北京軌道交通新機場線軌道系統(tǒng)設(shè)計綜述

張東風 王 進 劉 瑋

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

1 概述

北京軌道交通新機場線一期工程(以下簡稱新機場線)已于2019年9月28日正式開通運營。新機場線一期線路全長41.36 km，其中地下線和U形結(jié)構(gòu)段長23.65 km，高架線和路基段長17.71 km，是國內(nèi)首條時速160 km的城市軌道交通線路，全線設(shè)草橋站、大興新城站和大興國際機場站，從草橋到大興國際機場用時僅需19 min，被喻為“國門線”。新機場線是北京城市軌道交通重點工程，具有列車軸重大、速度高、通過地段地物復雜多樣等特點。

新機場線設(shè)計速度為160 km/h，既有城市軌道交通中采用的軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)標準[1]已無法滿足新機場線高速行車的需求，設(shè)計中面臨許多新問題，需借鑒城際鐵路及高速鐵路中的成熟經(jīng)驗。通過創(chuàng)新性設(shè)計，有針對性地提出了諸多新型結(jié)構(gòu)，成功解決了高速度下的軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、平順性等設(shè)計問題，為今后城市軌道交通市域快線及市郊鐵路軌道系統(tǒng)設(shè)計提供了新思路。

2 創(chuàng)新設(shè)計思路

新機場線設(shè)計速度為160 km/h，超越了地鐵設(shè)計規(guī)范的速度范疇[2]。同時，本工程建設(shè)工期十分緊張，給軌道系統(tǒng)設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。為了縮短工程周期和結(jié)構(gòu)設(shè)計時間，宜借鑒或考慮技術(shù)相對成熟的產(chǎn)品。其次，當列車高速運行時，必須使線下基礎(chǔ)的變形量較以往更小，以降低基礎(chǔ)變形引起的軌面不平順。因此，在整體道床鋪設(shè)前，需對路基、橋梁的工后沉降和變形以及其他道路交通引起的線下基礎(chǔ)沉降變形[3]等進行評估。國內(nèi)外大量研究成果表明，更高的運營速度對于周邊環(huán)境及鄰近建筑物也會造成更為不利的影響[4]，嚴重情況下甚至會引起鄰近建筑物室內(nèi)振動[5]及二次噪聲超限[6]。通過設(shè)計思路創(chuàng)新，完成了新機場線軌道結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計，創(chuàng)新設(shè)計思路主要歸納為以下4個方面。

2.1 “城際+地鐵”新標準

新機場線是國內(nèi)首條時速160 km的城市軌道交通線路，采用市域車(軸重不大于17t)、8輛編組，采用AC25kV接觸網(wǎng)供電，超越傳統(tǒng)城市軌道交通設(shè)計的速度范疇，原有的城市軌道交通軌道系統(tǒng)設(shè)計體系及標準已不適應160 km/h的設(shè)計速度(160 km/h的設(shè)計速度對軌道系統(tǒng)的鋪設(shè)精度、平順性要求更高)。因此，結(jié)合自身特點對軌道系統(tǒng)進行了設(shè)計升級，積極引進、吸收高鐵及城際鐵路的成熟先進技術(shù)，創(chuàng)造性地采用了“城際+地鐵”相結(jié)合的新標準。

2.2 特殊地段創(chuàng)新設(shè)計

新機場線的隧道、橋梁及路基結(jié)構(gòu)斷面與國鐵不同，軌道道床結(jié)構(gòu)設(shè)計不能照搬國鐵的標準道床。因此，對道床結(jié)構(gòu)進行了多樣化設(shè)計，如新機場線高架段含共構(gòu)區(qū)間，軌道結(jié)構(gòu)高度受限，雙線橋中心需要設(shè)置疏散平臺，高架段道床需要特殊設(shè)計；針對新機場線工期緊張、沉降觀測難以保證等困難，在沉降危險性區(qū)域設(shè)計了特殊板式整體道床，預留沉降調(diào)整量；因土建工期、降水、凍結(jié)施工風險等諸多因素，新機場線有6處聯(lián)絡通道處無法設(shè)置廢水泵房，需要采用內(nèi)置泵房技術(shù)。為此，在內(nèi)置泵房地段設(shè)計了板式道床結(jié)構(gòu)。

2.3 沉降觀測與評估工作

國內(nèi)普通城市軌道交通線路很少做基礎(chǔ)沉降評估工作。新機場線線下基礎(chǔ)多樣，包含隧道、U形結(jié)構(gòu)、路基、橋梁，且本工程南段路基及U形結(jié)構(gòu)地段正好位于沉降危險區(qū)域。為保證本工程正線整體道床的鋪設(shè)精度[7]，滿足列車平穩(wěn)、舒適的運行要求，減少運營期的養(yǎng)護維修工作量，從總體設(shè)計階段就提出應參照國鐵高速及城際鐵路建設(shè)標準開展沉降變形觀測與評估工作。

2.4 國鐵技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新

充分借鑒國內(nèi)高鐵、城際鐵路的先進技術(shù)及工藝，將有擋肩扣件、雙塊式軌枕、隔離式減振墊浮置板等先進技術(shù)進行消化吸收并優(yōu)化創(chuàng)新后，應用到本工程軌道設(shè)計中。

3 軌道系統(tǒng)設(shè)計概況及創(chuàng)新點

3.1 設(shè)計概況

新機場線正線為1 435 mm標準軌距，設(shè)置1：40軌底坡(或軌頂坡，含岔區(qū))，一次性鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路。正線采用60 kg/m U75V熱軋鋼軌，WJ-8B型有擋肩扣件及配套小阻力扣件，SK-Ⅱ型雙塊式軌枕，60 kg/m鋼軌12號單開道岔及配套交叉渡線。一般地段采用雙塊式整體道床，沉降危險區(qū)域采用預制板式整體道床，有減振需求地段采用隔離式減振墊浮置板軌道。

車場線采用50 kg/m U71Mn鋼軌，彈條Ⅰ型扣件，50 kg/m鋼軌9號單開道岔及交叉渡線；試車線采用60 kg/m鋼軌9號單開道岔。庫外線采用碎石道床，有縫線路；庫內(nèi)線采用整體道床，無縫線路。

3.2 設(shè)計創(chuàng)新點

(1)特殊地段道床結(jié)構(gòu)設(shè)計

在新機場線軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，主要面臨以下三方面較為特殊的情況：

部分線路穿越沉降危險性較大的區(qū)域，對新機場線后期運營及維護造成不利影響。

受土建工期、降水、凍結(jié)施工等諸多因素的影響，新機場線需要采用內(nèi)置泵房技術(shù)，對內(nèi)置泵房地段的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新挑戰(zhàn)。

相較于高速及城際鐵路，城市軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)剛度較小，需要對既有雙塊式軌道結(jié)構(gòu)進行對應優(yōu)化。

針對以上存在的三方面問題，分別提出了對應的設(shè)計方案。

①新型軌道板

新機場線南段路基段及U形結(jié)構(gòu)地段正好位于地質(zhì)沉降危險性區(qū)域，為應對日后調(diào)整，設(shè)計了新型預應力軌道板(如圖1～圖3所示)，一旦發(fā)生沉降致使結(jié)構(gòu)破壞或軌道變形較大影響運行安全時，可以更方便地采取補救措施。該軌道板采用新型限位結(jié)構(gòu)，適用性強，可滿足不同地段的鋪設(shè)要求；同時，該軌道板具有較大的調(diào)整量，特別適用于差異沉降地段，可維修性好。

圖1 地下線用軌道板

圖2 U形結(jié)構(gòu)用軌道板

② 制板式整體道床

新機場線有6處聯(lián)絡通道采用內(nèi)置泵房。結(jié)合寧波、天津等地類似工程設(shè)計經(jīng)驗，首次在本工程設(shè)計了預制板式整體道床(如圖4所示)，既方便水泵的安裝和管線的布設(shè)，又大大提高了軌道結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，提高了軌道鋪設(shè)精度和質(zhì)量；在集水坑四周設(shè)置不銹鋼防水鋼槽，提高了防水處理效果，同時為水泵提供了安裝基礎(chǔ)，避免了水泵安裝對軌道結(jié)構(gòu)的損傷；在集水坑上方設(shè)置蓋板，既可充當疏散通道，又將集水坑與鋼軌、扣件等金屬部件隔離開來，降低了水氣對金屬部件的腐蝕，減少了運營的養(yǎng)護維修工作量。

圖3 路基段用軌道板

圖4 預制板式內(nèi)置泵房

③高架段雙塊式整體道床結(jié)構(gòu)體系

新機場線的高架段全部采用雙塊式整體道床。按照高鐵及城際鐵路高架線的設(shè)計經(jīng)驗，應采用“道床層”+“底座層”的雙層結(jié)構(gòu)體系，該軌道結(jié)構(gòu)高度為725 mm，二期恒載約為45 kN/m。然而，城市軌道交通高架線的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力較弱，照搬高鐵及城際鐵路的道床結(jié)構(gòu)設(shè)計則會引起橋梁結(jié)構(gòu)荷載超限，且本工程高架段含共構(gòu)區(qū)間，軌道結(jié)構(gòu)高度也受限。

借鑒城市軌道交通高架線縱向承軌臺的設(shè)計理念，將雙層結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化為單層結(jié)構(gòu)體系，取消了底座層，改為通過橋面植筋將單層道床板固定于橋梁之上。優(yōu)化后的軌道結(jié)構(gòu)高度僅為600 mm，二期恒載降低為25 kN/m，減少了施工工序，縮短了施工工期，降低了造價，更加符合城市軌道交通的建設(shè)特點(如圖5、圖6所示)。

圖5 高架線共構(gòu)段雙塊式軌枕

圖6 高架線非共構(gòu)段雙塊式軌枕

(2)新型道岔設(shè)計

道岔是制約列車運行速度的關(guān)鍵設(shè)備[8]，同時，在軌道建設(shè)初期，道岔投資占比較大，運營后的養(yǎng)護維修費用通常也遠高于區(qū)間其他設(shè)備。因此，必須充分考慮新機場線的使用條件與特點，對道岔進行選型與設(shè)計。

①時速160 km新型12號道岔設(shè)計

為了滿足新機場線工程建設(shè)的需要，設(shè)計了新型12號單開道岔(如圖7所示)及5.3 m、6.7 m間距交叉渡線(如圖8所示)，并首次在岔區(qū)全范圍內(nèi)設(shè)置了軌底坡或軌頂坡，實現(xiàn)了交叉渡線的剛度均勻化及整體低剛度，提高了列車經(jīng)過岔區(qū)時的平穩(wěn)性和旅客的乘座舒適度；首次將鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉應用于城市軌道交通，提高了轍叉使用壽命，減小了養(yǎng)護維修量。

圖7 60 kg/m鋼軌12號單開道岔(時速160 km)

圖8 60 kg/m鋼軌12號道岔5.3 m間距交叉渡線(時速160 km)

②車場線用新型9號道岔的設(shè)計

新機場線車輛段建設(shè)標準參照國鐵動車所，車場線采用了9號道岔。目前，國鐵既有的9號道岔為活接頭式結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生病害且難以整治，工務部門強烈反對采用活接頭結(jié)構(gòu)的道岔。為此，設(shè)計了車場線用新型50 kg/m鋼軌9號單開道岔(如圖9所示)。該道岔采用彈性可彎式尖軌，徹底解決了活接頭病害問題。

圖9 50 kg/m鋼軌9號單開道岔(時速100 km)

(3)新型庫內(nèi)線高等級扣件設(shè)計

車輛段內(nèi)一般行車速度較低，在以往設(shè)計中，車輛段內(nèi)行車引起的上蓋建筑物振動及噪聲問題并未引起足夠重視。在以往設(shè)計中，車輛段通常不設(shè)置軌道減振措施[9]。隨著大批車輛段投入使用，車輛段引起的上蓋建筑物室內(nèi)振動及噪聲超限問題日益嚴重，嚴重影響了上部物業(yè)開發(fā)[10]。因此，應采取結(jié)構(gòu)減振降噪措施[11]或在建筑物中設(shè)置減振隔振結(jié)構(gòu)[12]。新機場線的磁各莊車輛段日后要進行上蓋物業(yè)開發(fā)，需要采取軌道減振措施。根據(jù)減振需求，設(shè)計了庫內(nèi)線軌道專用高等級減振扣件(如圖10所示)，可有效降低列車進出庫時的振動[16-17]，為后續(xù)上蓋物業(yè)開發(fā)提供了有利條件。

圖10 減振扣件

4 基于軌面平順性控制的成套技術(shù)方案

隨著列車運行速度的不斷提高，軌面的平順性對于列車運行的安全性、平穩(wěn)性起著最為關(guān)鍵的作用[13]。對于高速鐵路及城際鐵路而言，軌面平順性控制在設(shè)計階段、施工階段、運營階段均有著明確的控制措施及控制精度指標，形成了較為完整的軌面平順性控制技術(shù)體系[14]。對于城市軌道交通而言，受投資成本、施工作業(yè)方式等因素影響，其軌面平順性通常很難達到高鐵及城際鐵路的控制精度及標準。

新機場線設(shè)計速度遠高于傳統(tǒng)城市軌道交通線路，必須結(jié)合新機場線的特點，在設(shè)計階段就提出適用于更高速度的城市軌道交通軌面平順性控制方法。在高精度整體道床設(shè)計基礎(chǔ)上，進一步從軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)(CPⅢ網(wǎng))、鋼軌預打磨及后期動態(tài)檢測三個角度豐富軌面平順性控制體系，完成了貫穿設(shè)計、施工鋪設(shè)、開通、運營全階段的軌面平順性控制成套技術(shù)，大大提高了新機場線的軌面控制精度[15]，從而為保證新機場線運營的安全及平穩(wěn)舒適奠定了堅實的基礎(chǔ)。

4.1 軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)

軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)是高鐵軌道精密定位的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，將軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)(CPⅢ網(wǎng))引入城市軌道交通建設(shè)中，并結(jié)合城市軌道交通的特點進行優(yōu)化改進，實現(xiàn)城市軌道交通的精密施工定位，提高軌道的平順性，進而改善地鐵運營過程中的振動、噪聲等問題，提高乘客乘坐的舒適度，延長設(shè)備使用壽命，為施工和運營維護提供高精度的統(tǒng)一控制基準。

新機場線設(shè)計速度高，這就對軌道的平順性提出了更高的要求。通過多條城市軌道交通的實踐檢驗，軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)(CPⅢ)配合軌道檢測儀的使用可以大幅度提高軌道的平順性。為確保鋪軌精度，施工單位必須依據(jù)軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)進行鋪軌作業(yè)，同時建議開展CPⅢ控制網(wǎng)的測量咨詢評估(含抽檢測量)工作。

4.2 鋼軌預打磨

建議線路開通前就對鋼軌進行預打磨，以改善輪軌接觸關(guān)系，延長輪軌使用壽命。

4.3 動態(tài)綜合檢測

目前，我國高速、城際鐵路正式開通前普遍采用動態(tài)檢測，一方面驗證相關(guān)系統(tǒng)的主要功能是否符合相關(guān)技術(shù)標準要求，另一方面測試列車的運行穩(wěn)定性是否滿足相應要求。

建議新機場線正式通車前進行動態(tài)綜合檢測。檢測內(nèi)容主要分為動態(tài)檢測、理論分析等[18]。軌道系統(tǒng)涉及的內(nèi)容包括軌道剛度、鋼軌磨耗狀態(tài)、軌道振動加速度、軌道動位移、輪軌力等測試工作。

基于軌面平順性控制的成套技術(shù)方案得到業(yè)主的認可并已在本工程中實施。