北京市軌道交通大興線軌道設(shè)計綜述

程寶青,楊寶峰,于春華

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

1.1 工程概述

北京市軌道交通大興線與地鐵4號線在南四環(huán)公益西橋北側(cè)接軌,沿線經(jīng)過豐臺區(qū)南苑西、大興區(qū)西紅門、大興新城主城區(qū)、大興新城核心區(qū)、大興區(qū)生物醫(yī)藥基地等地區(qū)。線路正線全長21.756 km,其中地下線長度為17.427 km；過渡段長度為0.703 km,高架段長度為3.626 km；出入段線長度約為1.002 km。新建車站11座,其中地下車站10座,高架車站1座,新設(shè)車輛段1處(圖1)。

圖1 北京軌道交通大興線線路示意

1.2 軌道工程設(shè)計理念

軌道交通建設(shè)的目的是以為市民服務(wù)為宗旨,在滿足工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件的基礎(chǔ)上充分反映市民的需求。大興線軌道工程以“人文地鐵”“綠色地鐵”“科技地鐵”為設(shè)計理念,其主要體現(xiàn)在以下4方面。

(1)軌道結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性和適量彈性,以確保列車安全、平穩(wěn)、快速運行。

(2)軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量均衡、彈性連續(xù)、結(jié)構(gòu)等強(qiáng)、合理匹配。

(3)軌道設(shè)備的施工嚴(yán)格控制質(zhì)量與維修養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn),提高軌道平順性,滿足乘客舒適度。

(4)軌道系統(tǒng)采用先進(jìn)的減振結(jié)構(gòu),在施工及運營期間減少對周圍環(huán)境的振動和噪聲污染。

1.3 軌道設(shè)計工作程序

軌道系統(tǒng)設(shè)計的工作程序見圖2,按照設(shè)計程序開展設(shè)計是確保設(shè)計質(zhì)量,提高工作效率的有力保障。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 線路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)軌距 1 435 mm；

(2)正線數(shù)目 雙線；

(3)最高行車速度 80 km/h；

(4)最小曲線半徑 正線：一般300 m,困難250 m；輔助線：一般200 m,困難150 m；車場線：110 m。

(5)最大坡度 正線：30‰；聯(lián)絡(luò)線及出入線：35‰；

(6)豎曲線半徑 正線：一般地段5 000 m,困難地段3 000 m；車站端部：一般3 000 m,困難2 000 m；輔助線：2 000 m；

(7)車輛 采用B1型車,6輛編組,3動3拖,直流750 V接觸軌供電。

2.2 軌道主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 軌道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

北京地鐵大興線采用標(biāo)準(zhǔn)軌距輪軌系統(tǒng),車輛采用標(biāo)準(zhǔn)B1型車,接觸軌上部受流,最高行車速度80 km/h；

正線、輔助線及試車線采用60 kg/m鋼軌、彈性扣件、整體道床(地面線為碎石道床)、無縫線路；

車場線庫外線采用50 kg/m鋼軌、混凝土軌枕(或木枕)、碎石道床；

車場線庫內(nèi)線采用50 kg/m鋼軌、短軌枕(或無枕)式整體道床；

正線、輔助線及試車線采用60 kg/m鋼軌9號各類型道岔；

車場線采用50 kg/m鋼軌7號各類型道岔。

2.2.2 軌道主要鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鋼軌及軌底坡設(shè)置

正線、輔助線、出入線、試車線采用60 kg/m鋼軌；車場線采用50 kg/m鋼軌,材質(zhì)均為U71Mn,定尺長度25 m,60 kg/m鋼軌與50 kg/m鋼軌銜接處采用60-50 kg/m異型鋼軌。

鋼軌軌底設(shè)置1∶40的軌底坡,道岔區(qū)及道岔間不足50 m的地段不設(shè)軌底坡。

(2)扣件

地下線及U形地段采用DTⅥ2型扣件；

高架線采用DTⅦ2型扣件；

地面線及車場線鋪設(shè)混凝土枕地段采用國鐵標(biāo)準(zhǔn)彈條Ⅰ型扣件；

60 kg/m鋼軌鋪設(shè)木枕地段采用DTⅥ1型彈性分開式扣件；

50 kg/m鋼軌鋪設(shè)木枕地段采用DTⅣ1型彈性分開式扣件；

車場線庫內(nèi)線鋪設(shè)整體道床地段采用DJK5-1型扣件。

上述各扣件形式如圖3所示。

(3)曲線軌距加寬及超高

曲線半徑200 m≥R>150 m地段,軌距加寬值5 mm；曲線半徑150 m≥R>100 m地段,軌距加寬值10 mm；

軌距加寬在緩和曲線范圍內(nèi)遞減,無緩和曲線時,在直線段遞減。遞減率不宜大于2‰,困難地段不應(yīng)大于3‰；

地下線及敞開段的曲線地段超高采取外軌抬高超高值一半和內(nèi)軌降低超高值一半的辦法設(shè)置,高架線及地面線采用外軌抬高全部超高值的辦法設(shè)置。曲線最大超高值為120 mm。曲線超高值在緩和曲線內(nèi)遞減順接,無緩和曲線時,應(yīng)在直線段遞減順接。超高順坡率不宜大于2‰,困難地段不應(yīng)大于3‰；

當(dāng)設(shè)置的超高不能滿足速度要求時,一般允許有不大于61 mm的欠超高,并適當(dāng)設(shè)置過超高；

車場線不設(shè)置超高的地段,為了避免反超高,可設(shè)置4～6 mm的超高。

(4)軌枕鋪設(shè)根數(shù)

根據(jù)北京地鐵運營經(jīng)驗,同時為了統(tǒng)一鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn),便于施工，正線、輔助線、試車線均按1 600根(對)/km鋪設(shè),車場線按1 440根(對)/km鋪設(shè),庫內(nèi)立柱式檢查坑軌道按相關(guān)工藝要求設(shè)計。

(5)軌道結(jié)構(gòu)高度

圖3 扣件

矩形隧道及U形結(jié)構(gòu)地段：混凝土整體道床560 mm；

單線馬蹄形隧道：混凝土整體道床不小于650 mm；

圓形隧道：混凝土整體道床740 mm；

橋上整體道床：520 mm；

出入線和試車線：840 mm(碎石道床、不含路拱)；

庫內(nèi)線：500 mm(整體道床)；

庫外線：620 mm(混凝土枕碎石道床、不含路拱)。

3 設(shè)計重點及難點

3.1 扣件防腐處理技術(shù)的應(yīng)用

隨著城軌交通運營線路里程的增加,線路養(yǎng)護(hù)維修任務(wù)越來越繁重,扣件銹蝕問題逐漸成為一個亟需解決的突出問題,同時也是設(shè)計重點考慮的問題之一。

當(dāng)前運營的線路,在設(shè)計時大多沒有考慮預(yù)先對扣件進(jìn)行防腐處理,而是在運營以后采取涂油等被動措施,這種方法效率低、成本高且污染環(huán)境。

近年來,金屬防腐技術(shù)日趨成熟,并逐漸應(yīng)用于城軌交通工程中。目前,適用于扣件小金屬件的防銹處理技術(shù)有達(dá)克羅涂層技術(shù)、滲鋅、多元共滲技術(shù)以及多功能防腐復(fù)合涂層技術(shù)等。大興線扣件防腐采用多元共滲技術(shù)。

多元共滲技術(shù)是用氣體或液體將金屬表面進(jìn)行復(fù)合處理(簡稱LGLT技術(shù)),氣體多元共滲適用于螺栓、螺母、平墊圈等小金屬件,液體多元共滲適用于彈條等大金屬件。

多元共滲防腐技術(shù)具有造價低、無污染、耐鹽霧性強(qiáng)、安全環(huán)保等特點,圖4為多元共滲處理過的螺旋道釘。

圖4 多元共滲處理過的螺旋道釘

3.2 軌道減振結(jié)構(gòu)

3.2.1 軌道減振結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

“安全”、“正點”、“快捷”、“舒適”的城市軌道交通,受到廣大市民的青睞,成為出行者首選的交通工具。但城市軌道交通不可避免地給城市帶來諸多如振動噪聲等污染。超標(biāo)的振動及噪聲,影響了人們的正常工作和生活。在生活質(zhì)量不斷提高的今天,如何減少城市軌道交通帶來的振動和噪聲,逐步受到廣大科研設(shè)計者的重視。如何做好軌道減振設(shè)計成為該工程設(shè)計研究的難點之一。

大興線軌道減振設(shè)計首先遵照《北京市軌道交通大興線工程環(huán)境影響報告書》精神,然后依據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB50157—2003)相關(guān)條文進(jìn)行設(shè)計。該線軌道減振設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下。

一般減振地段：不超標(biāo)地段,不特別設(shè)防,軌道結(jié)構(gòu)采用重型鋼軌、彈性扣件、無縫線路、整體道床等起到減振降噪作用；

中等減振地段：超標(biāo)1～3 dB,設(shè)防4～6 dB,采用軌道減振器扣件；

高等減振地段：超標(biāo)4～12 dB,設(shè)防7～15 dB,采用梯形軌枕軌軌道結(jié)構(gòu)；

特殊減振地段：超標(biāo)>12 dB,設(shè)防>15 dB,采用鋼彈簧浮置板整體道床的軌道結(jié)構(gòu)。

3.2.2 高等減振地段軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

過去在振動超標(biāo)15 dB的減振地段,由于沒有相應(yīng)減振級別的軌道結(jié)構(gòu),一般采用鋼彈簧浮置板軌道。鋼彈簧浮置板減振效果可達(dá)20～25 dB,造價比較高,用于超標(biāo)15 dB的減振地段,性價比不合理,加大了不必要的工程投資。近年來研制了一種減振新結(jié)構(gòu)(梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)),滿足了高等減振地段為超標(biāo)4～12 dB、設(shè)防7～15 dB的減振地段的特殊要求。

梯形軌枕軌道是一種新型的軌道結(jié)構(gòu),其軌枕是由兩根鋼筋混凝土縱梁及3根鋼管制的橫向聯(lián)接桿構(gòu)成的,形似扶梯,因此稱之為梯形軌枕(圖5)。梯形軌枕下設(shè)彈性減振裝置,彈性墊層有板形、球形、角形等多種形式。梯形軌枕是縱向軌枕的一種,既能大幅度提高荷重的分散能力,又可補(bǔ)充鋼軌本身的剛性和質(zhì)量的性能特點,是軌枕的一種革新形式。尤其適用于整體道床,不但能充分發(fā)揮復(fù)合軌道高剛性的特點,還使軌道構(gòu)造具有充分的彈性。利用減振材料等間隔支撐結(jié)構(gòu),使其浮于混凝土整體道床上,應(yīng)用于地下線可減小隧道開挖斷面,應(yīng)用于高架線可減少軌道自重和橋梁恒載。梯形軌道可在很大程度減小列車運行帶來的振動和噪聲,是一種低噪聲、低振動的軌道結(jié)構(gòu)。與普通軌道結(jié)構(gòu)相比,減振效果可達(dá)15 dB,造價約700萬元/km。梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)首先應(yīng)用于日本,近年來在我國城市軌道交通中也有使用,北京地鐵4、5號線、廣州地鐵、上海地鐵等均有鋪設(shè)。

圖5 梯形軌枕軌道

3.2.3 特殊減振地段軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

圖6 盾構(gòu)區(qū)彈簧浮置板軌道示意

彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)具有固有頻率低,減振效果好,施工簡單,維修方便,壽命長等特點,在我國城市軌道交通的建設(shè)中廣泛采用。

4 軌道安全設(shè)備的設(shè)置

為了確保城市軌道交通運營安全在必要的地段設(shè)置了軌道安全設(shè)備。如鋪設(shè)在高架橋上的護(hù)輪設(shè)備防止列車脫軌；鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器防止高架橋無縫線路脹軌跑道或者斷軌；鋪設(shè)列車止擋設(shè)備防止列車失控時沖出線路。

4.1 護(hù)輪設(shè)備(圖7)

圖7 護(hù)輪設(shè)備

為防止列車在高架橋上脫軌傾覆和影響另一條線正常運營,高架橋上一定位置須設(shè)置防脫護(hù)軌,這種護(hù)軌在車輪萬一爬軌時能使車輪復(fù)位,防止車輪脫軌。安裝在鋼軌內(nèi)側(cè),與軌底聯(lián)結(jié),安裝簡便。本線在半徑小于500 m的曲線圓緩(緩圓)點前后50 m(圓曲線部分15 m、緩和曲線部分35 m),在下股鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)防脫護(hù)軌。在跨越城市主要道路地段,在靠近橋梁中線的鋼軌內(nèi)側(cè)安裝防脫護(hù)軌。在豎曲線與緩和曲線重疊處,重疊范圍內(nèi)兩股鋼軌內(nèi)側(cè)安裝防脫護(hù)軌。

4.2 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

高架橋上無縫線路,除采用小阻力扣件外,還應(yīng)在道岔前后和其他位置鋪設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器(圖8),鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器既能保證軌道的穩(wěn)定,又能保證最高軌溫下不脹軌跑道、最低軌溫下斷軌的斷縫不超過允許值。

圖8 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器應(yīng)設(shè)置在直線上,在鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器范圍內(nèi)不得有豎曲線。

鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的材質(zhì)應(yīng)與正線鋼軌材質(zhì)相同。

本線在高架橋道岔前后、大跨度梁的中部根據(jù)需要設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

4.3 列車止擋設(shè)備

在城軌交通線路如正線、輔助線、試車線、車場線庫內(nèi)外等線路末端,為了防止車輛滑逸或因機(jī)械失靈、操作不當(dāng)?shù)仍蛟斐绍囕v失控、沖出線路,而設(shè)置的止擋設(shè)備稱之為車擋,亦稱擋車器。

車擋形式多種多樣，適應(yīng)不同地段,緩沖式車擋主要有3種形式,即緩沖滑動式車擋、緩沖液壓式車擋和液壓緩沖滑動式車擋。

本文僅對地下線使用的緩沖液壓式車擋加以介紹(圖9)。

圖9 緩沖液壓式車擋

緩沖液壓式車擋,由2套液壓緩沖油缸和1臺撞擊引導(dǎo)裝置組成。

緩沖液壓式車擋技術(shù)較先進(jìn),結(jié)構(gòu)合理,能有效地消耗列車動能,不損壞車輛和車擋,確保人身安全。且能自動復(fù)位,但造價較高。安裝長度約8 m,如果能結(jié)合土建條件合理選用,能減小工程規(guī)模,降低投資。

本線在新宮站停車線末端采用2組緩沖液壓式車擋,較緩沖滑動式車擋,節(jié)省結(jié)構(gòu)開挖7 m。

緩沖液壓式車擋已應(yīng)用于上海地鐵1號線、4號線和6號線,深圳地鐵5號線等線路,起到運營安全作用。

5 結(jié)論

北京軌道交通大興線軌道工程,設(shè)計者在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上,充分總結(jié)了以往軌道系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗,在“人文地鐵”“綠色地鐵”“科技地鐵”的三大設(shè)計理念的指導(dǎo)下開展設(shè)計。

在軌道減振結(jié)構(gòu)方面,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比,采用了技術(shù)成熟的梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)。在采用新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)等方面做了探索,既滿足了環(huán)保要求又降低了工程造價。

今后在運營過程中應(yīng)該對軌道減振結(jié)構(gòu)的減振效果進(jìn)行在線檢測,以進(jìn)一步論證其使用效果和適用范圍。同時注意總結(jié)設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)維修等方面經(jīng)驗,給類似工程提供依據(jù)。

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