北京市軌道交通亦莊線正線軌道設計綜述

張艷軍,戴春陽,雷黔湘

(北京市市政工程設計研究總院，北京 100037)

1 工程概況

北京市軌道交通亦莊線線路起點位于豐臺區宋莊路與石榴莊路交叉口南側的宋家莊站,終點到達亦莊新城東部的京津城際鐵路的亦莊站設亦莊火車站。亦莊線正線全長23.25 km,地下線長約8.67 km,高架線路13.80 km,U形槽及路基過渡段0.78 km。宋家莊出入段線長1.35 km,亦莊火車站出入段線0.61 km。起點設置宋家莊停車場1處，終點設置臺湖車輛段1處。全線共設車站14座,其中地下車站6座,高架車站8座。亦莊線線路平面如圖1所示。

本工程采用DC750V接觸軌供電,標準B1型車,最大軸重為14 t,6輛編組,最高行車速度80 km/h,信號采用移動閉塞。

圖1 北京市軌道交通亦莊線工程線路平面示意

正線采用60 kg/m鋼軌,1 435 mm標準軌距,1/40軌底坡。

全線共采用5種類型扣件：Ⅰ型扣件用于地下線普通整體道床及鋼彈簧浮置板道床地段；Ⅱ型扣件用于高架線普通道床地段；地下線軌道減振器扣件和高架線軌道減振器扣件,分別用于地下線和高架線減振地段；先鋒扣件用于地下線先鋒扣件道床地段。

道岔一般采用60 kg/m鋼軌9號彈性可彎式尖軌單開道岔及5 m間距交叉渡線,轉轍器尖軌采用60AT鋼軌制造,轍叉采用高錳鋼整鑄式轍叉。僅在宋家莊站前采用60 kg/m鋼軌12號彈性可彎式尖軌單開道岔及5 m間距交叉渡線。

正線全部采用短枕式整體道床。地下線區間道床設置中心水溝,地下線車站道床設置兩側水溝。高架線道床為短枕承臺式。

本工程在高架線易產生脫軌地段設置防脫護軌。全線設置了線路標志,所有標志均采用反光材料作為標志面；小半徑曲線地段前后設置鋼軌涂油器。

全線鋪設溫度應力式無縫線路,高架線道岔前后各設置1組單向伸縮調節器,保證無縫線路的穩定。

2 亦莊線軌道設計特點

本工程采用的軌道結構具有牢固穩定、耐久、絕緣、防腐、均衡等特性,能夠確保行車安全、平穩和乘客的舒適；軌道結構具有足夠的強度,合適的剛度和彈性并符合減振降噪等環保要求,養護維修工作量少,軌道的使用壽命長。全線軌道結構形式基本統一,采用具有通用性和互換性的零部件,力求構造簡單,便于養護維修和降低成本。設計中應采用成熟的先進技術、工藝和科研成果,并考慮施工的方便和可行。根據環保的要求,軌道結構應采取分級減振降噪措施,協同相關專業,把振動和噪聲控制在國家環保標準允許的范圍內。

3 亦莊線軌道減振設計

3.1 減振設計原則

(1)綜合治理：減振降噪是一項系統工程,應將線路、車輛、軌道、結構作為一個系統來處理。根據目前技術發展水平,軌道專業從改善輪軌接觸關系，采取軌道減振、隔振等技術措施,使列車在運行中產生的振動和噪聲能有效衰減。

(2)分級減振：根據現有減振技術發展的水平,結合本線《環境評價影響報告書》將全線的減振地段劃分等級。各地段采用不同的減振措施,達到分級減振,使軌道部件配置合理,達到減振目標。根據工程經驗,分為一般減振地段、較高減振地段和特殊減振地段。

(3)滿足列車安全平穩運行要求。在正常情況下確保軌道動態、靜態幾何變形在正常范圍內。

(4)滿足國家標準要求。采取相應措施后,保證地鐵對沿線敏感目標的噪聲和振動影響滿足《城市區域環境噪聲標準》(GB3096—93)及《城市區域環境振動標準》(GB10070—88)的要求。

3.2 減振降噪地段分析

振動及噪聲是地鐵建設對環境影響的重要內容,直接影響沿線現狀地物的使用和開發,所以減振降噪必須由相關專業綜合考慮。在運營期,列車運行所引起的振動和噪聲會影響沿線兩側的環境狀況,本線的減振措施原則上根據亦莊線《環境影響報告書》的分析和要求進行綜合治理,同時根據本線線路走向、沿線規劃及敏感建筑分布的踏勘調查確定。根據環評報告,并參考北京地鐵其他線路減振地段設置條件,分級減振[1],采取相應減振措施。

3.3 減振設計方案

3.3.1 綜合治理方案

為減輕列車運行對環境的干擾,在沿線一些對減振降噪要求較高的地段需針對振動源及傳播路徑采取不同的減振降噪措施進行綜合治理。軌道采取的主要措施如下。

(1)全線鋪設跨區間無縫線路,徹底消除鋼軌接頭,保證軌面的連續和平順,減少輪軌間的沖擊和振動,從而減少振動噪聲。

(2)預測振動未超國家標準的地段,全線采用性能優良的專為地鐵設計的彈性分開式扣件,扣件節點靜剛度為20 kN/mm左右,采用軌下和墊板下兩層減振膠墊的方式,可減振3 dB左右。

(3)要求運營前和運營中定期打磨鋼軌頂面和車輪踏面,以保持良好的輪軌接觸,減少輪軌之間的動力作用,從而達到減振降噪的效果。

(4)在小半徑曲線地段的鋼軌工作面上涂油或其他潤滑劑,既可減少鋼軌磨耗,又可以降低噪聲。

(5)嚴格控制軌道施工質量,提高經常性養護維修的質量,確保線路和軌道的幾何狀態良好,使得由車輛引起的振動減小到最低程度,從而減少振動和噪聲。

3.3.2 較高減振地段技術措施

根據環評要求及工程使用經驗,在較高減振地段設置了軌道減振器扣件。新型剪切形軌道減振器扣件的特點：利用橡膠的剪切變形提供豎向和橫向彈性,減振效果達到8～12 dB；采用新型的橡膠材料配方,動靜剛度比不大于1.25,改進了目前地鐵中使用的軌道減振器扣件減振性能衰減快等缺陷,大大提高了減振性能和使用壽命，且更換維修非常簡單方便。另外針對目前新開通線路上減振器地段鋼軌異常波磨問題,亦莊線設計中對曲線地段減振器布置進行了優化。

由于施工進度所限,本工程主要對減振器布置進行優化,以期達到降低鋼軌異常波磨的產生和發展的目的。對于鋼軌磨耗的評價,由于傳統磨耗評價指標磨耗功率和磨耗指數在實際工程中應用方便,同時精度滿足要求,故本文中選取二者作為鋼軌磨耗的評價指標[2]。通過建立地鐵車輛軌道動耦合動力學模型進行了鋼軌磨耗的仿真計算分析。建立車輛和軌道模型[3～4]如圖2所示。采用扣件間距加密措施,將每千米扣件的鋪設數量根據線路幾何要素以及線路類型情況分為4個等級進行加密,建立4種扣件間距的減振器扣件道床模型,對磨耗功率和扣件間距變化的關系進行數值模擬分析,變化趨勢如圖3所示。

圖2 地鐵車輛動耦合動力學模型

圖3 4種不同扣件間距的減振器道床模型

基于所建立模型和工況得出的數值模擬計算結果見表1。經過扣件加密措施后,一、二位輪對和整車的磨耗功率呈下降的趨勢。一位輪對磨耗功率減少量為7.62%,二位輪對為13.19%,整車為5.04%。表明減振器扣件間距加密措施可以降低磨耗功率的數值,雖不能從根本上抑制波磨現象的出現,但可以在一定程度上減輕波磨的程度,從而延長鋼軌波磨再次出現的時間間隔。

但上述結論只是理論分析結果,實際效果需等待運營階段的檢驗。

表1 減振器扣件加密措施對磨耗功率的影響

3.3.3 特殊減振地段技術措施

本線頂秀欣園小區、小紅門村、雙廟村段為村莊平房,距線路很近或線路下穿,振動超標且易受二次結構噪聲影響,設計中采用了鋼彈簧浮置板系統。該系統的道床質量大,可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載,隔振效果可達到20～30 dB以上；隔振系統固有頻率低,減振頻率范圍廣；鋼彈簧的使用壽命長達50年以上,基本與道床等壽命；維修十分方便,采用專用的維修機具調整道床面的高度和更換鋼彈簧,不影響行車。

為保證施工進度,本工程首次采用了鋼筋籠施工方法。

鋼彈簧浮置板軌道施工步驟是首先在隧道結構底板澆筑墊層,達到強度后上鋪一層隔離材料(PVC薄膜或防水油氈)。本工程采用鋼筋籠法施工,在鋪軌基地相對條件寬松的環境進行浮置板鋼筋骨架的綁扎、鋼軌的架設和外套筒的安裝,以此形成一個具有一定剛度的鋼筋籠,然后整體運送到隧道內。鋼筋籠吊裝到洞內就位后,在現場綁扎兩側的鋼筋,最后澆筑混凝土。28 d后待道床混凝土達到設計強度后,采用專用液壓千斤頂頂升浮置板,安裝隔振器,并進行軌距、高低等調整。

傳統鋼彈簧浮置板軌道工藝復雜,進度緩慢。但本工程采用鋼筋籠法施工后,大量工作可預先在地面完成,大大加快了施工進度,可達傳統方法的5倍以上。

4 大號碼道岔使用

本線設計條件要求列車最高運行速度為80 km/h,根據地鐵設計規范及實際運營經驗,全線采用9號道岔即可以滿足一般要求。

亦莊線起點位于宋家莊站,與5號線宋家莊站采用丁字形換乘。由于線路條件限制,亦莊線宋家莊站站后為地鐵5號線線路,無法采用常規的站后折返形式,只能在站前載客折返。由于需要進行站前折返,同時北京市新線地鐵建設提出了遠期需滿足30對/h運營能力的要求,因此要求用于站前折返的道岔側向速度必須提高到50 km/h左右。目前的9號道岔無法滿足要求,因此本工程在北京地鐵工程中首次采用了新型12號大號碼道岔。

本工程采用的12號道岔專為北京地鐵設計(納入北京地鐵軌道設備標準化項目),直向過岔速度可達120 km/h,側向通過速度達到50 km/h,采用彈性可彎式尖軌,導曲線半徑為350 m,不僅過岔速度高,舒適性也較好,可以很好地滿足遠期運營要求。

5 地下線道床形式優化設計

北京地鐵常采用中心水溝的道床形式,水溝不設蓋板。如兩側由于道床布筋不合理,易產生局部收縮或沉降開裂,開裂后保持軌距能力差,可能危及行車安全。

因此本工程對道床形式進行了優化,地下線車站道床改為雙側水溝。采用雙側水溝與中心水溝相比其優點很多：道床整體性更好,平整美觀,易于保潔；方便養護維護人員行走,當發生車輛故障及火險等災害時有利于乘客的安全疏散；隧道內道床表面平整,無需設置水溝蓋板；如兩側水溝設置蓋板,更可以成倍增加疏散通道寬度；方便軌旁設備的安裝,避免軌旁設備暴露于潮濕的中心水溝上方,延長設備使用壽命,降低養護維修造價。

目前地下線站內雙側水溝形式使用情況良好,建議今后工程中全線推廣使用。

6 結論

本工程在總結了國內外軌道系統設計經驗基礎上,結合亦莊線工程特點,進行了優化和提高。在滿足環評基礎上,吸取既有線鋼軌波磨經驗教訓,對減振器布置進行了優化,在地鐵開通帶來出行便利的同時,最大限度地減少振動噪聲對周圍環境的影響,體現了“以人為本”的設計內涵。通過新型大號碼道岔的首次研究選用,解決了站前折返難題,為北京地鐵今后類似線路的建設提供了良好的借鑒作用。對道床形式的優化等工作,為今后軌道設計拓寬了思路。相信經過設計、建設、運營等各方的共同努力,亦莊線軌道建設必然成為北京市軌道交通中的精品工程。

參考文獻：

[1]任 靜，王 進，曾向榮.北京地鐵5號線正線軌道設計綜述[J].鐵道標準設計，2007(10)：16-22.

[2]練松良,孫 琦,王午生.鐵路曲線鋼軌磨耗及其減緩措施[M].中國鐵道出版社,2001：30-36．

[3]張格妍.車輛浮置板軌道垂向耦合動力學特性研究[D].北京：北京交通大學，2004.

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