写在前面的话——

UP本人并非从业者，只是业余爱好，肯定不可能与专业人士相提并论。另外UP是文科僧出身，对一些技术理论只知其然不知其所以然，故难免有疏漏、不准确乃至理解错误之处，还请读者指正。本文仅供兴趣阅读，如需了解专业理论还请查阅专业的技术资料。

自1964年日本东海道新干线开通以来，高速铁路在世界范围内已经过了近60年的发展历程。目前世界上的高速铁路主要集中在西欧和东亚两大区域，其中欧洲的高速铁路以法国、德国等为代表，而东亚地区的高速铁路在过去以日本为代表，近年来则有中国高铁异军突起。虽然都有高速铁路之名，但不同国家、不同时期的高速铁路，设计标准各不相同，而最直观的表现便是各国高铁运营速度各有高低。那么，各国高铁在设计标准上具体有哪些差异？是哪些设计标准决定了一条高速铁路的速度上限？高速铁路建成后，其运行速度是否还可以继续提高？本文将对这些问题一一加以回答。

Part1.有砟轨道与无砟轨道

即使对高铁了解不多的人，可能也在一些新闻报道中听到过“无砟轨道”这个词，那么，何谓“无砟轨道”？要弄清这个问题，首先要解释与无砟轨道相对的传统的“有砟轨道”。铁路的钢轨和轨枕（过去用木材制造，因此常称为枕木，现今一般不再使用木制枕轨，改用更坚固耐用的混凝土轨枕）并不是直接铺设在铁路线的路基上的，在钢轨、轨枕（两者通过扣件紧密连接，呈梯子状，有时也称为“轨排”）和路基之间通常还要铺设一层有一定厚度的垫层，称为道床。道床的作用主要有二，一是支承位于自己上方的钢轨和轨枕、将列车通过时产生的压力均匀地传导到自己下方的路基；二是固定钢轨和轨枕的位置，限制其变形和横、纵向位移，保证轨道具有良好的平顺性和稳定性；此外，道床也具有排水、减震、降噪等方面的作用。

轨道结构示意图，在钢轨、轨枕与路基之间的道床起到“承上启下”的作用

速度较低、载重量较小的轨道交通，比如城市有轨电车，其轨道可以直接铺设在路面上

传统的铁路道床是用碎石（铁路称之为“道砟”）铺设的，这也就是通常所称的有砟轨道。虽然由于一些新闻报道，人们可能会形成“普通铁路=有砟轨道”、“高速铁路=无砟轨道”、进而形成“无砟轨道比有砟轨道更高级”这样的印象，但需要注意的是，这并不意味着有砟轨道就是低级、落后乃至一无是处的。有砟轨道也具有一些优点：

1）道砟采用碎石铺设，材料较为简便易得。当然，需要注意的是用于铺设道床的道砟也并非任意采用的，仍需满足严格的标准，并且线路等级越高，道砟标准就越高，我国就有特级道砟、一级道砟之分，并且高速铁路通常只允许使用特级道砟；

2）铺设简便，施工难度相对较小，技术要求较低，可以降低铁路的建设成本；

3）由碎石铺设的道床出现问题时比较容易修复，也比较容易对线路进行调整和改建；

4）碎石道砟具有良好的弹性，减震、降噪效果较好；

5）排水性好，等等。

有砟轨道示意图，最直观的特征就是钢轨下方由碎石铺设的道床

然而，有砟轨道具有的一些缺点限制了其在高速铁路领域的应用。首先，由碎石铺设的道床并不是一个紧密连结的整体，虽然在线路刚刚建成时可以将道床人工调整至良好的几何形态；然而，在列车的高强度冲击和各种外力作用（如温差变化导致的热胀冷缩）下，承受着来自钢轨和轨枕的强大压力的碎石道床会不可避免地发生变形，而且往往是不均匀地变形，结果道床原有的几何形态被破坏，失去了固定钢轨和轨枕位置的作用，从而危及高铁线路的平顺性和稳定性，这显然不利于高速列车的安全运行。

其次，同样由于列车的高强度冲击和各种外力作用，道砟会逐渐破碎、粉化，进而产生道床脏污、坍塌、板结、翻浆冒泥等多种病害，危及行车安全。

再次，为了恢复道床的几何形态、整治道床发生的病害、保障列车的安全运行，就必须要经常清洗更换道砟、重新捣固道床，使其保持在良好的状态，但这必然又会加大线路维护的工作量和成本，根据日本新干线的经验，有砟轨道的维护成本接近无砟轨道的两倍，这严重抵消了有砟轨道前期建设成本低的优势。

最后，高速列车运行时产生的强烈气流可能将一些颗粒较小的道砟卷起，出现“飞砟”现象，飞溅的道砟会危及高速列车和乘客的安全。这一现象在列车运行时速低于300公里时尚不明显，但当高速列车运行速度进一步提高时，飞砟问题就不能不引起重视了。

有砟轨道的翻浆冒泥病害。翻浆冒泥会导致轨道变形，危及列车运行安全，这时就必须重新更换道砟、整治线路

专业化养路机械进行有砟轨道的道砟清筛作业，以整治线路病害。现代化的大型机械设备可以部分克服有砟轨道养护不便的问题，但还不能将养护成本降至与无砟轨道同样的水平

与有砟轨道相对，无砟轨道并不使用碎石道砟，道床由钢筋混凝土浇筑而成，形成一个紧密连结的整体。无砟轨道相比有砟轨道具有显著的优势：

1）结构紧密、坚固、整体性强、不易变形，能够持久地限制轨道位移，保证轨道的平顺性和稳定性，为高速列车的安全运行提供了可靠保障；

2）使用寿命长，并且由于不存在有砟轨道的变形问题和病害问题，可以降低线路维护的工作量和成本；

3）消除了有砟轨道存在的飞砟问题，提高了列车高速运行时的安全性；

4）重量较轻、道床高度较低，在桥梁路段铺设时可以减轻载荷，在隧道内铺设时可以降低对隧道净高的要求，有利于节约桥隧建造成本。以上这些优势，使得无砟轨道在高速铁路领域得到了广泛的应用。

当然，事物都有其两面性，无砟轨道也存在一些劣势与不足：

1）技术难度高，建设成本高；

2）整体化的道床结构虽然减少了病害，但万一受损则很不容易修复，线路一旦建成，除非对无砟轨道强行破拆，否则也很难改造；

3）不适合在地基松软、地质不稳定的路段铺设；

4）弹性较差，可能存在震动和噪音加大的问题，测算发现相同条件下，无砟轨道的噪声通常较有砟轨道高5分贝。但是，这些缺点相对而言是次要的，对高速铁路而言，保证高速列车安全稳定运行才是最优先的考虑。

中国高速铁路所使用的CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道，该型无砟轨道引进自日本新干线的板式无砟轨道，轨道板下设水泥沥青砂浆（CA砂浆）充填层，起到缓冲作用，并改善无砟轨道弹性较有砟轨道差、噪音和震动加大的问题

中国铁路最长隧道——青藏铁路新关角隧道（全长32.645km）内部。虽然青藏铁路并非高速铁路，但是无砟轨道相对有砟轨道具有病害少、维护工作量小的优点，在不便于进行养路作业的长隧道内部，这一优势更具重要意义，因而新关角隧道内部同样采用了没有碎石道砟的整体道床（注：与高铁使用的无砟轨道有差异）

无砟轨道并不是一开始就在高速铁路上得到应用的。世界上第一条高速铁路——1964年通车的日本东海道新干线，由于当时无砟轨道的技术还不够成熟，故而采用了传统的有砟轨道，并且由于无前人的经验可循，当时日本选用了硬度不足的石灰岩道砟铺设道床。结果在高速列车长期高密度运行的冲击下，开通不到十年后，东海道新干线的有砟轨道就已出现严重的道砟粉化、道床变形以及翻浆冒泥病害问题，为此日本铁道不得不从七十年代后期开始对东海道新干线进行大修，对道砟进行清筛、替换和重新捣固，付出了很大代价。有鉴于此，日本其后建设的新干线多采用无砟轨道结构。

平板式（左）与框架式（右）的CRTS-Ⅰ型无砟轨道

日本新干线采用的无砟轨道主要为板式无砟轨道，为了节省成本和降低重量，后来又开发了框架式的无砟轨道板。这两种类型的轨道板有一个共同的特征，那就是中心有一个用于限制轨道板横、纵向位移的凸型混凝土挡台。该型轨道板的优点是重量较轻、减震性好、施工较简便，单元式的结构也便于轨道板损坏时进行维修，在地震多发的日本，便于维修是一个很强的技术优势。不过该型轨道板也存在一些缺陷，主要是板与板之间仅靠凸型挡台限位，缺乏纵向连接，因此整体性、纵向连续性不足，对线路平顺和稳定产生不利影响。此外，作为垫层的水泥沥青砂浆调整层寿命短、长时间使用后容易老化而失去弹性。

相比日本新干线，德国的高速铁路虽然很早就开始研究，但却很晚才开始商业运营，直到1991年才开通了真正意义的高速列车。最初，德国高铁亦选用了有砟轨道，但是经过运营实践发现当线路通过总质量超过3亿吨时，道砟就需要彻底更换。而且由于道床发生变形，钢轨也需要定期打磨，这些都加大了线路的维护成本。因此，从1998年的汉诺威-柏林高速铁路起，德国开始在高速铁路上大量使用无砟轨道。德国有一批历史悠久、技术实力强的工业企业，因此德国铁路只针对无砟轨道制定了若干设计标准，允许民营企业自行研发符合该标准的无砟轨道结构，这导致德国铁路的无砟轨道类型异常多样，有十几种之多。其中，博格（Bögl）型、雷达（Rheda2000）型和旭普林（Züblin）型无砟轨道最为常用：

①博格型板式无砟轨道。该型无砟轨道实际上是将加宽了的混凝土轨枕通过纵向钢筋、张拉锁件等相互进行纵连，同时在底座两侧隔一定间距设置侧向挡块，防止轨道板位移。轨道板本身采用预应力混凝土制造，在工厂车间通过机械精密打磨，使轨道板达到高精度的几何形态。其优点是精度高、整体性和纵向连续性好、铺设现场工作量小，缺点是制造工艺十分复杂，成本高昂，而且每块板都需要精密加工，难以互换，维修困难。中国高铁将引进的该型无砟轨道称为CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道。

CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道结构，轨道板由多个宽枕组成，相互之间有纵向连接，整体性强

京沪高铁铺设的博格轨道板，可以看到轨道板有横缝，两侧有方形的混凝土挡块结构

②雷达2000型双块式无砟轨道。雷达型无砟轨道采用双块式轨枕，两块轨枕之间有钢筋连接。施工时，首先将钢轨、轨枕安装到位，然后安装模板，浇筑混凝土，从而将轨枕整体埋入钢筋混凝土基座中。其优点是结构坚固整体性强、加工工艺较Ⅱ型板简单，缺点是现场施工比较复杂、对混凝土浇筑质量要求较高、否则容易出现开裂等问题。中国高铁将引进的该型无砟轨道称为CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道。

CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道结构，其与Ⅱ型板的直观区别是表面没有密集的横缝

CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道的施工，可以看出该型无砟轨道是“先铺轨、再浇筑”，将轨枕整体埋入混凝土道床中

③旭普林型双块式无砟轨道。该型无砟轨道与雷达型类似，但与雷达型采用浇筑的方式将轨枕埋入混凝土道床不同，旭普林型则采用机械振动的方式将轨枕压入道床。与雷达型的直观区别是旭普林型的轨枕露出部分呈方形，而雷达型则显得较“圆润”。中国高铁将引进的该型无砟轨道称为CRTS-Ⅱ型双块式无砟轨道，因振动埋入的施工方式较复杂，仅在少数线路上采用。

采用CRTS-Ⅱ型双块式无砟轨道的郑西高铁，仔细观察可见其轨枕露出部分呈方形，与Ⅰ型双块不同

中国从20世纪60年代开始在一些铁路线上试验铺设无砟轨道，至90年代总里程已达300千米以上，主要是在一些较长的桥梁隧道、以及部分大型车站内部铺设，为后来高速铁路无砟轨道积累了技术经验。2004年后，我国引进了日本、德国的4种类型的无砟轨道（日本新干线的板式无砟轨道，德国博格型板式无砟轨道、雷达型双块式无砟轨道和旭普林型双块式无砟轨道），并在高速铁路建设过程中进行了大规模应用。这4种类型的无砟轨道既具有各自的优势，也具有各自的缺陷和不足。因此在2009年后，我国又开发了具有自主知识产权的CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道。CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道既有良好的整体性和连续性，能够保证线路平顺和刚度均匀，同时又具有相对简单的结构和良好的通用性，便于现场施工和后期的修理维护。CRTS-Ⅲ型板作为博采众长的后起之秀，在中国近年来新建的高速铁路上得到了很多应用。

CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道结构。轨道板底部有门形筋，混凝土底座上有限位凹槽。在轨道板铺设到位、模板安装到位后，通过轨道板上预留的灌注口，向板与底座间灌注自密实混凝土（其较CA砂浆具有工艺简单、稳定耐用、成本低廉的优势）。通过门形筋+内设钢筋网片的自密实混凝土+限位凹槽，将轨道板、填充层和底座连为一个牢固的整体，提高了轨道的整体性和稳定性

CRTS-Ⅲ型轨道板，相比Ⅰ 型、Ⅱ型板，其直观特征是板与板间不设凸型挡台，板上无横缝而有“小圆孔”（施工时用于灌注自密实混凝土的灌注口）

但是，作为高速铁路大国之一的法国，在轨道结构方面却选择了一条独具特色的技术路线。法国自1981年开通第一条高速铁路起，就始终采用有砟轨道结构，虽然后来法国也曾在高速铁路地中海线上试验铺设了双块式无砟轨道，但试验结束后也并未大面积推广。采用有砟轨道的法国高速铁路是如何保证高铁列车运行的安全、平稳的呢？这既得益于法国的特殊环境，也得益于法国铁路采取的一些针对性措施：

首先，法国境内地质总体稳定，气候也相对温和（作为温带海洋性气候区，季节温差不大），因此有砟轨道受到内外力作用而发生结构变形的问题也就相对不严重。

其次，法国高速铁路采用坚硬、耐磨、粒径大且颗粒粗细均匀的高品质的花岗岩道砟铺设道床，从而抑制了道砟破碎粉化和各种道床病害，这也得益于法国境内多花岗岩地层，优质道砟资源丰富。

最后，法国铁路还采取了很多工程措施来抑制高速列车运行时的道砟飞溅问题：1）加强道床捣固、将道砟压实；2）清洁道砟脏污，清扫散落在轨道面的小颗粒道砟；3）在道床的表层铺设粒径较大的道砟，并适当降低道砟层的高度，等等。从而降低了高速列车运行时引发小颗粒的道砟飞溅的概率。

另外，法国高速列车均采用铰接式转向架，车体之间连接紧密、车底到轨道面的间隙小，因此不仅轨道结构、而且车辆的气动外形也有利于抑制道砟飞溅。至于有砟轨道养护工作量大、后期维护成本高的缺点，法国铁路认为可通过提高养路作业的机械化、自动化水平加以克服。

法国高速试验列车疾驰在高速铁路东欧线的有砟轨道上，574.8km/h的极限速度证明了法国在该领域的技术实力。为了抑制道砟飞溅问题，法国采取适度降低道砟堆高的做法；不过，道砟堆高的降低也会减弱道床限制钢轨和轨枕位移的作用

有砟轨道在法国高铁的应用是非常成功的。2007年，法国在高速铁路东欧线进行了一次冲高试验。为了保证冲高试验过程中不发生飞砟现象，除了精选道砟、加强道床捣固、降低道砟堆高等措施外，法国铁路部门还在试验前专门对轨道面进行彻底清扫，以清除可能散落到钢轨和轨枕上的碎石道砟。在冲高试验中，当TGV4402号高速试验列车达到最高574.8km/h的速度时，仍然没有出现道砟飞溅现象，这无疑是相当了不起的成就。当然，法国高速铁路有砟轨道的成功有其特殊原因，并不能为其他国家完全模仿，其他国家在高速铁路上铺设有砟轨道时，采取了另一些特殊防护措施。例如，日本新干线在有砟轨道路段铺设道床护网，中国高铁曾试验通过喷洒特殊的道砟胶、对有砟轨道进行固定。总之，有砟轨道在高速铁路领域仍然有其地位，但存在的一些缺陷限制了有砟轨道的使用，特别是当运行时速进一步提高到300公里以上时，无砟轨道的优势也会更加明显。

日本东海道新干线使用的道床护网，其初衷是为了解决新干线列车冬季运行时车体外壁挂冰脱落后溅起道砟、击伤车底设备的问题

采用无砟轨道的高速铁路也会在一些特殊地段铺设有砟轨道，如大型铁路枢纽站的股道往往铺设有砟轨道

【待续】

中外高速铁路的设计标准（1）