摘要：介绍日本、德国、法国无碴轨道的应用情况及其结构特点，以及我国应用无碴轨道的一些基本情况，并把无碴轨道与有碴轨道在维修、经济性方面作了比较，指出我国建设客运专线应大力发展无碴轨道。
关键词：无碴轨道；国外高速铁路；客运专线
由于我国铁路网规模宏大，线网的统一性具有调度的集中性、 “天窗”的短时性、与既有线的兼容性等显著特征，因此，客运专线对线下工程，特别是轨道结构提出了很高的要求。如何保持客运专线轨道几何状态，如何延长轨道的维修周期，减少维修费用，如何缩短“天窗”时间减少对运营的干扰，成为客运专线轨道研究课题之一。
无碴轨道结构因具有稳定性好、轨道几何尺寸保持持久、维修工作量少、耐久性好，桥梁二期恒载小，可降低隧道净空减少开挖面积，综合经济效益高等优点，在国外客运专线上获得了越来越广泛的应用，其铺设范围已从桥梁、隧道发展到土质路基和道岔区。无碴轨道结构在客运专线上的大量铺设已成为世界各国高速铁路发展趋势。
1 国外无碴轨道的应用
1．1 日本无碴轨道
早在20世纪60年代中期， 日本就开始了无碴轨道的研究与试验，并逐步推广应用。东海道新干线由于建造得比较早，575．4 km全部采用有碴轨道，钢轨采用54 kg／m，轨枕长度2．4 m，道床厚度只有20～25 cm，但运营后发现不能维持良好的轨道状态，不得不进行大修，更换轨道结构。
20世纪70年代建造的山阳新干线，冈山以东164 km的线路，修建了8 km的无碴轨道，占线路全长的5‰ 冈山以西修建了273 km的无碴轨道，占线路全长的69％；东北新干线无碴轨道占线路全长的82％；上越新干线无碴轨道占线路全长的91％。目前， 日本不仅在桥梁、隧道中铺设无碴轨道，而且在路基上也全面推广使用。
1．2 德国无碴轨道
德国铁路无碴轨道的研究首先解决了土质路基铺设的技术问题，然后逐步推广到隧道和桥梁上，从而为全区间铺设无碴轨道创造了有利条件。基于高速铁路有碴轨道线路的维修工作量大、道碴粉化及道床累积变形速率加快，德国铁路根据其咨询公司对现行的有碴轨道和无碴轨道的综合技术经济比较得出的建议，决定在所有隧道、道岔区、制动区间以及3 0 0km／h的高速线上均采用无碴轨道。
在室内试验和现场大量铺设试验段进行试验验证的基础上，目前德铁累计铺设无碴轨道360 km (含80多组道岔区)，其中规模铺设的线路包括：科隆一法兰克福(300 km／h，2002年开通)、柏林一汉诺威(250 km／h， 1998年开通)、纽伦堡一英戈尔施塔特(在建中)。
1．3 法国无碴轨道
法国是以有碴轨道为代表的高速铁路国家，一直以有碴轨道能够以270～300 km／h运营而感到骄傲。但后来发现早期建造的东南线、大西洋线，道碴粉化严重，使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用大大增加，甚至影响正常的运营，结果使用不到10年不得不全面大修，更换道碴。为此，法铁对道碴的粒径级配、颗粒形状指标、硬度系数标准进行了重新研究，拟订了新的规定。比如针对道碴的洛杉矶磨耗率、硬度系数标准(CH)，TGV东南线原规定为洛杉机磨耗率≤20％ 和C H ≥ 17，TGV北方线把其提高到洛杉机磨耗率≤17％ 和CH≥20，新建的地中海线再提高到洛杉机磨耗率≤ 16％和CH≥21。除此之外，为减缓道碴的粉化，在桥梁上还采取了道碴下铺设橡胶垫的方式。与此同时，法国开始认识到无碴轨道的优越性，开始了无碴轨道的研究与试验。在新建的地中海线，选择隧道里铺设了4．8 km 双块式无碴轨道，进行试验，还准备在东部高速线40～50 km的一个区间修建无碴轨道。
我国的台湾省台北一高雄345 km高速铁路全部采用无碴轨道， 见图1。
韩国计划在继续修建的大邱一釜山130 km 高速线采用无碴轨道。
2 各国无碴轨道的结构特点
2．1 日本无碴轨道结构特点
日本定型的无碴轨道包括适用于高架桥和隧道的A型(见图2)、框架型轨道板(见图3)、适用于土质路基上的RA型轨道板和特殊减振区段用的防振G型轨道板，构成了适用于不同使用范围的轨道板系列。
最初的轨道板为普通钢筋混凝土结构。为适应东北、上越新干线寒冷地区以及减振区段的性能要求，后来又研制出双向预应力结构的轨道板，以防止混凝土裂纹的发生与扩展。
20世纪70年代后期，新干线环境机构负责部门根据日本环境污染控制中央委员会(CCEP)关于控制由于工厂、建设施工和道路交通引起的振动和噪声的严格要求，提出了新干线振动控制措施：
(1)采取措施控制振动源和干扰，特别是加速度振动噪声超过70dB的地区；
(2)对于铁路经过医院或学校的区段应特殊考虑。
为解决新干线的噪声振动问题，实现高速铁路发展与社会环保兼容的目的，日本从20世纪70年代后期开始，在日野土木研究所、东北新干线上的“小山试验线”、北上地区、古河地区的高架桥上分别试铺了20多种型式的减振型板式轨道结构(减振A型～减振H 型)，观测其噪声振动效果，在进行技术、经济分析后，最终将减振G型板式轨道(见图4、图5)作为标准型式在减振降噪区段推广铺设。
2．2 德国无碴轨道结构特点
德铁、高校研究所以及工业界自20世纪70年代一直进行无碴轨道的研究， 曾试铺过十余种无碴轨道结构。目前正式批准的无碴轨道结构型式有6种，包括：B0GL型．Rheda型、Z~iblin、ATD、Getrac和Berlin型。无碴轨道结构设计的基本要求包括以下几个方面。
(1)利用轨下垫层、弹性扣件及枕下弹性垫层等部件，提供轨道结构合理的弹性和减振性能。要求在20 t静轴重作用下，钢轨有1．5 mm 的下沉量。为此，无碴轨道结构轨下垫层的刚度为20～25 kN／mm。
(2)无碴轨道本身及轨下基础在长期运营条件下，其残余变形，能为扣件调高所调整。
(3)满足环保及运营使用的要求。在环保方面，应考虑线路两侧的减振、降噪、绿化；在使用方面，应考虑抗油污、抗紫外线老化、防火等。
(4)方便的轨道结构检查和合适的轨道维修条件。
(5)满足通信信号设施的安装要求。
德铁无碴轨道下部基础分钢筋混凝土和沥青混凝土两类。Rheda型无碴轨道(见图6)作为钢筋混凝土底座上的结构型式之一，在德铁铺设的360 km无碴轨道中，Rheda型约占一半以上。
最近开发的Rheda一2000型轨道 (见图7)已投入商业应用，如应用在纽伦堡一英戈尔施塔特、荷兰、我国台湾高速铁路的道岔区上。其结构特点是：由两根桁架形配筋组成的特殊双块式轨枕取代了原Rheda型中的整体轨枕；取消了原结构中的槽形板，统一了隧道、桥梁和路基上的结构型式；同时，轨道的建筑高度从原来的650 mm 降低为472 mm。Rheda-2000型中的特殊双块式轨枕只保留承轨和预埋扣件螺栓部位的预制混凝土，其余为桁架式的钢筋骨架，使之与现场灌筑混凝土的新、老界面减至最少，有利于提高施工质量和结构的整体性。建筑高度的下降，对降低轨道本身和线路的造价都是有利的。将无碴轨道的造价降低到有碴轨道的1．3～1．4倍是德铁力争的目标。科隆——法兰克福采用的是Rheda型无碴轨道， 见图8。
博格板式无碴轨道是德铁应用的另一种无碴轨道型式(见图9)。在纽伦堡一英戈尔施塔特新线(见图l0)建设中铺设了70 km (该线设计最高速度330 km／h)，涉及到路基、桥梁和隧道，线路最小曲线半径为3700 m博格板式无碴轨道由大板、灌浆层和挡台组成。其结构高度474 mm。大板长6．45 in，宽2．55 in，厚0．20 in；灌浆层厚3 cm；挡台为长方形，设置于板的两侧、板与板的连接处。大板为工厂预制，运输到现场安装铺设。在路基上铺设，其下部基础由水硬性材料支承层和防冻层组成。水硬性材料支承层具有刚度过渡的作用，厚30cm；防冻层由级配碎石组成，防止冻胀引起路基变形，防冻层Ev2≥ l20N／mm 。
2．3 法国无碴轨道结构特点
法国无碴轨道由双块式轨枕与下部钢筋混凝土基础浇筑而成，目前处于试验阶段。
3 我国无碴轨道发展概况
我国无碴轨道的研究起于20世纪60年代，与国外的研究几乎同步。
初期曾试铺过支撑块式、短枕式、整体灌筑式及沥青道床等，正式推广应用的仅有支撑块式整体道床。在成昆线、京原线、京通线、南疆线等长度超过l km 的隧道内铺设，累计达300 km。
1995年以后，随着京沪高速铁路可行性研究的推进，无碴轨道在我国重新得以关注。在“九五” 国家科技攻关专题“高速铁路无碴轨道设计参数的研究” 中，提出了适用于高速铁路桥梁、隧道中的三种无碴轨道型式 (长枕埋入式、弹性支撑块式和大板式)及其设计参数，随后完成了对三种结构型式实尺模型的各种性能试验和铺设，并在相关工程中应用。在秦岭I线隧道中铺设了18．4 km 的弹性支撑块式无碴轨道；在秦沈客运专线中，沙河桥铺设了692 in长枕埋入式无碴轨道，狗河桥和双河桥分别铺设了74l in、740 in板式无碴轨道。同时，提出了秦沈线无碴轨道设计技术条件、施工技术细则和无碴轨道工程质量检验评定标准，为高速铁路铺设无碴轨道创造了一定条件。
4 我国客运专线应大力发展无碴轨道
4.1 无碴轨道与有碴轨道维修比较
日本对运营了20年的山阳新干线板式轨道历年各项作业的维修费用进行了统计，并与有碴轨道作了比较，见图11。由于板式轨道线路的维修项目减少，且轨道几何状态稳定，故维修作业量明显减少，为新干线旅客运输提供了安全可靠、平顺、高质量的轨道，实现了少维修和维修费用大幅度降低的目标。
德国铁路采用轨道质量指数Q值来综合评价轨道高低、水平、方向等平顺状态。新线的轨道质量指数Q值应在30以下，而在运营线上，当质量指数Q值超过100就必须进行修理。图12和图13分别表示隧道内和土质路基上无碴轨道与相邻的有碴轨道5年间Q值变化的比较。很明显，无碴轨道的质量指数Q值在5年内均保持良好水平，且变化很小，实现了线路少维修。
4．2 无碴轨道与有碴轨道经济比较无碴轨道的造价高于有碴轨道。
但由于无碴轨道结构具有高度低、每延米重量轻的特点，可使桥梁、隧道结构物的建设费用降低。此外，采用无碴轨道结构，还可大大减少工务综合维修工区的设置和大型养路机械的配备。
(1) 日本板式轨道。
日本板式轨道初期造价基本上控制在有碴轨道的2倍以内，大规模应用后，其造价明显下降，约为有碴轨道的1．3～1．5倍，但维修费用明显减少。据有关部门统计，山阳新干线16年的平均维修费用仅为有碴轨道的18％，东北新干线9年的平均维修费用为有碴轨道的33％。无碴轨道多投资的差额约在10年(桥隧结构上)～12年(土质路基上)内可得到偿还(不计对运营的影响)。
(2)Rheda型无碴轨道。
据德铁有关资料介绍， 有碴轨道的造价为800 DM：／m，沥青混凝土底座上的无碴轨道为1000DM／m，混凝土底座上的Rheda型轨道为1 400DM／m，无碴轨道的造价为有碴轨道的1.3～1.7倍。而有碴轨道的年维修费用约为3 000DM／km ，无碴轨道则很少。德铁分析认为，在新线建设中采用无碴轨道，可使线路设计的总建筑高度和宽度有所减少，有利于减少隧道和桥梁结构的断面。因此，新线建设的综合造价将趋于合理。
(3)我国无碴轨道。
最近两年我国铁路在西康线秦岭I线隧道、秦沈客运专线分别铺设了弹性支撑块式、长枕埋入式和板式无碴轨道。与有碴轨道造价相比，初步分析为：弹性支撑块式为1．9倍，长枕埋入式为2．35倍，板式为3倍。无碴轨道铺设长度短，首次试铺、机具及材料造价高、施工效率低是预算价格高的主要原因。此外，秦沈客运专线使用的道碴与普通线路使用的道碴采用同一标准，均为TB／T2 140-90 铁路碎石道碴》标准。而客运专线使用的道碴与既有线相比，在道碴级配方面、道碴颗粒形状方面、道碴清洁度方面、特别是道碴材质方面做了很大的改进和提高。因此，客运专线沿线道碴资源将受到限制，道碴成本将大大提高。因此，对于客运专线，有碴轨道与无碴轨道相比，建设成本差别会进一步缩小。
4．3 建议
客运专线无碴轨道与有碴轨道的技术、经济比较，已经有了初步的结论，无碴轨道已成为客运专线的发展趋势。在天津“暂规”国际咨询中，德国、法国、日本三个国家都建议：在客运专线桥梁、隧道中应采用无碴轨道结构。德国明确提出：鉴于客运专线道碴液化和粉化对轨道维修及运营的干扰，建议250 km／h以上的客运专线应全部采用无碴轨道结构。
无碴轨道是一个系统工程，我国无碴轨道铺设的数量少、时间短，尚缺乏设计、施工与运营经验。围绕着一些关键技术问题，如路基地段特殊地质和土的处理、施工有关技术与标准，大跨度梁的徐变上拱和梁端转角控制，隧道基底和仰拱结构，轨道结构刚度的合理匹配，扣件系统和无碴轨道的绝缘措施等，要通过国内外联合设计、试验段的建设和相关试验认真研究解决。
建设客运专线，是我们铁路人孜孜以求的夙愿，是实现铁路跨越式发展的重要标志，是实现中国铁路现代化的重要内容，意义极其重大。实现一流的工程质量、一流的装备水平、一流的运营管理，需大力发展无碴轨道。
