地鐵軌道系統設計經濟化探討

吳建忠 曾向榮

(1.北京交通大學,100044,北京;2.北京城建設計研究總院,100037,北京∥第一作者,高級工程師)

1 地鐵軌道系統的技術經濟特征

軌道系統是城市軌道交通工程中非常重要的組成部分,它直接支承和引導列車車輪,承受動載作用,故軌道系統最基本的特性要求是高安全可靠性。

隨著軌道技術的發展及國內各個城市地鐵建設規模的不斷擴大,軌道系統的經濟性也越來越被關注。軌道系統的技術經濟性特征主要表現在設備部件和結構的固化性以及設備的可維修更換性兩方面。

1.設備部件和結構的固化：軌道系統設備和結構的固化性明顯。一條線路不論長10 km或50 km,或一個城市總長500 km的地鐵線網,乃至全國各地地鐵,其鋼軌類型一般只有1～2種,即以60 kg/m鋼軌為主、50 kg/m鋼軌為輔;扣件、軌枕及道岔類型也較為有限,如北京、南京、天津等城市的地鐵,地下線的扣件均相同。這一特性使得軌道設備選型及系統設計的經濟性對工程造價具有放大效應。如果一套扣件成本降低10元,可使一條線的造價節省數百萬元,整個線網造價節省數千萬元。

2.設備的可維修更換性：軌道系統是土建與設備的結合體,除整體道床一般不可更換之外,其余如鋼軌、扣件、道岔、減振設備等在運營期間均可且必須按一定的技術規則進行養護、維修與更換。故設備的種類越少、設備部件的維修量越小、更換周期越長、投入的養護維修費用越低,則其運營經濟性越好。

基于上述兩方面的特性,軌道設備選型及系統設計時,應將經濟性分析作為重要的設計研究內容之一。本文從四個不同的角度探討如何更好地提高軌道系統設計的綜合技術經濟性。

2 標準化設計與針對性設計相結合

2.1 標準化設計

標準化設計可分為3個層面：行業領域層面、城市線網層面以及具體工程層面。其中,行業領域層面及城市線網層面的標準化側重于軌道設備方面,具體工程層面的標準化則側重于軌道結構方面。

2.1.1 地鐵行業層面的標準化

地鐵行業層面的標準化應成為將來的發展趨勢,但由于種種原因,目前幾乎空白。國鐵軌道的標準化程度很高,為其規模化建設創造了有利條件,可為地鐵行業提供參考。但整個國鐵行業即為一個大線網,故其行業層面的標準化實質上相當于一個大線網層面的標準化,系統內部較易實現。

2.1.2 地鐵線網層面的標準化

地鐵線網層面的標準化方面,線網建設較成熟的北京、上海、廣州等在軌道標準化上有所發展。如北京地鐵在5號線建設時即著手編制的“京建線”系列軌道通用圖,經過不斷完善,大大提高了新線軌道設計、招標及建設管理的效率。

根據軌道系統不同設備的用量、重復性及維修更換概率等技術經濟特征,線網層面的軌道標準化可劃分為完全標準化、盡量標準化及有限標準化等3級。具體分析見表1。

表1 線網層面的軌道設備及部件標準化等級劃分

2.1.3 地鐵工程層面的標準化

工程層面標準化的重點在于：同一工程不同地段的設備類型力求統一,部件種類盡量通用,軌道結構型式及設計技術標準盡量一致。

首都機場線軌道系統在工程層面進行了標準化的嘗試：全線地下線、地面線及高架線均采用了相同的無螺栓e型彈條彈性分開式扣件及長枕式整體道床(見圖1),最大限度地減少了軌道以及與軌道一體化安裝的軌旁設備的種類,加快了工程建設速度,降低了運營維修工作量。

圖1 首都機場線全線統一的軌道設備及結構

標準化設計很重要的前提是,納入標準化范疇的設備及結構應經過充分的技術優化與改進,功能完善、技術成熟,方能作為標準化成果——通用圖,加以推廣。此外,標準化設計還應解決知識產權及技術權威性確認、技術歸口管理等方面的問題。

2.2 針對性設計

在滿足系統的綜合技術經濟性方面,針對性設計與標準化設計是相輔相成的。應盡量推行標準化設計,但針對工程特殊之處,不能硬套通用圖。如北京地鐵“京建線”中60 kg/m鋼軌9號單開道岔原來僅有直尖軌(直尖軌耐磨性好,只需一臺轉轍機,即可滿足直向90 km/h、側向30 km/h通過速度要求),但從6號線開始,部分線路設計速度提高至100 km/h或以上,則應選擇直向通過速度更高的彈性可彎曲尖軌道岔。“京建線”的擴編也已將曲尖軌道岔收納其中。

又如：首都機場線全線扣件及軌枕類型實現了統一,其前提之一是地面線經論證采用了無砟軌道。原因包括：地面線總長較短且被分為多段;無砟軌道路基占地比有砟軌道約窄2 m,可減少城市土地資源占用;直線電機系統對軌道平順性要求高;軌旁設備(感應板、接觸軌、波導管及信標等)多,采用有砟軌道時養護維修很困難等。若無以上綜合因素,地面線仍采用傳統有砟軌道,則不必刻意追求全線扣件及軌枕的統一。

此外,隨著城市軌道交通的快速發展,其制式已從單一的傳統地鐵向多樣化(輕軌、直線電機、導軌式膠輪、獨軌、有軌電車等)發展,設計速度也由80 km/h演變為70～120 km/h之間,故根據不同工程的情況開展針對性設計,也是設備選型及系統設計經濟化的必經途徑之一。

此前,由于規范與標準體系不完善,一些并不適用《地鐵設計規范》的工程亦采用了該規范進行設計,針對性不足。這一情況有望在不遠的將來得到改善。目前,除《地鐵設計規范》正在總結近幾年大量工程經驗的基礎上進行修編之外,同期在編的還有《直線電機軌道交通設計規范》、《跨坐式單軌交通設計規范》、《輕軌設計規范》、《有軌電車設計規范》、《市域快速軌道交通設計規范》等。這些規范將城市軌道交通進行了細化劃分,可系統地、有效地提高工程設計的針對性,從而實現更好的綜合技術經濟性。

3 開展集約化、精細化設計

集約化、精細化設計的著重點在于深入研究并充分利用設備及結構的材料特性,在確保安全可靠的前提下,實現更好的技術性能或節省更多的材料。它是實現系統經濟性的重要環節。

3.1 國鐵軌道的部分精細化設計經驗

國鐵軌道在集約化、精細化設計方面一直走在前列。如國鐵Ⅲ型彈條的設計最大復合應力 1 400 MPa,超過了材料(60Si2Mn)的屈服強度(1 200 MPa),目的在于充分利用材料的屈服硬化特性,使材料用量更節省。

又如：京津城際客運專線所用Vossloh300扣件鐵墊板厚度由傳統的18 mm減至16 mm,寬度由傳統的170 mm減至160 mm,WJ-7扣件非承軌部位的寬度更是減至125 mm;武廣客運專線所用的WG-Ⅲ型軌枕打破傳統設計思維,將尼龍套管設計凸出軌枕底部,軌枕厚度減至135 mm。如圖2所示。

圖2 部分高速客運專線用軌道設備

3.2 地鐵軌道集約化設計的部分探索與實踐

在最近的地鐵軌道設計中,進行了一些集約化設計的探索與嘗試,以下為兩個實例。

3.2.1 地下線及高架線通用型扣件的研制

以往地鐵設計中,地下線扣件扣壓力較大,因此在高架線上為降低無縫線路梁軌作用力,一般采用小阻力扣件,地下線與高架線扣件類型不統一。

實際運營表明,小阻力扣件可保證高架線無縫線路穩定。而地下線溫差、結構變形等條件均比高架線好,故小阻力扣件完全可用于地下線。基于這一思路,在成熟的地下線采用DTⅥ2型扣件(見圖3)的基礎上,研制了地下線及高架線通用的DTⅥ2-3型扣件(見圖4)。這樣,不僅全線扣件統一,且使高架線不再局限于有螺栓彈條扣件,符合少維護的需求趨勢。新、老扣件的技術指標對比見表2。

圖3 DTⅥ2型扣件

圖4 DTⅥ2-3型扣件

表2 DTⅥ2-3型扣件與DTⅥ2型扣件的技術指標對比

由表2可知：

◆新扣件自身的結構高度有所降低,可實現更大的調高量,調距量也比老扣件有所加大,可適應高架線鋪設要求。

◆新扣件彈條直徑采用16 mm,同等彈程條件下,彈條最大應力水平較低,彈條在彈性變形范圍內工作時對表面瑕疵及異常受力情況的包容性加大,殘余變形小,性能更穩定,材料用量也更少。

◆經優化設計,DTⅥ2-3型扣件的鐵墊板質量較老扣件減輕20%,僅此一項可降低成本約14元/塊。

◆軌枕厚度由170 mm優化至135 mm,加上扣件高度所節省的10 mm,則軌道結構高度可降低45 mm,使道床混凝土節省約10%,壓縮了隧道斷面尺寸并減輕橋梁的荷載,具有綜合技術經濟效益。

3.2.2 整體道床鋼筋規格及布置的優化

地下線及高架線一般采用整體道床。整體道床主要是為軌枕提供各向約束,并將列車動荷載分散傳遞至下部基礎。其受力主要表現為受壓,采用素混凝土即可滿足要求。但由于工期緊張及很多情況下沿線輸送預拌混凝土困難,使道床澆注質量參差不齊,易產生收縮裂縫,在運營列車動荷載作用下易產生開裂。

為此,新線設計中已將防迷流要求設置的底部單層鋼筋改為上下兩層。典型的配筋設計為：縱向設14×φ 14鋼筋(≥2 000 mm2),橫向每一軌枕空檔設2×φ 10鋼筋,如圖 5所示。

為更好地防止道床開裂,可采用更細的鋼筋和更小的布置間距。例如,將縱向筋優化為20×φ 12,橫向筋優化為每個軌枕空檔3×φ 8。其與原方案鋼筋總量基本一致,但道床的整體性與耐久性卻得到了改善。

圖5 整體道床鋼筋的優化

4 注重全壽命周期成本分析

軌道設備的可維修更換性決定了選型時必須考慮全壽命周期成本。但在很多實際的軌道設計中,往往對其僅作粗略的、定性的分析,而缺乏細致的、定量的論證。

例如,在鋼軌選型設計時通常僅作定性論述。但文獻[1]采用成本折現法對50 kg/m鋼軌與60 kg/m鋼軌的電能消耗進行了分析,認為60 kg/m鋼軌在20年內所節省的電能消耗折現值與50 kg/m鋼軌的初期投資節省額持平,從而量化了兩種鋼軌在此方面的技術經濟性。

又如,近年來開始推廣應用的扣件用聚酯彈性體墊板,雖性能較普通橡膠墊板優越,如強度更高、疲勞性能更好、動靜比更低、使用壽命更長等(見表3),但因造價較高,使其推廣受阻。

表3 聚酯彈性體與普通橡膠墊板的主要技術指標對比

本文采用全壽命周期成本分析方法,將兩種彈性墊板的初期投資及使用更換成本進行折現計算與對比(見表4)。成本折現值的計算公式為：

式中：

P——成本折現值,元;

F——未來某一時間發生的成本值,元;

i——未來成本值的折現率,取10%;

n——成本發生時距現今的時間,年。

由表4可知,聚酯彈性體初期成本超過普通橡膠墊板近1倍,但40年運營期的綜合成本折現值基本持平。考慮聚酯彈性體墊板具有更優越的性能,且隨著社會經濟的發展,設備采購及運營期間的維修更換成本往往呈遞增趨勢,故從長遠考慮,聚酯彈性體的技術經濟性更好。

當然,業主對設備選型的特定要求與愿望也可越過全壽命周期成本分析。如一些工程為盡量降低初期投資,明確要求采用50 kg/m鋼軌,則不必強求采用60 kg/m鋼軌。

表4 聚酯彈性體與普通橡膠墊板的全壽命周期成本對比

5 提高軌道減振設備的國產化程度

國內地鐵對軌道減振設備的需求隨著建設規模的擴大而增加,對地鐵運營振動與噪聲的控制要求也越來越嚴。目前,應用最多的高等級軌道減振設備與技術均來自國外,如英國的Vanguard扣件、日本的梯形軌枕以及德國的鋼彈簧浮置板等。這些國外的軌道減振設備雖已部分實現國產化,但價格仍居高不下,對軌道系統經濟性的影響越來越大。

在一些城市的地鐵建設主管部門及管理單位的大力支持下,國內也正開展高等級軌道減振設備的國產化應用與研究,并已取得了一些進展,但在設備國產化的研制、應用、評定及推廣的規范化等方面,還需開展大量的工作。

6 結語

本文根據多年軌道設計研究的實踐,以及對國內加速地鐵建設的背景及軌道技術發展水平現狀的了解與理解,提出了軌道設備選型及系統設計經濟化的思想,并從不同的角度進行了分析。這些思考與探討雖不具備系統性,但期望能為當前的地鐵建設提供一些啟示。

需要說明的是,本文所提出的經濟化并非片面追求“省錢”,而是認為在目前的軌道設備的設計中,還可采取更多的綜合技術及管理措施,使軌道系統技術經濟性更佳。

[1] 董文敏,何文繼,顧保南.城市軌道交通鋼軌電阻測量及電耗研究[J].城市軌道交通研究,2002,5(2)：49.

[2] 曾向榮,李文英,趙曉華.首都機場線地面線無碴軌道選型及路基設計[J].都市快軌交通,2008,21(6)：69.

[3] 孫京建,王朝陽.軌道工程在地鐵新線建設中的作用[J].鐵道標準設計,2008(7)：4.