1.2 高速铁路无砟轨道
无砟轨道由于其整体性好，可为高速铁路列车提供更平顺、稳定的运行基础，已成为高速铁路的发展趋势。目前，一些国家已把无砟轨道作为轨道的主要结构形式全面推广，并成功应用于路基、隧道和高架桥上。日本新建铁路的无砟轨道铺轨里程已超过80％，德国新建高速铁路无砟轨道铺轨里程占线路总长的70％以上，尽管法国在高速有砟轨道上创造了世界上最高的行车时速，但目前也开始尝试铺设无砟轨道。
无砟轨道结构由钢轨、扣件、无砟道床等组成，一般采用跨区间无缝线路、大号码道岔。
1.2.1 钢轨
（1）分类及成分
根据我国高速铁路相关标准，200km/h及以上高速客运专线应选用U71MnG钢轨，200～250km/h高速客货混运铁路应选用U75VG钢轨。其中，U代表钢轨钢；71、75代表化学成分中碳平均含量为0.71％、0.75％；Mn代表锰元素；V代表钒元素；G代表高速铁路。U71MnG和U75VG钢轨的化学成分及力学性能见表1.1和表1.2。
表1.1 钢牌号及化学成分
表1.2 抗拉强度、伸长率和轨头顶面硬度
注：热锯取样检验时，允许断后伸长率比规定值降低1％（绝对值）。
工厂生产出厂的高速铁路钢轨为100m定尺钢轨，为铺设无缝线路需要对钢轨进行焊接。
（2）钢轨焊接
钢轨焊接方式主要有固定式闪光焊接、移动式闪光焊接和铝热焊接。固定式闪光焊接是指闪光焊机在基地（或工厂）焊轨生产线焊接钢轨，焊接电源由电力网经配电变压器供电。移动式闪光焊接是指闪光焊机在铁路轨道上焊接钢轨，焊机及其配套设备的动力源是独立的车载式发电机组。铝热焊接是指以氧化铁为氧化剂，以铝粉为还原剂的一种热剂焊。道岔焊接主要采用铝热焊接方法。
1.2.2 无缝线路
高速铁路采用跨区间无缝线路，最大限度地减少了钢轨接头，并取消了缓冲区，线路平顺性好，整体强度高，防爬能力强，钢轨纵向力分布均匀，可保证轨道结构的高平顺性及高稳定性，实现高速列车的平稳安全运行。
无缝线路设计锁定轨温应根据当地最高轨温、最低轨温及无缝线路的允许温升、允许温降计算确定，并考虑一定的修正量。桥上无缝线路设计锁定轨温还应满足钢轨断缝检算要求。
无缝线路设计锁定轨温宜按式（1.1）计算。
式中 ΔTk——设计锁定轨温修正值，一般为0℃～5℃；
Tmax——最高轨温；
Tmin——最低轨温。
设计锁定轨温上限：Tu=Te+（3～5）℃；设计锁定轨温下限：Td=Te-（3～5）℃。设计锁定轨温上、下限应满足以下条件：最大升温幅度ΔTu，max=Tmax-Td≤〔ΔTu〕；最大降温幅度ΔTd，max=Tu-Tmin≤〔ΔTd〕。
高速铁路无缝线路相邻单元轨节间的锁定轨温差不应大于5℃，同一单元轨节左右股钢轨的锁定轨温差不应大于3℃。同一区间内单元轨节的最高与最低锁定轨温差不应大于10℃。
1.2.3 扣件系统
无砟轨道主要采用WJ-7型、WJ-8型、W300-1型扣件。按轨下基础或无砟道床形式分为有挡肩和无挡肩扣件两类。
1.2.3.1 WJ-7型扣件
（1）扣件组成
①WJ-7型扣件由T型螺栓、螺母、平垫圈、弹条、绝缘块、铁垫板、轨下垫板、绝缘缓冲垫板、重型弹簧垫圈、平垫块、锚固螺栓和预埋套管组成，此外，为了钢轨调高的需要，还包括轨下调高垫板（或充填式垫板）和铁垫板下调高垫板，如图1.1所示。
图1.1 WJ-7型扣件部件组成
②弹条分为两种，即W1型弹条（直径为14mm）和X2型弹条（直径为13mm），其中，桥上采用小阻力扣件时使用X2型弹条。
③轨下垫板分为A、B两类，A类用于兼顾货运的高速铁路（厚度为12mm），B类用于仅运行客车的高速铁路（厚度为14mm），每类又分为橡胶垫板和桥上采用小阻力扣件时配套使用的复合垫板。
（2）主要技术要求
①对T型螺栓应进行定期涂油，防止螺栓锈蚀。
②预埋套管中应保证有一定的防护油脂。
③安装铁垫板时，轨底坡方向应朝向轨道内侧。
④弹条养护标准：弹条中部前端下颚与绝缘块不宜接触，两者间隙不得大于1mm；或使用扭矩扳手检测T型螺栓扭矩时，W1型弹条为100～140N·m，X2型弹条为70～90N·m。
⑤锚固螺栓扭矩为300～350N·m。
⑥钢轨与绝缘块、绝缘块与铁垫板挡肩间缝隙之和不大于1mm。
⑦钢轨左右位置调整量：±6mm。
⑧高低调整量：-4～+26mm。
1.2.3.2 WJ-8型扣件
（1）扣件组成
①WJ-8型扣件由螺旋道钉、平垫圈、弹条、绝缘轨距块、轨距挡板、轨下垫板、铁垫板、铁垫板下弹性垫板和预埋套管组成，此外，为了钢轨高低位置调整的需要，还包括轨下微调垫板和铁垫板下调高垫板，如图1.2所示。
图1.2 WJ-8型扣件部件组成
②弹条分两种，即W1型弹条（直径为14mm）和X2型弹条（直径为13mm），其中，桥上采用小阻力扣件时使用X2型弹条。
③轨距挡板分为两种，即一般地段用轨距挡板和夹板处用接头轨距挡板。
④铁垫板下弹性垫板分为A、B两类（厚度均为12mm）。A类弹性垫板用于兼顾货运的高速铁路，B类弹性垫板用于仅运行客车的高速铁路。
⑤螺旋道钉分为S2型和S3型两种，在扣件正常状态安装或钢轨调高量不大于15mm时用S2型螺旋道钉，调高量大于15mm时用S3型螺旋道钉。
（2）主要技术要求
①预埋套管中应保证有一定的防护油脂。
②夹板处应采用接头轨距挡板和绝缘轨距块。
③弹条养护标准：弹条中部前端下颚与绝缘轨距块不宜接触，两者间隙不得大于1mm；或使用扭矩扳手检测螺旋道钉扭矩时，W1型弹条为130～170N·m，X2型弹条为90～120N·m。
④轨距挡板应与承轨槽挡肩密贴，间隙不大于1mm；钢轨与绝缘轨距块、绝缘轨距块与铁垫板挡肩间缝隙之和不大于1mm。
⑤钢轨左右位置调整量：±5mm。
⑥高低调整量：-4～+26mm。
1.2.3.3 W300-1型扣件
（1）扣件组成
①W300-1型扣件分为W300-1a型和W300-1u型两种。扣件由弹条、绝缘垫片、轨距挡板、螺栓、轨下垫板、铁垫板、弹性垫板和预埋套管等组成，为满足高低调整需要，还包括调高垫板，如图1.3所示。
图1.3 W300-1型扣件部件组成
②弹条分为两种，即SKL15型弹条（直径为15mm）和SKLB15型弹条（直径为13mm），其中，桥上采用小阻力扣件时使用SKLB15型弹条。
③标准规格螺栓（Ss36-230）长度为230mm。为满足高低调整需要，配有长度为240mm和250mm的螺栓。
④标准规格轨下垫板（Zw692-6）厚度为6mm。为满足高低调整需要，配有厚度为2mm、3mm、4mm、5mm、7mm和8mm的轨下垫板。
⑤标准规格轨距挡板分为Wfp15a型挡板（适用于W300-1a型扣件）和Wfp15u型挡板（适用于W300-1u型扣件）两种。为满足钢轨左右位置调整需要，配有Wfp15a±1（Wfp15u±1）～Wfp15a±8（Wfp15u±8）各16种规格。
（2）主要技术要求
①预埋套管中应保证有一定的防护油脂。
②弹条养护标准：弹条中部前端与轨距挡板前端突起部分不宜接触，两者间隙不大于1mm，或使用扭矩扳手检测螺旋道钉扭矩时，SKL15型弹条为210～250N·m，SKLB15型弹条为150～180N·m。
③轨距挡板应与承轨槽挡肩密贴，钢轨与轨距挡板间隙不大于1mm。
④钢轨左右位置调整量：±8mm。
⑤高低调整量：-4～+26mm。
1.2.4 无砟道床
无砟道床是以混凝土或沥青混合料等取代散粒碎石道床而组成的结构形式。目前，我国常用的无砟道床有CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、双块式以及道岔区轨枕埋入式、道岔区板式等几种结构形式。
（1）CRTSⅠ型板式无砟道床
CRTSⅠ型板式无砟道床是在现浇的钢筋混凝土底座上铺装预制轨道板，通过砂浆充填层调整高低水平，通过凸形挡台进行限位的单元板式无砟道床结构形式，如图1.4所示。
图1.4 CRTSⅠ型板式无砟道床结构
混凝土轨道板有预应力平板（P）、预应力框架板（PF）、普通钢筋混凝土框架板（RF）等多种形式，目前多采用预应力平板，即P型轨道板。
充填层采用低弹模水泥乳化沥青砂浆，主要采用袋装法施工，充填层厚度设计值为50mm，弹性模量为100～300MPa。
凸形挡台有圆形和半圆形两种，其中，半圆形凸形挡台主要应用于梁端和过渡段等特殊部位。凸形挡台半径260mm，高250mm，圆形凸形挡台圆心位于板缝中心线上，半圆形凸形挡台圆心位于相连轨道板端面。凸形挡台和轨道板半圆缺口之间灌注凸台树脂，与凸形挡台一起限制轨道板的纵横向位移，抵抗纵横向作用力，并传递荷载。同时，凸台树脂可以提供合适的弹性，有效地缓解列车纵横向的冲击。
混凝土底座分段设置。路基地段2～4块轨道板设置一道底座伸缩缝；桥梁地段每块轨道板设置独立混凝土底座；隧道地段一般2块轨道板设置一道底座伸缩缝，遇隧道沉降缝对应设置伸缩缝。
（2）CRTSⅡ型板式无砟道床
CRTSⅡ型板式无砟轨道是将预制CRTSⅡ型轨道板通过水泥沥青砂浆调整层，铺设在现场摊铺的混凝土支承层（路基、隧道）或现场浇筑的钢筋混凝土底座（桥梁）上的纵连板式无砟道床结构形式。
路基及隧道地段CRTSⅡ型板式无砟道床结构由轨道板、水泥乳化沥青砂浆调整层、支承层等部分组成，如图1.5所示。桥梁地段CRTSⅡ型板式无砟道床结构由轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、底座板、滑动层、高强度挤塑板、侧向挡块及弹性限位板等部分组成。台后路基设置锚固结构（包括摩擦板、土工布、端刺）及过渡板。
图1.5 CRTSⅡ型板式无砟道床结构
轨道板分为三类：标准轨道板（铺设于区间线路的一般区间，长度6450mm）、特殊轨道板（铺设于起终点和岔区两端，长度6365mm）、补偿板（根据线路情况合理布置，长度由布板软件计算确定）。板间采用张拉锁件张拉连接，混凝土封填。
充填层采用高弹模水泥乳化沥青砂浆，设计厚度为30mm，弹性模量7000～10000MPa。
路基、隧道地段采用连续的混凝土支承层结构，宽度为3250mm、2950mm，厚度为300mm。桥上采用连续的钢筋混凝土底座，宽度为2950mm，直线地段厚度为190mm，曲线地段厚度根据设计确定。
滑动层为桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道系统的组成部分，为“两布一膜”结构，即两层土工布夹一层土工膜，其中下层土工布通过胶粘剂粘在梁面防水层或梁面上。隔离桥梁和轨道间的相互作用，减小桥梁伸缩引起的钢轨和板内纵向附加力，可在大跨度连续梁上取消小阻力扣件和伸缩调节器。
高强度挤塑板材质为挤塑聚苯乙烯泡沫塑料板，宽度为2.95m，长度为1.45m，厚度为50mm，布置在梁端。采用粘结剂固定在梁面加高平台的凹槽内，可减小梁端转角对无砟轨道结构的影响，确保轨道结构的安全。
扣压式侧向挡块长度一般为800mm。限位板设置在侧向挡块与底座板的接触面上，通过锚固连接件与侧向挡块内的钢筋固定。
（3）CRTSⅢ型板式无砟道床
CRTSⅢ型板式无砟道床是在现浇的钢筋混凝土底座或混凝土支承层上铺装预留连接钢筋的预制混凝土轨道板，中间设置自密实混凝土层的无砟道床结构形式，如图1.6所示。
轨道板采用预应力结构，板顶面设置承轨台，板底预留连接钢筋，通过轨道板与自密实混凝土之间的粘结以及连接钢筋限制轨道板纵横向位移。轨道板类型有P5350、P5600、P4925和P4856等；轨道板宽度为2500mm，厚度为190mm或210mm；扣件间距分687mm、630mm、617mm等。
图1.6 CRTSⅢ型板式无砟道床结构
自密实混凝土层强度等级C40，四周与轨道板侧面齐平，厚度设计值一般为100mm左右。自密实混凝土层间设置钢筋网片或冷轧焊网。
底座（支承层）现场浇筑完成，路基地段宽度为3100mm，厚度为200～300mm；桥梁和隧道区段宽度为2900mm，厚度一般为200mm左右。当轨道板纵向连续设置时，采用混凝土支承层；当轨道板单元设置时，采用混凝土底座，顶面限位凹槽。路基地段2～4块轨道板设置一道底座伸缩缝；桥梁地段对应每块轨道板设置独立混凝土底座；隧道地段一般2块轨道板设置一道底座伸缩缝，遇隧道沉降缝对应设置伸缩缝。
灌注自密实混凝土，通过其良好的流动性，在底座限位凹槽处形成凸台。凹槽四周设置弹性缓冲垫层，与凸台一起限制轨道板的纵横向位移，抵抗纵横向作用力，并传递荷载。同时，弹性缓冲垫层可提供合适的弹性，有效缓解列车纵横向的冲击。
（4）双块式无砟道床
双块式无砟道床包括CRTSⅠ型和CRTSⅡ型双块式无砟道床两种。CRTSⅠ型双块式无砟道床是将预制双块式轨枕组装成轨排，以现浇混凝土的方式将轨枕埋入道床板中。CRTSⅡ型双块式无砟道床是将预制双块式轨枕组装成轨排，以机械振动方式将轨排压入混凝土中。两种类型双块式无砟道床差异主要在施工工艺上，故统称为双块式无砟道床结构，如图1.7所示。
路基地段无砟道床由双块式轨枕、道床板、支承层等部分组成，道床板为纵向连续的钢筋混凝土结构。
桥梁地段无砟道床由双块式轨枕、道床板、隔离层、底座（或钢筋混凝土保护层）、凹槽（或凸台）周围弹性垫层等部分组成。道床板及底座沿线路纵向分块。道床板宽度范围的底座或保护层顶面应设置隔层。
隧道地段无砟道床由双块式轨枕、道床板等部分组成，道床板为纵向连续的钢筋混凝土结构。
（5）轨枕埋入式无砟道床
路基上岔区轨枕埋入式无砟道床由岔枕、道床板及混凝土支承层（下部基础）组成。混凝土支承层直接铺设在路基基床表层上。在桥上使用时，道床板与梁面上铺设的底座板连接。
图1.7 双块式无砟道床结构
混凝土岔枕为梯形截面，内部设置有纵、横向普通钢筋和预应力钢筋。岔枕通过枕底预设的桁架钢筋、枕端部伸出钢筋以及转辙机位置岔枕侧面伸出锚固钢筋等方式与混凝土道床、支承层（底座）构成轨道结构。
道床板采用强度等级为C40的混凝土，通过门形连接钢筋、板底与基础通过设凸台和凹槽以及表面拉毛等方式进行连接，从而形成整体，满足轨道结构纵、横向限位的要求。
（6）道岔区板式无砟道床
道岔区板式无砟道床在桥上和路基上都可应用，自上而下依次为：预制混凝土道岔板、底座、垫层等。
道岔板采用C55普通钢筋混凝土结构，根据不同的道岔型号，纵向上按扣件间距及电务设备安装要求等因素合理分块。除转辙机安装位置外，道岔板间连接缝宽度为100mm。
底座采用流动性较好的自密实混凝土，强度等级为C40。底座厚度为180mm，横向宽度较相应的道岔板宽400mm。突出的边缘向轨道系统外侧设置4％的排水坡。
垫层混凝土强度等级为C25，可不配筋。垫层厚度为130～200mm，横向宽度较相应的底座宽300mm。
道岔板板底预留门形桁架钢筋植入底座，从而将道岔板和底座连接为整体。通过道岔板和底座的黏结力、摩擦力以及门形桁架钢筋的抗剪作用保证轨道结构的稳定。
1.2.5 高速道岔及钢轨伸缩调节器
高速道岔是指高速铁路、客运专线或城际铁路正线铺设的道岔。
1.2.5.1 道岔分类
按直向容许通过速度可分为250km/h道岔和350km/h道岔两类。
我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，按技术类型可分为我国自主研发的高速道岔系列（客专线系列）、中德合资生产的高速道岔系列（CN高速道岔系列）、引进法国技术的高速道岔系列（CZ高速道岔系列）。
（1）客专线系列
自主研发的高速道岔按号码分为18号、42号、62号，后为满足城际铁路建设的需要，又研发了12号道岔。按轨下基础类型可以分为有砟道岔和无砟道岔两种，其中无砟道岔采用混凝土岔枕或道岔板。62号道岔属于试验道岔，只在哈大高速铁路长春西站铺设了两组无砟道岔，尚未有其他应用。客专线系列的参数见表1.3。
表1.3 客专线系列参数表
（2）CN高速道岔系列
CN高速道岔系列按号码分为18号、39.113号、42号、50号，其中39.113号只在京津城际高速铁路铺设了两组。按轨下基础分为有砟道岔和无砟道岔，无砟道岔采用混凝土岔枕或道岔板，其中50号道岔主要用于武广高速铁路。CN高速道岔参数见表1.4。
表1.4 CN高速道岔系列参数表
（3）CZ高速道岔系列
CZ高速道岔系列按号码分为18号、41号，按轨下基础分为有砟道岔和无砟道岔。CZ高速道岔系列主要用于合宁客运专线、合武客运专线、郑西高速铁路，目前主要限于大修使用。CZ高速道岔系列参数见表1.5。
表1.5 CZ高速道岔系列参数表
1.2.5.2 道岔结构组成
高速铁路道岔由转辙器、辙叉和导曲线三部分组成。尖轨和心轨使用特种矮型钢轨制造。客专线系列的高速道岔翼轨使用特种断面轧制翼轨制造，心轨为拼装结构，扣件系统垫板采用硫化设计。CZ系列的高速道岔翼轨采用锰钢铸造结构，心轨为拼装结构。CN系列的高速道岔翼轨采用60kg/m钢轨制造，心轨前端为合金钢整体锻造结构，扣件系统垫板采用硫化设计。
1.2.5.3 钢轨伸缩调节器
高速铁路长大连续梁上铺设无缝线路通常需要设置调节器。调节器的功能是协调因温度引起的长大桥梁梁端伸缩位移和长钢轨伸缩位移之间的位移差，使桥上长钢轨自动调整温度力，从而减小轨道及桥梁所承受的荷载。
高速铁路钢轨伸缩调节器左右股对称，按伸缩方向分成单向调节器和双向调节器两种类型。
单向调节器由基本轨、尖轨、铁垫板、轨道板组成；双向调节器由基本轨、双向尖轨、铁垫板、轨道板组成。调节器尖轨工作边提供轨距线，其基本轨伸缩，尖轨锁定。