淺析城市軌道交通道岔結構優化與設計

李喬木

（中國土木工程集團有限公司，北京 100038）

隨著城市化建設進程的加快，城市中的人口越來越多，隨之交通擁擠越來越嚴重，城市軌道交通成為人們出行的首選。城市軌道交通列車的運行線路按照在運營中功能不同分為正線、輔助線和車場線3類。其中，輔助線是輔助正線行車的線路,涉及列車的轉線、折返、臨時待避等,這里就需要用到道岔這種線路設備。

1 工程案例

某城市軌道交通道岔主要鋪設在車站，用于車輛的進出站，道岔采用50kg/m的鋼軌制作而成。該道岔目前存在的問題包括老舊、使用年限較長，還有一部分道岔使用的是木岔，由于該木岔岔枕使用年限已長，出現了明顯的腐爛、掉塊等的現象。此外，該道岔還時有爬行問題產生；轍岔由高錳鋼制作而成，岔芯磨損嚴重。

2 優化與設計的原則

2.1 道岔長度與站場主流道岔型號一致

道岔的長度與站場的主流道岔型號相同，因為城市軌道交通道岔是鋪設在站場上的，該區域內的土地資源有限、價格昂貴，同時，由于一些站場涉及多項物業，一旦站場竣工后很難再進行改擴建。因此，道岔的設計應考慮這一因素才能方便以后的維護和更換。近年來，設計人員也針對此問題進行過多次的優化設計，比如，更換扣件類型、調整軌枕間距等，在線型上依然保持一致，所以，本次設計的道岔前、后以及總長一致，并對線型進行了優化設計。

2.2 通過結構優化延長道岔使用周期

城市軌道交通單開道岔使用了大量的傳統型道岔，在不增加成本的基礎上，通過優化既有道岔線型結構，提升軌道的質量和強度，以延長其使用壽命并減少后期維修的概率。具體優化措施如下：（1）通過縮短尖軌與道岔之間的距離，優化和完善鋼軌與轍叉設計方案；（2）增加曲尖軌直線段的長度，提高尖軌的摩擦，延長尖軌使用壽命。

2.3 運用新材料、新工藝

新材料、新工藝和新技術在城市軌道交通中的應用，取得了良好的效果。比如，金鋼材料轍叉和復合材料岔枕。此外，本方案還提出了一種金鋼組合轍叉和玻纖增強聚氨酯樹脂（FFU）復合材料岔枕，為本工程項目施工組織設計方案的編寫提供了多個選擇。

3 道岔線形的優化與設計

3.1 線型方案平面次數

（1）城市軌道交通工程的7#單開道岔具有以下結構特征：總長度為23627mm，其中前段長度為11194mm，后段長度為12433mm，導曲線半徑為150m，未平衡離心加速度為0.32m/s，欠超高為49.2mm；（2）尖軌采用相離半切式線型，轉轍器端導曲線與軌道之間的距離為4mm，端導曲線與轍叉的距離為12mm。（3）新設計的單開道岔的全長、前長和后長與施工組織設計方案基本相同，施工現場可以進行互換。工程實際情況的兩種線形方案，如表1所示。

表1 單開道岔原設計與方案1、方案2技術參數對比

3.2 動力學仿真計算

根據動力學理論知識和動力學仿真軟件，建立城市軌道交通單開道岔結構耦合模型，計算列車在通過上述2種方案時的動力學模型，從而為道岔平面線形選擇提供幫助。在我國，地鐵車輛主要有A型車和B型車兩種。其中，B型車在人們的日常出行中十分常見，其車型小、軸重輕。但是，隨著城鎮化建設步伐的加快，城市人口數量與日俱增，車型大、軸重輕的A型車逐漸走進人們的視野，特別是對于新建的鐵路，大部分以A型車位主要運營車輛，因為A型車在運行過程中對道岔的影響較大，動力學仿真計算過程中需要嚴格遵照A型車（如表2）。

表2 城市軌道交通A型車技術參數

動力學仿真計算過程中，城市軌道交通的經過岔道時的時速為250km/h,本節主要分析城市軌道逆向和順向經過時兩種不同的工況，即逆向進入道岔時，列車先通過尖軌端進入岔區，通過導曲線后由撤岔駛出；順向出岔時，城市軌道交通再從撤叉端進入岔區，經過導曲線后從尖軌端駛離。

3.3 線型設計

根據動力學仿真結果與方案一、方案二進行對比，得出方案一優于方案二的結論。因此，本次優化與設計將以方案一作為主要方案。同時，在本方案中，Q值為1930mm，導曲線始端與轉轍器距離為10mm，導曲線末端與心軌的距離為12mm，道岔曲線半徑為150m，按照GB 50157—2013《地鐵設計規范》規定導曲線半徑150m的要求，需要加寬10mm，加寬后導曲線處側股軌距為1445mm，在導軌線末端2.5mm之內軌道距離逐漸由1445mm下降至1435mm。

4 道岔結構的優化與設計

4.1 轉轍器

城市軌道交通單開道岔設計借鑒了重載道岔設計經驗，采用了“刨切基本軌、為了提高道岔的性能和穩定性，可以考慮采用“加厚尖軌”的設計方案，具體做法如下：去除基本軌工作邊，使尖軌形成θ角，此時曲線尖軌的尖端角度為α+θ，根據本設計方案，α角為1：40，θ角為1：100。為了增強曲線尖軌的強度，在最薄弱的部位加寬5mm，可以通過切削基本軌尖銳端前端30mm的方式來實現，即在50mm內從0依次加寬至5mm，經過加厚的尖軌其薄弱環節的耐磨性增加。同時，為了避免曲線尖軌前端薄弱環節的過度磨損，可以將直曲組合曲線尖端設計得更靠后，使磨損區域最大的段落位于尖軌斷面的粗壯位置。為了盡可能延長尖軌的直線段長度，可以將尖軌設計為直組合型線形。這樣，尖軌直線段的長度將會更長，半切點的寬度也會向后延伸，尖軌的耐磨程度就越高，列車在經過道岔時就會越平穩。可以通過改變Q值、導曲線駛端與轉轍器相交點的位置以及導曲線末端與芯軌相交點的位置這三個技術參數來進行調整，曲線組合線型曲線尖軌直線段的長度，經過優化設計后的尖軌端直線長度為2134mm，與原設計方案相比，長度增加了560mm。

4.2 固定轍叉

（1）高錳鋼整鑄轍叉。高錳鋼整鑄轍叉因強度高、承載能力強等的特點，目前，在我國大部分的城市軌道交通工程中得到了迅速的推廣。高錳鋼整鑄轍叉結構簡單、整體性好，可滿足一般城市軌道交通運行需求。同時，高錳鋼整鑄轍叉還具有良好的沖擊性和韌性。在經過磨損后，它的硬度會有所提升，這有利于轍叉的制造，將轍叉翼軌在芯軌科逐漸加高，便于列車輪緣更加匹配，提高列車在運行過程中的穩定性和安全性。最大的抬高值為4.8mm。

（2）合金鋼組合轍叉。合金鋼組合轍叉是近年來出現的一種新型材料。該轍叉的主要材料是貝氏體鋼，現已在重載鐵路中得到了普及，合金鋼組合轍叉硬度為38-45HRC，沖擊韌性在20℃下大于或等于70J/cm2。其重量為200Mt，是高錳鋼整柱轍叉的兩倍以上。然而，合金鋼組合轍叉的價格與高錳鋼整柱轍叉相當。因此，合金鋼轍叉的性價比更高。在施工現場，高錳鋼整柱轍叉可以與合金鋼組合轍叉互換，但要在更換的轍叉下面設置墊板，芯軌和芯軌對應的位置采用合金鋼組合轍叉，翼軌的其他位置與合金鋼組合轍叉分別采用U71Mn或U75V在線熱處理制造。

4.3 岔枕與扣件系統

城市軌道交通單開道岔設計時，由混凝土制作而成的岔枕在城市軌道交通建設中是最常見的一種岔枕，無須設置任何的軌底坡，岔枕的強度高于60kN，正彎矩試驗荷載為240kN，負彎矩試驗載荷190kN,不會產生任何的裂紋，疲勞強度試驗荷載為255kN,岔枕的兩端分別采用預埋的塑料套管和鐵墊板連接在一起。本工程項目采用的是玻纖增強聚氨酯樹脂材料制作而成的復合岔枕。增強聚氨酯樹脂材料不僅具有良好的力學性能，質量可靠，且還具有耐絕緣、耐腐蝕、少維護以及可二次回收等的特點。玻纖增強聚氨酯樹脂材料復合岔枕的截面為長方形，尺寸為240×220mm，密度為1000kg/m3的玻纖增強聚氨酯樹脂材料復合岔枕，具有與混凝土制造的軌枕相同的抗拔能力、靜載抗裂性能和疲勞強度。唯一的區別是混凝土岔枕需要預埋，而玻纖增強聚氨酯樹脂材料復合岔枕需要在施工現場進行安裝。

4.4 扣件系統

城市軌道交通7#單開道岔采用彈性分開式的扣件系統，彈條采用的是Ⅰ型彈條。在軌道下方設置了5mm厚的橡膠墊板，鐵板下設置10mm橡膠墊板，扣件系統強度70～80kN/mm。鋼軌一側安裝13mm軌距塊，另一側安裝了11mm軌距塊，岔枕螺栓與鐵墊板需要分別設置絕緣偏心襯套，以此更進一步地提升道岔的整體性能，旋轉絕緣偏心襯套能夠確保鐵墊板的整體移動，從而調整鋼軌的位置。

5 結語

綜上所述，城市軌道交通單開道岔的優化與設計分別借鑒了重載鐵路和高速鐵路延長道岔使用周期的關鍵技術，分別對以下幾個方面進行了優化：單開道岔的前長、后長、總長一致使用了刨切直基本軌加寬曲尖軌5mm技術，以確保曲尖軌前端更加耐用，提高了使用壽命和耐磨性。因此，希望通過對本文的研究，能為同類工程項目的順利開展帶來些許有益幫助。