城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔設計研究

駱 焱 喬神路，2

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學軌道工程北京市重點實驗室，北京 100044)

1 研究背景

我國早期地鐵設計速度一般為80 km/h，其道岔沿用了國鐵提速道岔的技術標準[6]，正線一般采用9號、12號道岔，18號以上道岔因全長較長、經濟性差，且地鐵線路設計速度要求不高，故一般不予考慮。地鐵道岔需滿足綜合減振的要求，傳統做法是將鋼軌和鐵墊板下的彈性墊板進行加厚處理[17](分別由國鐵的5 mm、10 mm加厚到10 mm、12 mm)。此外，將道岔扣件節點剛度降低，也能起到一定的減振需要，但對扣件節點剛度取值范圍、減振性能，道岔使用的安全性、穩定性、磨耗等方面都沒有進行過系統的研究[7]。

被喻為“國門線”的北京新機場線是連接中心城區與新機場的軌道交通線路，是國內首條時速160 km的城市軌道交通線路。新機場線作為北京城市軌道交通重點工程，與普通城市軌道交通線路相比，具有列車軸重大、速度高、通過地段復雜多樣等特點[4]。因此，新機場線不能直接選用普通城市軌道交通道岔；另外，也不能照搬城際鐵路設計體系，需結合時速160 km的城市軌道交通特點進行系統的研究[11]，以此來滿足新機場線的使用要求[3]。

2 主要尺寸

2.1 道岔平面設計參數

按照既有12號道岔平面線型(R=350 m)，計算道岔平面基本設計參數[5]。

①未被平衡離心加速度α=0.551 m/s2

②未被平衡離心加速度增量φ=0.425 m/s3

2.2 道岔平面線型

平面線型應盡量與既有道岔主要尺寸相同，中心位置保持不變，方便互換使用。另外，考慮到道岔本身的使用要求，平面線型應盡量采用成熟技術，以利于快速的推廣使用。既有60 kg/m鋼軌12號固定型轍叉單開道岔為圓曲線線型，采用350 m的導曲線半徑。多年的實踐證明，采用相離半切線型對減輕尖軌的側磨較為有利，在列車軸重、運行速度、行車密度一定的條件下，該類尖軌耐磨性最好[1]。因此，新機場線60 kg/m鋼軌12號道岔選用相離半切線型曲線尖軌[2]，具有彈性可彎曲、尖軌穩定性好、適用于跨區間無縫線路、養護維修工作量少、旅客舒適度高等優點。

為充分利用高速道岔成熟技術，提高城市軌道交通道岔技術水平，同時方便現場的養護維修，平面線型的主要參數為：全長37 800 mm，前長16 592 mm，后長21 208 mm，導曲線半徑為350 m，尖軌長度為13.64 m(為固定型直線轍叉)，轉轍器和導曲線部分主要尺寸與客運專線60 kg/m鋼軌12號可動心軌單開道岔相同。

2.3 岔枕間距及布置

道岔岔枕布置一般有扇形布置和垂直于道岔直股布置兩種方式[18]，為了適應60 kg/m鋼軌12號提速道岔轍叉部分的岔枕布置，采用岔枕垂直于道岔的直股布置方式，間距為600 mm，既有利于道岔的生產制造，也方便現場的鋪設、養護。根據目前的電務轉換方式，牽引點處的岔枕間距不變，仍采用650 mm。

2.4 q值的確定

q值為尖軌尖端至基本軌前端軌縫中心的長度[5]。由于道岔可與區間線路鋼軌凍結，故道岔前端的基本軌長度可以縮短。參考國外高速道岔和國內客專12號道岔的參數，q值取為2 551 mm。

2.5 尖軌長度及尖端處理

由于尖軌后端存在不足位移，同時也為了便于加工制造和鋪設，在道岔設計時，應盡量縮短尖軌長度。本次設計中，尖軌第一牽引點處開口值取160 mm，同時從理論尖端后約200 mm處開始藏尖刨切。

2.6 固定型轍叉的尺寸

固定型轍叉趾、跟長的取值與既有60 kg/m鋼軌12號道岔直線轍叉保持一致，即轍叉趾長(n值)取2 038 mm、跟長(m值)取3 954 mm。

3 道岔結構設計及關鍵技術

3.1 轉轍器設計

道岔基本軌和導曲線配軌采用60 kg/m鋼軌制造。為了減小橫向剛度，同時有利于減少扳動力和克服不足位移，滑床板和輥輪滑床板采用彈性夾扣壓的形式。彈性夾扣壓需要的滑床臺高度空間較大，故采用了與60 kg/m鋼軌基本軌高差更大的60AT2鋼軌作為尖軌；同時，60AT2鋼軌軌頭帶有1∶40的軌頂坡，可減少尖軌軌頭的加工量。

(1)跟端加工段長度

目前，國內的60AT2鋼軌跟端加工成型段長度為450 mm，75 kg/m鋼軌重載道岔成型段長度為520 mm。經過經濟技術比選，本次尖軌跟端成型段長度取450 mm，過渡段長度取150 mm[8]。

尖軌跟端加工成型段的斷面尺寸及公差與60 kg/m鋼軌相同，但需扭轉1∶40的軌底坡。

(2)尖軌跟端的扣壓方式

綜合考慮道岔、滑床板的扣壓件以及尖軌與基本軌的距離等因素，最終確定采用彈性夾扣壓方式。在尖軌跟端的基本軌內側采用長彈性夾扣壓，尖軌兩側采用普通彈條扣件扣壓，尖軌跟端的軌底可作少量刨切。對于尖軌后端的扣壓，采用了客專道岔扣板扣壓，雖然增加了制造和組裝的難度，但可以保證鋼軌的穩定性。

(3)尖軌跟端傳力機構選擇

早期的設計大多為扣件剛性扣壓，在尖軌伸縮時，這種扣壓方式仍能保持很好的平穩性；但當尖軌的伸縮位移較大時，容易造成電務設備轉換不暢，影響行車安全。目前，多采用間隔鐵結構和限位器結構(見圖1)。兩種方式各有利弊：間隔鐵結構附加應力較大，對基本軌的受力不利；限位器結構傳力明確，可減小基本軌所受附加力，但當限位器受力較大時，容易引起轉轍器的方向變化，列車通過道岔時的平穩性較差[10]。

圖1 尖軌跟端限位器結構

根據以上情況，本次設計采用限位器結構，將限位器子母塊的間隙從7 mm加大到15 mm，以盡量減小限位器的受力(使得限位器只在尖軌有較大的伸縮位移時才起作用)[16]。同時，對限位器的結構進行了修改，使限位器不與軌頭下顎接觸，以減少限位器對軌道剛度的影響。

(4)滑床板扣壓方式選擇

可分為剛性扣壓和彈性扣壓兩種方式。其中，提速以前多采用剛性扣壓；彈性扣壓又可分為彈片、銷釘扣壓方式和彈性夾扣壓方式。提速道岔采用彈片和銷釘的扣壓方式，客專高速道岔則采用了不易折斷、拆裝方便的彈性夾扣壓。新機場線道岔采用輥輪滑床板結構，彈片、銷釘扣壓方式與輥輪配合較為困難，故采用了彈性夾扣壓(見圖2)[13]。

圖2 彈性夾滑床板

(5)滑床臺表面處理

為了減少滑床臺表面與尖軌(心軌)軌底間的摩擦系數，達到減少摩擦力的目的，道岔的滑床臺板表面必須進行防銹和減摩涂層處理。目前，其實現方式有噴涂和涂鍍(電刷鍍)[15]。減摩涂層應具有良好的減摩性能、與機體的結合性能、抗摩擦疲勞性能、抗沖擊性能、耐腐蝕性和防銹性能。減摩涂層在秦沈客運專線道岔中已有應用，前期采用的是噴涂工藝，結合強度較低；后期采用電刷鍍工藝，結合強度有所增強。

3.2 護軌的設計

護軌為分開式，護軌頂面高出基本軌頂面12 mm，由于槽型鋼重量較輕(33 kg/m)，且具有較好的經濟性。因此，護軌采用UIC 33 kg/m槽型鋼軌制造，槽型護軌及護軌墊板結構見圖3。

圖3 槽型護軌及護軌墊板結構

3.3 固定轍叉的設計

該道岔主要用于城際線路，雖然軸重不大，但使用頻繁，且道岔與兩端凍結，更換不便。為延長使用壽命，減輕對運營的干擾，對道岔的12號單開轍叉、銳角轍叉及鈍角轍叉均采用合金鋼組合轍叉形式。目前，較為通用的有鍛制合金鋼心軌組合轍叉、合金鋼鋼軌組合轍叉、鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉和焊接式翼軌加強型合金鋼組合轍叉[12]。

合金鋼組合轍叉選用了鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉，由翼軌、翼軌鑲塊、合金鋼叉心、叉跟軌、間隔鐵、鐵墊板等零部件組成[21]。相較于普通鍛制合金鋼心軌組合轍叉，在翼軌磨耗較為嚴重的咽喉至心軌50 mm斷面范圍內鑲嵌了合金鋼鑲塊(見圖4)，起到了翼軌補強板的作用，使翼軌的強度大大增強，從而提高了整個轍叉的使用壽命。該種轍叉的翼軌加高在鑲塊上完成，翼軌本身不加高，翼軌、心軌處于同一平面。轍叉部分的鐵墊板結構簡單，方便制造、組裝。但該種轍叉加工量較大，對加工精度也有較高的要求。轍叉中翼軌、叉跟軌可采用60 kg/m鋼軌制造，見圖5。

圖4 翼軌鑲塊結構形式

圖5 鍛制叉心與叉跟軌拼裝結構形式

3.4 扣件系統設計

扣件系統整體結構采用帶鐵墊板的彈性分開式結構，見圖6。鋼軌軌底間設軌距塊(用于調整和保持軌距)；鋼軌與鐵墊板間設軌下橡膠墊板(起緩沖作用)；鐵墊板下部亦設彈性墊層；鐵墊板與混凝土岔枕采用螺栓與預埋套管配合緊固；鐵墊板與螺栓間設置緩沖調距塊，既緩沖鐵墊板對螺栓的橫向沖擊，又可調整鐵墊板的位置，進而調整軌距；蓋板上附有彈性較好的橡膠墊圈，既不對彈性鐵墊板產生較大壓力，又可防止墊板的傾翻。

圖6 道岔扣件系統結構

鐵墊板應采用不小于25 mm厚的焊接墊板，除轍叉墊板外，鐵墊板承軌槽均設置1∶40軌底坡。

設計時，充分考慮了使用條件、造價及養護維修成本，以及道岔與正線道岔的配套使用，最終決定采用墊板非硫化方案。

3.5 剛度均勻化

軌道結構剛度設置包括每個鋼軌支點剛度設置及鋼軌支點剛度沿線路縱向的分布，其設置應滿足行車舒適度的需要[14]。

道岔結構與區間線路不同，岔區一般采用帶鐵墊板(或滑床板)的分開式扣件，設置有雙重彈性墊層(軌下和板下各有一彈性墊層)?？蹓杭摻Y鋼軌與鐵墊板，螺栓聯結岔枕與鐵墊板。

道岔區軌道整體剛度主要由鋼軌抗彎剛度、扣件系統剛度、道床及路基剛度所組成。受道岔結構的限制，岔區內軌道整體剛度不是由以上各部件的剛度線性疊加而成，而是受鋼軌斷面、墊板長度、岔枕長度、間隔鐵聯結等多種因素的綜合影響[9]。

合理的軌道剛度能提高列車運行舒適性，改善輪軌相互作用，降低軌道結構振動強度，延長軌道部件使用壽命，減少養護維修工作量。

扣件鐵墊板下的橡膠墊板是扣件系統的彈性主體，改變其剛度可以改變軌道剛度。因此，道岔軌道剛度均勻化都是通過改變板下膠墊的剛度來實現[19]。

3.6 軌底坡及其過渡

道岔一般應設置1∶40軌底坡(或軌頂坡)。為方便工廠加工制造，單開組合轍叉中間區域不設置軌底坡(或軌頂坡)，轍叉兩端設置過渡段，通過翼軌、叉跟軌扭轉1∶40來實現與相鄰配軌軌底坡(或軌頂坡)的過渡。

4 混凝土岔枕的設計

岔枕采用成熟的客專無砟岔枕設計技術，具體結構組成如下：道岔鋼軌件、扣件、岔枕(長岔枕)、道床板及混凝土支承層，混凝土支承層直接設置在橋梁或者路基基床表層上。

岔枕間距：除轉轍機附近的幾根岔枕間距為650 mm和575 mm外，其余均為600 mm。

岔枕長度與整個道岔區的平面布置形式和扣件釘孔距有很大的關系，不同的地段長度不盡相同?？紤]到工廠生產和現場施工管理等原因，應盡量減少不同長度的種類，且均勻分布(大部分岔枕長度進級為100 mm和150 mm)。一般情況下，岔枕垂直于直股工作邊，當岔后插入短枕時，短枕垂直于側股。對于轉轍機牽引點處的岔枕，由于其上需安裝轉轍機設備，應對岔枕長度進行特殊設計[20]。

5 結束語

在時速160 km城市軌道交通60 kg/m鋼軌12號單開道岔的設計中，采用60AT2尖軌并設置軌底坡或軌頂坡，提高了列車經過岔區時的平穩性和旅客的乘座舒適度；將鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉應用于城市軌道交通道岔，提高了轍叉使用壽命，減小了養護維修量；采用不同剛度的板下彈性墊層，實現了城市軌道交通道岔岔區的剛度均勻化及整體低剛度化，有效降低了岔區的振動噪聲。