經常出門旅行的朋友應該會注意到，我們平常乘坐的火車鐵軌，下面會鋪上一堆厚厚的碎石，而高鐵軌道卻是用混凝土澆築而成的。兩個都是有軌列車，為什麼修建的方式卻完全不同呢？這期視頻，我們就來好好說說這兩者間的區别。

Tips：世界上第一條鐵路是英國在1825年修建的斯托克頓——達林頓鐵路。斯托克頓和達林頓相距約21公裡。

若問你究竟是先有軌道還是先有火車，估計大多數人都會說是一起出現的，其實不然。曆史上最早出現的是軌道，而蒸汽機都是在很久以後才出現的。16世紀，羅馬尼亞中部特蘭西瓦尼亞的煤礦工人就已經開始用軌道運輸礦車了。

這時的設計非常簡單，所謂的軌道就是用硬木鋪成的平行軌道，可以在上面推着礦車前進，大大加快了采礦的速度。而在城市中，也有這種類似的軌道存在，不過是用來跑馬車的。

Tips：1825年9月27日，世界上第一條鐵路正式通車營業，并舉行盛況空前的表演。開業典禮于通往達林頓的煤礦運輸線的西來敦站舉行，檢閱式由五列列車組成。

火車和軌道結合在一起，是歐洲工業革命之後的事情。蒸汽機車的出現，讓人類的交通運輸業達到了一個新的高度。這時木質軌道才變成了鐵軌。1831年，英國人發明了"法蘭T形鐵軌"，這種鐵軌通過匹配的金屬件固定在枕木上，是我們現在看到的鐵軌的雛形。

直到1839年，英國開始廣泛使用工字型鐵軌之後，才有了現代鐵軌的樣子。不過這個時候，鐵軌下面還沒有鋪上碎石。因為當時的蒸汽機車載重量較小，哪怕鋪在夯實的土路上，鐵軌也不會因為載重量太大而斷裂。

Tips：1804年，英國人裡查•特裡維西克（Richard Trevithick）制造了第一台可運行的蒸汽機車，這部機車帶有單一氣缸和一個用于抵消氣缸振動的大飛輪。

到了20世紀初，火車也從最開始的蒸汽機車變成了内燃機車，載重能力大大加強，速度也提升到了每小時40公裡左右。這時火車開始用來運輸煤礦等大中型貨物，對鐵軌的要求大大提高。

這時，英國開始探索鐵軌的地基設計，并最終采用了鋪築碎石的方法，幫助枕木分散火車的力量，被大家成為有砟軌道。這種方法簡單而且成本低廉，于是在全世界開始流行。那麼問題來了，這些小小的碎石到底有什麼好處，讓全世界應用了100多年還是經久不衰呢？

從功利的角度看，有砟軌道的好處就是便宜。在過去，為了降低軌道修建的成本，最早的枕木就是用硬木鋪築的。但是用木頭有一個壞處，就是在下雨積水之後，枕木會被水泡軟，所以需要經常更換。

為了解決這個問題，1865年英國才開始用碎石作為鐵路道床。這樣，雨水就會順着碎石間的縫隙流走，讓枕木和鐵軌時刻保持幹燥。之後随着火車載重量的提升，枕木變成了混泥土結構，而砟石依舊被保留下來，則是因為它的其他優點。

Tips：傳統的有砟軌道結構仍然是當前普速鐵路的主要結構形式。它由鋼軌、軌枕、連接零件、道砟、道岔組成。

首先，砟石到處都有，就地取材可以為鐵路修建節省不少的費用。無論是碎石、還是卵石、篩選卵石、粗砂、中砂及熔爐礦碴，都可以用來鋪路。隻要滿足一個條件就行，也就是形狀必須是不規則的。如果是平滑的卵石，在鐵軌的震動下，這些石頭就會發生平移，導緻鐵軌塌陷。

所以鐵路上用的碎石，需要先把運過來的石頭碎成不規則的小石塊，才可以鋪路。這種不規則結構無論是面對重壓，還是應對火車轉彎時産生的橫向平移，都有良好的抗性，可以保證鐵軌的穩定，還有一定的彈性。而且在碎石受力崩裂的時候，也可以吸收火車重壓鐵軌時産生的熱量。

Tips：碎石可分散列車駛經時産生的震動及高熱，保持鋼軌軌距不變，不緻發生出軌事故，并減少噪音，石頭之間的罅隙更可迅速排去雨水，都是用碎石做道砟。

其次，火車在運行中會産生很大的噪音，如果鐵軌和地面緊緊相連，那麼方圓幾公裡的地面，都會變成共振喇叭，擴大火車的噪音。而碎石不但可以避免地面的共振，其中的縫隙也可以起到降噪的功效。此外，就是維修起來比較方便了。

如果發現鐵路某段的鐵軌或者枕木斷裂，需要更換的時候，工人隻需要把下面的碎石挖開，就可以很輕松地更換枕木。綜合上面幾點來看，有砟鐵軌會這麼流行，也不是怪事了。不過，用碎石鋪鐵路，也有很多缺點，反而制約了鐵路的發展。

Tips：軌枕起先采用木材制造，經過防腐處理的，使用壽命在15年左右，所以世界上90%的鐵路都使用木枕。據統計，木枕使用高峰期，全世界大約鋪設了30多億根而且大多數是松木。

當我們乘坐普通火車的時候，總是會聽到哐啷哐啷的聲音，這是因為鐵軌之間還有間隙，當車軸通過這些間隙的時候，就會發出聲音。

這種煩人的噪聲其實完全可以抹去，隻要把鐵軌焊接起來，做成無縫鐵路就可以解決。但是，有砟鐵軌并不适合這樣做，這是因為鐵路的應力總是在發生變化。

Tips：輪軌噪聲由車輪與軌道之間的撞擊和摩擦産生，與車速、車廂長度、每列車的車廂數每個車廂上的輪軸數及軌道的技術狀态相關。實測表明車速為100km時，輪軌噪聲在在離軌道5m可達108 dB。

軌道在溫差作用下，都會産生溫度應力，軌道溫度變化遠大于氣溫，夏天能比氣溫高20多度，冬天能低于最低氣溫10度以上。所以有砟鐵路如果沒有縫隙，就會出現鐵軌彎曲而無法使用。

每年換季的時候，有砟軌道總會進行檢修，其中有一項工作叫做"放散"，也就是擰開鐵軌和軌枕之間的螺絲，平衡溫度應力，這樣才能保證有砟軌道不會出現事故。于是，有砟軌道看起來便宜，但事後的維護成本卻總是居高不下。

Tips：根據長期大量的測量結果，最高軌溫一般要比當地最高氣溫高20度左右，最低軌溫與當地最低氣溫大緻相同。

而且有砟軌道使用一段時間之後，碎石會因為崩裂等原因變成更細小的沙石，這會讓軌道看起來變髒。碎石間的縫隙一旦被填滿，它的排水效果就會大打折扣。比如說我國建造的大秦線鐵路，因為常年運輸煤炭，導緻鐵路碎石完全被煤灰填滿。

Tips：大秦鐵路是中國華北地區一條連接山西省與河北省的國鐵I級貨運專線鐵路，線路全長653千米，列車重載運營速度80千米/小時，最大牽引質量2萬噸。

另外一個缺點，就是有砟軌道限制了火車的速度。雖然用碎石吸收火車通過時的震動是個不錯的方法，但是如果火車提速，那麼有砟軌道就會受損。

因為重型火車在壓過鐵軌時，産生的重力形變甚至到了肉眼可見的地步，如果火車速度加快，那麼彈性形變的頻率就會升高，結果發生金屬疲勞導緻鐵軌斷裂。這是因為碎石和鐵軌間總有縫隙造成的。

Tips：根據列車等級來分，普通火車速度為100-120KM/H；快速為110-120KM/H；特快為140-160KM/H；動車組為200-250KM/H；高鐵為300-350KM/H以上。

據德國高鐵統計，随着行車速度的提高，由于有砟軌道不均勻下沉産生的120Hz以下頻率範圍的激振嚴重，軌道破損和變形加劇，從而使維修工作量顯著增加，維修周期明顯縮短。如果用有砟軌道運行高鐵，會出現這樣的尴尬。

當行車速度在250到330公裡之間時，鐵路的維護周期會比平時多出2倍，如果鐵軌通過了3億噸的總重量之後，有砟鐵軌就需要全部更換。

Tips ：銀西高鐵是我國第一條以高速有砟軌道為主、設計速度250公裡、基礎預留進一步提速條件的長大幹線高速鐵路，是國内第一條長大區間高速有砟軌道試驗段。

而且有砟鐵路不僅會損壞自己，還有可能損壞價格高昂的高速列車。這就是飛砟現象。在現實中，無論是鐵軌還是車軸，都存在一定程度的變形，這就是列車會有震動的主要原因。當列車高速通過時，這些震動會導緻砟石加速崩裂，再加上火車通過産生的風壓，這些小石子會彈到列車身上，産生難以預料的危險。

比如說打壞列車，或者碎石剛好落在鐵軌上導緻颠簸，在嚴重時甚至會讓列車脫軌，發生重大交通事故。所以說，有砟軌道隻适合速度低的重載型火車。想要提速，就必須采用鐵軌相互焊接的無砟軌道。

Tips ：飛砟通常發生在車速超過300km/h以上。類似于飛機起飛前必須首先驅趕機場上空的鳥類，列車在高速行駛的時候也必須對飛砟現象進行控制。

無砟軌道是用混凝土、瀝青混合料等完全取代碎石道床的鐵軌，因為制造難度大，維護麻煩等特點，被稱為最先進的鐵軌。

是的，這并非調侃而是事實。和有砟鐵軌比較，無砟鐵軌更加嬌氣。因為用整體澆築的混凝土代替了碎石，所以無砟鐵軌沒有彈性變化的空間，所以隻适合運行重量較小的載人列車。不像傳統的火車那樣，車廂可以随意增加減少，而是有固定的節數。

因為一旦列車過重，超過了混凝土的剛性極限，就會導緻軌道崩裂。而想要修複，就需要把整段的鋼軌和混凝土床全部更換。所以高鐵軌道一旦出現問題，維修的時間往往很長。

Tips ：高速鐵路無砟軌道結構與普通軌道結構一樣，由鋼軌、軌枕、扣件、道床、道岔等部分組成，列車運行時速可達350千米以上。

不過它的優點也是顯而易見的。首先就是平穩，它是世界上最平穩的鐵路，比如說中國的高鐵，你甚至可以在車廂裡立住一枚硬币而不倒。

之所以如此穩定，是因為高鐵的鋼軌是被焊接在一起的，而且下面的混凝土軌床不會産生形變，所以非常穩定。再加上橫凝土結構壽命長的特點，無砟鐵路的維護費用反而比有砟軌道低得多。隻要嚴格限制高鐵的載重量，無砟鐵軌就不會有什麼問題。

Tips ：京津高鐵全長120公裡，是我國第一條采用先進的無砟軌道技術鋪設軌道的高鐵，運用世界最先進的長鋼軌焊接工藝，無連接縫隙。

之所以無砟軌道到現在才開始普及，是因為它的制作工藝非常嚴格。就像上面提到的溫度應力，鐵軌在溫度變化時産生的熱脹冷縮效應，是無砟軌道難以普及的關鍵。首先是鋼軌的選材上必須用溫度應力較小的材料。

我國采用的是釩鋼，它的機械強度很高，熱脹冷縮系數很小。不過這也僅僅是個開始。把鐵軌固定在軌枕上時，人工鋪築可能會因為微小的誤差，導緻鋼軌産生彎曲，為此，高鐵軌枕的鋪築，完全由機械完成。

之後再用鎖扣将鋼軌牢牢固定在軌枕上，就算産生形變，也隻會一個很小的範圍内，不會導緻整個鋼軌變形。

Tips ：鋼筋混凝土軌枕使用壽命長，穩定性高，養護工作量小，損傷率和報廢率比木枕要低得多，而且鋼筋混凝土軌枕在無縫線路上比木枕的穩定性平均提高15~20%。

此外，焊接鋼軌也有講究，現在一般采用鋁熱劑焊接鋼軌，這樣做就可以避免焊接點有彈性應力。為了應對南北不同的溫差變化。

高鐵在我國南部地區，鐵軌扣件采用緊固的變法，把溫度應力牢牢控制在最小範圍之中。而在溫差變化較大的北方就需要每隔10公裡，甚至1公裡設置伸縮調節器。

這段調節軌道，由基本軌和尖軌組成，在可活動的同時，也保障了高鐵鋼軌的平順穩定。

Tips ：鋼軌伸縮調節器又稱溫度調節器是一種調節鋼軌伸縮的設備，調節器由基本軌、尖軌、大墊闆、軌撐、導向卡(或導向軌撐)及連接零件構成。

所有無砟鐵路也要像有砟鐵路那樣，每年兩次調節伸縮器的扣件，并且用錘擊的方式，讓它可以自由伸縮。每次調整的伸縮長度，不會超過1500毫米。

如果沒有這一系列現代工業的加持，想要造出合格的無砟鐵路，基本上是不可能的。而中國在無砟鐵路的建造上，實現了完全自主生産，這也是中國高鐵，可以領先全世界的原因。

Tips ：截至2020年年底，全國鐵路營業裡程14.6萬公裡，其中高鐵營業裡程3.8萬公裡。

相信通過小編的介紹，大家已經明白為什麼普通鐵路用的是碎石，而高鐵卻要用混凝土的原因了。有砟鐵路雖然年代久遠，而且麻煩多多，但是在重型貨物的運輸中，有砟鐵路依舊發揮着不可或缺的作用。

而在講究快速高效的當今社會，高鐵依舊會是未來的必然方向。甚至鐵路運輸會向着普及磁懸浮列車的方向發展。中國高鐵領先世界，正是由于我國基礎建設技術超前發展的标志。相信以後，中國的道路交通還會給我們制造更多的驚喜。

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