大国重器：高速铁路技术横扫全球

高速铁路线路的组成与普速铁路基本相同，但由于高速铁路要求高速度、高舒适性、高安全性等，为了达到以上要求，在线路技术方面，采用道床和路基强化技术、无砟轨道技术、跨区间超长无缝线路技术等，提高了轨道平顺性、刚度均匀性，减少了维修工作量，保证了高速行车安全，满足了旅客舒适度的要求。同时，为了解决与既有公路、道路立体交叉，节约宝贵的土地资源，减少拆迁工程量，控制无砟轨道铺设完成后的沉降，视地形、地貌、地质情况，采用高架线，以桥代路。

1.平纵断面

高速铁路线路采用全封闭、全立交，线路两侧按标准进行栅栏封闭。最小曲线半径根据不同的区间，因地制宜、合理选用：200 km/h客运专线，一般为2 200 m；250 km/h区间，有砟轨道一般为3 500 m，无砟轨道一般为3 200 m；300 km/h区间，有砟轨道和无砟轨道均为5 000 m；350 km/h区间，一般要求7 000 m，最大曲线半径为12 000 m。高速铁路由于具有功率高、速度快的特点，运营时可以为动车组爬坡提供强劲的动能，所以允许采用较大的坡度值。高速铁路区间正线的最大坡度为20‰，困难地段达到30‰，动车组走行线的最大坡度可达35‰。高速铁路线路的相邻坡度差大于1‰，应设置竖曲线。竖曲线一般采用圆曲线形，且竖曲线最小长度不小于25 m，竖曲线半径不得小于15 000 m，允许速度大于200 km/h的地段，竖曲线半径不得小于20 000 m，但最大不大于40 000 m。

2.轨道结构要求

高速铁路轨道结构和普速铁路轨道结构一样，是由钢轨、轨枕、扣件、道床等组成的。由于列车对轨道结构的作用力与速度密切相关，所以要求高速铁路的结构具有足够的强度和稳定性。中国高速铁路正线及到发线轨道采用一次铺设跨区间无缝线路，正线钢轨采用100 m长定尺的60 kg/m钢轨，并焊成无缝线路。高速铁路有砟轨道使用钢筋混凝土轨。为减少轨道变形，增大强度，高速铁路有砟轨道还采用双块式钢筋混凝土轨。双块式钢筋混凝土轨的要点是横向有4个受力点（单块只有2个），增加了稳定性，而造价却比单块式减少20%。中国高速铁路有砟轨道采用弹条型扣件，无砟轨道使用W-7型、W-8型扣件。高速铁路道岔按通过道岔的股道方向可分为直向高速道岔、直向和侧向均可高速通过的高速道岔两类。其中，直向高速道岔与普通单开道岔的长度及叉角没有大的差别。为保证列车直向通过道岔的速度与区间线路一致，只是从局部改善道岔的几何形状、强化结构的强度、增强稳定性，以延长使用寿命。按《铁路技术管理规程》（高速铁路部分）规定，正向的直向通过速度不小于路段设计行车速度。直向和侧向均可高速通过的高速道岔应用于新建高速铁路线路上，可满足高速列车侧向通过时对运行的安全性和舒适性的要求，一般在区间的单渡线和高速联络线上使用。高速铁路道床分为有砟轨道和无砟轨道两种。新建300 km/h及以上铁路、长度超过1 km的隧道及隧道群地段，可采用无砟轨道。其中，高速铁路有砟轨道正线应采用特级碎石道砟。道床应有足够的厚度，以减少路基所受的压力和振动，保证路基顶面不发生永久性变形；无砟轨道是以混凝土或沥青混合料等取代散粒道砟道床而组成的轨道结构形式，其具有平顺性高、刚度均匀性好、轨道几何形位能长久保持、维修工作量显著减少等特点。

3.中国高速铁路线路的技术创新

在高铁路基施工中，中国铁路攻克了地基处理、路基填筑、边坡防护、沉降变形观测评估等关键技术难题，研发了施工装备，形成了成套施工工艺。针对不同的地质条件，选用了强夯、搅拌柱、旋喷桩、岩溶注浆、挤密柱、CFG桩（水泥粉煤灰碎石柱）筏板复合地基等不同方法，相继解决了武广高铁岩溶、郑西高铁湿陷性黄土、哈大高铁防冻胀等技术难题，地面沉降得到有效控制。

钢轨和道岔轨件是通过扣件系统与轨枕相连的。扣件系统一般由弹条、螺栓、绝缘块、橡胶垫板等零部件组成。扣件除了固定钢轨、约束其纵横向位移的作用外，还有小幅度调整钢轨空间位置、恢复线路平直度和平顺性的作用。对无砟轨道而言，由于用混凝土或沥青混合料等整体道床取代传统散粒道砟道床，这使得原本由“道砟+扣件”提供的轨道弹性基本上全都由扣件提供。所以无砟轨道扣件系统的另一主要功能是提供系统的弹性，弹性是通过橡胶垫板来实现的。

高速列车除了在区间运行，还要根据运营需求实现停站交会、超车等功能，这就需要设置线路的另一关键设备——道岔。道岔是列车从一线路转入或越过另一线路的线路交叉设备。高速道岔是指直向允许通过速度为250 km/h 及以上的铁路道岔，其中侧向允许通过速度为 160 km/h 及以上的高速道岔被称为侧向高速道岔。高速道岔由尖轨和转辙器、连接、辙叉和护轨三部分组成。高速道岔采用可动心辙叉，通过扣件系统、限位器、间隔铁等坚实的纵向力传递结构，满足跨区间无缝线路铺设需要。采取缩短轮载过渡段长度和合理设置尖轨、心轨顶面降低值等方式，可以保证列车过岔时轮对的平稳过渡。在生产过程中采用全数控高精度铣床，对钢轨件进行机加工，大幅度提高了钢轨件的平直度，并通过将铁垫板和橡胶垫板的硫化，实现了两者的有效结合，消除了轨下支撑铁件和弹性元件间的空隙，使轨道刚度得到了更加精确的控制。中国的高速道岔研究采取自主创新与技术引进相结合的方式进行，按技术类型分为中国自主研发的高速道岔系列（客运专线系列）、中德合资生产的高速道岔系列（CN系列高速道岔）、引进法国技术的高速道岔系列（CZ 系列高速道岔）。高速铁路选型上采用大号码道岔，如 18 号、42 号、62 号等。这里的道岔号数是指道岔的辙叉号数。辙叉号数由辙叉尖端夹角余切值来表示，即辙叉跟端长度与跟端支距的比值，辙叉转向角度越小，侧向通过列车的速度就越高。道岔号数越大，尺寸越大，过渡越平顺。为提高列车车轮通过辙叉部分的平顺性，高速道岔的辙叉普遍采用可动心轨辙叉。为防止冬季线路积雪影响道岔正常工作，高速道岔设有专门的监测系统及道岔融雪装置。

道床是轨道框架的基础。中国设计300 km/h及以上高速铁路主要采用无砟轨道，设计200～250 km/h的高速铁路主要采用有砟轨道。有砟轨道是铁路的传统结构，随着行车速度的提高，维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。据德国高速铁路统计资料，当行车速度达到 250～300 km/h 时，其线路维修费用约为行车速度 160～200 km/ h时的 2倍。日本对高速铁路桥上的有砟轨道与无砟轨道维修费用进行的统计分析表明，有砟轨道线路维修费用比无砟轨道高 111%。无砟轨道初期造价高，但它具有使用寿命长、保持线路稳定状况好、维修工作量小等优点，因此在高速铁路发展进程中获得了越来越广泛的应用。

普速铁路为有砟轨道，道床采用枕木下面垫碎石，其优点是建设费用低、建设周期短，容易修复；缺点是随着列车速度的提高，有砟轨道会不断出现轨道变形、道砟磨损粉化以及道砟飞散，导致线路维修频繁。

针对有砟轨道的缺点，伴随着高速铁路的兴起，无砟轨道应运而生。无砟轨道顾名思义即不用道砟，它是混凝土或沥青混合料。无砟轨道——整体混凝土结构是“精髓”。要保障铁路高速、平稳、安全地运营，无砟轨道成为一种理性的选择。德国、日本等国家的高速线路都以无砟轨道为主，日本新建铁路的无砟轨道铺轨里程已超过80%，德国新建高速铁路的无砟轨道也占据了线路总长的 70% 以上。所以，中国新建时速 300 km 以上的高铁客运专线时，基本全部采用板式无砟轨道。无砟轨道是用整体混凝土结构代替轨枕和碎石道床的结构，钢轨直接铺在钢筋混凝土板上，通过高强度的弹条扣件与轨道板衔接，将它们“扣”在一起，这样就可以减少维修次数，使用寿命长达 60年。无砟轨道其实很早就出现了，早在1840年的英国大西铁路上就开始使用。在漫长的历史沿革中，无砟轨道家族先后出现过连续钢筋混凝土轨道、预应力钢筋混凝土轨道、梯形轨道、连续纵向支撑轨道、内嵌式板式轨道等多种类型。德国在1959年便开始了无砟轨道的研究，首先在希尔赛德站试铺了 3种轨道结构，1977年又在慕尼黑试验线试铺6种。日本在1968年开始研发RA型板式轨道并大规模推广应用。英国从1969年开始研发无砟轨道，1973年开始推广应用，主要品牌是整体浇筑式无砟轨道（PACT）。法国研发的产品主要是弹性支撑块式无砟轨道。

中国早在1965年就在长大山岭隧道内大量试用混凝土整体道床，主要有支承块式、短木枕式等，20 世纪 80 年代又被有砟轨道取而代之。到了 20世纪 90 年代，针对高速铁路，工程师们提出了板式等无砟轨道结构形式，并进行试铺试验。2004 年，中国在遂渝铁路开展了成区段的无砟轨道综合试验，研究解决不同类型无砟轨道结构、扣件、道岔、施工工艺等关键技术问题，取得了可喜的科研成果。从2006年开始引进消化吸收再创新国外先进的无砟轨道技术，经过十多年的研发，逐渐形成了具有自主知识产权的板式无砟轨道（CRTS）系列品牌，如图 2.2所示。中国的无砟轨道可以按照“地段”进行区分，比如在高铁正线使用的是CRTS系列板式无砟轨道；在道岔区，就用岔枕埋入式无砟轨道；进入车站站线，就用双块式无砟轨道（早期客专正线也采用双块式无砟轨道，如郑西高铁）。无砟轨道看起来很简单，就是将钢轨铺在一个高强度混凝土板上。其难点与核心技术在于轨道板生产要求精确度极高，打磨精度为 0.2 mm。轨道板从工厂预制到打磨，再到现场浇筑混凝土底座，精确定位铺设轨道板。通过特殊配置的水泥砂浆将轨道板与底座粘合，最后用扣件将钢轨固定在轨道板上，每个环节都要求严格控制各部件的精确度和制造质量，形成平顺、稳定、安全、耐久的高速铁路无砟轨道。京沪高铁全线共计铺设了407万块Ⅱ型轨道板，为了保障高速列车平稳运行，每块轨道板都编有“身份证”，在工厂内预制时编号都对应特定的线路平面及高程信息。现场施工时根据每块板的“身份证”号，实现轨道板的精确铺设。

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图2.2　无砟轨道

无砟轨道单元式结构受温度影响较小，一般轨道板长度为5～7 m，底座为15～20 m，轨道结构裂缝控制相对较好。而纵连式结构，因受温度影响较大，设计时温度荷载是它的主要荷载。它的结构整体性相对较好，需要解决单元轨道板间连接、连续结构端部纵向限位等关键设计，不过它后期出现“病害”的可能性相对较大。无砟轨道是采用混凝土沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构，轨枕和道床融入一体，结构整体性和稳定性大大提升，视觉上也更整洁美观。中国高速铁路无砟轨道结构总体上分为两大类，即预制板式无砟轨道和现浇混凝土式无砟轨道。其中预制板式无砟轨道分为CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型和道岔区板式 4 种；现浇混凝土式无砟轨道分为CRTSⅠ型、CRTSⅡ型双块式和道岔区轨枕埋入式 3 种。

CRTSⅢ型板式无砟轨道——中国高铁轨道建设的“大方向”。CRTS Ⅲ型板式无砟轨道是中国自主研发具有完全知识产权的新型无砟轨道结构，也是今后高速铁路建设的主要无砟轨道结构形式。CRTSⅢ型板式无砟轨道具有较高的稳定性和耐久性，建成后维修工作量小。CRTSⅢ型板式无砟轨道是单元分块式结构；路基地段底座采用纵连结构，并在每块轨道板对应的板中位置伸缩假缝；在桥梁和隧道地段，底座板为分块结构。底座板在每块轨道板范围内设置两个限位挡台（凹槽结构），底座板与自密实混凝土层间设置中间隔离层。在中国500 km以上长距离高铁中，京哈高铁承沈段首次铺设中国具有完全自主知识产权的新型无砟轨道板——CRTSⅢ型板式无砟轨道板。这种轨道板不仅可以将铺设精度精确到0.5 mm以内，更在内部埋入了可识别电子标签，使轨道板第一次拥有了“身份证”。如此一来，不仅提高了生产效率，更加强了质量管理，所有轨道板的设计、生产、铺设、精调运维等全过程都以物联网链接，实现了全生命周期管理。铺设完毕的CRTSⅢ型板式无砟轨道板如图 2.3 所示。

图2.3　铺设完毕的CRTSⅢ型板式无砟轨道板

中国铁路还建立了高速铁路勘测设计、施工、运营维护“三网合一”的精密测量控制网，实现了无砟轨道工程化、规模化、标准化应用；研制了高速钢轨、扣件、道岔和钢轨伸缩调节器以及轨道施工成套装备，形成了具有中国特色的高铁无砟轨道设计、制造与施工成套技术。

中国高铁为无缝线路，即把钢轨焊接成没有缝隙的长轨条。以京沪高铁为例，1 318 km 长的钢轨没有一个接缝。施工时首先将生产的100 m定尺长钢轨焊接成500 m，运到现场后焊接为2 km长，最后再将相邻 2 km 长的钢轨焊连起来，形成无缝线路。普速铁路主要采用标准长度为25 m的钢轨，留有十几毫米的轨缝，以防止钢轨热胀冷缩。无缝线路采用能承受气温变化的高强度钢轨，并用高标准扣件锁定钢轨，避免钢轨热胀冷缩。高速列车运行在无缝线路的钢轨顶面，保证了行进的平顺，减少了对轨道部件的伤损，大幅减少了养护维修。无缝线路能节省 15% 的维修费用，延长 25% 的钢轨使用寿命，旅客乘车中不再有车轮通过钢轨缝隙时发生的“咔哒”噪声。

【小知识】 高铁建设对钢轨的安全性能、钢质纯净度、平直度等要求高，而国产钢轨由于生产设备和工艺落后，钢质不够洁净，平直度差，定尺长度仅25 m，难以满足高铁高平顺的要求，与法国进口钢轨比，存在较大的差距。进口国外钢轨不仅价格高，而且运输困难。铁科院周清跃研究员 2001 年主持完成的《秦沈客运专线综合试验段进口及国产钢轨试验研究》，提出了高铁钢轨自主研发的系统方案。周清跃率领创新团队历时7年，展开了一场国产高铁钢轨成套技术自主创新的攻坚战。他深入钢厂推进钢厂技术改造，采用精炼、精轧、精整、长尺化等现代化生产技术。在铁路与冶金行业的共同努力下，攀钢于2004年12月生产出中国第一根百米定尺钢轨，鞍钢、包钢、武钢也相继完成技术改造，钢轨生产质量与设备工艺，均达到国际先进水平。周清跃率领团队科研攻关，攻克钢轨焊接难题，优化了钢轨焊后热处理工艺，成功解决了高铁钢轨的自主研发、生产及相关配套技术问题。高铁建设全部使用具有完全自主知识产权的国产钢轨，大幅度节约了建设资金。

无缝长钢轨是由5根100 m长的钢轨在焊轨基地焊接成一根500 m长的钢轨，运到铺设现场后再焊接而成。长钢轨的焊接工艺复杂，科技含量高。焊接一根500 m长的钢轨，首先要对钢轨母材几何尺寸、表面伤损进行检测，然后经过除湿除锈、焊接、粗磨、正火、钢轨时效、精校直、精铣、接头探伤、接头平直度检测等10多道工序，最后经检测合格后才能出厂。

钢轨在焊接前存放在堆场上，它们都有独一无二的条形码，这是钢轨的“身份证”。检测：焊接之前，要对钢轨进行十多项检查，合格后才能焊接；配轨：钢轨有不同的焊接参数，只有配轨到参数相同才能焊接；焊接：焊接机将两根钢轨迅速融为一体，最高温度超过 1 000 ℃；打磨：焊接后的钢轨还要进行打磨；正火：打磨好后，要进行正火处理，增加韧性；精校直：正火处理后，还要上下左右精校直，再利用数控机床对焊缝精铣；探伤：对焊缝进行探伤，查看有没有伤损；成品：500 m的长钢轨堆放在成品场，等待运出焊轨基地。这些成为高铁列车平稳运行的“基石”。

500 m长的钢轨是如何运输到施工现场的？起吊一根长500 m、重30 t的长轨，需要36台龙门吊一齐出动，耗时10多分钟。运输长轨的车辆，由36节长度为12.5 m的平板车组合而成，500 m长轨挂靠在货车上运往铺设现场。

无缝线路如何应对热胀冷缩？普速线路设置轨缝主要是为了避免在温度升降时，钢轨伸缩在轨道中产生温度力，如果温度变化 50 ℃，没有轨缝的钢轨，就将承受高达 100 kN 的力，足以将钢轨顶得七扭八歪。

无缝线路为啥不怕热胀冷缩呢？原来，无缝线路主要利用强大的线路阻力来锁定轨道，限制钢轨的自由伸缩，通过合理确定锁定温度，采用高标准的扣件、轨枕和道床等轨道部件对钢轨进行约束，并用高强度钢轨来承受温度力。无缝钢轨的一个扣件需通过6万小时疲劳试验，能圆满应对轨道应力的难题。一根无缝钢轨应对的气候温差极大，极端情况下，一天之内高铁列车，要穿越雪山和沙漠，温差达 80 ℃，钢轨产生的应力惊人。铁路部门在施工中采取合理的工艺，运营过程中开展定期巡检、应力放散等手段，确保了无缝线路的使用安全。