟20)，大西洋线55cm(面砟35cm，底砟20cm)，道砟粒级25～55mm，硬质砟石道砟。

(3)德国ICE线路采用UIC60、900A自然硬度(非淬火)钢轨，跨区间无缝线路。B70混凝土轨枕，长度2.6m，按枕间距60cm(1667根/km)铺设。ω型弹条扣件、扣压力11kN、弹程14mm，轨下胶垫厚6mm，静刚度为50～70kN/mm，砟石道床肩宽50cm，边坡1：1.5，厚度为砟石层30cm，底砟(路基保护层)层15～30cm。

无砟轨道

日本山阳、东北、上越等新干线的无砟轨道形式为板式轨道。

德国科隆到法兰克福高速铁路上的无砟轨道结构主要有：Rheda型，是将预应力

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混凝土轨枕浇注在填充混凝土中，并支承在钢筋混凝土道床上。

Züblin型，采用双块式轨枕取代Rheda型的预应力混凝土轨枕，其余的结构组成与Rheda型基本相同。

ATD型双块式轨枕直接置于沥青混凝土道床上，并在枕底与道床之间灌注弹性粘结材料，使两者联结成整体。

3.3高铁轨道结构扣件

3.3.1国外高速铁路扣件型式及其主要参数

表3-1 国外主要高速铁路扣件

扣压力(kN)

日本 法国 德国 英国

东海道山阳 TGV 曼海姆～斯图加特

/

120双重弹性

Nabal HM 潘得罗

6 11 11 11

10 9 6 10

脚垫

厚(mm)

静刚度(kN/mm) 60～90 70 50～70 30～50

扣压弹性件弹程(mm)

/ 8.1～9.1 14 12

国名 线路 扣件形式

3.3.2京沪高速铁路扣件的基本设计参数

制订京沪高速铁路扣件的主要设计参数如下： 初始扣压力≥10kN 扣压弹性件弹程≥10mm 胶垫静刚度≤80kN/mm

每公里线路两股钢轨间的电阻≥4Ω

我国铁路既有的弹条扣件、轨下橡胶垫板的型号、主要设计性能及配套使用情况分别如表3-2。

表3-2 弹条扣件的型或及主要设计性能

项目 扣压力 弹程

最大横向力(最大荷载) 弹条

直径

单位 kN mm kN mm

Ⅰ 9 8 60 13

Ⅱ 10 10 70 13

Ⅲ 11 13 70 20

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石家庄铁道大学四方学院毕业论文 表3-2 弹条扣件的型或及主要设计性能

项目

材质 抗拉强度 屈服强度

规矩调整值 调高量

单位

mPa mPa mm mm

Ⅰ 0Si2Va 1900 1700 -8，+12(-8，+16)

10

Ⅱ 60Si2Va 1900 1700 +8，-12 10

Ⅲ 60Si2Mn 1300 1200 +4，-8 0

注：括号内值为50kg/m钢轨。

3.3.3轨道扣件的设计原则

①足够的高低、轨距能力。由于无砟轨道结构中的扣件直接将钢轨与混凝土道床联接在一起，与传统的有砟轨道相比，可大大减少线路的养护维修工作量，但由于轨道结构中取消了道砟层，受施工误差和混凝土基础变化等因素的影响，轨道高低状态的变化不能像有砟轨道那样进行起道、捣固作业，只能通过扣件进行调整，因此，无砟轨道结构要求其所用扣件具有一定的调高能力[8]。

相对于有砟轨道，无砟轨道结构具有较强的稳定性和轨道几何状态保持能力，线路在正常运行条件下，轨距的变化量较小，但考虑到混凝土基础的施工误差、扣件的制造公差以及钢轨磨耗等因素，要求无砟轨道结构所用扣件具有一定的左右位置调整能力。

②防爬阻力大。具有一定的防爬阻力是保证轨条稳定的基础。我国新建铁路线路开通前道床纵向阻力设计参数，高速铁路线路≥14KN/枕(23.3kN/m)，时速200km客货共线≥12kN/枕(20kN/m)。而道床纵向阻力的实测值，Ⅱ型PC枕为9.80kN/枕(17.20kN/m)，m型PC枕为19.20kN/枕(33.68kN/m)。可见，有砟轨道扣件防爬阻力大于道床纵向阻力，满足轨条稳定和无缝线路铺设要求。

③足够的扣压力。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。当然，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，阻止长钢轨臌曲的能量就大，这对无缝线路的稳定性是极其有效的。

在特殊地段，扣件的扣压力有相应的特殊要求。例如，在陡坡地段，扣件扣压力要比一般地段大，而在铺设无缝线路的长大桥上无砟道床，则要比一般地段小，为减小梁轨间的相互作用力，采用小阻力扣件，以防止过大的温度力传至下部结构。我国

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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≥10kN，III型弹条≥11kN，WJ一2弹条为4kN。

④零部件少，减小维修工作量。现代铁路轨道维修只能在很短的封锁点内进行，因而要求钢轨扣件少维修。这就要求扣件各部件有足够的强度，在期望的使用寿命周期内扣件各部件不产生疲劳伤损和显著的残余变形；同时要求扣件有更好的性能，当扣压件和轨下弹性垫层产生磨耗和残余变形时，扣件阻力减小不大，扣件螺栓无需经常进行复拧。

⑤刚度均匀，平顺性好。现代快速铁路为保证良好的行车品质，提高行车舒适性，要求扣件各节点刚度一致，以保证线路弹性的均匀，保证旅客乘坐的舒适性。与有砟轨道相比，无砟轨道结构中由于取消了提供线路弹性的道砟层，这样就要求无砟轨道的扣件更能具有良好的弹性，以最大限度地降低轨道的振动，减缓轮轨间的冲击。在相当长一段时间内，限于我国的生产设备和管理能力，扣件刚度的均匀、稳定往往很难保证。

⑥减振性能良好。钢轨扣件具有较低的刚度是减小轮轨作用力、实现减振降噪的有效手段，但较低的刚度容易影响扣件对轨条的约束能力，特别是防止扣件外翻的能力，需要通过巧妙的结构设计实现二者的平衡。

混凝土枕轨道和无砟轨道的弹性，主要是由钢轨扣件提供的。这种轨道的刚度一般要比木枕轨道大得多。因此，必须设法降低混凝土轨下基础的刚度，使之尽可能接近于木枕有砟轨道的刚度水平。理论研究和试验结果表明，要做到这一点，扣件节点垂向刚度应以30kN/mm左右为宜，亦即采用低刚度的轨下胶垫。同时钢轨扣件的横向刚度以20～40kN/mm为宜，以减轻轮轨横向力的作用。但横向刚度不足又会使轨距扩大超限，这在运营中是不允许的。

⑦绝缘性能好。为保证行车绝对安全，要求钢轨扣件有良好的绝缘性能，保证轨道电路的正常工作。无砟轨道的轨道板或道床板，在每块板上都设有许多钢轨扣件，并且在板内还布有许多钢筋，它不像有砟轨道那样，PC枕是通过道砟而单独铺设的。因此，增大无砟轨道区间的绝缘电阻，提高每组扣件及板内配筋的绝缘性能是非常必要的。特别是应当防止降雨时绝缘电阻的降低，以免造成ATC(列车自动控制)信号接收水平降低，引起行车安全故障。

一般，无砟轨道扣件绝缘电阻应在100MΩ以上，为提高轨道扣件的绝缘电阻，要求轨下胶垫大于3000MΩ，预埋绝缘套管大于4×10MΩ，绝缘垫板大于5×10MΩ，否则要及时更换。在暴雨情况下，为使轨道电路正常工作，无砟轨道两股钢轨之间的绝缘电阻应在4Ω/m以上，以保证轨道电路传输距离不低于1.2km。

为满足客运专线有砟轨道扣件系统的技术要求，开发弹条IV型、V型扣件系统如

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图3-1、图3-2所示。

图3-1 弹条Ⅳ型扣件

图3-2 弹条Ｖ型扣件

为满足客运专线无砟轨道扣件系统的技术要求，开发了WJ一7型、WJ一8型扣件系统，如图3-3、3-4所示。

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图3-3 WJ一7扣件

图3-4 WJ－8扣件

扣件是联结钢轨与轨扰的重要部件，其作用是保持钢轨在轨枕等轨下基础上的正确位置及钢轨与轨扰的可靠联结，阻止钢轨的纵横向移动，为轨道结构提供定的弹性，因此扣件不仅要有足够的强度和扣压力，还应具有良好的弹性和一定的调整能力等。扣件类型不同，使用范围也不同，设计中应根据扣件的性能参数、设计原则和上述选型设计要求，合理选用不同类型的扣件，才能充分发挥扣件的性能，达到经济合理、

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安全运营的目的。

3.4 无砟轨道

3.4.1我国无砟轨道结构的研究及应用概况

我国无砟轨道的发展较早，早在1935年和1939年，东北地区北老松岭隧道就曾铺设了整体道床。随着我国铁路运量的迅速增长，为了减轻线路维修工作量，延长轨道各部件的使用寿命，1957年和1958年唐山铁道学院和铁道部科学研究院先后开始研究、设计新型轨下基础。

图3-5 隧道内刚性支承块式无砟轨道

随后各铁路局及各院校也开展了研究和试铺工作，肯定了铁路新型轨下基础的发展前景。北京铁路局在唐山车站的上质路基上曾试铺了少量的埋入纵向轨枕式整体道床，其后又有呼和浩特、太原、武汉、齐齐哈尔等铁路局先后在一些车站站线的土质和石质路基上试铺了整体道床。由于当时试铺时对土质路基基底没有很好的处理，使用效果不好，大部分已被拆除。1965年以后，整体道床在我国发展较快，其中以隧道内铺设的较多。截至1981年底止，己有141座隧道内修建了整体道床，总长度将近300km。混凝土整体道床在铁路站场也得到了应用，上海铁路局从1973年开始，先后在站场内铺设了改进的土质路基整体道床，铺设时由于注意了基底的处理，取得了较好的效果。我国北京地下铁道全部采用了整体道床，使用效果良好。这个阶段我国主要采用钢筋混凝土支承块式、短木枕式和整体灌注式三种，正式推广应用的只有支承

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块式无醉轨道，且主要使用在隧道中(图3-5)。此外，在桥梁上也试铺过无作无枕结构，在京九线九江长江大桥引桥上采用了这种结构，长度约7km。

无砟轨道研究在中断了近10年后，于上世纪90年代中期，随着高速铁路可行性研究的进程，无砟轨道的研究在我国重新得以关注。对新型无砟轨道结构设计参数、动力学仿真计算分析、室内实尺模型试验、无砟轨道部件技术条件以及设计、施工技术条件、施工细则和验收标准的编制、现场铺设、动力测试和长期观测等开展了一系列的综合试验研究，在相应的理论和实践方面也取得了一定的进步。在西康线我国已正式开通运营最长的隧道秦岭隧道(上下行隧道合计长度36.8km)内采用了弹性支承块式无砟轨道，现在使用状况良好。1998年高速铁路高架桥上无砖轨道关键技术的试验研究中，完成了对三种结构型式的无砟轨道(长轨枕埋入式、弹性支承块式、板式轨道)的初步设计、室内模型铺设及各项性能试验，初步提出高架桥上无柞轨道的施工方案，提出了高速铁路无作轨道桥梁徐变上拱的限值与控制措施，建立了桥上无砟轨道车线桥藕合模型并进行了仿真计算，分析了高速铁路高架桥上无砟轨道的动力特性与车辆走行性能。1999年一2001年秦沈客运专线三座特大桥成功铺设了长枕埋入式和板式无醉轨道，其中沙河特大桥铺设长枕埋入式无砟轨道，狗河和双何特大桥铺设板式无砟轨道。2001年一2002年铁道部在秦沈客运专线组织了三次大规模综合试验，“神州号”、“先锋号”和“中华之星”动车组分别创造了210km/h、292km/h、321.5km/h的试验速度。在试验列车以不同速度运行的工况下，对三座特大桥上无砟轨道的主要轨道动力参数如轮轨垂直力、轮轨横向力、钢轨支点压力、位移、脱轨系数、轮重减载率以及车体竖向、横向稳定性指标进行观测，以掌握桥上无砟轨道在高速运行条件下的结构受力、变形情况与振动特性。2003年一2004年，为完善新型无砟轨道结构和施工工艺，在渝怀线鱼嘴2号隧道、赣龙线枫树排隧道分别铺设了长枕埋入式和板式无砟轨道，同时在线路开通后将对隧道内的无砟轨道结构进行动力测试与长期观测。

3.4.2我国无柞轨道结构设计理论的研究状况

国内无柞轨道结构的设计和应用起步较晚，我国无昨轨道的设计理论主要结合自身实际，也借鉴了国外无碎轨道的技术与经验。

在设计方法上，主要是考虑列车荷载的作用，基于容许应力法进行结构强度设计，并依据工程经验或最小配筋率对整体道床等结构加强配筋。

在参数的选取上，轮载动力系数和水平荷载主要依据无碎轨道动力测试确定，一般情况下动力系数取2，运量较大或速度较高时取3，特殊情况(重轴、特大运量等)应进行个别设计。考虑到无醉轨道在运营中一旦出现损坏修复相当困难，从偏于安全出发，采用2-3倍的动载系数。秦沈客运专线和遂渝线竖向设计荷载均取300kN。电力机

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车通过半径为300m的曲线段，钢轨承受横向水平力的最大可能值为110kN，内燃机为80kN。

在计算理论方面，主要采用的有弹性地基叠合梁理论、实体有限元计算理论和弹性地基上的梁一板一板理论。

弹性地基叠合梁理论曾长期指导着我国无昨轨道结构的设计，在秦沈客运专线试验轨道中，首次应用双层弹性地基梁模型对桥上长枕埋人式无碎轨道(类似于德国传统Rheda结构)进行了设计。轨道板长8m，宽2.4m，厚190mm。选用的外荷载弯矩值，是把轨道板在运营中的竖向与横向外弯矩叠加后，又与制造、运输、施工时的外荷载弯矩相比较，取较大者。

实体有限元理论曾用于遂渝线无作轨道结构的检算与分析。该理论的模型中将钢轨作为无限长点支撑梁，采用梁单元进行离散。忽略扣件的非线性因素，将其等效为线性弹簧。无碎轨道基本形状比较规则，在建立有限元模型时可将其各层视为实体，各层均按弹性体考虑，用实体单元模拟。基础的处理可以视其情况，处理成不同的边界条件。如用弹性体或弹簧等模拟。层间采用粘结，可以根据联结的强弱程度，处理成粘连或接触。

遂渝线岔区无碎轨道曾采用梁一板一板理论对结构进行检算，其核心为弹性地基板模型。模型中钢轨采用梁单元，扣件采用线性弹簧模拟，道床板连同支承层采用弹性地基板单元模拟，板底支承系数采用地基K30系数。该模型的力学概念比较明晰，物理模型与实际情况能够较好的统一，修正了弹性地基梁带来的误差，但也存在参数合理选择的问题。

由于秦沈线、遂渝线投入运营的时间都不长，为考察设计合理性，还需要收集列车荷载长期作用下轨道的伤损状况、维修工作量和保持轨道几何尺寸的能力，即保持轨道平顺性和稳定性的能力的资料。

与国际水平相比，目前我国无碎轨道的设计理论水平尚存在一定的差距，需要在充分吸收国外的设计及应用经验的基础上，结合自身的工程实践，逐步形成适合我国国情的设计理论体系。

3.5无砟轨道施工技术

3.5.1施工方案

3.5.1.1工艺流程

无砟轨道施工工艺流程为：下部结构物检查、测量放线、铺设轨枕、吊装工具轨紧固螺栓扣件、初调、钢筋绑扎、立模及固定体系、精调、浇注混凝土、洒水及养护、

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拆卸工具轨、模板及支承体系。 3.5.1.2下部结构物检查

在进行混凝土道床施工前，应对道床基底面进行检查，对有缺陷的区域及时进行修缮施工，做好检查和签收工作。 3.5.1.3测量放线

(1)在全管段范围内用二等水准点，CPI、CPII、CPIII基桩控制网对线路的高程和位置进行控制测量，双块式无砟轨道加密基桩采用固定支脚，支脚间轴向平面X和Y方向定位限差为±0.5mm，高程限差为±0.5mm。

(2)整个施工期间都要求对线下主体工程的变形情况进行测量，测量结果要进行有系统的统计和分析。

(3)准确放样出道床的位置及两侧的外移桩，以便施工过程中随时检查的模板位置及轨道中心线是否有偏差。在结构物顶面划出每个轨枕的分布位置，以便精确调整轨枕的平面位置和高度。 3.5.1.4铺设轨枕

用平板车把轨枕运至施工现场，散开放置到指定的标识位置，按设计轨距，调整轨枕的方向与间距位置。 3.5.1.5吊装工具轨

铺设轨枕并定向后，将工具轨安置在轨枕上，在两钢轨端部预留20mm间隙，在轨道直线区段施工时，相邻钢轨的端部应在一条直线上。 3.5.1.6紧固螺栓扣件

在所有轨枕精确定位、工具轨置好后，拧紧扣件上的轨枕螺栓。 3.5.1.7初调

(1)将调整丝杆等间距布置，在钢轨接头前后和曲线地段，应缩小支撑间距，对称安装在两钢轨上，并与钢轨垂直。

(2)在固定支承架之后，使用支承架和龙门吊整机组配合进行初调。 3.5.1.8钢筋绑扎

(1)钢筋成品和半成品是合格品。进场后必须挂牌标识，做到分期分别堆放，并做好钢筋的维护工作，避免锈蚀和油污，确保钢筋保特清洁。

(2)钢筋在加工棚进行加工后，平直放到平板车上运到施工现场，不能对钢筋进

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行弯曲或扭曲，钢筋交叉处采用塑料绝缘夹与塑料线绑扎。

(3)在安装上层纵向钢筋以及支设模板之前，必须先安装轨枕之间的所有横向钢筋。

(4)对纵向钢筋必须进行接地。须保证轨枕两根外露钢筋之间是无缝焊接的，纵向钢筋必须搭接1200mm，焊接长度必须达200mm。 3.5.1.9立模及固定体系

(1)根据标记进行组合钢模板安装，模板部件通过地锚螺栓及三角支架调节体系固定在结构顶面，每隔５m设一道横向伸缩缝，用硅胶密封，并清洁轨排，再在轨枕与扣件上覆盖保护层，当所有模板清洁干净以及安装完轨枕与扣件保护后，在结构物表面洒水直到处于饱和状态。

(2)为防止轨排在混凝土浇筑时，因混凝土浮力的作用而使轨排浮动，影响轨排精度，要求用斜支承体系来固定轨排。 3.5.1.10精调

使用Leica轨检小车，从一个螺栓支承架移动到另一个螺杆支承架，将钢轨的高度与方向调整到零位置或精度要求偏差范围内。 3.5.1.11浇筑混凝土

浇筑混凝土之前，轨枕必须覆盖，下部结构表面必须洒水湿润、洁净、压实、坚固在混凝土初凝时，应采用二次振捣方法，以防止收缩裂缝的产生，当混凝土开始产生强度时，表面需按设计做好横向排水坡，并整平，抹光。当混凝土表面达到满意的条件，应尽快用水清洁轨枕与钢轨。 3.5.1.12洒水及养护

混凝土浇筑完成后应立即开始养生，养生宜采用喷洒养护化合物或洒水覆盖养生，混凝土未达到设计强度75％之前，严禁在道床上行车和碰撞轨道部件。 3.5.1.13拆卸工具轨、模板、支承架

(1)当混凝土强度达到5MPa后，方可将支承丝杆放松一圈。

(2)待道床混凝土达到一定强度后便可拆卸工具轨、模板、支承架，进入下一循环。

3.5.2客运专线岔区无砟轨道施工技术

无砟轨道因其良好的技术经济性而成为我国客运专线的首选轨道结构，与传统的

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