城市軌道交通單渡線曲線道岔設置及改建方案研究

周虎利

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

目前在國內城市軌道交通中,還沒有設置曲線道岔的相關規范和工程實例,特別是在大坡度小半徑曲線上要設置單渡線曲線道岔更是沒有先例,技術難度很大。城市軌道交通大多處于城市繁華區域,為了繞避控制性建筑物,曲線和大坡度占有的比重較大,但為了后期的運營,需要設置多處單渡線、折返線及臨時存車線,但地鐵規范中規定道岔應設置在直線和小坡度線路上,這給道岔的設置帶來了很大的困難。重慶軌道交通6號線一期工程起點位于南岸區的上新街站,終點位于禮嘉站,在上新街站至大劇院站之間,跨越了長江及嘉陵江,并且修建東水門長江大橋和千廝門嘉陵江大橋,2座大橋均為軌道交通和城市道路上下合建斜拉橋。6號線一期工程計劃于2012年底建成通車,2座大橋由重慶市城市投資公司負責建設,要到2014年才能建成通車,其建設時序和工期不能適應6號線一期運營的要求。為了充分發揮軌道交通作用,軌道公司決定對不受大橋影響的大劇院站至禮嘉段提前運營,為此需在大劇院站設置臨時折返單渡線,待千廝門嘉陵江大橋建成后,對臨時折返單渡線進行改建,再按照正常運營方案營運。

大劇院站位于千廝門大橋的引橋上,小里程車站端部距離主橋只有4 m，由于主橋不能按時建成無法設置單渡線,只能在大劇院站大里程端設置臨時折返單渡線,但車站大里程端線路為R-300 m的小半徑曲線,坡度為25‰,在大坡度小半徑曲線上設置單渡線在我國國鐵、地鐵均沒有使用的先例,在曲線上設置單渡線必須采用曲線道岔,曲線道岔的設計及后期改建技術難度更大。

為了能夠使建成段提前運營,充分發揮軌道交通的巨大作用,參考國外曲線道岔的設計使用情況,經過和道岔設計制造單位專題研究,認為在曲線上設置單渡線的方案是可行的。結合大劇院站臨時折返單渡線曲線道岔的設計情況,介紹曲線道岔的設置及改建方案,以便為國內其他地區城市軌道交通曲線道岔的設置提供借鑒作用。

2 大劇院站單渡線曲線道岔設置

2.1 大劇院至江北城區間線路情況

大劇院站位于千廝門嘉陵江大橋的引橋上,車站小里程端距離大橋的主橋墩只有4 m的距離,主橋無法按時建成,小里程端無法設置單渡線,只能設置在大里程端。

(1)大劇院至江北城區間線路平面

根據規劃和車站換乘的需要,大劇院站為高架側式車站,江北城站為6號線與9號線的同站臺換乘車站,6號線左右線上下重疊位于線路的右側,9號線左右線上下重疊位于線路的左側。線路出大劇院站后,以R-300 m的小半徑曲線沿道路下方行進,線間距由4.6 m逐漸漸變為11 m,同時受江北城站換乘需要,左右線由同平面逐漸漸變成上下重疊的形式,以R-400 m的曲線接入江北城站。大劇院至江北城區間線路平面見圖1。

圖1 大劇院至江北城區間線路平面示意

(2)大劇院至江北城區間線路縱斷面

線路出大劇院站后,左右線同時采用300 m長、25‰的下坡,后右線采用400 m長、13‰的下坡到江北城站,左線采用200 m長、11‰的上坡,然后再采用200 m長、3.3‰的下坡到達江北城站,在江北城站左右線高差為7 m,與9號線形成同站臺換乘的形式。大劇院至江北城區間線路縱斷面見圖2。

2.2 單渡線曲線道岔設置情況分析

地鐵設計規范里對道岔設置的一般原則是：道岔應布置在直線上,基本軌端部至曲線距離不宜<5 m；道岔不應設置在緩和曲線上；道岔不得設置在豎曲線上；道岔宜設置在不大于5‰的坡道上,困難情況下可設置在不大于10‰坡道上[1,2]。

根據以上地鐵設計規范的規定,從上面線路平縱斷面分析可以看出,大劇院出站端300 m長、25‰的段落內左右線是在同平面的,后面400 m長的范圍左右線是上下漸變的,不在同一平面,無法設置道岔,同時在緩和曲線和豎曲線范圍內都不得設置道岔,所以只能在R-300 m的圓曲線范圍內想辦法設置單渡線道岔,以滿足臨時運營的需要。

該段R-300 m的曲線長度247 m,兩端有豎曲線,線間距由4.6 m漸變為11 m。根據線路縱斷面,在DK15+300處為變坡點,設有豎曲線,道岔岔心不能設置在豎曲線范圍內,DK15+570里程之后左右線不等高,所以單渡線設置范圍只能位于DK15+350～DK15+550的范圍內,線路坡度25‰。單渡線曲線道岔布置位置見圖3。

圖2 大劇院至江北城區間線路縱斷面示意

圖3 單渡線曲線道岔布置位置示意

2.3 單渡線曲線道岔設計制造過程中主要存在難點及問題

(1)2組道岔均為非標產品,不通用

在雙線之間布置1組單渡線,由于雙線方向一致,組成單渡線的2組單開道岔側股半徑不同,與左線連接的道岔側股半徑將≥300 m,與右線連接的道岔側股半徑將<300 m,道岔無法通用。

(2)道岔布置范圍狹小

由于在可以設置道岔的曲線兩端有豎曲線,根據線路平縱斷面,2個豎曲線間隔距離為172.5 m,道岔設計規范要求道岔不允許布置在豎曲線上,所以實際可以布置道岔的曲線范圍將<172.5 m,考慮車輛長度,道岔兩端距離豎曲線距離按≥30 m計算,可以布置道岔的曲線范圍<112.5 m；同時在設計時將考慮道岔轉轍器盡量位于圓曲線范圍,以便尖軌制造,實際可以布置道岔的范圍僅僅為2個曲線的圓曲線重疊范圍約117 m；組成單渡線的2組單開曲線道岔,在側股圓弧之間需要設置一定長度的夾直線,使得2組單開道岔布置范圍更小。

(3)右線道岔連接半徑小

右線連接道岔半徑約為150 m,需要結合機車車輛參數進行非標設計。

(4)坡度大,對列車安全性、舒適性影響大。

由于道岔將鋪設在25‰的縱坡上,設計和鋪設均無先例,需要進行設計檢算和仿真計算,確保道岔設計方案的可行性、安全性、舒適性。

(5)電務置換需要特殊設計。

(6)道岔區過渡期間不能設置超高

道岔位于小半徑曲線上,由于構造原因,不能設置超高,列車速度受限。

2.4 單渡線曲線道岔

通過以上的分析,結合規范和道岔設計的要求,對單渡線曲線道岔進行了特殊的設計和制造,以滿足軌道交通臨時折返和后期改建的需要[3]。單渡線曲線道岔平面布置見圖4。

單渡線曲線道岔由2組道岔組成,左側道岔為對稱道岔,右側道岔為單開曲線型道岔。對稱道岔兩側曲線半徑均為300 m；曲線道岔主曲線半徑為300 m,側股曲線半徑為150 m。對稱道岔前端距離豎曲線終點23 m,岔前及左側岔后為R-300 m圓曲線,總長29.13 m。曲線道岔主線岔前岔后為R-300 m圓曲線,側線與對稱道岔右側相連,總長40.029 m。兩道岔位于25‰坡道上。

圖4 單渡線曲線道岔平面布置示意(單位：m)

對稱道岔R-300 m半徑容許通過速度為35 km/h；對稱道岔R-300 m半徑與曲線型單開道岔R-150 m半徑相接一側容許通過速度為20 km/h；曲線型單開道岔R-300 m半徑容許通過速度為35 km/h；曲線型單開道岔R-150 m半徑容許通過速度為20 km/h。

大劇院站大里程端R-300 m半徑曲線正常線路超高值為100 mm。道岔區不設超高,道岔前后20 m范圍內不設超高。

對以上單渡線曲線道岔經過西南交通大學的曲線道岔仿真評估后得出,車輛以容許速度通過對稱道岔及曲線道岔時,安全性與平穩性均在容許限度內,但由于夾直線長度較短,車體橫向振動加速度已接近優良指標限值。在溫度力、坡道分力、制動力作用下,道岔受力與變形均在容許限度內,但曲線道岔各項指標已接近容許限值。建議不設軌底坡區段與設置軌底坡區段間應設置2～3根過渡軌枕,軌底坡的變化率不宜超過1/80～1/120；同一圓曲線上設置超高與未設置超高地段應設有過渡段,超高順坡率宜控制在2‰以內；對稱道岔不設軌距加寬；曲線道岔軌距變化率不宜超過4‰；直曲尖軌頂寬20 mm處降低值取為5 mm。

通過以上的仿真計算可以看出,單渡線曲線道岔可以滿足列車臨時運營的要求,能夠滿足運營的安全需要。同時結合仿真計算的建議,對道岔和軌道進行了相應的優化設計,使線路運行更加平穩安全。

3 單渡線曲線道岔的改建

由于曲線道岔的構造原因,其通過速度較低,直向通過最大速度35 km/h,側向最大速度20 km/h,先期開通作為臨時單渡線折返時,限速對于運營影響不大,后期作為區間正線貫通運營時,列車通過曲線的平均速度約50 km/h,若不拆除道岔,需在此段限速為35 km/h；同時曲線道岔后期的養護也存在很大的難度[4]。

由于不拆除曲線道岔后期正式運用后,通過速度較低,再加上曲線道岔特殊的構造,養護維修難度很大,通過仿真計算曲線道岔各項指標均接近限值,在較短的臨時運營期間沒有問題,為了保證以后長期運營安全等方面的需要,后期貫通運營時需要對單渡線曲線道岔進行改建,拆除曲線道岔,恢復區間正線。

地鐵正式運營后,在不中斷運營的條件下只有夜間停運時間可以改建單渡線曲線道岔,由于曲線道岔特殊構造原因,除拆除曲線道岔外,對軌道、信號及接觸網等相關工程均需要相應的改建,在這么短的時間內要完成這么復雜的工作,需要在設計和施工前期就預留好改建的條件,同時在改建時還要協調好各專業之間的改造時間和順序,才能很好的完成改建工作[5]。下面主要對軌道、接觸網和信號的改建方案研究如下。

3.1 軌道改建方案

地鐵正式運營后,在短時間內需要拆除兩組過渡道岔,并安裝250 m的正線軌道,工作量大,難度高；曲線道岔由于構造原因,在前期不得設置超高,而后期作為正線運營時,本段線路位于圓曲線上,需設置軌道超高值,按通過速度50 km/h考慮,最合理的超高值為100～110 mm,曲線范圍內欠超高、過超高均約10 mm。即使欠超高按最大值60 mm考慮,也需要設置60 mm的超高,因此后期改造時需設置超高是個難題。

結合以上軌道改建的難點,考慮到單渡線曲線道岔使用時間較短,而曲線軌枕和整體道床的使用是永久性的,所以在軌道設計時,考慮以曲線超高布置為主,兼顧前期的道岔布置,并考慮在拆除道岔后恢復曲線超高時要比較便利,方便軌道的改建。

考慮到作為區間正線運營時,不能中斷運營,因此留給道岔拆除、新軌安裝的時間很短(夜間停用時段),所以在設計時充分考慮了整體道床的施工工藝[6-9]。為滿足單渡線曲線道岔區域的線形、后期施工及改建方便的要求,考慮到合成軌枕具有施工便捷、速度快的優點,在單渡線道岔區采用合成軌枕,來實現短時間內的重新安裝新鋼軌,同時為便于快速安全的改建軌道系統,對該段整體道床進行了特殊的設計。

前期整體道床分兩次施工,先按照后期恢復正常曲線超高形式布置短軌枕并預留扣件螺栓孔,一次性澆筑整體道床。整體道床成形后在短軌枕表面及其附近道床面覆蓋聚乙烯薄膜,之后在前后軌枕間距范圍內的道床表面布置一根合成長枕作為前期曲線道岔的長軌枕,并在其表面包裹土工布,短軌枕附近的道床面上灌注約135 mm厚的PMC砂漿作為合成長枕的縱橫向限位。后期拆除道岔時只需要掀起聚乙烯薄膜上的PMC砂漿與合成長枕,把鋼軌安裝在前期預留好的短軌枕上[10],見圖5～圖7。

圖5 前期使用曲線道岔的整體道床橫斷面(單位：mm)

圖6 后期拆除合成長枕使用曲線短軌枕的整體道床橫斷面(單位：mm)

圖7 后期運營期間補澆道床面成曲線標準道床面的整體道床橫斷面(單位：mm)

圖9 大劇院站信號布置示意

在以上軌道的設計和改造方案中,還要做好以下幾點。

(1)縱向坡的過渡

在道床面上布置合成軌枕勢必增高了軌面高程,以半超高曲線外側短軌枕為基準,軌面高程到圓曲線時上升了50 mm,所以需要在60 m的緩和曲線范圍上升一個0.83‰的縱向坡,此坡度通過第一次澆筑的整體道床面來實現。

(2)曲線短軌枕的厚度變化

為了布置140 mm厚的合成長枕,曲線整體道床面必然降低140 mm,道床厚度不能包裹住常規的正線短軌枕,所以需要加厚曲線短軌枕,在保證短軌枕埋入道床不低于130 mm(正線曲線標準)的情況下,盡量統一軌枕厚度并不與道床板的配筋沖突,故將曲線道岔范圍內的短軌枕厚度統一為3種形式：220、260、290 mm。

(3)合成長枕的縱橫向限位

合成長枕埋在后澆的PMC砂漿中(陰影部分),即作為道床面的找平方法,也能靠外漏的短軌枕側面進行縱向的限位,以限制由于鋼軌伸縮而帶動合成長枕的縱向移動,將道床內邊筋處的架立筋伸長至一定高度,與合成枕兩邊的PMC砂漿一起作為合成長枕的橫向限位,整體道床局部放大圖見圖8。

圖8 整體道床局部斷面放大

通過以上的軌道特殊設計和施工后,軌道的改建可以在較短的時間內完成,并能保證臨時運營和后期正常運營的超高設置和運營安全的要求。

3.2 信號改建方案

大劇院站大里程端設置臨時單渡線曲線道岔后,信號專業需要為臨時折返道岔配置相應的信號設備,臨時折返道岔及相應的信號設備納入江北城聯鎖區控制；同時為了滿足臨時折返要求,所有6號線一期運營車的車載電子地圖均按照臨時折返線路設置。大劇院站信號布置見圖9。

單渡線曲線道岔拆除后,6號線一期正式運營范圍延伸至上新街站,為了滿足臨時道岔拆除后信號系統全線貫通運營,在單渡線曲線道岔拆除前,信號系統需完成大劇院—上新街車站及區間所有信號設備的安裝,并利用天窗時間完成信號設備、聯鎖軟件、車載軟件的調試,完成聯鎖軟件及室內外設備的調試；提前選出2列車,按照正式運營數據修改車載軟件,在滿足第一步的情況下進行車載軟件試驗；在道岔拆除后,完成信號設備的拆除、更換及調試,完成ATS、CI及車載軟件的修改；全線貫通運營后,對車載數據進行試驗,完成后啟用。

采用這種信號設計方案后,可提前對軟件及設備進行模擬調試,能夠在道岔拆除后盡快完成除車載設備以外的信號設備的調試工作,工作周期短。

3.3 接觸網改建方案

為了滿足設置單渡線曲線道岔及后期貫通運營的要求,在大劇院站及臨時單渡線道岔區段,接觸網將采取全線貫通后的正常設置方案及分段開通時的臨時方案。

全線貫通運營后,大劇院站—隧道口段接觸網為貫通的柔性接觸網530 m錨段；隧道口至站后隧道內接觸網為剛性接觸網的1個219 m錨段。接觸網在進洞后約30 m隧道范圍內,進行剛柔過渡轉換。柔性接觸網的承力索、接觸線分別在隧道口、隧道內下錨。

為保證分段開通后在大劇院站的折返,受各種條件所限,接觸網采用特殊的臨時設置方案。大劇院站至隧道口段正線接觸網為外露地面剛性接觸網的1個173 m錨段,安裝形式采用支柱+旋轉腕臂支撐形式。隧道內段正線接觸網為剛性接觸網的另一個219 m錨段,兩個剛性錨段在隧道口處形成非絕緣錨段關節,單渡線曲線道岔段設置剛性接觸網及1臺分段絕緣器。

接觸網臨時方案向正常方案的過渡,需要改造左、右線大劇院站端至隧道內段的接觸網。

由于在前期運營時,在R-300 m曲線及其緩曲區段不設置軌道超高,全線貫通后設置100 mm的外軌超高,軌道超高的變化,使車輛受電弓中心發生偏移,與之直接相關的接觸網定位點位置也需要相應偏移(垂直線路水平向偏移量約300 mm,豎直向偏移約60 mm),由此對接觸網調整產生了較大的影響。

正線錨段需拆除地面的剛性接觸網錨段,安裝貫通的柔性接觸網錨段。土建結構預留時,同時預留正常方案及臨時方案的支柱、吊柱底座基礎,改造時拆除剛性接觸網及部分支柱、吊柱等支持結構,安裝柔性接觸網及相應的支持、下錨結構。

隧道內臨時道岔段接觸網本身的處理相對容易,拆除剛性接觸網、懸吊結構及分段絕緣器即可。

為了不影響運營,在夜間停運期間對單渡線曲線道岔進行改建是一個很復雜的工作,在前期設計、施工時就要為后期的改建創造便利的條件,在后期改建時也需要多個專業之間協調配合,以便在最短的時間內順利完成改建施工。

4 結語

目前在國內城市軌道交通中,還沒有設置曲線道岔的相關規范和工程實例,特別是在大坡度小半徑曲線上要設置單渡線曲線道岔更是沒有先例,技術難度很大。城市軌道交通大多處于城市繁華區域,為了繞避控制性建筑物,曲線和大坡度占有的比重較大,但為了后期的運營,需要設置多處單渡線、折返線及臨時存車線,地鐵規范中規定道岔應設置在直線和小坡度線路上,這給道岔的設置帶來了很大的困難。通過分析重慶軌道交通6號線大劇院站臨時單渡線曲線道岔的設置條件,經過與道岔制造商等多方面的研究,提出了一種在大坡度及小半徑曲線上設置及改建單渡線曲線道岔的可行方案,經過西南交通大學的曲線道岔仿真評估,表明地鐵車輛以容許速度通過曲線道岔時,安全性與平穩性均滿足行車的要求。

由于大劇院站特殊的情況,曲線道岔需要設置在R-300 m的小半徑和25‰的大坡道上,同時后期還需要改建,難度很大,如果設置在大半徑曲線和小坡度的地段,曲線道岔的設置將會更加方便可行。因此,該方案的成功使用,將為國內其他地區城市軌道交通曲線道岔的設置起到指導和借鑒作用。

參考文獻：

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