轮轨系统轨道结构分析

轮轨系统的轨道结构主要包括有砟轨道和无砟轨道两种形式。有砟轨道一般由钢轨、轨枕、联结零件、道床、道岔及其他附属设备组成[图4-1（a）]。无砟轨道则以轨道板代替传统道砟而构成的道床[图4-1（b）]。

有砟轨道的优点是弹性好，具有较好的轮轨效应，维修较方便，造价相对较低；缺点是线路状态保持能力较差，道床养护维修工作量较大。因此，我国客运专线铁路因行车速度快、行车密度高而更多地采用稳定性好、平顺性高、维修工作量少的无砟轨道形式，尽管其建设成本高于有砟轨道。

（一）钢轨

钢轨的功用在于引导轨道交通列车的车轮，直接承受来自车轮和其他方面的力并传递给轨枕，同时为车轮的滚动提供小阻力的表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼作轨道电路。

图4-2所示是我国轨道交通的钢轨标准断面，呈“工字形”，由轨头、轨腰和轨底三部分组成。大而厚的轨头，具有与车轮踏面足够的接触（支承）面积，提高抵抗压陷和耐磨能力；宽底式轨底，可保持钢轨稳定和必要的刚度，并便于扣紧在轨枕上。习惯上用每延米钢轨的质量来称呼不同等级的钢轨，我国常用的钢轨质量等级有50kg/m，60kg/m，75kg/m。对于60kg/m的钢轨，H=176mm，B=150mm。

轨道设计规范对钢轨的选用有如下要求：

（1）类型。高速、城际和客货共线Ⅰ级铁路以及城市轨道交通正线应采用60kg/m的钢轨；重载铁路正线应采用60kg/m及以上的钢轨。

图4-1　轮轨系统的轨道结构组成

图4-2　钢轨标准断面示意图

b—轨头宽度； B—轨底宽度； H—钢轨高度。

（2）长度。我国的定尺长钢轨有100 m，75 m，25 m和12.5 m等4种。无缝线路60 kg/m的钢轨宜选用100 m定尺长钢轨；75 kg/m的正线钢轨宜选用75 m或100 m定尺长钢轨；有缝线路宜选用25 m定尺长钢轨。

（二）轨枕

轨枕的功用是支承和固定钢轨，保持轨距和方向，并将钢轨对它的各种压力传递到道床上。因此，轨枕必须具有坚固性、弹性和耐久性。图4-3所示是有砟轨道结构中常用的Ⅱ型钢筋混凝土轨枕。

（三）联结零件

钢轨联结分为中间联结和接头联结两类。

1.中间联结

中间联结为钢轨与轨枕之间的联结，通常称为扣件。扣件的功用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止钢轨相对于轨枕的纵、横向移动，并防止钢轨倾翻。为此，扣件应具有足够的强度、耐久性及一定的弹性，能长期保证钢轨与轨枕的可靠连接，并在动力作用下充分发挥其缓冲及减振性能，以减缓线路残余变形累积的速度。此外，中间联结本身应构造简单，易于装配及卸除。

图4-3　Ⅱ型钢筋混凝土轨枕示意图　（单位：mm）

图4-4所示是铁路和城市轨道交通常用的弹条Ⅰ型调高扣件。它由螺纹道钉、螺母、弹条、轨距挡板、挡板座、平垫圈、橡胶垫板、调高垫板等组成。调高垫板的材料为胶合竹木，调高量可达20mm。随着混凝土轨枕的改进，我国随后客货共线铁路推广使用扣压力更大、强度安全储备大、残余变形更小的改进型弹条Ⅱ型或Ⅲ型扣件。对于线路设计速度在250km/h及以上的高速铁路，更适合选用弹条Ⅳ型和Ⅴ型扣件。

图4-4　弹条Ⅰ型调高扣件

2.接头和接头联结

一定长度的钢轨连接成连续的轨线才能供列车运行，在两根钢轨之间用接头夹板联结。城市轨道交通中，由于行车、环境以及舒适度的要求，采用无缝线路，因此钢轨接头的使用大为减少。但在缓冲区、轨道电路绝缘区、道岔区等地段仍有接头。

（1）接头方式。按两股钢轨接头相互位置分为对接和错接两种。我国铁路、城市轨道交通钢轨接头均采用对接方式[图4-5（a）]。其优点是运行中车轮同时冲击钢轨接头，可减少冲击次数，改善运营条件，列车运行平稳，铺轨时也有利于机械化施工。

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图4-5　钢轨接头方式

轨道交通的曲线地段因外股轨线比内股轨线长，如果铺轨时采用相同长度的钢轨，内外股钢轨接头必然错开。为使曲线上的钢轨接头能对接，需在曲线内股铺设一定数量的厂制缩短轨。

（2）接头联结零件。包括夹板、螺栓和弹簧垫圈等。

夹板是钢轨接头联结零件的主要部分，其作用是夹紧钢轨，通过螺栓等零件将两根钢轨牢固地联结起来。目前，我国标准钢轨采用斜坡支承型双头对称式夹板。其优点是在竖直荷载作用下，具有较大的抵抗弯曲和横向位移的能力。

接头螺栓、螺母是用来联结夹板、钢轨的主要配件，拧紧后使夹板与钢轨联结密贴牢固。弹簧垫圈是用来防止螺栓松动。我国目前采用高强度接头螺栓、螺母。钢轨每个接头安装6个螺栓。

为了使钢轨能随温度升降而伸缩，钢轨两端的螺栓孔，或做成长圆形，或做成大于螺栓直径的圆形。在无缝线路中，为了减小因温度变化而产生的钢轨内应力，通过对扣件设置合适的扣压力、在长钢轨接头处设置钢轨伸缩器等措施使钢轨接头处可以有较大的伸缩量而不影响列车安全行驶。钢轨伸缩器是将连接处的两个钢轨均做成角度很小的尖轨，它们在钢轨伸缩时能够合成支撑车轮的完整踏面。

（四）道床

道床是轨枕的基础，道床断面包括道床厚度、顶面宽度及道床边坡三个主要参数（图4-1），其主要功用如下：

（1）均匀传布轨枕荷载至较大的路基面上。

（2）提供纵、横向阻力，阻止轨枕纵、横向移动，保持轨道的正确位置，这对无缝线路尤为重要。

（3）使轨道具有必要的弹性及缓冲性能。在有砟轨道中，道床利用碎石颗粒之间存在的空隙和摩擦力，使轨道具有一定的弹性和阻尼，起到缓冲和减振作用。

（4）排水作用。路基因含水会使其承载力大大下降，因此，保证轨道通畅、排除地表水对减轻轨道的冻害和提高路基的承载能力非常重要。

（5）便于校正轨道几何形位。轨道高低不平顺可以通过捣固枕下道砟加以操平，轨道方向不平顺可以通过拨道予以拨正。

用作道床的材料应满足上述功能要求。在有砟轨道中，道床材料以质地坚韧、吸水度低、不易风化的碎石为好；为保持道床弹性、排水通畅以及便于捣固作业，道床石砟应具有一定的颗粒级配，面砟颗粒较细些，底砟颗粒较粗些。通常道床厚度为30～50cm，道床顶面宽度为300～310cm，道床边坡为1∶1.75～1∶1.5。

在无砟轨道中，用混凝土板基础取代传统轨道中的轨枕和道床[图4-1（b）]。混凝土板基础不仅要考虑强度及变形要求，而且要考虑弹性及排水问题。通常采用由聚合物或水泥沥青混合物灌注的特制垫层作轨下基础，使其既有足够的强度和稳定性，又有一定的弹性，残余变形的累积甚小，可大大减少轨道的维修工作量。铁路轨道设计规范规定：高速铁路无砟轨道宜采用板式、双块式轨道形式；城际铁路无砟轨道宜采用双块式、板式结构形式，隧道内可采用弹性支承块式；客货共线铁路、重载铁路隧道内无砟轨道可采用弹性支承块式、双块式、轨枕埋入式等结构形式。京沪高铁采用的是CRTS（ChinaRailwayTrackSystem）Ⅱ型板式；郑西高铁采用的是CRTSⅡ型双块式。

城市轨道交通的轨道结构需要充分考虑其车辆轴重轻、运营速度低、行车密度大、牵引力分散、全程距离短、运营时间长、运营性质单一、线路穿越城市、留给轨道维修作业时间短等诸多因素，宜选用重型轨（如60 kg/m），铺设无缝线路。

随着行车速度的提高，轮轨间的动荷载会加速接头病害的扩展、道砟粉碎和轨道几何变形，客运专线铁路的轨道结构更需要具有足够的强度和稳定性。如正线轨道应一次铺设跨区间无缝线路，钢轨应采用100m长定尺的60kg/m钢轨；基础稳定的路基、桥梁及隧道等地段，宜铺设无砟轨道等。

（五）道岔

道岔是使机车车辆从一条线路转向另一条线路的轨道连接设备。常用的有普通单开道岔、对称道岔、三开道岔、复式交分道岔等。使用最多的是普通单开道岔（简称单开道岔）。这里以单开道岔为例，介绍道岔设备。

图4-6　单开道岔示意图

1.单开道岔构造

单开道岔主线为直线方向，侧线由主线向左（称左开道岔）或右（称右开道岔）侧分支。它由转辙器、连接部分、辙叉与护轨以及岔枕和联结零件等组成（图4-6）。

2.道岔号数选择

道岔号数为辙叉角余切的取整值，常用的道岔号数有9号、12号、18号等。号数越大的道岔，允许侧向通过的列车速度越大。例如，18号道岔的直向和侧向允许通过速度分别可达160km/h和80km/h，而12号道岔的直向和侧向允许通过速度分别只有120km/h和50km/h。

可动心轨道岔

为了满足铁路不断提速的要求，我国自行设计制造了多种提速道岔。如1996年研制出的60（kg/m）轨12号提速道岔（包括高锰钢整铸辙叉和可动心轨辙叉），客车直向允许通过速度为160km/h，货车为120km/h；1998年9月在京沪线（蚌埠段）铺设的60轨30号可动心轨高速单开道岔直向和侧向允许通过速度分别可达200km/h和140km/h