老司机 | 无砟轨道国内发展状况分析

老司机

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无砟轨道（Ballastless track）是指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构，又称作无砟轨道，是当今世界先进的轨道技术。与有砟轨道相比，无砟轨道避免了飞溅道砟，平顺性好，稳定性好，使用寿命长，耐久性好，维修工作少，列车运行时速可达350千米以上。

一

世界无砟轨道发展概述

发展无砟轨道技术是我国铁路快速提升技术装备水平，实现铁路跨越式发展的重要举措之一。

20世纪60年代，世界各国开始研究使用无砟轨道，从室内试验、现场试铺发展到在高速铁路上普遍推广，历经40余年，形成了具有各国特色的系列化、标准化产品，近年来韩国、印度、荷兰、中国台湾修建的高速铁路都广泛地采用了无砟轨道技术。

目前各国发展的无砟轨道结构形式多样，各具特色。主要国家的无砟轨道发展情况如下。

1）德国

德国是世界上研究及应用无砟轨道较早的国家。德国铁路研究开发无砟轨道采用的体制是由德铁制定统一设计基本要求，有公司、企业自行研制开发。新开发的无砟轨道在进入德铁路网之前，必须通过指定试验室的实尺模型激振试验及性能综合评估，并经EBA（德铁技术检查团）认证、批准后，方有资格在铁路线上进行有线长度的试铺。试铺的无砟轨道要经过5年的运营考验并经EBA的审定，通过后方可正式使用。

德国自1959年开始研究、试铺无砟轨道，首先在希尔塞德车站试铺了3种结构，随后又在雷达车站和奥尔德车站试铺了2种结构，1977年又在慕尼黑试验线试铺了6种。

1959-1988年是德国无砟轨道的试铺期，共铺设无砟轨道36处，累积21.6km。在此期间先后在土质路基、高架桥及隧道内试铺了各种混凝土道床的无砟轨道。经过不断改进、优化和完善，形成了德国铁路无砟轨道系列和比较成熟的技术规范及管理体系，研制了成套的施工机械设备和工程质量检测设备，为无砟轨道在德铁的推广应用创造了良好的条件。

经过几十年的开发和研究，德国已经成功研发了雷达型、Bogl型、Zubin型、ATD型、Getrac型、BTD型、SATO型、FFYS型、Walter型、Heitkamp型等十几种无砟轨道结构形式。到2003年，德国铁路无砟轨道总铺设长度600多公里。德国无砟轨道的主要结构是轨枕埋入式和博格板式无砟轨道。初期铺设的雷达型和博格板式轨道都经历了30年的运营考验，轨道状态始终良好。

2）日本

日本是发展无砟轨道较早的国家之一，从20世纪60年代中期开始进行板式无砟轨道的研究到目前大规模地推广应用，走过40年的历程。日本的高速无砟轨道占当年铺设铁路的比例，在20世纪70年代达到60%以上，而90年代则达到80%。目前，其累计铺设里程已达2700多公里（其中新干线约1600多公里），为世界上铺设无砟轨道最长的国家。在规模发展的同时，日本还不断改进、完善结构设计参数和技术条件，最终将普通A型和框架型板式结构作为标准定型。框架型在混凝土和CA砂浆用量上较A型板少，可减少板的成本，也可减少日温差引起的板的翘曲。最初的A型和框架型板为普通钢筋混凝土结构，适用于温暖地区和隧道内，在东北、上越新干线等寒冷地区则采用双向预应力A型板。

另外，为解决新干线的噪声及振动问题，实现客运专线高速铁路发展与社会环保兼容的目的，经试验后，将减振G型板式轨道作为标准形式，规定在减震降噪区段铺设。

3）法国

法国是以有砟轨道为代表的高速铁路国家，一直以有砟轨道能以270~300km/h运营而感到骄傲。但后来发现在早期建造的东南线、大西洋线上，道碴的粉化严重，使轨道几何尺寸难于保持，维修周期缩短，维修费用大大增加，甚至影响正常的运营，结果使用不到10年就不得不全面大修，更换道碴，且不得不通过提高道碴标准及采取一些辅助措施来维持有碴轨道的高速运营。于是法国也逐渐认识到无砟轨道的优越性，开始了无砟轨道的研究和试验。法国开发的VSB-STEDEF是双块式无砟轨道，属于LVT型无砟轨道。

4）英国

英国的无砟轨道主要有两种，即LVT型无砟轨道和PACT型无砟轨道。LVT型无砟轨道是在双块式轨枕（或两个独立支撑块）的下部及周围设橡胶套靴，在块底与套靴间设橡胶弹性垫层，在双块式轨枕周围及底下灌注混凝土而成形，为减振型轨道，现已铺设总长度约为360km。

PACT型无砟轨道：钢筋混凝土灌注成的无接缝连续的刚性道床板直接支承钢轨，在轨底与混凝土道床之间放置一条带状的连续橡胶垫层，以给轨道提供必要的弹性，采用潘德罗尔弹条扣件联结，现已铺设总长度约为80km。

5）韩国

韩国首尔至釜山的高速铁路全长412km，分2期工程建设，一期工程由首尔至大邱，全长289.3km，二期工程由大邱至釜山南段，全长122.7km。一期工程在光明车站和章上、花信、黄鹤3个隧道铺设了53.841km无砟轨道，主要采用德国普通雷达型无砟轨道。二期工程已于2002年6月开工，预计2010年12月竣工，计划全部铺设雷达2000型无砟轨道。

目前，韩国铁路无砟轨道建设中采用较多的是雷达双块式轨道（德国）、Zublin双块式轨道（德国）、Bogl板式轨道（德国）、日本板式轨道。

经过多年的运营考验，一般认为日本的板式无砟轨道和德国的博格板式无砟轨道、雷达无砟轨道以及Zublin无砟轨道的技术比较成熟。

1

日本无砟轨道

日本是发展无砟轨道较早的国家，于1965年开始，为了适应高速行车的需要，解决线路维修困难的问题，开发了板式无砟轨道结构。

由于山阳、东北、上越等新干线桥隧工程结构占全线的比例非常大，板式轨道又得到进一步发展，东北、上越等新干线的无砟轨道分别占全线延长公里的90%和93%。

从20世纪60年代中期，日本开始了板式无砟轨道结构系统的理论研究与试验。铁道综合技术研究所汇集轨道、土工、桥隧、材料以及化工等专业的研究人员组成系统攻关研究小组。

在研究开发初期，研究小组针对不同的板式轨道方案进行了设计选型，并通过部件试验、实尺模型加载试验以及运营试验段铺设，最终形成了日本板式轨道的系列产品。

日本板式轨道结构由轨道板、水泥沥青砂浆（CA砂浆）和混凝土基础三大部分组成。钢轨铺设在轨道板上，CA砂浆作为轨道板的弹性垫层，同时可以通过再次灌注CA砂浆对轨道板进行一定程度上的调整。

混凝土基础上每两块轨道板的板缝处布置凸型挡台，以承受来自轨道的纵、横向力，并将其传到下部基础。A型轨道板的长度通常为5.00m，宽度为2.34m，厚度190mm，CA砂浆厚度40-50mm。

日本铁路广泛铺设板式轨道，到目前为止，日本板式轨道铺设己经超过了2700km。目前A型板式轨道（如图1）已标准定型，并作为基本轨道结构推广应用。

图1  A型板式轨道结构形式

近年来，随着北陆等新干线的建设，板式轨道又有了较大发展，主要表现在以下几个方面：

（1）可用于露天地段使用的土路基上板式轨道得到了发展和应用；

（2）由于普通型板式轨道板中的负弯矩（特别是横向方向）比较大，从而需要很多的钢筋量，然而板中这部分的钢筋混凝土其实是多余的，所以就将这部分挖去便发展成了框架型板式轨道（如图2）。同时框架型轨道板板面和板底的最大温差也将减小，减小了翘曲应力，较其它铺装轨道，具有荷载分散性能好，下沉少等优点；

（3）为了提高CA砂浆的灌注效率，节约模板用量，易于调整轨道板位置，保持轨道结构的美观整洁，发展了CA砂浆的编织袋灌注方法；

（4）在人口稠密的居民区，为了降低噪声的干扰，在轨道板和CA砂浆垫层间铺设25mm厚的橡胶垫层，发展了防振型板式轨道；

（5）为适应气候条件的需要，防止在严寒地区轨道板的龟裂问题，在轨道板中

引入了预应力钢筋。

图2  AF框架型板式轨道结构形式

2

博格板式无砟轨道

博格板式无砟轨道系统的前身是1979年铺设在德国卡尔斯费尔德一达豪试验段上的一种预制板式无砟轨道，轨道的结构图，如图3所示。

通过对其进行包括预应力结构、结构尺寸、纵向连接等方面的优化改进，采用先进的数控磨床来加工预制轨道板上的承轨槽，使用快速方便的测量系统，使其精度容易满足高速铁路对轨道几何尺寸的高要求。高性能沥青水泥砂浆垫层可以为轨道提供适当的刚度和弹性。

德国的博格公司为轨道板施工研制生产了成套的设备，使得博格板式轨道机械化程度高于一般轨道结构。博格板式无砟轨道可用于的高速铁路，目前已在德国纽伦堡至英戈而施塔特的新建高速线上铺设。

图3  格板式无砟轨道系统的结构图

路基上的博格板式轨道从下往上，其层次的构成依次为：级配碎石构成的防冻层（FSS）、30cm厚的水硬性混凝土支承层（HGT）、3cm厚的沥青水泥砂浆层（CA砂浆）、20cm厚的轨道板，在轨道板上安装扣件。博格板式轨道系统轨顶至水硬性混凝土顶面的距离为474cm。

预制轨道板是在预应力台座上生产出来的，混凝土强度等级为C45/55，可以采用普通混凝土或钢纤维混凝土。预制轨道板的横向为预应力钢筋，纵向为普通钢筋，板与板之间在纵向通过伸出钢筋进行连接。

采用这种预制轨道板的轨道均匀性好、耐久性强，横向及纵向的抗滑移阻力高。标准预制板为长度6500mm，板厚200mm的单向预应力混凝土板，适用于路基、桥梁和隧道中。

3

雷达2000型无砟轨道

德国铁路于上世纪60年代开始无砟轨道的研究，曾试铺过十余种无砟轨道结构。

1972年原西德铁路在雷达车站试铺了由德国慕尼黑工业大学陆地交通工程试验中心开发的枕式无砟轨道，轨下基础由整体混凝土枕和现浇钢筋混凝土板组合而成。

雷达型无砟轨道因最初铺设在德国雷达车站而得名，在使用过程中得到不断的改进，已从最初的雷达普通型发展到现在的由钢筋桁架连接的双块式无砟轨道，成为了目前世界先进无砟轨道结构形式的代表之一。通过不断的试验和完善，目前已发展到雷达2000型。

雷达型无砟轨道使用范围广泛，路基、桥梁、隧道都可以使用，除了在德国成规模地应用外，在世界其它国家和地区也得到认同并使用。

雷达2000型无砟轨道系统由钢轨、高弹性扣件、改进的带有桁架钢筋的双块式轨枕、现浇混凝土板和下部支撑体系（水硬性混凝土支承层或底座）组成，如图4、5所示。

图4  路基上雷达2000无砟轨道典型断面

图5  雷达2000双块式轨枕B

雷达2000无砟轨道系统在桥上设计为分块的道床板，道床板下的混凝土底座也是分块的结构，混凝土底座通过一定方式与桥梁结构连接，道床板与混凝土底座间通过榫槽连接传力，并在底座的上表面用土工布对其进行隔离。

而在路基上设计为无预应力的、连续的钢筋混凝土道床板，其整体思想是基于一个连续浇铸的带自由裂缝构造的混凝上板，土质路基上无砟轨道系统雷达2000的设计原理是它由路基上复合的双层系统构成，这两层都采用连续建造的方式施工（受到水硬性混凝土支承层的限制，每隔5米应有一个深度为支承层厚度的1/3的假缝）。

4

Zublin无砟轨道

Zublin无砟轨道结构如图6所示，其组成部分由下至上依次为：在地基上是防冻层，然后是30cm厚的由水硬性承载层（HGT-C12/15），最上面是24cm厚无伸缩缝的混凝土承载板。

混凝土承载板采用沿轨道纵向配筋，配筋率为0.8%-0.9%，以确保混凝土结构的开裂能满足裂缝间距小于2m和裂缝宽度小于0.3mm的要求。

双块式轨枕同样采用钢筋混凝土结构，两块轨枕由桁架钢筋连接在一起，并且两侧向外伸出。

为确保轨枕的几何形状及其与上部钢轨的顺利接合，该钢筋混凝土结构将采用预制构件。

图6  路基上旭普林无砟轨道典型断面

二

我国无砟轨道的发展概述

我国无砟轨道的研制工作起步相当早。在1934年就曾铺设过混凝土整体道床轨道，从1965年即开始在长大山岭隧道内大量采用混凝土整体道床。北京地下铁道也全部采用了整体道床无砟轨道，并取得了较好的效果。桥上无砟轨道主要研制了无砟无枕梁，并在九江长江大桥的混凝土引桥上采用。

80年代初，为完善和发展整体道床轨道，开始积极研究并尝试应用板式轨道。进入90年代以来，为适应我国铁路高速行车，发展高速铁路的需求，经过研究和开发，提出了可适用于隧道、桥梁和大型车站等地段的弹性支承块式、长枕埋入式及板式无砟轨道。

随着我国快速铁路的发展，我国参照日本板式轨道，研制出了自己的板式轨道CRTSⅠ型板式无砟轨道结构，并己经铺设在时速的秦沈客运专线的桥梁上；通过进一步研制和发展，经过改进的博格板式无砟轨道系统研制出了自己的无砟轨道CRTSⅡ型板式无砟轨道系统并铺设在遂渝线无砟轨道综合试验段中。

2000年后无砟轨道在我国的主要发展历程如下：

2004年9月，铁道部决定在遂（四川遂宁）渝（重庆）铁路建设我国首条无砟轨道试验段，正线全长13.16公里。

2007年1月3日，遂渝铁路无砟轨道试验段开始综合试验。

2009年12月26日，武广高速铁路投入运行。该线采用从德国睿铁公司（RAIL.ONE）引进的雷达2000双块式无砟轨道技术。

京沪高铁、京石高铁、石武高铁、广深港高铁、京沈高铁、哈大高铁、沪宁城际均采用CRTSⅠ或CRTSⅡ型板式无砟轨道技术。

2015年4月，第一条采用CRTSⅢ轨道板的郑徐客运专线开始铺设。

我国在经历了引进、消化、吸收阶段后，目前已经进入到自主研发创新阶段。

三

国内无砟轨道方面专利概况分析

1

申请趋势分析

通过检索国内无砟轨道相关专利，其每年的申请数量如下图所示（由于专利公开的滞后性，2017年与2018年所示数量较该年的真实数量少）：

通过上图可知有关无砟轨道方面的专利申请在我国开始出现的时间是2007年，系与2007年1月初遂渝铁路无砟轨道试验段综合试验成功后的成果转化有关；2009年申请量出现跳跃式增长，系与2009年武广高速铁路从德国睿铁公司（RAIL.ONE）引进的雷达2000双块式无砟轨道技术有关；2013年的申请量最少，系与铁道部改组中国铁路总公司有关；2014-2015年的专利申请量与往年申请数量持平；自2016年开始无砟轨道相关的专利申请量开始出现大幅度的增加。

可见无砟轨道方面的相关技术在我国经历了引进吸收阶段，目前正处于快速发展阶段。

2

专利申请技术组成分析

无砟轨道方面的专利申请技术分支如下图所示：

（注：IPC分类号说明：E01B 铁路轨道；铁路轨道附件；铺设各种铁路的机器。B28B 黏土或其他陶瓷成分、熔砟或含有水泥材料的混合物，例如灰浆的成型。C04B石灰；氧化镁；矿砟；水泥；其组合物，例如：砂浆、混凝土或类似的建筑材料；人造石；陶瓷；耐火材料；天然石的处理。E01D 桥梁。G01N 借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料。G06F 电数字数据处理。G01B 长度、厚度或类似线性尺寸的计量；角度的计量；面积的计量；不规则的表面或轮廓的计量。E02D 基础；挖方；填方；地下或水下结构物。）

从上图可知，无砟轨道方面的相关专利申请的技术分支主要为无砟轨道结构、附件、铺设、配套机械或工具方面；水泥材料方面及有关高速铁路桥梁方面的专利申请也有一定的比例；其余方面的专利申请数量较少。

各技术分支在我国的申请趋势如下图所示（由于专利公开的滞后性，2017年与2018年所示数量较该年的真实数量少）：

从上图可以看出，无砟轨道结构、附件、铺设、配套机械或工具方面的专利申请数量最多，且稳步增加；水泥材料方面的专利申请数量呈现出明显的奇点增长，即只有在技术取得突破时申请数量才会大幅度增加，之后又恢复较少水平；其他技术分支的专利申请数量一直处于较少水平。

3

申请人分析

国内无砟轨道方面相关专利的申请人中，企业的申请数量最多，占76.47%，其次为高校，占12.44，科研单位占8.1%，其余类型申请人较少，如下图所示。

国内无砟轨道方面相关专利申请数量排名前20的申请人如下图所示：

如上图可知，国内无砟轨道方面相关专利申请数量排名前20的申请人分别为：中铁二院工程集团有限责任公司、中国铁道科学研究院铁道建筑研究所、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中铁第五勘察设计院集团有限公司、中铁二十三局集团有限公司、西南交通大学、秦皇岛老虎重工有限公司、中国铁路总公司、中南大学、中国铁道科学研究院、中铁第一勘察设计院集团有限公司、中铁二局股份有限公司、中铁十一局集团有限公司、中铁三局集团有限公司、中铁四局集团有限公司、北京交通大学、北京铁五院工程机械有限公司、山西高行液压股份有限公司、无锡盾建重工制造有限公司、中国铁道科学研究院金属及化学研究所、廊坊合力天一机械设备有限公司。

其中中铁二院工程集团有限责任公司、中国铁道科学研究院铁道建筑研究所、中铁第四勘察设计院集团有限公司的专利申请数量最多。

4

专利价值分析

各申请人所申专利的专利价值度如下图所示：

从上图可知，我国国内有关无砟轨道方面的专利申请其价值度均较高，一般在5以上，可以在一定程度上说明我国国内已有有关无砟轨道方面的专利申请的技术核心程度。

将我国国内有关无砟轨道方面的专利按法律状态进行统计，可得下图所示的法律状态组成：

从上图可知，在无砟轨道方面，由于技术发展和更迭较快，故失效比例较高，占整体数量的27.65%；近年申请的专利数量也较多，占整体数量的15.04%。可见无砟轨道方面的相关技术在我国蓬勃正处在发展之中。

作者简介：孙磊，集慧智佳交通事业部咨询师。爱学习，好嘻哈，外表正典实则内心非主流，一个集看动漫和街舞于一身的热血好青年。

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