陈潇
（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉430063）
摘要 针对城际铁路的特点，提出无砟轨道选型原则，通过方案比选推荐采用CRTSI型双块式无砟轨道。对双块式无砟轨道的总体方案进行优化设计，提出时速160 km/h及以下城际铁路桥梁地段双块式无砟轨道取消底座方案，并对其方案进行静动力学计算分析，计算结果表明，取消底座方案可行。
关键词 城际铁路选型 双块式无砟轨道 静动力学计算 底座
城际铁路线路长度一般介于50～200 km之间，主要承担区域内相邻城市间或城市群内的通勤客流，车站间距一般为5～20 km，其速度目标值一般不高于200 km/h。由于城际铁路的服务对象是以中短途旅客为主，客流具有明显的时段高峰特点，且单程旅行时间通常较短，特别强调旅客出行的快速和便捷，所以城际铁路的运输组织模式具有典型的“高密度、小编组、公交化”特点。
根据城际铁路的技术特征，在保证安全且铁路等级、设计速度、输送能力、运输效率相同的条件下，《城际铁路设计规范》中采用的各项技术标准，其工程静态投资较原客运专线标准节省投资达10%以上。
1城际铁路无砟轨道选型研究
《城际铁路设计规范》规定“对于城市中心区等对景观要求较高地段、长度超过1km的桥梁、隧道及隧道群等线下基础稳固地段，可优先考虑无砟轨道”。
1.1无砟轨道类型
目前我国广泛采用的无砟轨道类型较多，主要有CRTS I，II，III型板式无砟轨道和CRTS工型双块式无砟轨道，均具有多条长大干线采用，运营经验丰富。
CRTS I型板式无砟轨道由钢轨、扣件系统、充填式垫板、轨道板、水泥乳化沥青砂浆调整层、混凝土底座、凸形挡台及其周围填充树脂等组成。
CRTS II型板式无砟轨道主要由钢轨、弹性扣件、预制轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层及支承层等部分组成。
CRTS III型板式无砟轨道结构由钢轨、扣件、
预制轨道板、配筋的自密实混凝土、限位挡台、中间
隔离层（土工布）和钢筋混凝土底座等部分组成。
CRTS I型双块式无砟轨道由钢轨、弹性扣件、双块式轨枕、道床板、底座板／支承层等组成。
1.2无砟轨道选型原则
无砟轨道的一般选型应遵照以下原则：
(1)结构安全可靠。安全可靠是无砟轨道的选型基本原则。
(2)较强的适应性。较强的适应性主要体现在本线所处的水文、地质条件、环境条件、以及线路本身的半径、坡度等方面的适应能力。
(3)施工简单方便。施工工艺的难易程度影响工程造价及建设周期，故应尽量选择施工方便的无砟轨道结构。
(4)可修复性较好。无砟轨道相比有砟轨道总体来说维修周期较长，但好的无砟轨道类型应在某些病害发生时具备较好的可修复功能。
根据以上基本原则，同时结合城际铁路的特点，《城际铁路设计规范》特别提出：“正线轨道结构类型应根据线下工程条件、环境条件、运输组织方式及养护维修条件等因素，经技术经济比选后确定”，即城际铁路无砟轨道结构设计应充分体现经济性特点。
此外，由于城际铁路一般修建于人σ稠密地区，为了吸引客流，选线设计时受多方面控制因素影响，曲线半径相对较小。曲线半径越小，左右线的轨道板长度差异越大。对于预制板类型，左右线可能需要采用不同长度的轨道板，即非标准轨道板，需要制造不同长度轨道板的模具，从而增加了预制工作量、难度及成本。而若采用现浇道床板，轨枕间距可以根据曲线半径灵活调整，施工简便。因此无砟轨道结构型式应在小半径曲线地段具有较强的适用性。
同时，随着人们对环境保护的要求不断提高，城际铁路大多穿越城区人σ密集处，因而对振动和噪声控制提出了更高要求，城际铁路轨道结构设计时，需结合环境影响评价及批复要求，综合考虑各方需求，在振动噪声超标地段采用相应的减振降噪措施，即城际铁路无砟轨道结构应较好地实现减振功能。
1.3无砟轨道类型比选
(1)结构适应性。CRTS I，II型，III型板式无砟轨道轨道板均为工厂预制结构，受天气、温度因素影响小。城际铁路线路长度小于一般的客运专线，小半径曲线较多，CRTS I，II型，III型板式无砟轨道配板时可能出现较多不同长度的板型，尤其是III型板式无砟轨道，生产轨道板时需要更多的模具。CRTS I型双块式无砟轨道为现浇无砟轨道结构，现场可灵活地调整轨枕间距，在小半径曲线地段适用性最强。
CRTS I型和III型板式无砟轨道为单元结构，能很好的适应地震多发地段、便于及时维修。CRTS II型板式无砟轨道和CRTS I型双块式无砟轨道均能很好适应少地震、具有稳定线下基础地段。
CRTS I型，II型和III型板式无砟轨道轨道板为预制结构，受环境气候的影响较小，采用预应力结构抗裂能力较强。CRTS I型双块式无砟轨道需要现场浇注大面积混凝土道床，施工质量受环境条件影响相对较大，应特别注意雨水的影响。
(2)施工难易程度。CRTS I型双块式无砟轨道的双块式轨枕为工厂预制结构，制造工艺目前较为成熟；道床板混凝土为现场浇筑，现场混凝土的施工量较大，受混凝土龄期的影响，其施工进度相对较慢。
CRTS I型板式无砟轨道的轨道板为工厂预制，其质量容易控制；现场混凝土施工量少，施工的机械化程度高，施工进度较快，但对各部件的精度控制严格。CRTS II型板式无砟轨道轨道板为连续结构。轨道板为工厂预制并需对其打磨，制造难度大，需大型制造设备；桥上轨道系统受力复杂，施工难度大。CRTS III型板式无砟轨道轨道板承轨台的矢距和高低采用模具进行调整，各种曲线半径下需要的非标板较多，施工较为复杂，但精度高。
曲线地段施工时，采用CRTS I型双块式无砟轨道时，线路的超高顺坡、曲线圆顺度等易于控制；采用CRTS I和II型板式无砟轨道时，线路超高顺坡、曲线矢度的实现对扣件系统高低、方向调整要求较高。CRTS III型轨道板出厂时即是特定平面曲线半径、竖曲线对应的“定制”品，现场施工时不需调整。
(3)可修复性。CRTS II型板式无砟轨道轨道板相互连接，结构连续，可修复性一般。CRTSI板式无砟轨道的结构是分离式的，轨道的水平、高低可通过CA砂浆来调整，可修复性稍好。CRTS III型板式轨道结构为分离式的，轨道的水平、高低通过扣件及自密实混凝土调整，所以其可修复性较好。CRTS I型双块式无砟轨道的轨枕嵌在现浇的道床板中，且扣件的可调性有限，可修复性稍差。
(4)经济性。城际铁路线路长度一般不是很长，CRTS I型，II型和III型板式无砟轨道轨道板均为预制结构，需建厂生产轨道板，建厂成本及运输成本高，均摊到每公里后将明显提高全线轨道结构的总体造价。目前CRTS I型双块式无砟轨道整体的设计、制造、施工已实现国产化，造价最低。
(5)减振功能的实现。CRTS I型双块式无砟轨道减振可在道床板与底座之间设减振垫层；CRTS I和II型板式无砟轨道可在CA砂浆与底座间设置减振垫层；CRTS III型板式无砟轨道可在自密实混凝土与底座间设减振垫层。
减振型CRTS I型双块式无砟轨道曾在兰新线嘉峪关古长城段、北京地下直径线、大西高铁，以及广深港客专香港段中使用。减振型CRTS I型板式无砟轨道在广深港狮子洋隧道及福田站、杭长客专叶宅二号隧道中使用过。减振型CRTSIII型板式无砟轨道在兰新线嘉峪关古长城段使用过。CRTS II型板式无砟轨道未曾有过减振方面的运营经验。
综合考虑城际铁路小半径曲线一般较多，多数有减振需求，在满足安全可靠的基础上希望追求最大经济化，在没有线网无砟轨道类型统一因素的限制时，本文推荐城际铁路无砟轨道采用CRTS I型双块式无砟轨道。
2城际铁路双块式无砟轨道方案设计
高速铁路CRTS I型双块式无砟轨道在武广、郑西、兰新、包西、合福（福建段）等线路中均有广泛铺设，运营状态良好，因此城际铁路双块式无砟轨道的总体结构设计方案建议与高速铁路CRTS I型双块式无砟轨道相同。
为了尽可能地减少双块式无砟轨道工程造价，原双块式无砟轨道设计可从以下几个方面进行适当优化。
(1)对扣件节点间距进行相应的优化增加，减少扣件使用量。由于城际铁路列车轴重可能比高速铁路列车轴重轻，速度也比高速铁路低，在满足轨道强度检算要求的情况下，适当增大扣件节点间距可以减少扣件数量，降低造价。建议在确定最大扣件节点间距时充分调研国内外各条线路无砟轨道的扣件节点间距最大值及平均值，进行静动力学检算分析，尤其对桥梁地段扣件节点间距进行力学计算分析后综合确定。
(2)对道床板／底座的尺寸及配筋进行相应优化。道床板／底座的宽度设计首先需满足结构设计要求，考虑列车荷载在道床板及底座的传递范围。当减小道床板／底座宽度时，其横向正弯矩相应地减少，横向负弯矩及纵向弯矩将相应增大，原双块式无砟轨道道床板宽度为2 800 mm，底座宽度为3 400 mm，通过理论计算分析，建议其宽度均减少100～200 mm。
道床板／底座的厚度是由结构强度及配筋要求决定的。在进行静力学计算及配筋设计时，应充分考虑列车荷载（ZC荷载）、整体温差、温度梯度、线下基础变形等作用的影响。当超高在底座上实现时，底座的厚度应考虑城际铁路最大设置超高150 mm时，底座的最薄厚度要求。
通过理论计算分析，道床板纵向钢筋可由原来的直径20 mm减小为16 mm或18 mm。
(3)桥梁地段考虑取消底座方案。桥梁地段取消底座方案在某市域铁路中被推荐采用，本文对车速160 km／h及以下城际铁路桥梁地段采用双块式无砟轨道取消底座方案的可行性进行相应的计算和分析，采用Ansys有限元分析软件建立如图1所示的三维模型。
3取消底座方案的计算
3.1静力学计算
桥上无砟轨道的受力计算，主要考虑列车荷载、温度荷载、混凝土收缩和桥梁挠曲变形等影响因素。
(1)列车荷载计算。采用梁一体模型，运用有限元法进行计算：钢轨采用梁单元，可承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元；扣件采用弹簧单元，具有非线性功能的单向单元；道床板采用实体单元模拟。桥梁梁面提供的弹性采用弹簧单元进行模拟，该弹簧可以承受垂向压力，但不能传递拉力。建立桥梁地段双块式无砟轨道有限元模型，模型共模拟了3块道床板。为保守起见，轴重仍按17t考虑，取动载系数为2.5。为消除边界效应，计算模型选取3块单元道床板的长度进行计算，以中间道床板作为研究对象。考虑轮载作用在板中钢轨节点上和板缝钢轨节点上2种情况，记为板中工况和板缝工况，提取出道床板的纵横向应力。
(2)整体温度。双块式无砟轨道桥上道床板与桥梁之间采用预埋钢筋等方式进行连接，认为道床板与桥梁之间连接紧密，则道床板温度认为与桥梁一致，道床板随桥梁发生整体的伸缩，且道床板为分块结构，道床板的轴向温度应力不计。
(3)温度梯度按正温度梯度（上热下冷）90。C／m、负温度梯度45 'C／m计。
道床板受到的翘曲温度应力计算公式为：
式中：d为桥梁的最大挠度；L为余弦曲线半周期范围内的长度。
以上计算取承载能力的强度检算荷载组合的最不利值进行配筋设计，道床板配筋按30 mm保护层厚度下0.2mm裂缝宽度控制进行配筋。若保护层厚度取为45 mm，则裂缝宽度为0.3 mm控制，若以0.3 mm作为裂缝控制，按计算需要的配筋为：纵向道床板顶面：8φ16@450，底面9φ16@330;横向顶面：1φ16@300，底面2φ16@300。
3.2动力学计算
本部分针对桥上双块式无砟轨道无底座方案，通过建立车辆一轨道一桥梁的空间耦合动力学模型，对车辆、轨道各在轮轨相互作用下的动态响应进行了详细的分析，结果见表1～3。
根据以上动力计算结果来看，不管是车辆、桥梁、道床板以及钢轨，包括车体竖、横向加速度，脱轨系数，轮重减载率，桥梁跨中竖、横向加速度，桥梁跨中竖、横向位移，梁端折角，钢轨垂向动位移，道床板垂向位移均小于《高速铁路工程动态验收技术规范》中的规范限值，而道床板纵、横向动应力则小于采用设计荷载计算得到的道床板应力，且小于《混凝土结构设计规范》所规定的拉、压强度限值，因此从理论角度讲，设计速度160 km/h以下城际铁路桥梁地段采用无底座方案是可行的。
4结论和建议
(1)本文针对城际铁路的特点对无砟轨道选型进行了研究，推荐城际铁路无砟轨道采用CRTS I型双块式无砟轨道。
(2)为了尽可能减少工程投资，建议对双块式无砟轨道的扣件节点间距、道床板／底座的尺寸及配筋进行相应的优化。
(3)对时速160 km／h及以下城际铁路桥梁地段双块式无砟轨道取消底座结构方案进行了静动力学计算分析，配筋按静力计算结果进行设计，动力学检算结果显示，车辆及轨道的各项动态响应指标均低于《高速铁路工程动态验收技术规范》中的限值，设计速度160 km/h以下城际铁路桥梁地段采用无底座方案，从理论计算角度是可行的。
(4)桥梁地段双块式无砟轨道取消底座尚未有过通车运营经验。但由于其取消了底座，可大大减少桥梁地段双块式无砟轨道的工程投资，建议将在某项目中做一试验段试铺，并对其进行相对较长时间的静态观测和动态检测，经试验验证良好后再大面积推广使用，以达到双块式无砟轨道的最大经济化。
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