高铁轨道为什么没有铺碎石子（为什么火车轨道下面要铺碎石子）

综述

经常出门旅行的朋友应该会注意到，我们平常乘坐的火车铁轨，下面会铺上一堆厚厚的碎石，而高铁轨道却是用混凝土浇筑而成的。两个都是有轨列车，为什么修建的方式却完全不同呢？这期视频，我们就来好好说说这两者间的区别。

Tips：世界上第一条铁路是英国在1825年修建的斯托克顿——达林顿铁路。斯托克顿和达林顿相距约21公里。

轨道的历史

若问你究竟是先有轨道还是先有火车，估计大多数人都会说是一起出现的，其实不然。历史上最早出现的是轨道，而蒸汽机都是在很久以后才出现的。16世纪，罗马尼亚中部特兰西瓦尼亚的煤矿工人就已经开始用轨道运输矿车了。

这时的设计非常简单，所谓的轨道就是用硬木铺成的平行轨道，可以在上面推着矿车前进，大大加快了采矿的速度。而在城市中，也有这种类似的轨道存在，不过是用来跑马车的。

Tips：1825年9月27日，世界上第一条铁路正式通车营业，并举行盛况空前的表演。开业典礼于通往达林顿的煤矿运输线的西来敦站举行，检阅式由五列列车组成。

火车和轨道结合在一起，是欧洲工业革命之后的事情。蒸汽机车的出现，让人类的交通运输业达到了一个新的高度。这时木质轨道才变成了铁轨。1831年，英国人发明了"法兰T形铁轨"，这种铁轨通过匹配的金属件固定在枕木上，是我们现在看到的铁轨的雏形。

直到1839年，英国开始广泛使用工字型铁轨之后，才有了现代铁轨的样子。不过这个时候，铁轨下面还没有铺上碎石。因为当时的蒸汽机车载重量较小，哪怕铺在夯实的土路上，铁轨也不会因为载重量太大而断裂。

Tips：1804年，英国人里查•特里维西克（Richard Trevithick）制造了第一台可运行的蒸汽机车，这部机车带有单一气缸和一个用于抵消气缸振动的大飞轮。

到了20世纪初，火车也从最开始的蒸汽机车变成了内燃机车，载重能力大大加强，速度也提升到了每小时40公里左右。这时火车开始用来运输煤矿等大中型货物，对铁轨的要求大大提高。

这时，英国开始探索铁轨的地基设计，并最终采用了铺筑碎石的方法，帮助枕木分散火车的力量，被大家成为有砟轨道。这种方法简单而且成本低廉，于是在全世界开始流行。那么问题来了，这些小小的碎石到底有什么好处，让全世界应用了100多年还是经久不衰呢？

有砟轨道有什么好处？

从功利的角度看，有砟轨道的好处就是便宜。在过去，为了降低轨道修建的成本，最早的枕木就是用硬木铺筑的。但是用木头有一个坏处，就是在下雨积水之后，枕木会被水泡软，所以需要经常更换。

为了解决这个问题，1865年英国才开始用碎石作为铁路道床。这样，雨水就会顺着碎石间的缝隙流走，让枕木和铁轨时刻保持干燥。之后随着火车载重量的提升，枕木变成了混泥土结构，而砟石依旧被保留下来，则是因为它的其他优点。

Tips：传统的有砟轨道结构仍然是当前普速铁路的主要结构形式。它由钢轨、轨枕、连接零件、道砟、道岔组成。

首先，砟石到处都有，就地取材可以为铁路修建节省不少的费用。无论是碎石、还是卵石、筛选卵石、粗砂、中砂及熔炉矿碴，都可以用来铺路。只要满足一个条件就行，也就是形状必须是不规则的。如果是平滑的卵石，在铁轨的震动下，这些石头就会发生平移，导致铁轨塌陷。

所以铁路上用的碎石，需要先把运过来的石头碎成不规则的小石块，才可以铺路。这种不规则结构无论是面对重压，还是应对火车转弯时产生的横向平移，都有良好的抗性，可以保证铁轨的稳定，还有一定的弹性。而且在碎石受力崩裂的时候，也可以吸收火车重压铁轨时产生的热量。

Tips：碎石可分散列车驶经时产生的震动及高热，保持钢轨轨距不变，不致发生出轨事故，并减少噪音，石头之间的罅隙更可迅速排去雨水，都是用碎石做道砟。

其次，火车在运行中会产生很大的噪音，如果铁轨和地面紧紧相连，那么方圆几公里的地面，都会变成共振喇叭，扩大火车的噪音。而碎石不但可以避免地面的共振，其中的缝隙也可以起到降噪的功效。此外，就是维修起来比较方便了。

如果发现铁路某段的铁轨或者枕木断裂，需要更换的时候，工人只需要把下面的碎石挖开，就可以很轻松地更换枕木。综合上面几点来看，有砟铁轨会这么流行，也不是怪事了。不过，用碎石铺铁路，也有很多缺点，反而制约了铁路的发展。

Tips：轨枕起先采用木材制造，经过防腐处理的，使用寿命在15年左右，所以世界上90%的铁路都使用木枕。据统计，木枕使用高峰期，全世界大约铺设了30多亿根而且大多数是松木。

有砟铁路的缺点

当我们乘坐普通火车的时候，总是会听到哐啷哐啷的声音，这是因为铁轨之间还有间隙，当车轴通过这些间隙的时候，就会发出声音。

这种烦人的噪声其实完全可以抹去，只要把铁轨焊接起来，做成无缝铁路就可以解决。但是，有砟铁轨并不适合这样做，这是因为铁路的应力总是在发生变化。

Tips：轮轨噪声由车轮与轨道之间的撞击和摩擦产生，与车速、车厢长度、每列车的车厢数每个车厢上的轮轴数及轨道的技术状态相关。实测表明车速为100km时，轮轨噪声在在离轨道5m可达108 dB。

轨道在温差作用下，都会产生温度应力，轨道温度变化远大于气温，夏天能比气温高20多度，冬天能低于最低气温10度以上。所以有砟铁路如果没有缝隙，就会出现铁轨弯曲而无法使用。

每年换季的时候，有砟轨道总会进行检修，其中有一项工作叫做"放散"，也就是拧开铁轨和轨枕之间的螺丝，平衡温度应力，这样才能保证有砟轨道不会出现事故。于是，有砟轨道看起来便宜，但事后的维护成本却总是居高不下。

Tips：根据长期大量的测量结果，最高轨温一般要比当地最高气温高20度左右，最低轨温与当地最低气温大致相同。

而且有砟轨道使用一段时间之后，碎石会因为崩裂等原因变成更细小的沙石，这会让轨道看起来变脏。碎石间的缝隙一旦被填满，它的排水效果就会大打折扣。比如说我国建造的大秦线铁路，因为常年运输煤炭，导致铁路碎石完全被煤灰填满。

Tips：大秦铁路是中国华北地区一条连接山西省与河北省的国铁I级货运专线铁路，线路全长653千米，列车重载运营速度80千米/小时，最大牵引质量2万吨。

另外一个缺点，就是有砟轨道限制了火车的速度。虽然用碎石吸收火车通过时的震动是个不错的方法，但是如果火车提速，那么有砟轨道就会受损。

因为重型火车在压过铁轨时，产生的重力形变甚至到了肉眼可见的地步，如果火车速度加快，那么弹性形变的频率就会升高，结果发生金属疲劳导致铁轨断裂。这是因为碎石和铁轨间总有缝隙造成的。

Tips：根据列车等级来分，普通火车速度为100-120KM/H；快速为110-120KM/H；特快为140-160KM/H；动车组为200-250KM/H；高铁为300-350KM/H以上。

据德国高铁统计，随着行车速度的提高，由于有砟轨道不均匀下沉产生的120Hz以下频率范围的激振严重，轨道破损和变形加剧，从而使维修工作量显著增加，维修周期明显缩短。如果用有砟轨道运行高铁，会出现这样的尴尬。

当行车速度在250到330公里之间时，铁路的维护周期会比平时多出2倍，如果铁轨通过了3亿吨的总重量之后，有砟铁轨就需要全部更换。

Tips ：银西高铁是我国第一条以高速有砟轨道为主、设计速度250公里、基础预留进一步提速条件的长大干线高速铁路，是国内第一条长大区间高速有砟轨道试验段。

而且有砟铁路不仅会损坏自己，还有可能损坏价格高昂的高速列车。这就是飞砟现象。在现实中，无论是铁轨还是车轴，都存在一定程度的变形，这就是列车会有震动的主要原因。当列车高速通过时，这些震动会导致砟石加速崩裂，再加上火车通过产生的风压，这些小石子会弹到列车身上，产生难以预料的危险。

比如说打坏列车，或者碎石刚好落在铁轨上导致颠簸，在严重时甚至会让列车脱轨，发生重大交通事故。所以说，有砟轨道只适合速度低的重载型火车。想要提速，就必须采用铁轨相互焊接的无砟轨道。

Tips ：飞砟通常发生在车速超过300km/h以上。类似于飞机起飞前必须首先驱赶机场上空的鸟类，列车在高速行驶的时候也必须对飞砟现象进行控制。

什么是无砟轨道？

无砟轨道是用混凝土、沥青混合料等完全取代碎石道床的铁轨，因为制造难度大，维护麻烦等特点，被称为最先进的铁轨。

是的，这并非调侃而是事实。和有砟铁轨比较，无砟铁轨更加娇气。因为用整体浇筑的混凝土代替了碎石，所以无砟铁轨没有弹性变化的空间，所以只适合运行重量较小的载人列车。不像传统的火车那样，车厢可以随意增加减少，而是有固定的节数。

因为一旦列车过重，超过了混凝土的刚性极限，就会导致轨道崩裂。而想要修复，就需要把整段的钢轨和混凝土床全部更换。所以高铁轨道一旦出现问题，维修的时间往往很长。

Tips ：高速铁路无砟轨道结构与普通轨道结构一样，由钢轨、轨枕、扣件、道床、道岔等部分组成，列车运行时速可达350千米以上。

不过它的优点也是显而易见的。首先就是平稳，它是世界上最平稳的铁路，比如说中国的高铁，你甚至可以在车厢里立住一枚硬币而不倒。

之所以如此稳定，是因为高铁的钢轨是被焊接在一起的，而且下面的混凝土轨床不会产生形变，所以非常稳定。再加上横凝土结构寿命长的特点，无砟铁路的维护费用反而比有砟轨道低得多。只要严格限制高铁的载重量，无砟铁轨就不会有什么问题。

Tips ：京津高铁全长120公里，是我国第一条采用先进的无砟轨道技术铺设轨道的高铁，运用世界最先进的长钢轨焊接工艺，无连接缝隙。

之所以无砟轨道到现在才开始普及，是因为它的制作工艺非常严格。就像上面提到的温度应力，铁轨在温度变化时产生的热胀冷缩效应，是无砟轨道难以普及的关键。首先是钢轨的选材上必须用温度应力较小的材料。

我国采用的是钒钢，它的机械强度很高，热胀冷缩系数很小。不过这也仅仅是个开始。把铁轨固定在轨枕上时，人工铺筑可能会因为微小的误差，导致钢轨产生弯曲，为此，高铁轨枕的铺筑，完全由机械完成。

之后再用锁扣将钢轨牢牢固定在轨枕上，就算产生形变，也只会一个很小的范围内，不会导致整个钢轨变形。

Tips ：钢筋混凝土轨枕使用寿命长，稳定性高，养护工作量小，损伤率和报废率比木枕要低得多，而且钢筋混凝土轨枕在无缝线路上比木枕的稳定性平均提高15~20%。

此外，焊接钢轨也有讲究，现在一般采用铝热剂焊接钢轨，这样做就可以避免焊接点有弹性应力。为了应对南北不同的温差变化。

高铁在我国南部地区，铁轨扣件采用紧固的变法，把温度应力牢牢控制在最小范围之中。而在温差变化较大的北方就需要每隔10公里，甚至1公里设置伸缩调节器。

这段调节轨道，由基本轨和尖轨组成，在可活动的同时，也保障了高铁钢轨的平顺稳定。

Tips ：钢轨伸缩调节器又称温度调节器是一种调节钢轨伸缩的设备，调节器由基本轨、尖轨、大垫板、轨撑、导向卡(或导向轨撑)及连接零件构成。

所有无砟铁路也要像有砟铁路那样，每年两次调节伸缩器的扣件，并且用锤击的方式，让它可以自由伸缩。每次调整的伸缩长度，不会超过1500毫米。

如果没有这一系列现代工业的加持，想要造出合格的无砟铁路，基本上是不可能的。而中国在无砟铁路的建造上，实现了完全自主生产，这也是中国高铁，可以领先全世界的原因。

Tips ：截至2020年年底，全国铁路营业里程14.6万公里，其中高铁营业里程3.8万公里。

结语

相信通过小编的介绍，大家已经明白为什么普通铁路用的是碎石，而高铁却要用混凝土的原因了。有砟铁路虽然年代久远，而且麻烦多多，但是在重型货物的运输中，有砟铁路依旧发挥着不可或缺的作用。

而在讲究快速高效的当今社会，高铁依旧会是未来的必然方向。甚至铁路运输会向着普及磁悬浮列车的方向发展。中国高铁领先世界，正是由于我国基础建设技术超前发展的标志。相信以后，中国的道路交通还会给我们制造更多的惊喜。

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