带“身份证”的高速铁路轨道板


文/许士杰

一位外国游客拍摄的一段在京沪高速铁路(简称高铁)动车组上立硬币的视频,曾在网络上引起了广泛热议。在长达八九分钟的视频中,列车飞速行驶,车窗边的硬币却始终不倒。这段视频爆红之后,类似视频大量出现,模仿者开始在中国其他高铁线路上做起了立硬币、叠矿泉水瓶等层出不穷的“试验”,均取得了成功。一时之间,中国高铁“快”且“稳”的美誉迅速传遍了世界。
高铁的高平顺性和高稳定性取决于很多方面:平顺稳定的车身、转向架、轮对、轨道结构,稳定可靠的桥梁、路基等轨下基础保证“稳”的中国高铁技术体系庞大而复杂,就像一只木桶,任何一项出现短板,都会影响列车行驶的稳定性。本文试图用一些高铁设计和施工的细节,从直观层面说明中国高铁是如何做到“稳”的。

毫米级的钢轨顶面误差
钢轨是直接与动车组车轮接触的基础设备,钢轨的高程误差直接影响到动车组的平顺性。那么钢轨高程允许误差是多大呢?答案是0.2毫米,相当于几根头发丝的粗度之和,对于工程结构来说几乎就是零误差。
与普速线路不同,高铁线路上没有轨枕和道砟,钢轨直接由扣件连接在轨道板上,无砟轨道板安放在桥梁路基等线下结构物上,因此高铁的基础工程需有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性,只有轨道板下面的结构物都做到了“零沉降”,才能最终保证钢轨顶面高程的零误差。
外国游客视频所拍摄的京沪高铁正线全长1 318千米,其中隧道有21座,合计15.8千米,仅占全长的1.2%;路基242.5千米,占全长的18.4%;桥梁则有244座,合计长度达到1059.7 千米,占全长的80.4%。
桥梁的上部结构是预应力混凝土结构,下部结构的墩桩可以直接打到地下承力层上,因此较低的铺轨后沉降量相对容易做到。路基则是一种土工结构,路基本体及其下面基础的沉降不可避免。铁路路基的沉降分为铺轨前沉降和铺轨后沉降两个阶段,显而易见,铺轨后沉降的限值对于保证钢轨的高程尤为关键。
京沪高铁设计时速350千米,是中国最高等级的高铁线路。设计要求在无砟轨道铺设完成后,铺轨后沉降不能超过15毫米,约相当于普速铁路的几十分之一。为什么是15毫米?这是因为不超过15毫米的误差才能通过调节轨道板定位器的高度予以消除,从而确保实现钢轨高程误差不超过0.2毫米的最终目标。

提高基础强度的各种措施
轨道结构依附在路基和桥梁上,以路基为例,如果路基及其下部的土体结构可靠,性质稳定,就是“好土”;如果土体结构不可靠,性质不适合,就是“特殊土”,需要进行特殊处理。京沪高铁行经四省三市,横跨海河、黄河、淮河、长江四大水系,跨越广袤的华北平原和富饶的江南平原,路基工点类型复杂多变,地质上包括软土和松软土、岩溶、浸水、下蜀黏土和黄土等,路基的基础条件各异。
普通铁路路基处理方法,如路基土换填是把工程指标不好的土用工程指标好的土替换。但京沪高铁15 毫米铺轨后沉降的严格要求,普通路基处理方法已经不能满足了,必须采用刚度高、沉降小的特殊办法。
柱基础:高铁路基在外观上能看到的仅仅是地面上的梯形构筑物,而路基下面则几乎全部由各种类型的桩组成,包括钢筋混凝土管桩、水泥搅拌桩、旋喷桩等,这些桩深达数米至数十米,一行行一列列,数以万计,绵延数千米至数十千米,形成庞大的桩群纵队。
桩板结构:在高铁车站地段,为了进一步确保满足沉降要求,采用了更强的桩板结构。桩板结构由下部的钢筋混凝土桩基与上部的钢筋混凝土承载板组成,形象地说,就是一根根独立桩的支撑也不能满足要求了,就在桩顶加一块板,这些桩板组合起来共同受力。就像埋在土里的一只板凳,不仅板凳腿起到支撑作用,板凳面也起作用,最主要的是,这种结构形式最大限度地避免了沉降的不均匀性。
桩网结构:即在很多很密的桩顶上,又有一张由碎石和土工织物组成的柔性网。在桩网结构中,一方面桩与桩之间的距离小,能提供更大的支撑力;另一方面,桩与土和石子之间更加紧密,最大限度消除了基础沉降的风险。
正是由于这些埋藏于地面以下的众多“无名英雄”的支撑,才能保证满足设计要求,为轨道板及其上钢轨高程的“零误差”奠定基础。

京沪高铁轨道板的“身份证”
为了满足京沪高铁动车组运行的平顺性和稳定性要求,京沪高铁全线大量采用了CRTSⅡ型无砟轨道。其施工顺序是:先在桥梁或路基上铺设支承层,然后支承层上铺设轨道板(一块一块进行铺设),待轨道板精调就位后再将这些轨道板纵连成长长的整体,最后在轨道板上安放钢轨,高速铁路线路就形成了。
虽然CRTSⅡ型轨道板是一块一块铺设到支承层上的,但却不是随意安放的。每块轨道板的设计、生产和施工都是根据线路参数需要而定的,每块板都是独一无二的。京沪高铁上的每一块CRTSⅡ型板均有各自的编号,注明生产厂家、生产序号等信息,轨道板铺装时均须“对号入座”,可以说每块CRTSⅡ型无砟轨道板都有自己的“身份证”。
京沪高铁从北京到上海1300多千米中的大多数线路是用CRTSⅡ型轨道板铺设的,合计40多万块。如果把一块轨道板想象成一个人,相当于几十万人排成一列纵队,每个人的姓名、身高、体重、次序、空间位置都是固定的,不能随便相互替换。如果其中一块板损坏了,就必须按照设计数据重制一块板来代替它,不能随便找块板凑数。由于每块轨道板的唯一性,其制造工艺决定了它的铺设精度,进而直接影响了线路的平顺性。

没有缝隙的无缝钢轨
京沪高铁上铺设的是超长距离无缝线路,几百千米的范围内,钢轨是长长的一根,没有缝隙。没有缝隙就非常平顺,不会因车轮频繁跨越缝隙而引起“咔哒咔哒”的振动。
这些钢轨在制造时,先将工厂里制造的25米长钢轨,在施工基地焊成200~500米的长轨,运到铺轨地点再焊接成1 000~2 000米的长轨,最后铺设到轨道板上,接续焊接起来,用扣件最后将钢轨固定到CRTSⅡ型轨道板的承轨台上。
综上所述,高铁的线路基础确保了高速动车组运行的高平顺性和高稳定性,因此硬币得以站立在车窗边长时间不倒。

转载请注明 文章来源:《科学画报》

〖 欲看更精彩文章、图片,请购买科学画报。每月月初出版发行,铜板纸彩色印刷,每本仅售8.00元 〗 

 
《科学画报》2018© 版权所有 沪ICP备05024827号