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1、- 12 -特 别 策 划CHINESE RAILWAYS 2014/0330 t轴重重载铁路轨道结构技术创新与发展 张志方铁路主要技术政策要求“新建重载铁路设计速度不大于100 km/h，轴重不小于30 t，列车牵引质量万吨级及以上”。为研究发展30 t轴重重载铁路工务工程技术，结合山西中南部铁路通道工程建设，中国铁路总公司组织中国铁道科学研究院和中铁工程设计咨询集团有限公司等单位调研了国内外重载铁路轨道现状，系统开展了30 t轴重重载铁路钢轨、道岔、有砟轨道、隧道内无砟轨道关键技术攻关。通过研究，提出30 t轴重重载铁路有砟轨道、无砟轨道设计关键参数，研发了新型重载轨枕、扣件、重载道岔、无
2、砟轨道结构部件等，制定了相关暂行技术条件，初步建立了30 t轴重重载铁路轨道结构技术体系。1 国内外重载铁路轨道结构现状及发展1.1 国内外重载铁路总体现状世界各国铁路由于运营条件、技术装备水平不同，采用的重载列车运输形式和组织方式各有特点。国外重载铁路运输主要特点是轴重大、编组长、运量大、密度较小；我国既有重载铁路运输的主要特点是运量大、编组长、密度大、速度快、轴重较小。目前国内外运营重载铁路总体情况见表1。美国、加拿大、澳大利亚、南非、瑞典、巴西等国外重载铁路的轴重普遍达到30 t以上，最大轴重达到40 t，运输密度小，为养护维修提供了较为充足的时间；我国重载铁路最大轴重仅为25 t，运输
3、密度大，养护维修作业时间较少，不利于进一步提高重载铁路综合经济效益。从国际铁路发展趋势来看，提高轴重是重载铁路提高运输能力和运输效率最有效的途径之一。30 t轴重重载铁路轨道结构技术创新与发展张志方：中国铁路总公司科技管理部，高级工程师，北京，100844摘 要：论述国内外重载铁路总体现状和国内外重载铁路轨道结构现状及发展，以及新建山西中南部铁路通道概况。从有砟轨道、无砟轨道和重载道岔方面阐述和分析30 t轴重重载铁路轨道结构技术创新，提出我国30 t轴重重载铁路轨道结构技术发展思考。根据对30 t轴重重载铁路轨道结构体系的技术创新实践，提出加强对科研成果的总结和凝练，通过优化形成完善的30
4、t轴重重载铁路轨道结构技术标准体系等建议。关键词：30 t轴重；重载铁路；轨道结构；技术创新基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（2011G028-A，2011G028-B，2011G028-C，2011G028-D）。- 13 -特 别 策 划CHINESE RAILWAYS 2014/0330 t轴重重载铁路轨道结构技术创新与发展 张志方1.2 国内外重载铁路轨道结构现状及发展1.2.1 钢轨国外重载铁路主要采用68 kg/m及以上钢轨，我国大秦和朔黄铁路采用75 kg/m钢轨，大包铁路采用60 kg/m钢轨，国内外重载铁路车辆轴重和钢轨类型见表2。国外重载铁路采用适用于轮轨高接触应力的高
5、强度钢轨，并在钢轨养护中非常重视钢轨打磨及润滑，通过改善轮轨接触条件，降低轮轨动力作用，显著延长了钢轨使用寿命；我国近几年也开始重视改善重载轮轨关系，加强了对钢轨的打磨和修理，但因年运量较大，打磨周期普遍比国外长。从大包铁路钢轨伤损和养护维修工作调查表明，60 kg/m钢轨难以长期适应我国重载铁路运输发展的需要。1.2.2 轨枕、扣件与道床在世界重载铁路上，木枕、混凝土枕和钢枕都有采用。北美重载铁路以木枕为主，巴西重载铁路铺设大量钢枕，很多国家开始在重载铁路上采用混凝土轨枕代替木枕。国内外重载铁路混凝土轨枕主要参数见表3。世界各国主要根据轨枕结构形式、线路条件、运输条件等因素分别采用不同的扣件
6、型式以满足重载铁路需要。随着重载运输的发展，既有扣件伤损也不断增加，各国均在既有扣件使用经验基础上设计选用适合本国的强化型扣件。扣件结构向少维修结构发展，大部分结构采用预国家重载 铁路轨距/ mm轴重/t牵引 质量/t年运量/ 亿t钢轨/ （kgm-1）加拿大CP1 435303314 5000.968澳大利亚BHP1 43537.545 0001.068美国UP1 4353035.413 6002.568巴西EFC1 6003037.549 5001.068南非Orex1 0673022 0000.460中国大秦1 4352520 0004.075朔黄1 4352510 0001.875大包
7、1 4352510 0002.060国家主要重载铁路最大轴重/t牵引质量/t年运量/亿t美国UP、BNSF、CSX、 NS、KCS IC35.412 00030 0002.5加拿大DP、CN35.412 00020 0002.0澳大 利亚BHP、FMG4038 000 1.0 QR（昆士兰）258 000南非Orex3020 0000.35Rechard2620 0000.8巴西CVRD卡拉其37.530 000 0.8 维多利亚3015 000瑞典LKAB308 5000.3中国大秦2520 0004.4大包2510 0002.0朔黄2510 0001.8表1 国内外运营重载铁路总体情况表2
8、 国内外重载铁路车辆轴重和钢轨类型国家、地区、组织轴重/t类型每公里轨枕/根质量/kg长度/mm底宽/mm高度/mm北美（AREMA规定（2003）25以上整体式1 3161 960最大360最大2 740最大330最大250南非（米轨）30整体式1 5272802 200300233澳大利亚30ARTC标准1 500 2 500250最大250德国25B701 5872902 600300210B751 5873802 800330240B901 6663302 600320210意大利25整体式1 6664002 600300220俄罗斯25整体式1 7603502 700328200美国
9、（FAS吨试验线）35.4十字头式1 840 2 300单个600240UIC（CODE713规定）25整体式1 538 2 5002 600300200300中国251 7602702 500280235251 6673602 600304260表3 国内外重载铁路混凝土轨枕主要参数- 14 -特 别 策 划CHINESE RAILWAYS 2014/0330 t轴重重载铁路轨道结构技术创新与发展 张志方埋铁座抵抗横向荷载，以增大扣压件扣压力、提高扣压件弹性为技术发展方向。世界各国重载铁路逐渐使用优质道砟延长道床寿命和维修周期，并规定不得采用石灰岩道砟，同时采用级配较宽的道砟产品，以利于颗粒
10、间的咬合。我国大秦铁路重车线采用型混凝土轨枕，长度大于3 km的隧道铺设宽轨枕，桥上采用混凝土桥枕，扣件为弹条型扣件，轨枕板地段安装弹条型调高扣件，道床为碎石道床，石灰岩与玄武岩混砟道床。大包铁路采用型、型混凝土轨枕，扣件为弹条型，级玄武岩碎石道床，道床厚55 cm，部分桥梁地段道床厚度严重不足。1.2.3 无砟轨道世界各国重载铁路采用无砟轨道很少，只在少量长隧道采用。无砟轨道结构主要以现浇混凝土整体结构为主。美国、澳大利亚及巴西的重载运营线路没有无砟轨道结构；加拿大重载铁路在最长隧道（14.7 km）采用无砟轨道结构，两条重载铁路中，最长的隧道仅为3.9 km。加拿大和南非铺设无砟轨道的线路
11、，列车运行速度、行车密度和年运量均较低。加拿大重载铁路铺设无砟轨道的隧道，列车通过最大速度48 km/h，年运量最大8 000万t；南非的斯申撒尔丹哈铁矿专运线运营条件恶劣，线路上只有一座787 m的隧道，隧道铺设无砟轨道，列车最高速度50 km/h，年运量约6 300万t。目前，国外在重载铁路发展中也逐步开展无砟轨道结构的相关研究工作。我国客货混运铁路无砟轨道结构的发展历史较长，早期曾试铺过支承块式、整体灌注式、短木枕式及无砟无枕式等无砟轨道结构形式。秦岭、乌鞘岭隧道无砟轨道状态的现场调研表明，弹性支承块式无砟轨道结构及线路状态总体情况良好，相比有砟轨道，隧道无砟轨道的维修工作量显著减少，隧
12、道基底处理不当及防排水措施不完善是无砟轨道产生病害的主要原因。我国还没有在轴重25 t以上条件下的无砟轨道运营实践。1.2.4 道岔对国外重载道岔调查研究较少。初步了解，美国、澳大利亚、南非重载铁路正线一般使用20号及以上道岔，曲线半径不小于1 000 m。欧洲正线一般使用14号、15号及以上道岔，曲线半径不小于760 m。世界各国在时速160 km以下重载铁路和客货混运铁路上主要使用固定型辙叉，岔枕和铁垫板的联结多采用预埋铁座和e型弹条结构。我国大秦重载铁路重车线采用75 kg/m钢轨的12号和18号道岔，大包铁路采用60 kg/m钢轨的12号和18号道岔，虽然25 t轴重相对较小，但行车密
13、度和运量远超国外。发现的主要问题是可动心轨辙叉在重载铁路上的使用寿命远低于既有铁路，曲线尖轨在短时间磨耗、压溃、掉块严重，平均使用寿命远远低于普通铁路。固定型高锰钢辙叉的使用寿命短，道岔铁垫板与混凝土岔枕联结采用预埋套管和岔枕螺栓，容易发生岔枕螺栓折断和套管失效。我国还没有在轴重25 t以上条件下的重载道岔运营实践。1.2.5 我国重载铁路发展需求提高轴重是进一步提高运输能力和运输效率的有效途径，我国重载铁路数量不能满足铁路货运市场需求，既有重载铁路运能已经饱和。因此，需要通过增加轴重提高牵引质量增加既有铁路的运输能力，需要通过建设新的铁路货运通道扩充运输能力。中国铁路总公司开始组织对既有铁路
14、轴重27 t的可行性研究；对于新建铁路，决定结合山西中南部铁路通道工程建设，同时考虑路网完整性，组织开展30 t轴重重载铁路成套技术研究。为此，中国铁路总公司科技管理部组织中国铁道科学研究院和中铁工程设计咨询集团有限公司等单位联合开展了30 t轴重重载铁路钢轨、道岔、有砟轨道、隧道无砟轨道关键技术攻关。2 新建山西中南部铁路通道概况山西中南部铁路通道正线长约1 267 km，主要技术标准为国铁I级重载双线铁路，重车方向限制坡度为6，速度目标值为120 km/h，最小 曲线半径一般为1 200 m，困难地段为800 m。机车类型为客车SS9型、货车HXD系列，电力牵引最大牵引质量10 000 t
15、；到发线有效长1 700 m，部分区段1 050 m；自动闭塞。采用60 kg/m钢轨、弹条型扣件和型有挡肩混凝土枕；碎石道床材料采用一级道砟。路基基床由表层与底层组成，基床表层厚0.6 m，基床底层厚1.9 m，总厚2.5 m。基床表层采用A组填料（砂类土除外）；基床底层采用A、B组填料或改良土填筑。桥涵设计采用新中-活载- 15 -特 别 策 划CHINESE RAILWAYS 2014/0330 t轴重重载铁路轨道结构技术创新与发展 张志方（2005），采用跨度32 m预应力混凝土简支T梁桥，部分采用预应力混凝土简支箱梁、预应力混凝土连续梁、大跨度系杆拱、简支钢桁梁桥。目前工程总体施工进
16、展顺利，已进入铺轨阶段。3 30 t轴重重载铁路轨道结构技术创新原铁道部于2011年系统安排了30 t轴重重载铁路线桥隧科研计划课题，轨道结构方面科研课题主要有30 t轴重重载铁路有砟轨道关键技术研究、30 t轴重重载铁路隧道内无砟轨道关键技术研究、30 t轴重重载铁路道岔技术研究和30 t轴重重载铁路钢轨技术体系及标准的研究，2013年中国铁路总公司科技管理部加强组织协调，全力推进技术攻关，为在山西中南部铁路通道开展试验、试用奠定了基础。3.1 有砟轨道技术创新中国铁道科学研究院从重载铁路轮轨关系、关键设计参数、总体设计、关键部件结构设计等多方面对30 t轴重重载铁路有砟轨道关键技术进行了研究，研究分析了30 t轴重重载铁路轮轨关系，提出重载轨道结构关键设计参数取值，提出重载轨道结构总体设计方案；研发了适应30 t轴重重载铁路弹条型扣件（有挡肩结构）和弹条型扣件（无挡肩结构）系统；采用了热塑性弹性体垫板，研发了适应30 t轴重重载铁路用有挡肩a和无挡肩b两种
