城市軌道交通地下線路有砟軌道應用的可行性分析

■ 王雅群 彭華 陳軍華

2008年以來，我國進入城市軌道交通建設“大繁榮”時期。在我國新建城市軌道交通線路中，絕大多數采用無砟軌道。但是，相較于有砟軌道，無砟軌道具有以下缺點：

（1）造價高，初期投資大；

（2）幾何狀態調整僅靠扣件實現，變形較大時調整困難且代價巨大；

（3）使用中易出現波磨現象，導致振動明顯、噪聲增大，嚴重影響乘客舒適度，增加養護維修費用。

無砟軌道的缺點在一定程度上制約了城市軌道交通的發展，而在巴黎、倫敦、柏林、赫爾辛基等國外城市的城市軌道交通地下線路正線中，20世紀初期鋪設的有砟軌道仍在正常使用，總結并參考國外城市軌道交通地下線路有砟軌道應用的成功經驗十分必要。鑒于此，在分析國內外有砟軌道在城市軌道交通線路中應用現狀的基礎上，從經濟評價、環境評價、結構動力特性、鋪設條件及養護維修等方面對有砟軌道在城市軌道交通地下線路中應用的可行性進行探討和研究。

1 經濟評價

根據國內外軌道交通建設經驗可知，無砟軌道初期投資大約為有砟軌道的1．5倍，如日本板式無砟軌道與有砟軌道的初期投資比例為1．3～1．5，德國R h e d a型無砟軌道與有砟軌道的初期投資比例為1．5～1．7[1-2]。根據我國情況：鋼彈簧浮置板道床為1 700萬元/km，梯形軌枕道床為1 200萬元/km，彈性長枕道床為650萬元/km，碎石道床為530萬元/km。無砟軌道與有砟軌道建設及維修費用對比見表1。

無砟軌道初期投資和經濟效益問題十分復雜，影響因素也較多。由表1可知，在建設及維修費用方面，無砟軌道明顯高于有砟軌道。由于無砟軌道對養護措施水平要求較高，為保障無砟軌道的質量，在施工工序和質量控制等方面會花費較多的額外費用和時間。此外，對于橋梁和路基上的無砟軌道，因控制基礎長期沉降而需增加的費用為有砟軌道的2．0～2．5倍。如今，有砟軌道結構維修技術較成熟，在很大程度上實現了機械化和自動化，大型養路機械作業的精度和質量大幅提升，軌道幾何狀態保持得以延長，其費用低于手工作業；若考慮無砟軌道達到壽命周期后高昂的再建費用，有砟軌道的經濟效益更為明顯。

表1 無砟軌道與有砟軌道建設及維修費用對比

2 環境評價

2.1 噪聲評價

列車噪聲限值采用A加權等效聲級[3]，對于列車運行時速30～90 km的軌旁噪聲，支承塊式無砟軌道比有砟軌道大2．8～4．5 dB（A）。

對北京1、2、4（含大興線）、5、13號地鐵部分線路進行車內噪聲測量：1、2號線噪聲暴露水平Leq約為76 dB（A）；4、5號線噪聲暴露水平Leq約為80 dB（A）；13號線噪聲暴露水平Leq約為70 dB（A）。北京地鐵1、2、4、5號線幾乎全線采用無砟軌道；13號線主要為地面線，幾乎全線采用有砟軌道。分析可知，有砟軌道振動噪聲暴露水平Leq比無砟軌道小6～9 dB（A），有砟軌道線路降噪效果優于無砟軌道。

2.2 振動評價

選取振動加速度級及其對應的振動級對振動強度進行描述和評價，是目前國際上廣泛采用的方式。假設某點在某一方向的振動加速度的有效值為a，可得其對應的振動級 L[4]：

式中：L為振動加速度有效值對應振動級，dB；a為經振動感覺校正的振動加速度有效值，m/s2；a0為振動加速度基準值，一般取1×10-6m/s2。

相對垂直或水平振動，可按給定頻率響應曲線計算a：

式中：n為頻率，Hz；an為頻率分量的振動加速度有效值，m/s2；Cn為頻率的相對響應，dB。

通過計算，可得不同軌道結構形式的軌道結構振動加速度級（見表2）。由表2可知，與普通鋼筋混凝土整體道床相比，碎石道床更大幅減少了軌道振動向隧道的傳播，其振動加速度級的減小量為8～10 dB。對于整體道床而言，梯形軌枕、彈性短軌枕、軌道減振器等軌道減振措施對低頻振動的減振效果一般劣于高頻（50 Hz以上）減振效果，而有砟道床的減振頻域更廣闊，且對中低頻的振動也有較好的減振效果。采取在道床底部鋪設彈性墊層或在軌枕底面設置彈性墊層等減振措施后，有砟軌道的減振效果明顯提高，道砟搗固周期及有砟道床使用期限進一步延長。

3 地鐵隧道內有砟軌道鋪設條件

有砟軌道與無砟軌道的道床斷面尺寸等結構參數不同，因此在設計新建城市軌道交通地下線路中的有砟軌道時，為滿足運營安全，隧道斷面會有相應變化。隧道內采用有砟軌道的線路形式，軌道結構高度比無砟軌道高10～20 cm，所以隧道斷面凈高需進一步增加，地鐵車輛的建筑限界也需進行修改。結合對隧道內有砟軌道道床斷面的分析可知，如在直徑6 m的盾構隧道內使用有砟軌道，將不能滿足地鐵設計相關規范及車輛限界的要求。因此，建議增加盾構隧道直徑，內徑由5．4 m增至5．8 m或以上，以滿足盾構隧道中使用有砟軌道的限界要求。此外，隧道內道床排水可采用線路兩側或單側的方式，考慮到有砟軌道的使用年限及維修周期，建議采用線路兩側排水的方式。

綜合地鐵車輛類型、列車的設計運營速度及施工難易程度，特別考慮道床相關力學性能、線路穩定性等方面的因素，當列車運行時速大于80 km且正線半徑較小時（A型車小于500 m，B型車小于450 m），建議使用寬軌枕，或采用道砟膠的方式來提高線路穩定性，以保證安全運營。對于有砟軌道曲線地段，應采用適當的線路超高、隧道限界及道砟堆高，以滿足列車運行要求。此外，軌道基礎沉降問題一直困擾著城市軌道交通，當采用無砟軌道時，為控制基礎的長期沉降，需增加較多的后期養護維修費用，而采用有砟軌道可以通過道砟補充較為容易地克服沉降問題，且有砟軌道的養護維修可實現機械化和自動化，養護維修費用較低。

表2 不同軌道結構形式的振動加速度級 dB

4 有砟軌道結構動力特性分析

4.1 動力分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件進行建模計算時，基于耦合動力學理論[5]，根據結構形式、懸掛特性等對城市軌道列車進行模型化處理。將列車車體、2個轉向架及4個輪對視為剛體，列車模型就成為1個多剛體系統，該系統視為由1個車體、2個轉向架及4個輪對組成，彼此間以兩系彈簧阻尼器元件進行連接。在“列車-軌道”空間耦合動力分析模型中，車體和轉向架各有沉浮、點頭、橫移、側滾和搖頭5個自由度；輪對則具有沉浮、橫移、側滾和搖頭4個自由度，不考慮車輪轉速不均勻產生的回轉[6]。“列車-軌道結構-隧道”耦合動力學模型見圖1。

4.2 主要計算參數

城市軌道交通隧道內有砟軌道包含道床、軌枕、扣件、鋼軌等結構，模型建立時，對隧道結構進行適當簡化，只考慮仰拱（采用C35混凝土）、拱墻（采用C35混凝土）、仰拱回填層（采用C20混凝土）、噴射混凝土層（采用C25混凝土）及襯砌外部的部分圍巖。以修改鋼軌模型節點坐標的方式，將不平順樣本分布施加于左、右鋼軌。其中車體質量22．80 t，轉向架質量2．50 t，輪對質量1．76 t。采用60 kg/m鋼軌；扣件間距為0．625 m，扣件系統垂向動剛度取75 kN/mm，橫向動剛度取40 kN/mm；

圖1 “列車-軌道結構-隧道”耦合動力學模型

其他相關參數的設定參考相關規范與文獻。

4.3 動力特性計算結果及分析

模型建立后進行計算，部分典型的仿真結果時程曲線見圖2—圖7，時程曲線取自列車時速60 km時系統的動力響應。

圖2 鋼軌垂向位移

圖3 鋼軌橫向位移

圖4 碎石道床垂向加速度

圖5 隧道垂向加速度

圖6 輪重減載率

通過建立“列車-軌道結構-隧道”耦合動力學模型并進行動力響應計算，可獲取模型計算結果峰值（見表3）。由表3可知，隧道內有砟軌道的安全性指標、車體平穩性指標、軌道結構動力響應指標、振動指標等數據均小于限值要求，可知在城市軌道交通地下線中采用有砟軌道結構，無論在結構安全、動力響應等方面，還是在乘客舒適度及噪聲振動方面都是可行的。

圖7 脫軌系數

5 地鐵有砟軌道養護維修

有砟軌道在養護維修方面作業時間短、效率高，對既有線路影響小，雖然維修工作量相比無砟軌道較大，但考慮地鐵軸重較小，可通過道砟固化等方式有效減少維修量。

參照國內外高速鐵路及普速鐵路有砟軌道線路的建設及運維經驗，在隧道內鋪設有砟道床時，應將隧道二次襯砌下部光滑的混凝土斷面拉毛或設置道砟槽，增大道砟與隧道底面間摩阻力，保證道床縱橫向阻力，提高線路平順性及安全性；按設計速度開通前，應使用大型設備進行搗固穩定；道床鋪設結束后，在城市軌道交通運營初期，列車應采取階梯提速方式，進一步穩定道床；運營后期，應使用小型機械對有砟道床進行養護維修。

表3 隧道內有砟軌道的動力響應計算結果

為確保列車以規定速度安全、平穩且不間斷運行，保持和提高線路設備的質量，最大限度延長各設備使用壽命，需對軌道在使用過程中產生的各種變形采取相應養護維修措施。因此，應合理劃分、嚴謹組織相關維護工作，對其工作性質、內容、標準、要求及實施周期作出詳細規定。為適應大型機械化、開天窗維修及大修隊的現代化作業方法需要，在遵循“預防為主、防治結合、養修并重”技術原則基礎上，在經常維護中應逐步實現養修分開。考慮地鐵運量及道床臟污等病害，在保證每2年至少1次的大型搗固基礎上，隧道內有砟軌道的線路大修周期宜定為20年。

6 結束語

綜上所述，有砟軌道在經濟效益、減振降噪及病害防治等方面相對于無砟軌道具有一定優勢，在動力響應和養護維修等方面滿足列車正常運營要求。因此，在城市軌道交通地下線路中鋪設有砟軌道具有可行性。建議在新建城市軌道交通隧道中，選取典型試驗段，從實踐及技術儲備的角度出發，進一步論證有砟軌道在城市軌道交通地下線路中應用的可行性。

[1] 李懷龍，李遠富． 軌道交通無砟軌道經濟評價研究綜述[J]． 城市軌道交通研究，2015，18(2)：49-52．

[2] 朱曉兵． 軌道交通TOD模式落地的難點與推進路徑[J]．鐵路技術創新，2017(5)：15-18．

[3] GB 14892—2006 城市軌道交通列車噪聲限值和測量方法[S]．

[4] 安勝利，楊黎明． 轉子現場動平衡技術[M]． 北京：國防工業出版社，2007．

[5] 夏禾．車輛與結構動力相互作用[M]． 北京：科學出版社，2002．

[6] 辛濤，高亮，鄭曉莉，等．車輛-有砟軌道-橋梁系統動力分析模型及驗證[J]． 北京交通大學學報，2011，35(3)：72-76．