北京市軌道交通房山線軌道結構設計研究

丁靜波，王 青，任樹文

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院,北京 100055)

1 設計概述

北京市軌道交通房山線(簡稱房山線)起于蘇莊大街站,以高架線形式沿長虹路路中向東,經長于路、京良路、長周路,跨永定河及豐西鐵路編組站,沿葆臺北路北側向東,逐漸過渡為地下線,至世界公園南門處設大堡臺地下站,下穿豐葆路轉向北,至郭公莊與M9線換乘,為初期終點站。初期線路全長約24.7 km,其中高架線約21.4 km,地下線約3 km,過渡段約0.32 km。沿線設車站11座,其中高架站9座,地下站2座；平均站間距2.3 km。

列車最高運行速度100 km/h；采用B1型車,6輛編組,車全長為117.720 m；車輛軸重140 kN,采用上接觸方式供電。軌道結構主要技術標準如下：

(1)正線均采用60 kg/m鋼軌,車輛段采用50 kg/m鋼軌；

(2)正線采用彈性分開式扣件；車輛段采用彈條Ⅰ型扣件；

(3)正線采用短軌枕整體道床,配套有A、B(含加長枕)2種軌枕類型；

(4)扣件及軌枕間距均按照625 mm設置；

(5)正線采用60 kg/m鋼軌9號道岔；車輛段采用50 kg/m鋼軌7號道岔；

(6)全線采取綜合減振措施,按環評要求進行分級減振。

2 房山線軌道結構設計

2.1 扣件設計選型

房山線是以高架為主的方式敷設,因此高架小阻力扣件的選型尤為重要。合理地選擇扣件形式,對減輕梁軌相互作用力,避免低溫斷軌,確保列車行車安全,以及橋梁設計均有利。WJ-2型小阻力扣件是目前國內地鐵應用最廣泛的小阻力扣件之一。設計的扣件垂直靜剛度40～60 kN/mm,扣壓力為4 kN,彈程達到14 mm,既能滿足無縫線路設計要求,又能提供較好的彈性,經濟性好,可減少工程造價,且養護維修量少。

地下線采用ZX-3型扣件,它是在國鐵彈條Ⅲ型基礎上開發的彈性分開式扣件。設計扣件垂直靜剛度為40～60 kN/mm；最大調高量20 mm；采用無級調距的扣板,調距量可達到-28～+24 mm。房山線洞口位置最大坡度達到28‰,而ZX-3型單個彈條的扣件的防爬阻力達到17 kN以上,能較好地適應這種大坡道。該扣件在廣州地鐵也經過多年使用,養護維修量少,運營狀況良好。

2.2 軌枕及道床結構設計

高架及地下線扣件不同,有短枕A、B兩種短軌枕類型,另外為滿足供電接觸軌安裝要求,設置了加長軌枕。房山線除道岔、減振等特殊地段外,全線采用加長軌枕設計,以確保接觸軌安裝精度要求,但是由于受橋梁及接觸軌布置的限制,給軌排施工增加一定的難度。

高架橋軌道結構高度按520 mm設計,采用縱向承軌臺整體道床結構,道床設置預埋鋼筋與橋面加強連接。預埋鋼筋與道床內鋼筋點焊連接,以加強雜散電流的排流。為滿足信號波導管最大輪廓232 mm×275 mm,以及波導管中軸距軌中心軸距離430 mm的要求,道床進行加寬設計,詳見圖1。

圖1 房山線高架縱向承軌臺整體道床斷面(單位：mm)

2.3 道岔及鋼軌伸縮調節器設計

房山線9號道岔為彈性可彎曲線尖軌結構,采用相離線形,經過了國鐵及北京、上海及廣州等地鐵多年實踐,它對減緩尖軌的磨耗更為有利。設計的9號道岔全長L=29.054 m,道岔前長a=13.011 m,道岔后長b=16.043 m,這與京建線60-9號單開道岔基本一致。其導曲線半徑R=200 m,直向允許通過速度為100 km/h,側向允許速度為35 km/h。配套扣件采用國鐵彈條Ⅱ型扣件,軌距塊有9、11、13、15號四種,調距量為+8～-4 mm。

在道岔前后設置60 kg/m鋼軌伸縮量1 000 mm單向伸縮調節器(簡稱調節器),其目的為防止無縫線路長軌條的力及位移往道岔內傳遞,主要尺寸詳見圖2。調節器直向允許通過速度為100 km/h,基本軌與尖軌貼合面采用半徑300 m的圓曲線,尖軌采用軌撐固定,基本軌可伸縮,基本軌與尖軌跟端按凍結接頭設計。

圖2 單向鋼軌伸縮調節器主要尺寸(單位：mm)

3 軌道減振設計

地鐵沿線經過的各種建筑物類型比較多,由于列車運行產生振動,對周邊居民的影響尤為突出。軌道減振設計依據的是環評報告及《地鐵設計規范》(GB50175—2003),同時也考慮因地鐵振動而引起建筑物二次結構噪聲超標、規劃拆遷等綜合因素。

結合目前北京、上海地鐵最近幾條新線發生鋼軌異常波磨現象,波磨的波長在80 mm左右。由北京地鐵建管公司牽頭,聯合北京交通大學和設計院進行相關的測試,初步研究表明波磨產生的原因為減振措施使用不當,沒有考慮車輛部件固有頻率的影響,導致共振現象所至。因此軌道減振類型不宜太多,優先選用枕下減振結構。本線只有梯形軌枕及鋼彈簧浮置板軌道2種減振類型。

鋼彈簧浮置板有固體和液體阻尼2種類型,液體阻尼型比固體阻尼型造價貴800萬元/km,固體阻尼的減振效果為10～18 dB,液體阻尼的減振效果達到25 dB以上。

3.1 梯形軌枕設計

梯形軌枕是北京易科路通科技有限公司專利產品,由預制梯形軌枕(含減振及緩沖材料)、L形支座組成。軌枕分別設減振材料和緩沖材料,枕下減振材料設計靜剛度為18 kN/mm,兩側緩沖材料設計靜剛度為42.5 kN/mm,其減振效果為7～18 dB。

梯形軌枕軌道結構高度為520 mm,預應力縱枕截面為460 mm×185 mm,詳見圖3。針對高架橋特點,對側向擋墻進行局部加強,且在與梁面結合部位采取植筋措施,從而提高結構整體穩定性能。

圖3 高架橋梯形軌枕橫斷面設計(單位：mm)

3.2 鋼彈簧浮置板設計

鋼彈簧浮置板屬于高減振等級及特殊減振結構,在國內地鐵廣泛使用。房山線鋼彈簧浮置板設計軌道結構高度為840 mm,與其他不同,為了滿足信號波導管支架垂直空間高度要求,在浮置板中間設置了1 000 mm×50 mm凹槽,詳見圖4。

圖4 房山線鋼彈簧浮置板道床橫斷面設計(單位：mm)

4 無縫線路設計

高架橋采用區間無縫線路設計,在道岔前后設置鋼軌伸縮器,部分不滿足調節器布置要求的地段,采用2根標準25 m緩沖軌；地下線考慮溫差較小,按跨區間無縫線路設計,以減少鋼軌軌縫,提高線路的平順性,減少養護維修量。

按WJ-2型扣件不同布置形式,有3種阻力值：Q1=5 kN/m/軌、Q2=7 kN/m/軌、Q3=10 kN/m/軌,分別用于伸縮區、固定區和緩沖區。地下線采用ZX-3型扣件,扣件阻力不小于20 kN/m/軌。

4.1 高架橋軌道附加力計算

房山線高架橋主要采用25、30 m簡支梁進行布跨。根據橋梁提供的資料：雙線簡支梁截面高度H=1.8 m,截面中性軸距離下翼緣的高度H下=1.1 m,梁體平均慣性矩I=1.7×104m4。結合具體橋型、支座布置等資料,通過平衡微分方程,假定鋼軌伸縮的影響長度,建立梁軌位移的平衡和鋼軌拉壓平衡方程式,采用建立梁軌一體化模型方法進行計算,按最不利情況，經計算鋼軌附加力均要小于150 kN,能滿足鋼軌強度相關要求,見圖5。同時考慮全橋剛度的差異,對局部快速制動,梁軌相對位移進行檢算均小于2 mm,見圖6。根據無縫線路伸縮區、固定區不同,常用25、30 m簡支梁單股鋼軌附加力見表1。

圖5 高架橋軌道撓曲附加力計算

圖6 梁軌相對位移檢算

表1 簡支梁單股鋼軌軌道附加力

4.2 無縫線路實施方案

房山線有高架線和地下線,地下線由于溫差變化小,采用直鋪法鋪設無縫線路,移動式接觸法焊接。高架線按北京市最高軌溫62.6 ℃,最低軌溫-27.5 ℃,參照相關工程設計經驗,結合本線實際情況,確定鎖定軌溫為(26±5)℃,施工按確定的鎖定溫軌統一鎖定放散。凍結接頭施工1周后,應復擰,確保螺栓扭矩在設計范圍內,且運營后應定期檢查并復緊,使螺栓長期保持足夠的張力。

5 車輛段軌道設計

閻村車輛段軌道包括出入段線、試車線、車場線、庫內線軌道鋪設、信號標志安裝、臨管期維護,總鋪設長度為11.134 km,其中60 kg/m鋼軌長度為0.96 km,50 kg/m鋼軌長度為11.02 km。

5.1 混凝土軌枕及道床結構

車輛段除道岔及小于50 m的連接段、庫內線外,均采用新Ⅱ型混凝土軌枕,彈條Ⅰ型扣件,碎石道床結構。與木枕道床結構相比,可節省投資約40萬元/km,且可增加線路縱橫向阻力,對提高軌道結構穩定性,以及減少養護維修量更為有利。考慮到北京地鐵不僅正線采用三軌方式供電,車輛段內也采用該方式供電,在保持三軌安裝支架不變的情況,專門設計安裝三軌用2.6 m預制預應力混凝土枕,見圖7。

圖7 車輛段混凝土軌枕及道床結構

5.2 車輛段平過道結構

庫外線平過道采用混凝土長枕式碎石道床,鋪設橡膠道口板。庫內平過道為短枕整體道床,用混凝土灌注,輪緣槽處采用特制的橡膠輪緣槽,輪緣槽寬度60 mm,見圖8。庫前需設置庫前截水溝,截水溝就近接入站場排水溝。

圖8 車輛段平過道道床結構

6 結語

房山線軌道設計在總結國內地鐵已運營線路相關經驗基礎上,應用較成熟的軌道產品,做好與相關專業的細節設計,確保性能上安全可靠。減振設計充分考慮了沿線建筑情況,特別是針對乘客、乘務人員及車站工作管理人員聚集的車站,采取了較好的減振措施,更加體現人文環保設計理念。全線鋪設無縫線路,提高線路的整體平順性,使得旅客乘車更舒適安全。通過簡要論述房山線軌道設計方案,拋磚引玉,以供讀者設計參考。

參考文獻：

[1]鐵道部工務局.軌道[M].北京:中國鐵道出版社,2000．

[2]廣鐘巖.鐵路無縫線路[M].北京:中國鐵道出版社,2001．

[3]蔡炳華.提速道岔接頭凍結技術與鋪設運營效果分析[J].鐵道標準設計,2002(3)：58-59.

[4]肖俊恒，趙汝康，杜功立.高架橋無砟軌道用小阻力彈性扣件的研究設計[J].鐵道建筑,2002(9)：18-21.

[5]齊 琳.梯形軌枕的減振特征及論證[J].鐵道標準設計,2007(10)：67-71.

[6]王建立,王 進，尹學軍，等.盾構中鋼彈簧浮置板道床的設計[J].鐵道標準設計,2007(10)：29-32.

[7]蔣金洲.橋上無縫線路鋼軌附加縱向力及其對橋梁墩臺的傳遞[J].中國鐵路科學,1998(2)：69-77.