一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构及轨道

1.本发明属于铁路路基工程技术领域，具体涉及一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构及轨道。


背景技术：

2.在寒区修建高速铁路面临着冻胀融沉的世界性难题，并且高铁列车在高速运行状态下对寒区(软土)场地的沉降变形变化十分敏感。例如：寒区场地路基产生的不均匀冻胀在高铁列车高速
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长期动荷载作用下将导致轨道结构的平顺性状态明显劣化，轮轨接触力显著放大；此外，位于寒区的高铁路基融化沉陷或位于松软场地的地基及路基压缩沉降可能会导致路基基床表层发生局部沉陷，而高速铁路对于不均匀沉降的变形控制要求十分严格，其中无砟轨道要求工后沉降不超过15mm，当高铁列车行驶至这些路基和轨道结构沉降变形敏感区域，将影响轨道平顺性和乘坐舒适度。此外，更为严重的是上述两种因素均可能影响列车的行驶安全，对于线路养护维修提出了严峻的挑战，给铁路工务部门带来较大的线路维护负担。
3.现有改善寒区高铁无砟轨道平顺性的工程措施十分有限且具有较大的局限性，例如目前无砟轨道主要通过扣件调节，但通过扣件调节轨道平顺性依赖人工作业，主要存在以下一些劣势：(1)进行轨道扣件调节的技术人员必须经过专业培训；(2)人工调节操作的工作量巨大且效率低下，费时费力；(3)要求技术人员需要掌握基本的测量方法，且轨道调整精度依赖于仪器设备和测量方法的精度；(4)人工调节的施工过程可能会影响高铁列车的正常运营，且在安全性方面存在一定隐患；(5)扣件调节轨道平顺性的调节范围有限且当调整量较大时，轨道结构传力路径不够稳定。为解决以上传统扣件调节无砟轨道平顺性存在的缺陷与不足，并基于我国将要发展高寒区高铁项目的实际需求，有必要发明一种结构简单、调节更加方便的自动调整结构。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的是为了解决背景技术中存在的问题，提出一种可代替现有寒区高铁轨道平顺性人工调节结构的较佳方案，即一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构，所述自动调平结构可在高铁列车振动荷载作用下实现自动找平并改善轨道结构平顺性。
5.本发明的第二个目的是提供一种含有自动调平结构的轨道。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构，在轨道基础上设置有凹槽，所述凹槽内部放置有调整块，所述调整块的底面为平面，且其内部设置有空腔，所述空腔的底部设置有与调整块的底面贯通的锥形坡口，所述空腔内填充有若干个找平颗粒，所述调整块的顶部与钢轨固定连接。
8.进一步的，所述找平颗粒的最大粒径远小于锥形坡口的最小直径。
9.进一步的，所述找平颗粒为球体。
10.进一步的，所述调整块的侧壁与凹槽的内部侧壁之间存在间隙。
11.进一步的，所述调整块截面为矩形。
12.进一步的，所述调整块通过扣件与钢轨固定连接。
13.进一步的，所述轨道基础包括轨道底板、粘结层和柔性混凝土底板，所述柔性混凝土底板安装在路基基床表层上方，所述轨道底板通过粘结层固定在柔性混凝土底板上，所述凹槽设置在轨道底板上。
14.进一步的，所述轨道基础还包括凹槽底座，所述凹槽底座固定在轨道底板上，所述凹槽开设在凹槽底座上。
15.一种包括所述的自动调平机构的轨道，所述轨道包括两条钢轨，每条钢轨的下部均设置有若干个自动调整结构。
16.进一步的，在同一横截面上，两条钢轨的相对应位置均设置有自动调整机构。
17.本发明相对于现有技术的有益效果为：
18.(1)本发明不依赖人工施工作业和任何仪器设备，是一种真正意义上完全自动的轨道不平顺调整结构，实现了在列车振动荷载作用下实现自动找平并改善钢轨在三个方向上的平顺性：包括竖向的高低调节、路基横截面上的水平不平顺调节及沿线路纵向的不平顺调节。
19.(2)本发明在一定程度上提高了寒区(软土)场地下高铁列车运营的安全性和乘坐舒适度。
20.(3)本发明原理清晰，结构构造简单，调节方便且造价较低，大大降低了线路养护维修工作量和时间成本，便于推广应用。
附图说明
21.图1为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在轨道基础上的示意图；
22.图2为本发明图1的a处的放大图；
23.图3为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在无砟轨道上的竖向高低调节示意图；
24.图4为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在路基横截面方向保持水平状态的示意图；
25.图5为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在右低左高的路基横截面方向上的调整示意图；
26.图6为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在左低右高的路基横截面方向上的调整示意图；
27.图7为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在路基出现局部沉降下工作的示意图；
28.图8为本发明一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构在路基出现冻胀情况下工作的示意图；
29.图中：1、轨道基础；2、凹槽；3、调整块；4、找平颗粒；5、钢轨；6、扣件；11、轨道底板；12、粘结层；13、柔性混凝土底板；14、凹槽底座，15、路基基床表层。
具体实施方式
30.下面结合附图1
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8和具体实施方式对本发明做详细的介绍。为了便于描述，方便理解，将铁路两条轨道的横截面方向定义为左右方向，但其“左”、“右”等表述位置的词语不能理解为对其保护范围的限定。
31.具体实施方式一
32.一种寒区高铁无砟轨道自动调平结构，在轨道基础1上设置有凹槽2，所述凹槽2内部放置有调整块3，所述调整块3的底面为平面，且其内部设置有空腔，所述空腔的底部设置有与调整块3的底面贯通的锥形坡口，所述空腔内填充有大量找平颗粒4，所述调整块3的顶部通过扣件6与钢轨5固定连接。调整块3的底面与凹槽2的槽底的初始状态均水平，两者自由接触，当位于寒冷地区的路基融化沉陷或位于松软场地的地基及路基压缩沉降可能会导致路基基床表层15发生局部沉降，在沉降逐渐发育的过程中，轨道基础1和凹槽2会随之沉降，由于调整块3受到扣件6向上的作用力，凹槽2可承受来自调整块3向下的压力而无法承受拉力，因此在路基基床表层15局部相对沉降变形过程中，调整块3可轻松脱离凹槽2并在竖直方向与之保持相对向上运动。在寒区高铁路基的施工运营前期(即钢轨处于平顺状态)，此时路基基床表层15还未发生显著的沉降变形，调整块3的底面与凹槽2的底面贴紧，二者通过直接接触将来自钢轨5的高铁列车荷载传递至轨下结构；当地基、路基及其上方对应的路基基床表层15出现局部压缩沉降(包括融沉)或冻胀变形时，调整块3会受到扣件6的约束而悬挂在其上的钢轨5下方，调整块3与凹槽2的底面将自由脱离并在两者之间产生较大空隙，无法直接传递列车荷载。当调整块3与凹槽2之间产生较大空隙后，找平颗粒4在自重下会自由下落至凹槽2内，在自重和列车的振动荷载作用下可实现自动找平，并填满调整块3与凹槽2底面之间的空隙。找平颗粒4将作为调整块3与凹槽2底面之间竖向力传递的桥梁，以重新将来自高铁列车的振动荷载经自动调整结构传递至路基基床表层15。找平颗粒4逐渐填满调整块3与凹槽2底面之间存在空隙的过程，就是自动调整调整块3竖向位置的过程，这个过程实现了钢轨5竖向的高低自动调节。
33.进一步的，所述找平颗粒4的最大粒径远远小于锥形坡口的最小直径。优选的，所述找平颗粒4采用强度和硬度高、耐久和耐磨性好的材料，形状优选直径较小的球形，以满足找平颗粒4在调整块与凹槽底面之间的空隙较小的情况下仍可实现自由滚动。
34.进一步的，所述调整块3的侧壁与凹槽2的内部侧壁均竖直、光滑，且其间预留一定的间隙，既保证了两者在竖向可自由相对运动，也限制了两者在水平向的相对位移量。当调整块3与凹槽2的内部侧壁之间的间隙(在路基横截面方向上)因路基横向不均匀沉降而产生一定差异后，将自动调整左右两条轨道横向相对位置处的调整块3的竖向相对位置，实现了在路基横截面上两根钢轨5的水平不平顺调节。
35.进一步的，所述调整块3截面为正方形或矩形。
36.进一步的，所述调整块3通过扣件6与钢轨5固定连接，所述调整块3内部的空腔位于扣件6的正下方。
37.进一步的，所述轨道基础1包括轨道底板11、粘结层12和柔性混凝土底板13，所述柔性混凝土底板13安装在路基基床表层15上方，所述轨道底板11通过粘结层12固定在柔性混凝土底板13上，所述凹槽2设置在轨道底板11上。
38.进一步的，所述轨道基础1还包括凹槽底座14，所述凹槽底座14固定在轨道底板11
上，所述凹槽2开设在凹槽底座14上，所述凹槽底座14呈梯形，上窄下宽，所述轨道底板11上预留了梯形槽，凹槽底座14与梯形槽紧密接触且固定牢靠。
39.具体实施方式二
40.一种包括具体实施方式一所述的自动调平结构的轨道，所述轨道包括两条钢轨5，每条钢轨5的下部均设置有若干个自动调整结构。每条轨道下的各个自动调整结构调节调整块3高度的作用相互独立，且各个自动调整结构调节调整块3高度的效果又相互影响。通过多个自动调整结构相互协调调节对应位置的钢轨5的竖向高度，可轻松实现共同控制和自动调节钢轨5竖向位置，从而极大改善钢轨5沿线路纵向的平顺性。
41.进一步的，在同一横截面上，两条钢轨5的相对应位置均设置有自动调整机构。
42.实施例1
43.由于无论是路基冻胀融沉还是地基/路基压缩沉降等因素产生的影响均会反应在路基基床表层15的变形上，因此为了更方便、简洁的说明本发明，以下仅以路基基床表层15的变形代表各种因素作用下的综合变形。
44.当路基基床表层15发生局部沉降后，其上方对应的柔性混凝土底板13、粘结层12、轨道底板11及凹槽2也会随之沉降，由于调整块3会受到扣件6的约束而悬挂在其上的钢轨5下方，此过程中，调整块3会与凹型底座14自由脱离并在两者之间产生较大空隙，因此位于调整块3空腔内的找平颗粒4下端将不受来自凹槽2底面竖向力约束，找平颗粒4在自重下自由下落至凹槽2内，在自重和列车的振动荷载作用下可实现自动找平，并填满调整块3与凹槽2底面之间的空隙。需要特别说明，找平颗粒4应优选采用强度和硬度高、耐久和耐磨性好的材料，其形状优选直径较小的球状，以满足找平颗粒4在调整块3与凹槽2底面之间的空隙较小的情况下仍可实现自由滚动，达到自动找平的目的。
45.在调整块3与凹槽2底面之间的空隙填满后，找平颗粒4将作为调整块3与凹槽2底面之间竖向力传递的桥梁，以重新将来自高铁列车的振动荷载经自动调整结构传递至路基基床表层15。同理，当进一步发生沉降，自动调整结构将自动重复以上步骤，不断抬升调整块3的高度，实现钢轨5的竖向位置自动调节。
46.如图7所示，当路基基床表层15发生局部沉降后，冻胀区域外两侧产生了相对沉降，类似的，找平颗粒4在冻胀发育的过程(也是相对沉降发育的过程)不断将调整块3与凹凹槽2底面之间的空隙填满，实现钢轨5的竖向位置自动调节，改善因路基冻胀带来的轨道不平顺问题。
47.如图4所示，在寒区高铁路基的施工运营前期，在路基横截面方向上，路基基床表层15还未产生明显的变形，此时自动调整结构在路基基床表层15上方基本保持水平状态(注：在路基横截面方向保持水平状态)，调整块3的底面与凹槽2底面紧密接触，二者同样在路基横截面上保持水平，因此在该路基横截面上的左右两根钢轨5的左右两轨顶面的高差几乎为0，即两根钢轨保持水平。
48.如图5所示，当路基基床表层15在后期运营中发生横向不均匀沉降时，例如在路基横截面方向上，当路基基床表层15右端的沉降大于左端时，自动调整结构中的部分结构(包括柔性混凝土底板13、粘结层12、轨道底板11及凹型底座14)相应也会顺时针倾斜相对向右侧沉降，调整块3由于受到扣件6的约束而会悬挂在其上的钢轨5下方，因此左右两个调整块3会与之对应的两个凹型底座14自由脱离而在两者之间产生空隙，且空隙左小右大，此时位
于调整块3空腔内的找平颗粒4下端将不受竖向力约束，找平颗粒4在自重下自由下落至凹槽2内，在自重和列车的振动荷载作用下可实现自动找平，并填满调整块3与凹槽2底面之间的空隙。在找平颗粒4找平后，自动调整结构的调整块3、扣件6及钢轨5在路基基床表层15上方基本保持水平状态，可将来自高铁列车的振动荷载经自动调整结构传递至路基基床表层15，且传力路径稳定、可靠，因此在路基横截面方向上由于路基基床表层15的横向不均匀沉降对钢轨5水平不平顺产生的影响将会显著降低。当路基基床表层15在后期运营中进一步发生横向不均匀沉降(即路基基床表层15横向右端的沉降进一步大于左端)，自动调整结构将自动重复以上步骤即可调节左右两条轨道横向相对位置处的调整块3的竖向相对位置，以实现在路基横截面上两根钢轨5的水平不平顺自动调节。
49.如图6所示，同理，当路基基床表层15在后期运营中发生其他类型的横向不均匀沉降时(例如路基基床表层15的左端的沉降大于右端时)，自动调整结构也可类似的自动调节左右两条轨道横向相对位置处的两个调整块3的竖向相对位置，以实现在路基横截面上两根钢轨5的水平不平顺自动调节。
50.如图7和图8所示，由于各个自动调整结构调节调整块3高度的作用相互独立，且各个自动调整结构调节调整块3高度的效果又相互影响，因此当沿线路纵向路基基床表层15出现了局部沉降(包括融沉)或冻胀变形时，为调节沿线路纵向钢轨5的平顺性，各个自动调整结构中各个调整块3将根据其对应位置处路基基床表层15的竖向相对变形量自行调节相对于凹槽2底面的高度，通过多个自动调整结构相互协调调节对应位置的钢轨5竖向高度，可轻松实现共同控制和自动调节钢轨5竖向位置，从而极大改善钢轨5沿线路纵向的平顺性。当线路平顺性得到改善后，在高铁列车的长期动荷载下，轮轨接触力将显著降低，因此轨道结构和路基变形将得到良好控制。
51.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。