城市地鐵的軌道結構選型與設計要點

吳樂

摘要：當前，我國各大城市都在加快地鐵等軌道交通的建設 ，但是地鐵的軌道結構相關研究仍不夠完善。本文以軌道結構的鋼軌、扣件、軌枕、道床等組成構件為研究對象，對其選型與設計進行了分析。以深圳地鐵九號線為例，對軌道結構選型與設計進行了案例分析。本文的研究成果可為地鐵軌道等相關工程技術人員提供參考。

Abstract： At present， urban rail lines are under construction in many cities of China. However， the study on rail track structure is not sufficient. In this paper， the components of rail track structure， including steel rail，? fastener， ballast and so on， are investigated. The type selection and design of above components are discussed. The Shenzhen rail line nine is used as an example for the type selection and design of these components. This paper offers a reference for the relative engineering and technical personnel.

關鍵詞：城市軌道交通;地鐵;軌道結構;選型與設計

Key words： urban rail transit;subway;track structure;selection and design

中圖分類號：U231.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0126-04

1? 發展概況

過去幾十年，我國的軌道交通發展非常迅猛[1]。1971年，我國第一條地鐵在北京開始試運營。如表1所示，截至2019年5月，我國共有38個城市（含香港和臺灣）擁有軌道交通在運營，總里程5639.88公里，車站3613座，覆蓋大約3億左右的人口，每天運送7000多萬的乘客。

軌道交通在各大城市居民的日常出行中，占據越來越重要的地位，因此，各大城市也在積極突進軌道交通的建設[2-6]。以深圳市為例，目前深圳運行的軌道交通線路共有9條，其中一條為有軌電車。但是，2019年目前在建的軌道線路（包括延長線）達到17條：12、13、14、16、6、6支線、6南延、8、10、20、2東延、3東延、3南延、4北延、5南延、9南海大道支線、9西延。

軌道交通的建設也是一個研究熱點，受到許多專家和學者的重要。例如，祁帆（2015）以上海地鐵為例，分析了地下車站排水系統的設計問題[7]。李平（2019）以廣州市海珠區有軌電車為例，對其軌道工程施工的鋼軌、鋼軌護套、道岔以及平交道口軌道等設計要點進行了分析[8]。劉乃宗（2019）探討了地鐵車輛段的平面設計問題，并用價值工程理論進行了分析[9]。房愛民等（2019）以北京地鐵為例，研究了車站冷卻塔的設置問題[10]。

雖然地鐵建設是個研究熱點，但是較少研究關注地鐵的軌道結構選型與設計問題。軌道結構由鋼軌、扣件、軌枕、道床等組成。軌道結構的選型和設計應結合本線的客流、運量、軸重和運營條件等因素進行確定。本文分析軌道結構選型與設計要點，以豐富相關研究領域，為軌道交通有關從業者提供有益參考。

2? 鋼軌

鋼軌類型選擇主要從運量、城市軌道交通的要求等角度考慮，經技術經濟綜合比選后確定。根據的客流，換算成年通過總重，經計算年通過總重大于25Mt，符合選用60kg/m重型鋼軌的標準。下面對常用的60kg/m鋼軌與50kg/m鋼軌進行技術經濟指標分析。

2.1 使用壽命

軌道結構直接承受隨機重復荷載，決定它安全使用壽命的是疲勞損傷和耐磨性能。根據鐵道部對我國60kg/m鋼軌和50kg/m鋼軌無縫線路的使用周期的規定，60kg/m鋼軌為50kg/m鋼軌使用壽命的1.27倍。

對于小半徑曲線，在R=400～800m的曲線上，60kg/m鋼軌較50kg/m鋼軌使用壽命延長約4%～10%。鐵道科學研究院對曲線鋼軌磨耗的仿真計算也認為，在小半徑曲線上，60kg/m鋼軌要優于50kg/m鋼軌。

2.2 安全可靠性

在無碴軌道基礎上，無縫線路具有很高的穩定性，但高溫季節解除扣件抬起軌條進行更換作業時，軌條處于無約束狀態，在溫度應力作用下可能導致軌條失穩。鐵道科學研究院曾以無碴軌道上的無縫線路穩定性檢算條件，在規定軌溫范圍內允許連續解除7個節點扣件進行作業，計算得到兩種軌型解除7個扣件允許作業溫差為：60kg/m鋼軌為22℃，50kg/m鋼軌為20℃，說明在更換墊板作業時，60kg/m鋼軌較50kg/m鋼軌的穩定性稍高。

2.3 噪音、供電

軌噪聲與軌面平順程度有關，材質強韌性差的鋼軌經列車長期運營，其軌頂面將產生塑性流變而剝離掉塊或出現波形磨耗，導致軌頂面的不平順。一些工業發達國家把60kg/m鋼軌作為主軌型，材料采用優質鋼種，提高其強韌性，以減少運營過程中出現的軌面不平順，列車通過軌道的動力坡度減少，相應地輪軌振動和沖擊減少，因而采用重型鋼軌對降低噪聲有利。

50kg/m鋼軌較60kg/m鋼軌直流電阻大18%，由于鋼軌是直流供電系統的回流通路，其電阻為供電回路電阻的一部分，鋪設50kg/m鋼軌較鋪設60kg/m鋼軌使整個供電回路的電阻增加7%～9%，這將直接影響機車的受電最低電壓水平。在機車發送總對數相同的情況下，機車受電壓水平降低，將導致機車電流增加，相應增加能耗，顯然，采用60kg/m鋼軌可降低運營成本。

2.4 技術效益

鋪設60kg/m鋼軌與50kg/m鋼軌的無縫線路相比，軌底動彎應力及枕上壓力分別減少30%和40%，道床壓應變和基面應力分別降低44%和20%。目前來看，60kg/m鋼軌在綜合性能方面較優，今后將作為我國軌道交通建設的主流。

3? 扣件

扣件的作用是固定鋼軌正確位置，阻止鋼軌的縱向和橫向位移，防止鋼軌傾翻，提供適量的彈性，并將鋼軌所受的力傳遞給軌枕或道床承軌臺。

3.1 扣件選擇的主要原則

扣件應有足夠的強度，以抵抗鋼軌的縱向力和橫向力。整體道床剛度大，軌道彈性主要依靠扣件及墊層提供，因此扣件應具有較好的彈性，以減少列車荷載的沖擊，使鋼軌承受的荷載能均勻地傳遞到道床上，扣件節點垂直靜剛度一般在30～50kN/mm。

扣件應具有良好的扣壓力，每組扣件的扣壓力>12kN。同時還應有滿足實際需要的軌距和高低調整量。扣件應具有良好的絕緣性能，以減少雜散電流，其絕緣部件的工作電阻應大于108Ω。扣件應盡量標準化，結構簡單易鋪設及維修。扣件金屬部件應做防腐處理。

3.2 扣件選型

如圖1所示，該扣件為彈性分開式，無擋肩扣件，扣壓件采用專為地鐵研制的DⅠ彈條（Φ18mm）。這種扣件的特點是取消了T型螺栓，零部件少，降低了造價，同時也減少了維修工作量。扣件設計中采用防止彈條在運營使用中滑退的結構，安裝拆卸彈條方便。在軌下和鐵墊板下各設一層橡膠墊板，二次絕緣。與軌枕聯結方式采用M30螺旋道釘和在軌枕內予埋尼龍套管。軌距調整量為+8～-12mm，調高量為30mm，能滿足使用需要。該扣件經過室內試驗并經現場通車動測，扣件性能和減振效果良好，通過了科學技術鑒定。

DTⅥ2型扣件的主要技術參數如下：

單個彈條扣壓力為25kN;

扣件節點靜剛度20～40kN/mm;

設計彈程為10.5mm;

軌距調整量為+8，-12mm;

水平調高量為0～30mm;

絕緣電阻：單組扣件絕緣電阻大于108Ω。

該扣件適用于隧道內一般減振地段，北京地鐵復八線、北京城鐵、天津地鐵、南京地鐵、深圳地鐵5號線等均采用了這種扣件。

如圖2所示，該扣件是一種無擋肩、有彈條螺栓的彈性分開式扣件。其扣壓件采用Ⅱ型彈條，軌下和鐵墊板下可同時設置調高墊板，并分別設橡膠和橡塑絕緣墊板。彈條與鐵墊板之間用T型螺栓聯結，通過改變螺栓扭矩來調整彈條的扣壓力值。鐵墊板與軌枕之間采用螺栓道釘聯結。該扣件適用于地下線路軌道。

彈條Ⅱ型分開式扣件的主要技術參數如下：

單個彈條扣壓力不小于9kN;

扣件節點靜剛度35～50kN/mm;

設計彈程為13.0mm;

軌距調整量為+8，-12mm;

水平調高量為0～15mm;

絕緣電阻：單組扣件絕緣電阻大于108Ω。

如圖3所示，DT-Ⅲ型常阻力扣件是一種無擋肩彈性分開式扣件。該扣件是在單趾彈簧扣件的基礎上進行研制的，采用國鐵標準Ⅲ型彈條代替單趾彈簧，實現了標準化，增加了扣壓力，提高了軌道結構穩定性。扣件零部件數量少，結構簡單，便于制造、施工、維護。另外，該扣件在鐵墊板上增加彈條止退系統，能有效防止彈性扣壓件的退出。在深圳地鐵3 號線上已采用了這種扣件，目前為止使用效果良好。DT-Ⅲ型常阻力扣件主要技術性能指標如下：

初始扣壓力： 20～25kN/組;

防爬阻力： ≥12kN/組;

節點垂向靜剛度：30～40kN/mm;

工作電阻： ≥108Ω;

軌距調整量： +2mm、-10mm;

高低調整量： +20mm;

抵抗橫向水平力的能力：通過300 萬次疲勞試驗。

該扣件零部件少，裝卸方便，養護維修工作量少;除了彈條以外，其它零部件基本實現與單趾彈簧扣件的零部件互換;扣件扣壓力有所增加，適合于在大坡度、小半徑曲線上使用。

3.3 扣件的防銹處理措施

在深圳市城市軌道交通一期工程中，扣件未采用防銹措施進行處理，目前銹蝕情況相當嚴重，給運營部門的養護維修帶來了極大的不便，故在新地鐵線路的設計過程中，建議結合地鐵建設工程中扣件進行防銹處理后的實際效果情況，對新地鐵線路的扣件防銹處理措施進行合理、有效的選擇。

扣件金屬件的防銹措施一般有涂防銹漆防銹、鋅鎳滲層、鍍鋅防銹、達克羅、靜電噴涂、多元氣體共滲防銹等幾種方法。

涂防銹漆防銹、鍍鋅防銹操作簡單，但表面耐磨性差，在運輸和施工過程中，表面涂層易損壞。

達克羅技術是美國為防鹽霧銹蝕汽車底盤而發明的，防鹽霧能力強，鹽霧試驗可達1000小時左右，但在我國實際使用不理想，廣州地鐵道釘、重慶輕軌指形板系統都采用過該技術，均因嚴重銹蝕而改用其它技術。

靜電噴涂較涂防銹漆防銹、鍍鋅防銹表面性能強，不易損壞，在運輸過程中加裝保護膜，能更有效防止表面涂層損壞，但不適用于道釘等帶螺旋部件。

多元氣體共滲技術表面耐磨性強，使用周期長，但造價較高，其加工工藝可引起彈條性能指標的變化。

鋅鎳滲層技術是在鋅鋁多元合金共滲基礎上的創新。該技術是為增加滲層韌性、硬度（耐磨性）、消除鹽霧試驗初期紅銹，提高防腐品質、提高耐撞擊性而研發的，滲層硬度比基材提高30～50%。中性鹽霧試驗3000小時以上未銹，該技術已在廣州地鐵4、5號線、深圳地鐵5號線、昆明地鐵、重慶地鐵等線路上進行了應用，效果較好。

在深圳地鐵3號線和青藏線均利用該技術對部分扣件進行了防銹處理試驗，并與經過一般防銹處理的扣件進行了對比（上線1年后）。該防銹處理效果較好。可有效的防止扣件的銹蝕。在青藏線的格爾木工區進行了9個月的高海拔、強日照、大溫差、重鹽霧的環境中使用對比發現，有效的解決了扣件的嚴重銹蝕問題，可以大大的節省日常對扣件的養護工作。也降低了運營更換成本，目前地鐵國鐵的使用均較好。

目前各種主要防銹措施的技術經濟比較如表1。

4? 道床及軌枕

地下線路一般地段的整體道床主要有以下二種型式。

4.1 短枕式整體道床

如圖4所示，短枕式整體道床結構是將鋼筋混凝土短枕埋入混凝土道床內，道床兩側設置縱向排水溝，道床頂面設橫向排水坡，混凝土道床結構鋼筋網兼起排除雜散電流的作用。普通短枕截面形式采取上小、下大結構，軌枕底部設伸出鋼筋，用以加強短枕與混凝土道床之間的聯結，短枕一般采取工廠預制的方式。短枕式整體道床有利于采取軌道減振降噪措施，如采用橡膠套靴及彈性墊板的減振結構。

短枕式整體道床在北京、天津、南京、廣州和深圳地鐵一、二期工程等項目中均得到應用。

4.2 長枕埋入式整體道床

如圖5所示，長枕埋入式整體道床結構是將鋼筋混凝土長軌枕埋入混凝土道床內，在道床兩側設置縱向排水溝，道床頂面設橫向排水坡。長軌枕側面預留圓孔，道床縱向結構鋼筋從中穿過，以加強長軌枕與混凝土道床之間的聯結，長軌枕由工廠預制，混凝土道床結構鋼筋網兼起排除雜散電流的作用。長枕埋入式整體道床結構不利于采用雙自由度的軌道減振降噪措施，一般只有依靠扣件提供減振功能。

4.3 桁架鋼筋雙塊式軌枕整體道床

雙塊式整體道床由鋼軌扣件、雙塊式軌枕及道床組成，該結構將預制好的雙塊式軌枕通過桁架式鋼筋骨架聯結，在現場與道床板結構鋼筋直接綁扎，既簡化了軌枕結構，又提高了結構的整體性。雙塊式整體道床的短枕塊下的鋼筋桁架需專業工廠焊接，精度要求高，但其兼具短軌枕和預應力長枕的優點。既可以保證軌底坡、提高施工精度，又可以減少新老混凝土的分界面，加強軌枕與道床的連接，從而避免軌枕與道床之間產生裂縫。目前已在深圳地鐵三期工程中全面采用。

5? 應用案例

以深圳市地鐵九號線施工的軌道結構選型與設計為例，進行分析。結合上文，建議其正線及配線推薦采用60kg/m鋼軌;建議扣件采用DT-Ⅲ型常阻力扣件;考慮到深圳地區受沿海性氣候的影響，需要有較高的耐酸耐腐蝕的性能。建議提高防繡等級，鐵墊板采用靜電噴涂，彈條、螺栓及墊片采用鋅鎳滲層技術;推薦地下線采用桁架鋼筋雙塊式軌枕整體道床，在鋼彈簧等局部地段采用短軌枕。

6? 結語

綜上所述，本文分析了地鐵線路軌道結構的選型與設計，并以深圳地鐵九號線的軌道結構選擇為例，進行了選型了設計，研究成果可為地鐵相關工程技術人員提供參考。

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