北京市軌道交通亦莊線正線軌道設(shè)計綜述

張艷軍,戴春陽,雷黔湘

(北京市市政工程設(shè)計研究總院，北京 100037)

1 工程概況

北京市軌道交通亦莊線線路起點位于豐臺區(qū)宋莊路與石榴莊路交叉口南側(cè)的宋家莊站,終點到達(dá)亦莊新城東部的京津城際鐵路的亦莊站設(shè)亦莊火車站。亦莊線正線全長23.25 km,地下線長約8.67 km,高架線路13.80 km,U形槽及路基過渡段0.78 km。宋家莊出入段線長1.35 km,亦莊火車站出入段線0.61 km。起點設(shè)置宋家莊停車場1處，終點設(shè)置臺湖車輛段1處。全線共設(shè)車站14座,其中地下車站6座,高架車站8座。亦莊線線路平面如圖1所示。

本工程采用DC750V接觸軌供電,標(biāo)準(zhǔn)B1型車,最大軸重為14 t,6輛編組,最高行車速度80 km/h,信號采用移動閉塞。

圖1 北京市軌道交通亦莊線工程線路平面示意

正線采用60 kg/m鋼軌,1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距,1/40軌底坡。

全線共采用5種類型扣件：Ⅰ型扣件用于地下線普通整體道床及鋼彈簧浮置板道床地段；Ⅱ型扣件用于高架線普通道床地段；地下線軌道減振器扣件和高架線軌道減振器扣件,分別用于地下線和高架線減振地段；先鋒扣件用于地下線先鋒扣件道床地段。

道岔一般采用60 kg/m鋼軌9號彈性可彎式尖軌單開道岔及5 m間距交叉渡線,轉(zhuǎn)轍器尖軌采用60AT鋼軌制造,轍叉采用高錳鋼整鑄式轍叉。僅在宋家莊站前采用60 kg/m鋼軌12號彈性可彎式尖軌單開道岔及5 m間距交叉渡線。

正線全部采用短枕式整體道床。地下線區(qū)間道床設(shè)置中心水溝,地下線車站道床設(shè)置兩側(cè)水溝。高架線道床為短枕承臺式。

本工程在高架線易產(chǎn)生脫軌地段設(shè)置防脫護軌。全線設(shè)置了線路標(biāo)志,所有標(biāo)志均采用反光材料作為標(biāo)志面；小半徑曲線地段前后設(shè)置鋼軌涂油器。

全線鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無縫線路,高架線道岔前后各設(shè)置1組單向伸縮調(diào)節(jié)器,保證無縫線路的穩(wěn)定。

2 亦莊線軌道設(shè)計特點

本工程采用的軌道結(jié)構(gòu)具有牢固穩(wěn)定、耐久、絕緣、防腐、均衡等特性,能夠確保行車安全、平穩(wěn)和乘客的舒適；軌道結(jié)構(gòu)具有足夠的強度,合適的剛度和彈性并符合減振降噪等環(huán)保要求,養(yǎng)護維修工作量少,軌道的使用壽命長。全線軌道結(jié)構(gòu)形式基本統(tǒng)一,采用具有通用性和互換性的零部件,力求構(gòu)造簡單,便于養(yǎng)護維修和降低成本。設(shè)計中應(yīng)采用成熟的先進(jìn)技術(shù)、工藝和科研成果,并考慮施工的方便和可行。根據(jù)環(huán)保的要求,軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)采取分級減振降噪措施,協(xié)同相關(guān)專業(yè),把振動和噪聲控制在國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

3 亦莊線軌道減振設(shè)計

3.1 減振設(shè)計原則

(1)綜合治理：減振降噪是一項系統(tǒng)工程,應(yīng)將線路、車輛、軌道、結(jié)構(gòu)作為一個系統(tǒng)來處理。根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展水平,軌道專業(yè)從改善輪軌接觸關(guān)系，采取軌道減振、隔振等技術(shù)措施,使列車在運行中產(chǎn)生的振動和噪聲能有效衰減。

(2)分級減振：根據(jù)現(xiàn)有減振技術(shù)發(fā)展的水平,結(jié)合本線《環(huán)境評價影響報告書》將全線的減振地段劃分等級。各地段采用不同的減振措施,達(dá)到分級減振,使軌道部件配置合理,達(dá)到減振目標(biāo)。根據(jù)工程經(jīng)驗,分為一般減振地段、較高減振地段和特殊減振地段。

(3)滿足列車安全平穩(wěn)運行要求。在正常情況下確保軌道動態(tài)、靜態(tài)幾何變形在正常范圍內(nèi)。

(4)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。采取相應(yīng)措施后,保證地鐵對沿線敏感目標(biāo)的噪聲和振動影響滿足《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096—93)及《城市區(qū)域環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)的要求。

3.2 減振降噪地段分析

振動及噪聲是地鐵建設(shè)對環(huán)境影響的重要內(nèi)容,直接影響沿線現(xiàn)狀地物的使用和開發(fā),所以減振降噪必須由相關(guān)專業(yè)綜合考慮。在運營期,列車運行所引起的振動和噪聲會影響沿線兩側(cè)的環(huán)境狀況,本線的減振措施原則上根據(jù)亦莊線《環(huán)境影響報告書》的分析和要求進(jìn)行綜合治理,同時根據(jù)本線線路走向、沿線規(guī)劃及敏感建筑分布的踏勘調(diào)查確定。根據(jù)環(huán)評報告,并參考北京地鐵其他線路減振地段設(shè)置條件,分級減振[1],采取相應(yīng)減振措施。

3.3 減振設(shè)計方案

3.3.1 綜合治理方案

為減輕列車運行對環(huán)境的干擾,在沿線一些對減振降噪要求較高的地段需針對振動源及傳播路徑采取不同的減振降噪措施進(jìn)行綜合治理。軌道采取的主要措施如下。

(1)全線鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路,徹底消除鋼軌接頭,保證軌面的連續(xù)和平順,減少輪軌間的沖擊和振動,從而減少振動噪聲。

(2)預(yù)測振動未超國家標(biāo)準(zhǔn)的地段,全線采用性能優(yōu)良的專為地鐵設(shè)計的彈性分開式扣件,扣件節(jié)點靜剛度為20 kN/mm左右,采用軌下和墊板下兩層減振膠墊的方式,可減振3 dB左右。

(3)要求運營前和運營中定期打磨鋼軌頂面和車輪踏面,以保持良好的輪軌接觸,減少輪軌之間的動力作用,從而達(dá)到減振降噪的效果。

(4)在小半徑曲線地段的鋼軌工作面上涂油或其他潤滑劑,既可減少鋼軌磨耗,又可以降低噪聲。

(5)嚴(yán)格控制軌道施工質(zhì)量,提高經(jīng)常性養(yǎng)護維修的質(zhì)量,確保線路和軌道的幾何狀態(tài)良好,使得由車輛引起的振動減小到最低程度,從而減少振動和噪聲。

3.3.2 較高減振地段技術(shù)措施

根據(jù)環(huán)評要求及工程使用經(jīng)驗,在較高減振地段設(shè)置了軌道減振器扣件。新型剪切形軌道減振器扣件的特點：利用橡膠的剪切變形提供豎向和橫向彈性,減振效果達(dá)到8～12 dB；采用新型的橡膠材料配方,動靜剛度比不大于1.25,改進(jìn)了目前地鐵中使用的軌道減振器扣件減振性能衰減快等缺陷,大大提高了減振性能和使用壽命，且更換維修非常簡單方便。另外針對目前新開通線路上減振器地段鋼軌異常波磨問題,亦莊線設(shè)計中對曲線地段減振器布置進(jìn)行了優(yōu)化。

由于施工進(jìn)度所限,本工程主要對減振器布置進(jìn)行優(yōu)化,以期達(dá)到降低鋼軌異常波磨的產(chǎn)生和發(fā)展的目的。對于鋼軌磨耗的評價,由于傳統(tǒng)磨耗評價指標(biāo)磨耗功率和磨耗指數(shù)在實際工程中應(yīng)用方便,同時精度滿足要求,故本文中選取二者作為鋼軌磨耗的評價指標(biāo)[2]。通過建立地鐵車輛軌道動耦合動力學(xué)模型進(jìn)行了鋼軌磨耗的仿真計算分析。建立車輛和軌道模型[3～4]如圖2所示。采用扣件間距加密措施,將每千米扣件的鋪設(shè)數(shù)量根據(jù)線路幾何要素以及線路類型情況分為4個等級進(jìn)行加密,建立4種扣件間距的減振器扣件道床模型,對磨耗功率和扣件間距變化的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬分析,變化趨勢如圖3所示。

圖2 地鐵車輛動耦合動力學(xué)模型

圖3 4種不同扣件間距的減振器道床模型

基于所建立模型和工況得出的數(shù)值模擬計算結(jié)果見表1。經(jīng)過扣件加密措施后,一、二位輪對和整車的磨耗功率呈下降的趨勢。一位輪對磨耗功率減少量為7.62%,二位輪對為13.19%,整車為5.04%。表明減振器扣件間距加密措施可以降低磨耗功率的數(shù)值,雖不能從根本上抑制波磨現(xiàn)象的出現(xiàn),但可以在一定程度上減輕波磨的程度,從而延長鋼軌波磨再次出現(xiàn)的時間間隔。

但上述結(jié)論只是理論分析結(jié)果,實際效果需等待運營階段的檢驗。

表1 減振器扣件加密措施對磨耗功率的影響

3.3.3 特殊減振地段技術(shù)措施

本線頂秀欣園小區(qū)、小紅門村、雙廟村段為村莊平房,距線路很近或線路下穿,振動超標(biāo)且易受二次結(jié)構(gòu)噪聲影響,設(shè)計中采用了鋼彈簧浮置板系統(tǒng)。該系統(tǒng)的道床質(zhì)量大,可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動荷載,隔振效果可達(dá)到20～30 dB以上；隔振系統(tǒng)固有頻率低,減振頻率范圍廣；鋼彈簧的使用壽命長達(dá)50年以上,基本與道床等壽命；維修十分方便,采用專用的維修機具調(diào)整道床面的高度和更換鋼彈簧,不影響行車。

為保證施工進(jìn)度,本工程首次采用了鋼筋籠施工方法。

鋼彈簧浮置板軌道施工步驟是首先在隧道結(jié)構(gòu)底板澆筑墊層,達(dá)到強度后上鋪一層隔離材料(PVC薄膜或防水油氈)。本工程采用鋼筋籠法施工,在鋪軌基地相對條件寬松的環(huán)境進(jìn)行浮置板鋼筋骨架的綁扎、鋼軌的架設(shè)和外套筒的安裝,以此形成一個具有一定剛度的鋼筋籠,然后整體運送到隧道內(nèi)。鋼筋籠吊裝到洞內(nèi)就位后,在現(xiàn)場綁扎兩側(cè)的鋼筋,最后澆筑混凝土。28 d后待道床混凝土達(dá)到設(shè)計強度后,采用專用液壓千斤頂頂升浮置板,安裝隔振器,并進(jìn)行軌距、高低等調(diào)整。

傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板軌道工藝復(fù)雜,進(jìn)度緩慢。但本工程采用鋼筋籠法施工后,大量工作可預(yù)先在地面完成,大大加快了施工進(jìn)度,可達(dá)傳統(tǒng)方法的5倍以上。

4 大號碼道岔使用

本線設(shè)計條件要求列車最高運行速度為80 km/h,根據(jù)地鐵設(shè)計規(guī)范及實際運營經(jīng)驗,全線采用9號道岔即可以滿足一般要求。

亦莊線起點位于宋家莊站,與5號線宋家莊站采用丁字形換乘。由于線路條件限制,亦莊線宋家莊站站后為地鐵5號線線路,無法采用常規(guī)的站后折返形式,只能在站前載客折返。由于需要進(jìn)行站前折返,同時北京市新線地鐵建設(shè)提出了遠(yuǎn)期需滿足30對/h運營能力的要求,因此要求用于站前折返的道岔側(cè)向速度必須提高到50 km/h左右。目前的9號道岔無法滿足要求,因此本工程在北京地鐵工程中首次采用了新型12號大號碼道岔。

本工程采用的12號道岔專為北京地鐵設(shè)計(納入北京地鐵軌道設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化項目),直向過岔速度可達(dá)120 km/h,側(cè)向通過速度達(dá)到50 km/h,采用彈性可彎式尖軌,導(dǎo)曲線半徑為350 m,不僅過岔速度高,舒適性也較好,可以很好地滿足遠(yuǎn)期運營要求。

5 地下線道床形式優(yōu)化設(shè)計

北京地鐵常采用中心水溝的道床形式,水溝不設(shè)蓋板。如兩側(cè)由于道床布筋不合理,易產(chǎn)生局部收縮或沉降開裂,開裂后保持軌距能力差,可能危及行車安全。

因此本工程對道床形式進(jìn)行了優(yōu)化,地下線車站道床改為雙側(cè)水溝。采用雙側(cè)水溝與中心水溝相比其優(yōu)點很多：道床整體性更好,平整美觀,易于保潔；方便養(yǎng)護維護人員行走,當(dāng)發(fā)生車輛故障及火險等災(zāi)害時有利于乘客的安全疏散；隧道內(nèi)道床表面平整,無需設(shè)置水溝蓋板；如兩側(cè)水溝設(shè)置蓋板,更可以成倍增加疏散通道寬度；方便軌旁設(shè)備的安裝,避免軌旁設(shè)備暴露于潮濕的中心水溝上方,延長設(shè)備使用壽命,降低養(yǎng)護維修造價。

目前地下線站內(nèi)雙側(cè)水溝形式使用情況良好,建議今后工程中全線推廣使用。

6 結(jié)論

本工程在總結(jié)了國內(nèi)外軌道系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上,結(jié)合亦莊線工程特點,進(jìn)行了優(yōu)化和提高。在滿足環(huán)評基礎(chǔ)上,吸取既有線鋼軌波磨經(jīng)驗教訓(xùn),對減振器布置進(jìn)行了優(yōu)化,在地鐵開通帶來出行便利的同時,最大限度地減少振動噪聲對周圍環(huán)境的影響,體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計內(nèi)涵。通過新型大號碼道岔的首次研究選用,解決了站前折返難題,為北京地鐵今后類似線路的建設(shè)提供了良好的借鑒作用。對道床形式的優(yōu)化等工作,為今后軌道設(shè)計拓寬了思路。相信經(jīng)過設(shè)計、建設(shè)、運營等各方的共同努力,亦莊線軌道建設(shè)必然成為北京市軌道交通中的精品工程。

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