香港機場自動旅客運輸系統軌道設計創新

劉聰靈 王嘉鑫 張 倩

(1. 中車浦鎮龐巴迪運輸系統有限公司，241060,蕪湖； 2. 中設設計集團股份有限公司，210014,南京//第一作者，工程師)

香港國際機場自動旅客運輸(APM)系統1998年7月起投用，連接T1航站樓西端、T1航站樓東端和T2航站樓，經過兩次擴建后，東面延伸至海天碼頭、西面延伸至中場客運廊。2016年8月，為與新建的機場第三跑道及其客運大廳(TRC)配套,APM系統進行了第三次擴建。該工程內容含AIS站和TRC-E站2個車站及站間線路、1個車輛段。新建段在AIS站與既有APM系統進行換乘接駁。按照建設規劃，新建段在近期為正線“3線并行、2用1備”運行方式，長度約3 km；在遠期，APM系統還將進一步延伸至TRC-W車站，并采用“4線并行、3用1備”運行方式。

1 香港機場APM系統擴建的特點與挑戰

本次擴建的工程條件復雜，技術難度高。如圖1所示，其線路需要跨越既有的航站樓、停機坪、地面車道、新填海隧道、高架道路匝道等建筑物，且在局部區段與行李系統地下隧道并行。線路建設的內外部環境復雜，控制條件多。

圖1 香港機場新建APM線路的周邊示意圖

APM系統需滿足隧道因不均勻沉降引起的線路縱坡差值最大為1/317[1]的變化(在12 m范圍內)。但經設計測算，在填海段隧道區間風井和TRC-E站附近共5處線路的縱坡變化將超過1/317，對系統運營安全、可靠性及乘坐舒適度產生重大影響。為此，需對該區段的行車面和導向軌進行特殊設計，以實現后期對軌道高度的調節，適應隧道不均勻沉降的變化。

在設計標準上，本項目在香港當地的《靜載及附加荷載應用規程》、《混凝土結構應用規程》、《鋼結構應用規程》指導下開展其工程設計，并結合APM系統的特點進一步細化適合本工程的技術標準。

2 軌道設計標準

2. 1 香港標準和內地標準的對比

本項目的軌道結構設計主要依據上文所述的香港當地的混凝土、鋼結構設計規范。與GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》相比，二者的差異主要包括以下方面：

1) 荷載分項系數不同：根據香港混凝土結構設計規范，極限承載力設計所采用的永久荷載分項系數為1.4，可變荷載分項系數為1.6，其取值大于GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》的規定。據此分項系數確定本項目行車面和導向軌基座的混凝土強度等級為C45。

2) 混凝土保護層厚度要求：混凝土保護層的厚度隨混凝土等級的提高而減小。香港混凝土設計規范規定的取值略大于相似條件下GB 50010—2010的規定。在本項目的執行過程中，根據防火的要求，混凝土保護層厚度采用55 mm，大于國內同類工程設計要求的35 mm。

2. 2 本項目的主要技術要求

結合APM系統和工程特點，擬定本項目主要技術要求包括[2]：車輛最高運行速度80 km/h、車輛軸重≤14 t、軸距7.58 m、車場及道岔曲線半徑22 m、允許的不平衡離心加速度0.5 m/s2、最大縱坡60‰、軌道曲線采用半超高(以軌道中線為旋轉軸，外軌抬高、內軌降低)且不超過6%、超高順坡率不大于4.2‰。

3 APM系統的軌道典型設計

3. 1 行車面設計

行車面為現澆混凝土結構，標號C45。本工程的正線和出入線主要采用雙基面混凝土結構，單條行車面寬度為500 mm，軌距為2 050 mm，高度為350～550 mm，如圖2所示；在車輛基地采用單基面結構，便于運維人員通行；局部設置檢修地溝，滿足車底檢查需求。

行車面與隧道底板通過預埋鋼筋連接。行車面設置伸縮量不大于25 mm的垂縫，以及伸縮量介于25～127 mm的45°斜交縫。同時，為減少混凝土固化時水化熱引起的混凝土表面裂紋，在行車面表面每隔3 m設置一條切縫，并在保護層內設置鋼絲網片。

圖2 軌道結構典型斷面圖(正線雙基面)

除道岔區外，APM線路的小曲線共設置3種超高規格，相關的技術指標如表1所示。由于采用現澆結構的行車面超高段施工難度較大，且與導向軌的匹配精度要求高，因此，結合以往APM項目經驗，在欠超高小于5%的地段不再設置超高，允許適當欠超高。

3. 2 導向軌典型設計

APM車輛采用中間導向，每輛車設2個轉向架，每個轉向架設置4個導向輪，導向輪橫抱導向梁完成車輛的導向。導向軌的腹板與鋼支架使用4組M20高強螺栓連接，鋼支架利用底部焊接的剪力釘錨固在混凝土基座上，將車輛導向輪的荷載傳遞到結構底板。導向軌腹板的2個支架之間均勻布置φ15 mm圓孔，間距為152 mm，是供電軌安裝的基礎。

表1 軌道超高設計的部分技術指標

標準導向軌的長度為12.5 m，每根導向軌在直線段設5組支架、在曲線段設6組支架，支架間距分布均勻，軌端懸挑長度不超過0.6 m。導向軌混凝土基座的材料規格與行車面相同，基座長×寬的規格為550 mm×500 mm，同樣采用預埋鋼筋與結構底板連接，每個基座含4對φ16 mm的帶肋鋼筋。導向軌伸縮縫與行車面伸縮縫相似，設置斜交縫或垂縫。

3. 3 道岔

道岔由控制裝置、驅動裝置、導向裝置、鎖定裝置、指示燈、滾動板等構成，如圖3所示。其中，導向裝置分為道岔固定梁、道岔曲梁和道岔直梁，利用驅動電機和轉動傳動機構帶動活動梁(曲梁和直梁)旋轉，在道岔梁端部和中部設鎖定裝置，并設道岔梁位置及狀態信息采集裝置。滾動板表面有粗糙度比較高的耐磨層防護涂料，保證通過車輛的橡膠輪胎有足夠的摩擦力[3]。

圖3 APM系統道岔構造示意圖

4 APM系統的軌道設計創新

4. 1 行車面沉降設計

在以往APM項目的應用中，大多采用現澆混凝土結構。當發生不均勻沉降時，該走行面無法調節，可能會產生錯臺，進而影響乘坐舒適度和靴軌運行的穩定性。本項目的設計在一般區段采用常規做法，而在局部沉降地段采用鋼結構行車面，采用特制扣件、墊板、化學錨栓，與混凝土基座錨固，通過可拆卸錨固方式和墊板的調整可預留出軌道垂直50 mm的調節空間(見圖4)，從而抵消因差異沉降對行車面平整度的影響。

圖4 鋼行車面大樣圖

1) 鋼行車面。整體為箱型鋼梁結構，材質采用S355J0，頂板和底板設計厚度均為20 mm，豎板厚度為10 mm，接口采用全熔透坡口對接焊工藝。鋼行車面寬度為500 mm，單根鋼行車面的長度為12.5 m，表面進行耐磨、防滑、防腐涂裝。鋼行車面上表面摩擦系數應不低于0.5。

2) 錨栓和扣件。鋼行車面在每個混凝土基座上利用2套化學錨栓和扣件進行錨固。化學錨栓規格為M27，長度為440 mm，在隧道底板內錨入深度為140 mm，錨栓上部外露絲扣長度為63 mm，滿足預設最大50 mm的調節空間。扣件與底面緊貼，在錨栓緊固后與底板進行角焊連接。

3) 混凝土基座。基座混凝土標號為C45，其長×寬為750 mm×500 mm，在直線段的間距為3 m，在曲線段的間距2.4 m。基座從下到上包含混凝土結構、高強水泥漿找平層和支撐墊板3部分。其中：基座的混凝土結構與隧道底板通過預留鋼筋連接；找平層的設計厚度為20 mm，可以吸收混凝土結構表面施工誤差；頂部支撐墊板的長×寬為650 mm×300 mm，厚度為20 mm，在混凝土基座澆筑前預埋；墊板下部設計了剪力板，與混凝土結構連為一體，避免支撐鋼板受力時發生滑移。

4) 調節墊板與橡膠板。鋼行車面的高度調節通過在扣件和混凝土基座之間增減墊板及橡膠板實現，最大調節量為50 mm。當高度調節量不大于5 mm時，可完全采用橡膠板；當調節量大于5 mm時，應采用“橡膠板+鋼墊板+橡膠板”的組合，此時橡膠板的厚度為2 mm。橡膠板可提高界面間的摩擦力，防止鋼墊板與支撐鋼板滑移，同時起到隔振作用。隧道發生不均勻沉降時，變形縫會上翹或下凹。根據隧道沉降分析報告，在上翹點行車面初始安裝時預先安裝一定厚度的墊板，在不均勻沉降發生時逐步用較薄的墊板替代；而在下凹點行車面，初始安裝不設置墊板，在發生不均勻沉降后，逐步加入較厚的墊板予以調節。表2列出了隧道不均勻沉降發生的時間和軌道調節量。為了保障車輛正常通行，需要對關鍵點進行監測，及時調整墊板的厚度。墊板宜按照2 mm為一個梯度進行調整。

表2 預期的軌道維護計劃

5) 伸縮縫。鋼結構行車面的膨脹系數比混凝土結構的膨脹系數稍大。為解決鋼行車面熱脹冷縮問題，對于一般區段相鄰的2個鋼行車面采用垂縫形式，設縫寬為10 mm；在結構變形縫處設置45°斜交伸縮縫，使車輪平順過渡，縫寬設置為35 mm。在行車面鋼結構與混凝土交界的界面同樣設置10 mm寬度的接縫，用瀝青麻絲填充且表面密封。

4. 2 導向軌沉降設計

一般導向軌與可調節導向軌的區別在于鋼支架與混凝土基座的連接方式不同，前者鋼支架利用底部的剪力釘錨固到混凝土基座中，使鋼支架與基座成為整體；后者使用4組化學錨栓將鋼支架固定在基座上，保持鋼支架在豎向高度可調。

與鋼行車面的構造和調節原理相似，導向軌和鋼支撐技術規格與常規非差異沉降區段相同，混凝土基座的間距在直線段為2.95 m，在曲線段為2.4 m，每個基座包含4套M27化學錨栓。沉降調節所用的鋼墊板和橡膠板規格，以及高度調整時間均與鋼行車面相同，如圖5所示。

圖5 可調節導向軌大樣圖

4. 3 導向軌支撐設計優化

以往項目的導向軌支撐結構采用2個非標T型板通過螺栓加焊接的方式固定。當采用焊接結構T型板時，焊縫質量較難控制，且面臨現場焊接作業時空間狹小問題，施焊難度大，探傷檢測困難。同時，在焊接過程中，易破壞支架焊縫以外區域的防腐涂層，從而影響支架使用壽命。除焊接問題外，在支架2側肩部易形成應力集中，在運營中存在應力釋放、螺栓松動的風險，增加了軌道檢查和維修工作負荷。

本項目對導向軌的支撐結構進行了改進設計，選取國標熱軋H型鋼(244 mm×252 mm×11 mm×11 mm)切割成型，優化前后的對比方案如圖6所示。新方案結構簡單、力學性能較好，與原設計采用相同的支架間隔，能夠滿足強度的要求。

對以上2種方案進行應力分析。如圖7所示，與原設計相比，新方案的支架應力分布更加均勻，肩部最大應力值由原方案的63 MPa降低到55 MPa。新方案中，豎板沒有螺栓孔，減少了應力集中點；豎板和底板的圓角應力降低，且該圓角由原焊縫改為熱軋，有利于延長支架的疲勞壽命。

另外，鋼支架加工工藝簡單，切割、開孔、表面清理及防腐等工藝全部在工廠完成，現場只需組裝即可，可有效地提高支架生產和安裝環節的質量，極大降低了生產成本，縮短制造工期。

圖6 導向軌支架設計方案對比

圖7 導向軌支架應力云圖對比

本項目在車輛段重修線設計了可拆卸導向軌，用以新車卸車上線。可拆卸導向軌采用鋁合金6063-T6材質，以減輕質量；采用插銷式結構，方便快速拆裝。此外，在架車區域設計了異形導向軌，適當縮小導向軌的寬度，便于架車時可對準落車。

5 結語

APM系統在國內尚未形成統一的設計標準，本文對PBTS膠輪路軌APM系統軌道工程設計進行了總結，闡述了其軌道的主要設計標準和典型設計。針對本項目隧道工程在填海后建造引起的不均勻沉降問題，提出采用混凝土和鋼結構多種形式的軌道結構，實現對差異沉降區段軌道高度的調節。另外，對導向軌鋼支架結構進行了優化，從用戶需求角度改進了車場重修區的導向軌斷面和安裝方式。

目前，項目處于詳細設計階段。這種新型軌道結構還有待進行樣品試制，對其結構強度、疲勞、耐久性及調節性能等進行試驗驗證。