1.概述
京滬高速鐵路設(shè)計速度350 km/h，沿線廣泛分布軟土、松軟土，還存在大面積區(qū)域沉降和采空區(qū)，以及高架橋上道岔咽喉區(qū)等影響軌道設(shè)計的難點問題，本文對此進行初步探討。
2.無碴軌道鋪設(shè)地段
2.1 無碴軌道鋪設(shè)原則
高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)以無碴軌道為主要形式國內(nèi)外已形成共識?？紤]京滬高速鐵路沿線特殊性，無碴軌道鋪設(shè)地段按以下原則確定：
(1)凡沉降量滿足鋪設(shè)無碴軌道設(shè)計技術(shù)要求的地段，盡可能鋪設(shè)無碴軌道；
(2)對不良地質(zhì)(軟土、松軟土等)及斷裂帶、采空區(qū)等沉降難以控制的地段，要在綜合經(jīng)濟技術(shù)比較后確定；
(3)大型到發(fā)站、大跨度橋梁、沉降難以控制的漏斗區(qū)暫按鋪設(shè)有碴軌道設(shè)計。
2.2 京徐段無碴軌道鋪設(shè)地段研究
根據(jù)沿線工程地質(zhì)、路橋工點設(shè)計情況，對以下地段做重點研究。
2.2.1 大型車站道岔區(qū)
(1)北京南站道岔區(qū)
CK0+000-CK4+102段位于北京南站咽喉區(qū)的道岔群以及玉泉營特大橋800 m半徑曲線(含60rn+110m+60m大跨連續(xù)梁)，區(qū)間最高運行速度120km/h。本段范圍按有碴軌道設(shè)計。
(2)高架車站道岔區(qū)
華苑站為高架車站，按目前設(shè)計兩端咽喉區(qū)計20組18號道岔，2組58號道岔位于橋上。橋上鋪設(shè)無縫道岔在國際上鮮有先例，在滬寧段、京寧段工程設(shè)計國際咨詢中，法國SYSTRA公司、德國DE-C公司分別對由國內(nèi)聯(lián)合設(shè)計組完成的高架車站有碴軌道道岔區(qū)無縫線路和橋梁設(shè)計方案進行了咨詢，但均未解決橋上道岔群無縫線路和橋梁設(shè)計難題。DE-C公司咨詢意見認為，若鋪設(shè)無碴軌道，由于道岔對橋梁變形要求非常嚴格，系統(tǒng)工程技術(shù)方案解決難度極大。本段范圍暫按有碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.2.2 地質(zhì)不良地段
(1)煤礦開采及采空區(qū)
在CK645+850一CK649+600段穿過韓臺煤田大興井田，并從張山子煤礦、北莊煤礦(原張山子一礦)東部經(jīng)過，可能產(chǎn)生地面變形，考慮到對煤礦開采情況掌握、對開采的控制及沉降預(yù)測的難度較大。
(2)巖溶發(fā)育地區(qū)
在CK654+456一CK657+800段范圍，巖溶弱發(fā)育一中等發(fā)育，巖溶類型主要有：巖石表面沿裂隙發(fā)育溶溝、溶槽；河流發(fā)育徑流作用強烈和巖石破碎地區(qū)形成溶蝕裂隙和洞穴。鉆探揭露的溶洞縱向最大直徑約10．4 m，且半充填及未充填洞穴較多，有發(fā)生地面變形的可能性。
以上地段及所夾中間地段按有碴軌道設(shè)計。
2.2.3 大跨度橋梁
CIK406+919一CIK411+768為黃河橋范圍，黃河主橋采用(112+3×168+112)m大跨度的鋼梁橋，主橋跨度過大，梁端轉(zhuǎn)角過大，橋梁變形不易控制。本段范圍按有碴軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計。
2.2.4 區(qū)域地面沉降地段
北京至濟南段地處華北平原，沿線經(jīng)過的大部分地區(qū)都不同程度存在地面沉降問題，其中以廊坊、天津、滄州、德州地區(qū)最為嚴重。由于地下水的開采主要集中在城區(qū)附近，因此，地面沉降的中心一般也都在市區(qū)及附近。從收集到的資料來看，京滬高速鐵路CK212+000～CK225+000段地面年沉降量為50-100 mm，其中以CK218+000附近年沉降幅度最大，約為100 mm。該段線路縱向坡度年最大變化為0.02‰，橫向坡度變化微乎其微。從以上數(shù)據(jù)來看，對高速鐵路的運營不會造成直接影響。
但處于過量抽取地下水而導(dǎo)致地下水水位大幅下降的地區(qū)，如果長期得不到補償或難以減緩，勢必造成黏性土的壓縮變形和不斷發(fā)生地面不均勻沉降，嚴重時會發(fā)生地面變形的突變。
沿線的區(qū)域性地面沉降主要是由地下水的超量開采引起的，要防止地面沉降進一步發(fā)生，危害高速行車安全，應(yīng)采取嚴格控制地下水開采、適當(dāng)增加人工回灌等合理措施。
設(shè)計上應(yīng)采用大調(diào)高量扣件、選用可修復(fù)性強的無碴軌道結(jié)構(gòu)型式。對于沉降超過預(yù)測的橋梁地段，通過調(diào)高支座進行調(diào)節(jié)。工程施工期間進行觀測，達到鋪設(shè)無碴軌道要求的沉降條件才能進行軌道施工。高速鐵路建成后，應(yīng)設(shè)長期觀測標志，布設(shè)地面沉降監(jiān)測點，長期定時監(jiān)測，及時掌握地面沉降的發(fā)展情況，防止地面沉降危害高速鐵路安全。通過采取上述有力措施，可按無碴軌道設(shè)計。
3.無碴軌道結(jié)構(gòu)類型
世界各國鋪設(shè)的無碴軌道多種多樣，除大力發(fā)展無碴軌道技術(shù)的日本、德國外，其他歐美國家如瑞士、英國、法國等也鋪設(shè)了多種軌道結(jié)構(gòu)。
3.1 結(jié)構(gòu)類型
高速鐵路技術(shù)先進的德國、日本采用的無碴軌道主要類型見表1。
其中，日本新干線板式軌道應(yīng)用最為廣泛，設(shè)計、施工及養(yǎng)護維修等系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，累計鋪設(shè)里程達2700多km；德鐵批準上道的無碴軌道有6種：Rhe-da、ZaBLIN、ATD、Getrac、BERLIN和Bt-GL。在鋪設(shè)的660 km無碴軌道(含80多組道岔區(qū))中，Rhe-da型軌道(含Rheda2000型)約占一半以上；BtiGL在紐倫堡至英戈爾施塔特新線(計劃于2006年開通)長度為35雙線km北標段鋪設(shè)，目前已完工。據(jù)悉，在近期完成的200 km/h以上動車組實車試驗中，BttGL軌道測試結(jié)果非常理想。
3.2 不同無碴軌道技術(shù)特點
由日本、德國無碴軌道應(yīng)用情況可以看出，高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)型式多種多樣，根據(jù)各自國情或軌道承包商技術(shù)特點，日本大量應(yīng)用預(yù)制混凝土板式軌道(含平板型、防振G型、框架型等)；德國大量應(yīng)用現(xiàn)澆混凝土式無碴軌道(如Rheda(傳統(tǒng)型、Rheda2000型、岔區(qū)Rheda型)、ZaBLIN等)，并正式鋪設(shè)了預(yù)制混凝土板式軌道(Bt~GL型)。
根據(jù)國外無碴軌道技術(shù)資料，結(jié)合我國科研成果和工程實踐經(jīng)驗，預(yù)制混凝土板式、現(xiàn)澆混凝土式無碴軌道技術(shù)特點分析見表2。
由表2可知，不同無碴軌道結(jié)構(gòu)具有鮮明的技術(shù)、經(jīng)濟特征，應(yīng)針對京滬高速鐵路不同區(qū)段的具體工程條件合理確定無碴軌道結(jié)構(gòu)方案。
國內(nèi)鐵路無碴軌道研究始于上世紀60年代，曾試鋪過支承塊式、短木枕式、整體灌筑式整體道床以及瀝青道床、橋上無碴無枕軌道結(jié)構(gòu)。自上世紀90年代以來，我國成功開發(fā)了軌枕埋入式、板式和彈性支承塊式無碴軌道結(jié)構(gòu)，并在秦沈客運專線、西康線、渝懷線及贛龍線鋪設(shè)了試驗段。在秦沈客運專線3次大規(guī)模綜合試驗中，沙河等3座特大橋上無碴軌道技術(shù)性能良好，試驗圓滿成功。上述工程為我國無碴軌道技術(shù)發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
2004年12月，鐵道部先后決定在遂渝、武廣、鄭西及京津城際等線路設(shè)立無碴軌道綜合試驗段，采取自主研發(fā)或中外聯(lián)合設(shè)計的方式，進行系統(tǒng)的試驗研究。目前，各試驗段正在實施。
3.3 無碴軌道結(jié)構(gòu)方案
綜合考慮國內(nèi)外不同無碴軌道技術(shù)特點和國內(nèi)無碴軌道研究與試驗的實際情況，京滬高速鐵路基礎(chǔ)穩(wěn)定的區(qū)間線路橋梁及隧道地段成段鋪設(shè)質(zhì)量易于控制、施工進度較快的板式軌道；噪聲振動影響敏感地段采用減振型板式軌道；路基地段采用雙塊式無碴軌道；道岔區(qū)段采用軌枕埋人式無碴軌道。
4.需要進一步研究的問題
(1)無碴軌道選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化
根據(jù)國外經(jīng)驗，無碴軌道結(jié)構(gòu)形式一般都基于室內(nèi)模型試驗、小規(guī)模試驗鋪設(shè)、至少5年以上的運營考驗和技術(shù)經(jīng)濟評估后確定。結(jié)構(gòu)形式的選擇在確保高速列車運行安全和舒適性的同時，必須考慮規(guī)模鋪設(shè)后的經(jīng)濟性。鑒于不同軌道結(jié)構(gòu)直接影響路基、橋梁、信號、接觸網(wǎng)等系統(tǒng)工程設(shè)計，應(yīng)對不同無碴軌道結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計進行系統(tǒng)研究(如軌道結(jié)構(gòu)剛度的合理匹配、無碴軌道結(jié)構(gòu)與信號系統(tǒng)適應(yīng)性研究、不同無碴軌道結(jié)構(gòu)減振降噪研究及無碴軌道扣件系統(tǒng)研制等)，以便為形成我國無碴軌道技術(shù)標準積累經(jīng)驗。
(2)道岔區(qū)無碴軌道設(shè)計
道岔區(qū)無碴軌道涉及多組高速道岔，其關(guān)鍵技術(shù)包括：高速道岔結(jié)構(gòu)設(shè)計、與道岔結(jié)構(gòu)相應(yīng)的無碴道床設(shè)計、道岔區(qū)扣件系統(tǒng)設(shè)計及信號系統(tǒng)設(shè)備安裝等。
目前，我國客運專線用道岔正處于研制或引進階段。應(yīng)結(jié)合有關(guān)高速道岔研制(引進)工作，針對岔區(qū)無碴軌道關(guān)鍵技術(shù)開展中外聯(lián)合設(shè)計，一并解決道岔區(qū)無碴軌道問題。
(3)無碴軌道對線下基礎(chǔ)技術(shù)要求研究
高速鐵路對軌道高平順性的要求給鋪設(shè)無碴軌道的線下基礎(chǔ)設(shè)計帶來了許多新的課題，如預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的徐變上拱、荷載作用下的梁端轉(zhuǎn)角(橋間過渡)、墩臺基礎(chǔ)的不均勻沉降、梁體上下緣不均勻溫差、隧道合理的襯砌結(jié)構(gòu)、隧道基底承載力、土質(zhì)路基地質(zhì)勘察和沉降控制以及不同結(jié)構(gòu)物和不同軌道結(jié)構(gòu)間過渡段設(shè)計等，應(yīng)結(jié)合無碴軌道選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作，以系統(tǒng)工程的理念，對不同線下基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)要求及控制措施進行深入研究。
5.結(jié)語
筆者僅對京滬高速鐵路軌道設(shè)計中的幾個問題做了初步探討，隨著設(shè)計工作的深入和開工建設(shè)，軌道設(shè)計將面臨更多需要解決的問題。期望通過幾個項目中外聯(lián)合設(shè)計及綜合試驗和國內(nèi)進行的幾種形式的無碴軌道試驗，建立起我國的無碴軌道技術(shù)體系。
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