城市軌道交通軌道系統可持續發展設計理念探討

江萬紅，姚 力，龐 玲

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031 )

城市軌道交通軌道系統可持續發展設計理念探討

江萬紅，姚 力，龐 玲

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031 )

軌道系統是城市軌道交通系統的一個重要組成部分。通過歸納與總結，概括出了軌道系統的可持續發展設計理念：設法延長軌道部件壽命，努力提高行車舒適性，合理開展軌道減振降噪設計，盡量提高列車運行速度。同時，從軌道系統的設計現狀出發，探討了實現城市軌道交通軌道系統可持續發展的思路和措施。

軌道系統； 可持續發展； 設計理念； 思路； 措施

作為城市軌道交通系統的一個重要組成部分，軌道系統設計應該滿足可持續發展的相關要求。本文基于軌道系統的可持續發展設計理念，通過歸納和總結近年來國家高速與重載鐵路軌道結構采用的新技術、新工藝，探討將其應用于城市軌道交通建設的可行性。

1 軌道系統的可持續發展設計理念

從結構組成來講，軌道系統包括鋼軌、扣件、軌枕、道床、道岔以及無縫線路與減振降噪設計。

軌道系統的可持續發展設計理念應著眼于節約資源與保護環境，同時注重“以人為本”。概括起來，軌道系統的可持續發展設計理念為：設法延長軌道部件壽命，努力提高行車舒適性，合理開展軌道減振降噪設計，盡量提高列車運行速度。

2 延長軌道部件壽命

軌道部件種類繁多，縱觀近年來城市軌道交通軌道系統暴露的問題，主要還是集中在鋼軌波磨以及道岔尖軌與轍叉剝離掉塊上。針對上述問題，通過歸納與總結，本文提出了以下解決思路。

2.1 鋪設U75V熱軋鋼軌

鋼軌材質選型需考慮線路條件、磨耗特性及養護維修等諸多因素。目前國內可供選擇的常用鋼軌材質主要有U71Mn和U75V兩種。U71Mn鋼軌與U75V鋼軌主要技術性能[1]比較見表1。

表1 U71Mn鋼軌與U75V鋼軌主要性能比較

研究表明，鋼軌與車輪的硬度比宜控制在1.1～1.2之間。由表1可知，鋪設U75V熱軋鋼軌是合適方案。從國內地鐵運營現狀來看，鋪設U75V熱軋鋼軌的思路是正確的，達到相等磨耗時，鋪設U75V熱軋鋼軌較鋪設U71Mn熱軋鋼軌晚2～3年。

2.2 強化道岔尖軌

目前，城市軌道交通道岔尖軌一般采用軋制的矮型特種斷面珠光體鋼軌，由道岔生產廠經鍛、銑、削、熱處理等工序加工而成。由于尖軌斷面不對稱導致熱處理困難，強度和硬度都不能滿足需要，造成出現不耐磨、剝離掉塊等傷損。

國內外為改善尖軌的耐磨性能，主要采用以下兩種方式。

2.2.1 改善尖軌材質

軋制貝氏體尖軌替代珠光體尖軌。

2.2.2 改善熱處理方式

激光相變處理技術：采用激光相變處理技術對鋼軌表面進行強韌化處理。

層流等離子體強化技術：采用層流等離子技術[2]使得軌面加熱區形成較寬較深的超細針狀馬氏體組織，達到僅強化鋼軌表層的目的。

由于貝氏體尖軌制造成本高昂，同時激光相變處理所需的激光器成本高、一次性投資大，并不適應大批量生產，因此，本文建議采用層流等離子體技術強化道岔尖軌。

2.3 鋪設合金鋼組合轍叉

目前，道岔中的轍叉一般采用高錳鋼整鑄轍叉，由于高錳鋼整鑄轍叉機械性能較差，同時容易存在鑄造缺陷，造成高錳鋼整鑄轍叉出現疲勞裂紋、心軌磨耗到限和剝離掉塊等現象。

為解決轍叉失效問題，可采用合金材料制造心軌。合金鋼轍叉[3]心軌采用奧貝氏體耐磨合金材料，抗拉強度≥1240 MPa，延伸率≥8%，室溫沖擊韌性≥60 J/cm2,硬度HRC37-42，可經鍛造成形后機械加工為組合轍叉心軌。翼軌及叉跟軌同樣需要采用奧貝氏體耐磨合金材料制作，轍叉心軌與叉跟軌之間采用栓接。

合金鋼組合轍叉通過總重可以達到2×108t以上，是普通高錳鋼整鑄轍叉3-4倍。針對城市軌道交通軌道系統的特點，建議推廣使用。

3 提高行車舒適性

提高行車舒適性是城市軌道交通軌道系統設計注重“以人為本”的直接體現，通過借鑒高速鐵路的成功建設經驗，本文提出了以下解決思路。

3.1 鋪設跨區間無縫線路

目前，城市軌道交通基于道岔尖軌更換頻繁、高錳鋼整鑄轍叉可焊性差等因素，基本都是采用區間無縫線路，造成列車過岔時振動強烈，引起旅客評價不高。強化尖軌以及采用高錳鋼組合轍叉后，給鋪設無縫道岔創造了條件。采用無縫道岔后，軌道系統將實現跨區間無縫線路[4]，對列車振動及噪聲將有很大程度的緩解，同時為道岔的壽命延長也是促進。

3.2 道岔剛度均勻化

區間軌道的剛度沿線路縱向呈均勻分布。岔區軌道相對區間線路而言，其結構要復雜得多，使岔區軌道剛度與區間軌道剛度、岔區自身軌道剛度沿線路縱向不再均勻分布，呈現很強的突變性。

道岔剛度均勻化[5]就是針對道岔內部不同部位采用不同扣件剛度使其達到與區間軌道相當的整體剛度。通過優化道岔區剛度設計，并推廣鋪設，可達到提高車輛過岔舒適性，延長道岔部件的使用壽命，大幅度減少道岔區工務養護維修的目的。

3.3 引入軌道控制網(CPⅢ)

通過分析城市軌道交通軌道施工技術特點，傳統基標法軌道測量體系存在諸多不足，如導線測量易造成誤差積累、對中誤差大等。

為提高軌道結構的平順性及建成后的養護維修水平，建議將高速鐵路無砟軌道建設的軌道控制網(CPⅢ)[6]測量與無砟軌道精調的相關技術引入城市軌道交通，對軌道的幾何狀態進行精密檢測和精確調整。

采用軌道精密測量體系(CPⅢ測量)，可大大提高軌道的初始平順性，提供更穩定的走行軌道，對減振降噪、減少輪軌磨耗以及提高乘車舒適性效果顯著。

4 合理開展軌道減振降噪設計

軌道減振降噪是處理城市軌道交通與環境和諧發展的重要手段之一。合理開展軌道減振降噪設計應包含合理確定減振降噪需求與合理開展減振降噪結構設計。

4.1 合理確定減振降噪需求

關于減振需求，目前一般采用模式法預測工程運營后的環境振動值。關于降噪需求，主要針對高架及地面線路開展預測，很少對地下線輪軌噪聲進行預測。本文建議引入振動地圖與噪聲地圖合理確定減振降噪需求。

4.1.1 振動地圖

建立綜合考慮車輛、軌道、隧道、地基、地面結構物的系統模型進行動力學分析，最終形成沿線條帶振動預測圖，即振動地圖。可計算得出結構物動力學響應，與二次結構噪聲。

4.1.2 噪聲地圖

建立反映某特定區域噪聲的地圖(噪聲地圖)意義重大。輪軌噪聲通過車輛、軌道、隧道或橋梁耦合模型計算得出，然后通過邊界元可計算出聲場處某點的聲壓值。最后疊加上集電系統噪聲，空氣動力噪聲即可形成沿線條帶狀噪聲地圖。

通過振動與噪聲地圖可以給新建鐵路的選線、軌道選型以及減振降噪措施的決策等提供指導。

4.2 合理開展軌道減振降噪結構設計

4.2.1 嚴格控制減振分級

目前，國內城市軌道交通的軌道減振分級無統一規定。減振分級較少時，便于運營管理，但經濟性不強。減振分級較多時，減振產品種類繁多，運營管理難度加大。建議嚴格控制軌道減振分級為三級，即中等、高等及特殊。

4.2.2 合理確定減振系統整體剛度

對于減振效果與輪軌安全在減振系統整體剛度上是一對矛盾體，國內某些軌道交通線路出現了鋼軌嚴重波磨[7]與軌道整體剛度肯定存在必然聯系。軌道系統進行減振結構設計時應進行車輛、軌道耦合動力學分析，減振系統剛度確定應避開共振區。除重視減振系統豎向整體剛度外還應強化減振系統橫向剛度，橫向剛度不足將會導致軌道結構軌距不穩，在小半徑地段出現鋼軌外翻，嚴重時引起彈條斷裂。

4.2.3 重視軌道降噪處理措施

目前，在城市軌道交通軌道系統的設計過程中對減振的重視程度遠遠大于降噪，尤其是地下線基本很少考慮噪聲污染。由于大量采用低剛度軌道減振措施，造成輪軌下沉量偏大，列車運行于減振地段時，輪軌噪聲放大明顯。

振動衰減率[8]是一個整體性概念，反映的是振動波在軌道中的傳遞衰減情況，如果衰減率小，表明振動衰減慢，傳遞得遠，鋼軌輻射噪聲將會明顯。本文建議將軌道振動衰減率的測試引入城市軌道交通的減振降噪設計，以全面評價軌道減振降噪設計是否合理，避免走向僅重視減振需求的極端。

5 盡量提高列車運行速度

目前，國內地鐵普遍采用ATC信號系統，具有ATP/ATO功能。當列車在運行過程中觸發了緊急制動觸發曲線時，列車可能達到的最高速度一般在緊急制動觸發速度上會增加約5 km/h，即達到列車最大運行速度為VNE。針對軌道系統，VNE不能大于要求的土建限速。提高軌道系統土建限速主要包含提高曲線限速與道岔側向限速兩方面的內容。

5.1 提高軌道系統曲線限速

5.1.1 建議執行“寧過不欠”的超高設置思路

曲線超高設置過程中，軌道專業首先需要根據行車專業開放的速度時分曲線計算出每個曲線的最大速度與最小速度，二者取平均得到平均速度。建議在平均速度的基礎上提高一定的幅值后作為曲線的最終條件計算超高，即執行“寧過不欠”的超高設置，提高幅值可按5～10 mm超高值考慮，針對半徑R=400 m曲線，列車運行速度可提高約2 km/h。

5.1.2 合理確定最大容許欠超高值

軌道最大容許欠超高的確定涉及軌道結構安全、行車舒適度及行車穩定性三方面的內容。由軌道結構安全、行車穩定性控制的最大容許欠超高一般較大，考慮到地鐵為人性化的載客系統，一般按照舒適度來控制最大容許欠超高(表2)。

表2 相關規范對容許欠超高值的規定 mm

最大容許欠超高分別取61 mm、75 mm、90 mm時，針對半徑R=400 m曲線，曲線土建限速分別為78 km/h、81 km/h、84 km/h。目前，軌道系統的土建限速一般都是按照欠超高61 mm取值計算，顯得較保守，若采用75 mm取值將提高土建限速3 km/h。

地鐵列車車內環境穩定因素應重點考慮，本文建議最大欠超高值采用75 mm較合適。

5.2 提高道岔側向限速

為保證列車平穩通過道岔，我國建議將離心加速度的容許限度值取為0.5～0.65 m/s2。這一指標建立了速度與道岔導曲線半徑的聯系。通過總結分析我國道岔的側向限速情況，9號及以下的道岔一般按照欠超高75 mm確定限速，12號及以上道岔大致按照欠超高90 mm確定限速(表3)。

表3 常用道岔限速情況 km/h

通過上述分析得知，通過改變道岔結構提高側向過岔速度是有限的，最有效的辦法是將有能力需求的道岔采用大號碼道岔，當然大號碼道岔長度將會增長，但總的折返時間是節省的。

6 結論

本文通過歸納與總結，概括出了軌道系統的可持續發展設計理念。針對延長軌道部件壽命問題，提出了全線鋪設U75V熱軋鋼軌、采用層流等離子體強化尖軌、鋪設奧貝氏體合金鋼組合轍叉三種建議措施。針對提高行車舒適性問題，提出了全線鋪設跨區間無縫線路、進行道岔剛度均勻化處理、引入高精度軌道控制網(CPⅢ)三種建議措施。針對合理開展軌道減振降噪設計問題，提出了運用振動與噪聲地圖合理確定需求，同時嚴格控制減振分級與減振系統整體剛度的建議，最后建議引進通過測定振動衰減率的方法以評價減振降噪的合理性。針對盡量提高列車運行速度問題，提出了“寧過不欠”進行超高設置、最大容許欠超高取值75 mm以及折返道岔采用大號碼道岔三項建議。

[1] TB/T 2344-2012 43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件[S]

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[3] 趙偉華，曹洋，王平．合金鋼組合轍叉合理受力優化方案研究[J] ．CHINESE RAILWAYS，2012，(1)

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江萬紅(1982～)，男，碩士，工程師；姚力(1971～)，男，碩士，教授級高工；龐玲(1980～)，男，學士，工程師。

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[定稿日期]2015-01-28