为什么铁轨下面一定要铺石头（为什么火车轨道下面要铺碎石子）

现在人们出行的方式越来越多，从最原始的徒步行走发展到用马、大象、驴等作为代步工具，再到现在，汽车、轮船、飞机、火车、高铁等等，都极大程度地方便了我们的生活，缩小了花费在路途上的时间成本，让我们有更充足的时间和精力去完成自己的事，或是欣赏沿途的风景，不至于在舟车劳顿后身心疲惫。

Tips：2016年7月，国家发展改革委、交通运输部、中国国家铁路集团有限公司联合发布了《中长期铁路网规划》，勾画了新时期“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图。

现在绿皮火车也已经成为了过去，我们最常选择的出行方式还是高铁和动车。不过，当我们在乘坐着疾驰的列车从轨道上经过时，是否注意过下方的轨道有什么不同呢？高铁往往是悬浮在轨道上方的，而动车和绿皮火车的下方，通常都会铺满一层碎石子。这是为什么？

列车轨道的演变

虽然现在我们提到列车都会想到轨道，但其实轨道是先于火车出现的。早在16世纪的时候，人们居住在罗马尼亚中部的特兰西瓦尼亚，许多人依靠开发煤矿为生，当时的工人们为了方便运输，就会使用轨道来搬运煤矿。

Tips：翻车机指一种用来翻卸铁路敞车散料的大型机械设备。可将有轨车辆翻转或倾斜使之卸料的装卸机械，适用于运输量大的港口和冶金、 煤炭、 热电等工业部门。

那时的轨道设计其实非常简陋也非常原始，就是用硬木板简单拼接成的平行轨道，在这条轨道下方，每隔上一段距离，人们就会放上一块短一些的木头作为枕木，这是为了固定住轨道，避免在运输过程中因为受力挤压而晃动甚至脱落。

人们在上面推动矿车前进，能够节省掉不少的力气，从而提高采矿的效率。在城市当中其实也有类似的轨道，但是并不是用来推车的，而是用来方便马车前进的，往往只有贵族才能够有这样的待遇。但是从这些轨道中，我们仍然能看出现代铁轨系统依旧在应用的原理。

Tips：有轨电车Streetcar，是采用电力驱动并在轨道上行驶的轻型轨道交通车辆。有轨电车是一种公共交通工具，亦称路面电车。

直到第一次工业革命中蒸汽机被发明出来，交通运输业的发展进入了一个新的阶段，轨道才得以跟火车融合，逐渐发展成为了我们认知中的铁轨。木质轨道非常容易被磨损，日复一日的车轮碾磨使得这种轨道的寿命十分短暂。为了解决这个问题，人们把一条又薄又长的铁片用钉子固定在木头上，减少木质表面受到的摩擦，从而降低磨损消耗的速率。

到了18世纪中叶，车轮已经从普遍的木质换成了铁质，这时，木质轨道的短板就很明显了，木头的硬度并不能承受铁质车轮的碾压，很容易就会被压弯甚至开裂，而随着木板一起弯曲的铁片也会翘起来，对于在轨道上行进的车辆和人来说，风险性极大。直到冶炼钢铁的技术得到发展，炼铁成本大大降低，人们才在1767年将轨道都换成了铁轨。

Tips：钢铁冶炼iron and steel smelting，是钢、铁冶金工艺过程的总称。现代炼铁绝大部分采用高炉炼铁，个别采用直接还原炼铁法和电炉炼铁法。

1831年及其之前生产的铁轨外形看起来像是鱼的肚子，有一道弧形，而且横断面是呈L形的，这样设计的目的是为了增加它的强度。使用这种铁轨铺出来的铁路一般用来连接煤矿、铁矿和炼铁厂，减少运输途中花费的时间和成本，使人们冶炼铁更加方便。但是这种铁轨只有1.8米长，有着一个致命的缺点，那就是接头太多了。铁轨长度过短，衔接处过多，会导致铁轨更容易从轨道上脱落，同时也会极大增加检修的负担。

Tips：工字形铁轨广泛应用主要是因为这种铁轨的强度高，减少铁轨的用量，进而降低成本，而且又容易生产出来，铺设时又非常方便。

1831年，英国人发明了一种“法兰T形铁轨”，就和它的名字一样，这种铁轨呈T形，下端非常小，需要用一种专门定制的底座才能把它固定在枕木上，但是它独特的固定方式也使得铁轨的制造成本大幅提高。

直到1839年，工字型铁轨得到广泛应用，我们才逐渐能够从中看到现代铁轨的样子。但在当时，火车铁轨的下方其实是空的，并没有铺满碎石子。这是怎么一回事呢？

火车为什么选择有砟轨道

其实在1865年，英国就已经在用碎石来铺就铁路了。在过去，人们为了降低建造铁路的成本，会选择用硬木来作为铁轨的枕木。

Tips：木枕是指由木材制成的轨枕。又称枕木。制作木枕须选用坚韧而富有弹性的木材。普通木枕标准长度为2.5 m，其断面形状分为I、Ⅱ两类，用于不同等级的线路上。

但是在多雨的季节，木头非常容易被雨水浸透泡软，需要人们频繁地进行更换。这样一来，降低的成本似乎都用到枕木的检修和更换上了，而且看起来还是个“无底洞”。为了避免这种情况一直延续下去，人们在铁路里铺上碎石，让雨水沿着石块的缝隙流走，从而使枕木保持干燥、避免被侵蚀、延长使用寿命。

但直到20世纪初，人们才开始普遍在铁轨下方铺上碎石，并且把这种轨道称为有砟轨道。这是因为最初的火车是蒸汽机车，载重量较小，运行速度也不快。但随着工业发展，火车逐渐演变成为了内燃机车，它能够承载的重量大幅度增加，运行速度也大大提升。这时的火车需要运载更重的一些货物，铁轨所要承受的负荷也远比以前要大得多。

Tips：蒸汽火车也叫蒸汽机车，是利用煤为动力，以蒸汽机为核心的最初级最古老的火车。一般蒸汽火车的速度为60千米/小时。

根据这个要求，相关专家和学者们对铁轨的地基设计进行了研究，最终认为，解决办法还是在铁轨的下方的空隙里。如果用碎石子铺满这些空隙，就能将火车的压力分散开，避免枕木被过大的强压碾碎。

有砟轨道一直延用了100多年，这主要有三个原因。

第一，这些碎石的成本非常低廉，甚至可以就地取材。无论是卵石、砂砾还是熔炉中残留的矿渣，只要它们的形状是不规则的，那就都可以用来铺路。假如用来铺路的石头是规则的圆形，那么在火车的行驶过程中，铁轨因为受力产生震动，这些石头就会随着震动进行平移，最终导致铁轨受力不均而塌陷。

Tips：碎石道床是最常见的道床之一，它的构造是把两条钢轨连着扣件并透过橡胶绝缘垫板固定在枕木上，而碎石在铺上路轨后必需经过砸实后才可使用。

因此，在用这些石头铺路之前，人们往往还要先把它们碾成不规则的碎石块。无论是火车本身的重压，还是火车转弯时带来的平移倾向，都能够被它们不规则的形状克服。这些碎石还能够起到吸收铁轨热量的作用，避免铁轨因为过热而开裂。

第二，碎石能够降低火车运行时发出的噪音。在高铁还没有普及的时候，我们站在相当远的地方都能够听到火车与铁轨碰撞发出的哐当哐当声，这还是通过碎石降噪之后的结果。假如没有这些碎石，铁轨就会直接和地面接触，它与火车碰撞发出的噪音能够通过地面的共振传到方圆几公里的地方。不仅碎石本身能够隔绝掉一部分的噪音，各个碎石块之间的缝隙也能够减少噪音的传播。

Tips：铁道交通噪声包括信号噪声、机车噪声和轮轨噪声三部分。实测表明，在列车运行速度为每小时60公里时，在距离轨道5米处，轮轨噪声的A声级为102分贝，机车噪声为106分贝。

第三，用碎石填充能让人们在维修铁路时更方便。当有砟轨道需要维修或是枕木需要更换的时候，维修人员只需要挖开碎石就能够直接进行检修，这让检修工作变得更为简单便捷。

但是，有砟轨道同时也存在维修成本高、限制火车速度等特点。由于有砟铁路的轨道之间存在间隙，所以每到换季的时候，都会对有砟轨道进行一系列检修工作。其中有一项就是将连接铁轨和轨枕的螺丝拧开，让轨道进行“散热”，避免铁轨因为温度受力变形而出现事故。

Tips：绿皮车在高铁到来之前，是中国旅客列车的标准外形。典型的有22(含各类改进型)型客车、23型客车、25B型客车等系列的旅客列车车厢

而且，铁轨下方的碎石在一段时间之后就会变成更细小的砂砾，这时候它们就失去了原有的作用，而且还可能会把其他碎石之间的缝隙填满，需要进行彻底的更换。至于限制火车速度这一点，就是高铁轨道为什么不选择有砟轨道的原因之一了。

高铁为什么选择无砟轨道

由于碎石和铁轨之间存在缝隙，如果在铁轨上行驶的列车速度过快，铁轨就会发生严重的变形、破损、甚至断裂，这会极大增加维修和更换轨道的成本和频率。通过数据分析，当列车以250到330公里之间的时速行驶时，有砟铁轨一旦通过了总计30亿吨的重量之后，就需要全部更换。而高铁的行驶速度是每小时300到350公里，因此，高铁这种快速行驶的列车并不适合在有砟轨道上运行。

Tips：无砟轨道是当今世界先进的轨道技术。与有砟轨道相比，无砟轨道避免了道砟飞溅，平顺性好，稳定性好，使用寿命长，耐久性好，维修工作少。

不光如此，有砟轨道中的碎石还会在重压之下加速崩裂，出现飞砟现象。因为在列车行驶的过程中，铁轨和车轴都会发生变形，不过这种变形有的能够用肉眼观察到，有的几乎看不出来。但是这种变形引起的震动会使碎裂的石头飞溅起来，很有可能会弹到列车身上，对列车造成损伤，还有可能会落在铁轨上，导致列车出现颠簸甚至脱轨，无论是哪种情况都会造成严重的后果。

所以我们会发现，高铁轨道都是用混凝土和沥青等材料取代碎石作为铁路道床的。但是世上没有十全十美的东西，想要拥有高速且平稳的行驶速度，就一定会有其它方面的缺点。这种铁轨的制作难度非常大，维护起来也十分困难。而且混凝土道床并不像碎石道床那样具有高弹性，无法承载重量过大的列车，所以我们现在的高铁都只是用来载人，不会用来运载重型货物。

Tips：和谐号动车最快时速是由CRH380AM创造的，该列车最高试验速度达到了605千米每小时，直接碾压了日本磁悬浮列车603千米时速的纪录。

也许有人会问，如果用混凝土制成的无砟轨道来运载重物会怎么样？当列车的重量超过混凝土所能承受的极限时，铁路轨道就会断裂。而无砟轨道的修复又十分麻烦，不像有砟轨道那样能够对部分区域进行针对性的修复，而是必须将整段铁路都进行更换，包括其中的钢轨和混凝土道床。

不过，由于无砟轨道中的钢轨是被牢牢焊接在一起的，不会因为存在缝隙而产生形变，而且混凝土道床的寿命要比木质轨枕长得多，所以无砟轨道虽然维修起来麻烦，但总体来说，检修成本还是要比有砟轨道低得多。

Tips：高速铁路，简称高铁，是指设计标准等级高、可供列车安全高速行驶的铁路系统。中国国家铁路局将高铁定义为新建设计时速为250公里（含）至350公里（含），运行动车组列车的标准轨距的客运专线铁路。

无砟轨道的出现并不只是因为人们的需求，一定要说需求的话，其实人们很早以前就希望能够坐上这种平稳又快速的列车了。无砟轨道直到近几年才普及的原因是，这种轨道对制作工艺的要求非常严格，无论是轨道材料的选择还是焊接的方式，都需要进行一层又一层的筛选和改进。

小结

看到这里，相信文章开头的那个问题已经迎刃而解了。有砟轨道尽管无法追求高速，但是在大量运输重物货物这方面，它却能够比无砟轨道发挥更加重要的作用，因此直到现在，我国都仍然还在使用有砟轨道和无砟轨道两种铁路。

Tips：“十三五”期间，全国铁路营业里程由12.10万公里增加到14.63万公里，增长20.9％，其中高铁由1.98万公里增加到3.79万公里，增长91.4％。

在过去的几十年间，铁路已经成为了我国的标志性基建，我国的高铁也已经达到了领先国际的水平。相信在未来，我们一定能将这两种轨道的优点结合起来，研制出集载重和高效于一体的列车与轨道，使我们的生活更加方便和快捷。