北京市軌道交通大興線軌道設計綜述

程寶青,楊寶峰,于春華

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

1.1 工程概述

北京市軌道交通大興線與地鐵4號線在南四環公益西橋北側接軌,沿線經過豐臺區南苑西、大興區西紅門、大興新城主城區、大興新城核心區、大興區生物醫藥基地等地區。線路正線全長21.756 km,其中地下線長度為17.427 km；過渡段長度為0.703 km,高架段長度為3.626 km；出入段線長度約為1.002 km。新建車站11座,其中地下車站10座,高架車站1座,新設車輛段1處(圖1)。

圖1 北京軌道交通大興線線路示意

1.2 軌道工程設計理念

軌道交通建設的目的是以為市民服務為宗旨,在滿足工程建設標準和技術條件的基礎上充分反映市民的需求。大興線軌道工程以“人文地鐵”“綠色地鐵”“科技地鐵”為設計理念,其主要體現在以下4方面。

(1)軌道結構具有足夠的強度、穩定性、耐久性和適量彈性,以確保列車安全、平穩、快速運行。

(2)軌道結構質量均衡、彈性連續、結構等強、合理匹配。

(3)軌道設備的施工嚴格控制質量與維修養護標準,提高軌道平順性,滿足乘客舒適度。

(4)軌道系統采用先進的減振結構,在施工及運營期間減少對周圍環境的振動和噪聲污染。

1.3 軌道設計工作程序

軌道系統設計的工作程序見圖2,按照設計程序開展設計是確保設計質量,提高工作效率的有力保障。

2 主要技術標準

2.1 線路主要技術標準

(1)軌距 1 435 mm；

(2)正線數目 雙線；

(3)最高行車速度 80 km/h；

(4)最小曲線半徑 正線：一般300 m,困難250 m；輔助線：一般200 m,困難150 m；車場線：110 m。

(5)最大坡度 正線：30‰；聯絡線及出入線：35‰；

(6)豎曲線半徑 正線：一般地段5 000 m,困難地段3 000 m；車站端部：一般3 000 m,困難2 000 m；輔助線：2 000 m；

(7)車輛 采用B1型車,6輛編組,3動3拖,直流750 V接觸軌供電。

2.2 軌道主要設計標準

2.2.1 軌道主要技術標準

北京地鐵大興線采用標準軌距輪軌系統,車輛采用標準B1型車,接觸軌上部受流,最高行車速度80 km/h；

正線、輔助線及試車線采用60 kg/m鋼軌、彈性扣件、整體道床(地面線為碎石道床)、無縫線路；

車場線庫外線采用50 kg/m鋼軌、混凝土軌枕(或木枕)、碎石道床；

車場線庫內線采用50 kg/m鋼軌、短軌枕(或無枕)式整體道床；

正線、輔助線及試車線采用60 kg/m鋼軌9號各類型道岔；

車場線采用50 kg/m鋼軌7號各類型道岔。

2.2.2 軌道主要鋪設標準

(1)鋼軌及軌底坡設置

正線、輔助線、出入線、試車線采用60 kg/m鋼軌；車場線采用50 kg/m鋼軌,材質均為U71Mn,定尺長度25 m,60 kg/m鋼軌與50 kg/m鋼軌銜接處采用60-50 kg/m異型鋼軌。

鋼軌軌底設置1∶40的軌底坡,道岔區及道岔間不足50 m的地段不設軌底坡。

(2)扣件

地下線及U形地段采用DTⅥ2型扣件；

高架線采用DTⅦ2型扣件；

地面線及車場線鋪設混凝土枕地段采用國鐵標準彈條Ⅰ型扣件；

60 kg/m鋼軌鋪設木枕地段采用DTⅥ1型彈性分開式扣件；

50 kg/m鋼軌鋪設木枕地段采用DTⅣ1型彈性分開式扣件；

車場線庫內線鋪設整體道床地段采用DJK5-1型扣件。

上述各扣件形式如圖3所示。

(3)曲線軌距加寬及超高

曲線半徑200 m≥R>150 m地段,軌距加寬值5 mm；曲線半徑150 m≥R>100 m地段,軌距加寬值10 mm；

軌距加寬在緩和曲線范圍內遞減,無緩和曲線時,在直線段遞減。遞減率不宜大于2‰,困難地段不應大于3‰；

地下線及敞開段的曲線地段超高采取外軌抬高超高值一半和內軌降低超高值一半的辦法設置,高架線及地面線采用外軌抬高全部超高值的辦法設置。曲線最大超高值為120 mm。曲線超高值在緩和曲線內遞減順接,無緩和曲線時,應在直線段遞減順接。超高順坡率不宜大于2‰,困難地段不應大于3‰；

當設置的超高不能滿足速度要求時,一般允許有不大于61 mm的欠超高,并適當設置過超高；

車場線不設置超高的地段,為了避免反超高,可設置4～6 mm的超高。

(4)軌枕鋪設根數

根據北京地鐵運營經驗,同時為了統一鋪設標準,便于施工，正線、輔助線、試車線均按1 600根(對)/km鋪設,車場線按1 440根(對)/km鋪設,庫內立柱式檢查坑軌道按相關工藝要求設計。

(5)軌道結構高度

圖3 扣件

矩形隧道及U形結構地段：混凝土整體道床560 mm；

單線馬蹄形隧道：混凝土整體道床不小于650 mm；

圓形隧道：混凝土整體道床740 mm；

橋上整體道床：520 mm；

出入線和試車線：840 mm(碎石道床、不含路拱)；

庫內線：500 mm(整體道床)；

庫外線：620 mm(混凝土枕碎石道床、不含路拱)。

3 設計重點及難點

3.1 扣件防腐處理技術的應用

隨著城軌交通運營線路里程的增加,線路養護維修任務越來越繁重,扣件銹蝕問題逐漸成為一個亟需解決的突出問題,同時也是設計重點考慮的問題之一。

當前運營的線路,在設計時大多沒有考慮預先對扣件進行防腐處理,而是在運營以后采取涂油等被動措施,這種方法效率低、成本高且污染環境。

近年來,金屬防腐技術日趨成熟,并逐漸應用于城軌交通工程中。目前,適用于扣件小金屬件的防銹處理技術有達克羅涂層技術、滲鋅、多元共滲技術以及多功能防腐復合涂層技術等。大興線扣件防腐采用多元共滲技術。

多元共滲技術是用氣體或液體將金屬表面進行復合處理(簡稱LGLT技術),氣體多元共滲適用于螺栓、螺母、平墊圈等小金屬件,液體多元共滲適用于彈條等大金屬件。

多元共滲防腐技術具有造價低、無污染、耐鹽霧性強、安全環保等特點,圖4為多元共滲處理過的螺旋道釘。

圖4 多元共滲處理過的螺旋道釘

3.2 軌道減振結構

3.2.1 軌道減振結構設計特點

“安全”、“正點”、“快捷”、“舒適”的城市軌道交通,受到廣大市民的青睞,成為出行者首選的交通工具。但城市軌道交通不可避免地給城市帶來諸多如振動噪聲等污染。超標的振動及噪聲,影響了人們的正常工作和生活。在生活質量不斷提高的今天,如何減少城市軌道交通帶來的振動和噪聲,逐步受到廣大科研設計者的重視。如何做好軌道減振設計成為該工程設計研究的難點之一。

大興線軌道減振設計首先遵照《北京市軌道交通大興線工程環境影響報告書》精神,然后依據《地鐵設計規范》(GB50157—2003)相關條文進行設計。該線軌道減振設計標準如下。

一般減振地段：不超標地段,不特別設防,軌道結構采用重型鋼軌、彈性扣件、無縫線路、整體道床等起到減振降噪作用；

中等減振地段：超標1～3 dB,設防4～6 dB,采用軌道減振器扣件；

高等減振地段：超標4～12 dB,設防7～15 dB,采用梯形軌枕軌軌道結構；

特殊減振地段：超標>12 dB,設防>15 dB,采用鋼彈簧浮置板整體道床的軌道結構。

3.2.2 高等減振地段軌道結構設計方案

過去在振動超標15 dB的減振地段,由于沒有相應減振級別的軌道結構,一般采用鋼彈簧浮置板軌道。鋼彈簧浮置板減振效果可達20～25 dB,造價比較高,用于超標15 dB的減振地段,性價比不合理,加大了不必要的工程投資。近年來研制了一種減振新結構(梯形軌枕軌道結構),滿足了高等減振地段為超標4～12 dB、設防7～15 dB的減振地段的特殊要求。

梯形軌枕軌道是一種新型的軌道結構,其軌枕是由兩根鋼筋混凝土縱梁及3根鋼管制的橫向聯接桿構成的,形似扶梯,因此稱之為梯形軌枕(圖5)。梯形軌枕下設彈性減振裝置,彈性墊層有板形、球形、角形等多種形式。梯形軌枕是縱向軌枕的一種,既能大幅度提高荷重的分散能力,又可補充鋼軌本身的剛性和質量的性能特點,是軌枕的一種革新形式。尤其適用于整體道床,不但能充分發揮復合軌道高剛性的特點,還使軌道構造具有充分的彈性。利用減振材料等間隔支撐結構,使其浮于混凝土整體道床上,應用于地下線可減小隧道開挖斷面,應用于高架線可減少軌道自重和橋梁恒載。梯形軌道可在很大程度減小列車運行帶來的振動和噪聲,是一種低噪聲、低振動的軌道結構。與普通軌道結構相比,減振效果可達15 dB,造價約700萬元/km。梯形軌枕軌道結構首先應用于日本,近年來在我國城市軌道交通中也有使用,北京地鐵4、5號線、廣州地鐵、上海地鐵等均有鋪設。

圖5 梯形軌枕軌道

3.2.3 特殊減振地段軌道結構設計方案

圖6 盾構區彈簧浮置板軌道示意

彈簧浮置板軌道結構具有固有頻率低,減振效果好,施工簡單,維修方便,壽命長等特點,在我國城市軌道交通的建設中廣泛采用。

4 軌道安全設備的設置

為了確保城市軌道交通運營安全在必要的地段設置了軌道安全設備。如鋪設在高架橋上的護輪設備防止列車脫軌；鋪設鋼軌伸縮調節器防止高架橋無縫線路脹軌跑道或者斷軌；鋪設列車止擋設備防止列車失控時沖出線路。

4.1 護輪設備(圖7)

圖7 護輪設備

為防止列車在高架橋上脫軌傾覆和影響另一條線正常運營,高架橋上一定位置須設置防脫護軌,這種護軌在車輪萬一爬軌時能使車輪復位,防止車輪脫軌。安裝在鋼軌內側,與軌底聯結,安裝簡便。本線在半徑小于500 m的曲線圓緩(緩圓)點前后50 m(圓曲線部分15 m、緩和曲線部分35 m),在下股鋼軌內側設防脫護軌。在跨越城市主要道路地段,在靠近橋梁中線的鋼軌內側安裝防脫護軌。在豎曲線與緩和曲線重疊處,重疊范圍內兩股鋼軌內側安裝防脫護軌。

4.2 鋼軌伸縮調節器

高架橋上無縫線路,除采用小阻力扣件外,還應在道岔前后和其他位置鋪設鋼軌伸縮調節器(圖8),鋼軌伸縮調節器既能保證軌道的穩定,又能保證最高軌溫下不脹軌跑道、最低軌溫下斷軌的斷縫不超過允許值。

圖8 鋼軌伸縮調節器

鋼軌伸縮調節器應設置在直線上,在鋼軌伸縮調節器范圍內不得有豎曲線。

鋼軌伸縮調節器的材質應與正線鋼軌材質相同。

本線在高架橋道岔前后、大跨度梁的中部根據需要設置鋼軌伸縮調節器。

4.3 列車止擋設備

在城軌交通線路如正線、輔助線、試車線、車場線庫內外等線路末端,為了防止車輛滑逸或因機械失靈、操作不當等原因造成車輛失控、沖出線路,而設置的止擋設備稱之為車擋,亦稱擋車器。

車擋形式多種多樣，適應不同地段,緩沖式車擋主要有3種形式,即緩沖滑動式車擋、緩沖液壓式車擋和液壓緩沖滑動式車擋。

本文僅對地下線使用的緩沖液壓式車擋加以介紹(圖9)。

圖9 緩沖液壓式車擋

緩沖液壓式車擋,由2套液壓緩沖油缸和1臺撞擊引導裝置組成。

緩沖液壓式車擋技術較先進,結構合理,能有效地消耗列車動能,不損壞車輛和車擋,確保人身安全。且能自動復位,但造價較高。安裝長度約8 m,如果能結合土建條件合理選用,能減小工程規模,降低投資。

本線在新宮站停車線末端采用2組緩沖液壓式車擋,較緩沖滑動式車擋,節省結構開挖7 m。

緩沖液壓式車擋已應用于上海地鐵1號線、4號線和6號線,深圳地鐵5號線等線路,起到運營安全作用。

5 結論

北京軌道交通大興線軌道工程,設計者在調查研究的基礎上,充分總結了以往軌道系統設計經驗,在“人文地鐵”“綠色地鐵”“科技地鐵”的三大設計理念的指導下開展設計。

在軌道減振結構方面,經技術經濟對比,采用了技術成熟的梯形軌枕軌道結構。在采用新材料、新工藝、新結構等方面做了探索,既滿足了環保要求又降低了工程造價。

今后在運營過程中應該對軌道減振結構的減振效果進行在線檢測,以進一步論證其使用效果和適用范圍。同時注意總結設計、施工和養護維修等方面經驗,給類似工程提供依據。

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