北京市軌道交通大興線無縫線路設(shè)計(jì)

田苗盛，吳 燕

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

1 工程概況

北京地鐵大興線是聯(lián)系大興新城與中心城區(qū)的快速軌道交通線,與地鐵4號線共同構(gòu)成北京市南北向的軌道交通主干線。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,其中共有4座大橋,其余均為標(biāo)準(zhǔn)跨連續(xù)梁；全線曲線79個,最大曲線半徑3 000 m,最小曲線半徑300 m,全線半徑小于800 m的曲線共有23個。大興線運(yùn)行車輛類型為B型車,最高運(yùn)行速度80 km/h。

本工程軌道主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：鋼軌采用60 kg/m U71Mn,扣件地下線采用DTⅥ2型扣件,高架線采用DTⅦ2型扣件。軌枕采用混凝土短軌枕,道床為短軌枕式整體道床。采用60 kg/m鋼軌9號單開道岔,5.0 m間距交叉渡線。道岔為普通道岔,直向容許通過速度為90 km/h,側(cè)向容許通過速度為30 km/h[1]。因此本工程在進(jìn)行無縫線路設(shè)計(jì)時,按普通溫度應(yīng)力式無縫線路設(shè)計(jì)[2]。

2 鎖定軌溫設(shè)計(jì)

根據(jù)線路所處地區(qū)的最高、最低軌溫,以及軌道強(qiáng)度和無縫線路穩(wěn)定性要求計(jì)算得到無縫線路零應(yīng)力時的軌溫稱為無縫線路設(shè)計(jì)鎖定軌溫；為施工方便,在設(shè)計(jì)鎖定軌溫基礎(chǔ)上,給定一范圍,稱為設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍(以下稱鎖定軌溫)。鎖定軌溫是設(shè)計(jì)、鋪設(shè)及養(yǎng)護(hù)無縫線路的重要技術(shù)資料[3]。

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)1980年以來的北京地區(qū)氣象記錄,北京地區(qū)最高軌溫為Tmax=62.6 ℃、最低軌溫為Tmin=-22.8 ℃；半徑小于等于800 m的曲線地段混凝土短軌枕配置為1 600對/km；地鐵列車最高速度80 km/h。

鋼軌鋼線脹系數(shù)α=1.18×10-5/℃、鋼軌鋼彈性模量E=210 GPa、60 kg/m鋼軌截面積A=77.45 cm2、鋼軌焊接接頭允許應(yīng)力[σ]=338.5 MPa、輪重沖擊速度系數(shù)取1,DTⅦ2型扣件縱向阻力根據(jù)其所處位置合理選用[4～5]。

2.2 按強(qiáng)度及穩(wěn)定性條件確定鎖定軌溫

無縫線路鋼軌應(yīng)保證在動彎應(yīng)力、溫度應(yīng)力及其他附加力共同作用下不被破壞,仍能正常工作。此時,要求軌溫的變化幅度不允許超出按軌道穩(wěn)定性及鋼軌強(qiáng)度要求所計(jì)算出的允許溫升[ΔTu]與允許溫降[ΔTd]。鎖定軌溫Te按下式計(jì)算[4]

式中,Tmax為鋼軌歷年最高軌溫；Tmin為鋼軌歷年最低軌溫；[ΔTd]為允許溫降；[ΔTu]為允許溫升；ΔTk為考慮軌溫環(huán)境的修正值,一般為0～5 ℃。

設(shè)計(jì)鎖定軌溫取(24±5)℃,可滿足軌溫的變化幅度不超過軌道穩(wěn)定性允許的溫升及軌道強(qiáng)度允許的溫降。且從北京地鐵8號線、13號線等多年的運(yùn)營實(shí)踐來看,(24±5)℃對于北京地鐵是合適的。

3 高架線無縫線路設(shè)計(jì)

3.1 扣件計(jì)算參數(shù)

高架線無縫線路除受機(jī)車車輛荷載、軌溫變化和列車制動等作用外,還受因橋跨結(jié)構(gòu)受溫度變化伸縮變形引起的伸縮附加力和受列車荷載作用撓曲變形引起的撓曲附加力[6]。與此同時,鋼軌通過扣件對橋跨結(jié)構(gòu)施加反作用力。為了減少附加縱向力,減小橋上扣件阻力是一種較好的措施,但過小的橋上扣件阻力會使焊接長鋼軌斷裂后產(chǎn)生過大的軌縫。因此在高架線上需采用扣壓力適中的扣件,且在伸縮區(qū)也應(yīng)該盡量減小鋼軌的縱向力。本工程中高架線固定區(qū)選用的扣件是DTⅦ2型扣件,固定區(qū)采用常阻力墊板,伸縮區(qū)采用小阻力墊板。

3.2 設(shè)計(jì)列車荷載

大興線運(yùn)行車輛為6輛編組,列車重車軸重140 kN,輕車軸重85 kN,圖1為靜載計(jì)算圖示。

圖1 列車豎向靜載計(jì)算圖式(單位：m)

3.3 軌條布置

高架線在西紅門站有一組單渡線,由2組普通60 kg/m鋼軌9號單開道岔組成,因此在單渡線前后的位置均設(shè)置了單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器的基本軌與長軌條焊聯(lián),尖軌與道岔基本軌采用凍結(jié)接頭。軌條最長約1.4 km,在(52+85+52)m大跨梁處設(shè)置了雙向伸縮調(diào)節(jié)器。軌條布置詳見圖2。

圖2 高架線軌條布置

3.4 伸縮力計(jì)算

鋼軌位移受到橋梁兩端線路縱向阻力的約束,活動端以外的線路縱向阻力阻止鋼軌向橋外位移,使活動端附近鋼軌產(chǎn)生壓力；固定端以外的線路縱向阻力抵抗鋼軌向活動端方向位移,使固定端附近鋼軌產(chǎn)生拉力,從而形成鋼軌伸縮力。多跨梁增溫時伸縮力及梁軌位移如圖3所示。

圖3 多跨梁增溫時伸縮力及梁軌位移

無縫線路鋼軌平衡微分方程為[4]

(1)

Δδkj=Δkj-δj,j=1～n；

式中ωi——鋼軌截面i以左的伸縮力圖面積；

δi——墩臺頂縱向位移；

Δδkj——橋梁的實(shí)際位移；

Δkj——橋梁的位移；

yki——鋼軌位移；

E——鋼軌的彈性模量；

F——鋼軌的斷面積；

T——作用于墩臺的伸縮縱向力,單線墩臺按橋跨兩端鋼軌伸縮力之差計(jì)算；

K——墩臺水平線剛度。

通過式(1)便可以計(jì)算得到多跨連續(xù)梁的伸縮力。

3.5 撓曲力計(jì)算

列車通過橋梁時,橋梁發(fā)生撓曲變形,其上緣受壓,下緣受拉；橋梁的撓曲變形通過扣件反作用于鋼軌,鋼軌所受的縱向力即為撓曲力。橋上無縫線路撓曲力的大小和性質(zhì),不僅隨荷載種類和位置而改變,也與橋梁跨度、扣件扣壓力有關(guān)。

本工程中為簡化撓曲力的計(jì)算,作以下假定：(1)以梁跨滿載為計(jì)算依據(jù),對多梁跨,僅考慮其中滿布列車荷載的一跨；(2)不考慮鋼軌伸縮力的影響,撓曲附加力與伸縮力分別計(jì)算；(3)荷載作用下的橋上線路縱向阻力,按地鐵列車荷載進(jìn)行計(jì)算,且為常量[6]。標(biāo)準(zhǔn)跨梁以及大跨梁的計(jì)算結(jié)果詳見表1。

3.6 斷軌力計(jì)算及斷縫檢算

橋上無縫線路斷軌力通過該梁跨及其扣件阻力傳

表1 標(biāo)準(zhǔn)跨及大跨橋梁無縫線路附加力

遞給橋墩,橋墩承受斷軌力。固定區(qū)溫度跨需要進(jìn)行斷縫檢算,當(dāng)軌縫大于一定范圍時就需要設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器,本工程中斷縫按[λ]=10 cm控制。斷縫按式(2)計(jì)算[4]

(2)

式中E——鋼軌鋼彈性模量；

F——鋼軌斷面積；

α——鋼軌鋼線膨脹系數(shù)；

ΔT——鋼軌溫差。

大跨橋梁無縫線路附加力結(jié)果見表2。

表2 大跨橋梁無縫線路附加力

4 地下線無縫線路設(shè)計(jì)

地下線無縫線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是鎖定軌溫的確定以及軌條布置。由于地下段的氣溫相對恒定,因此無縫線路附加力相對較小。另因無縫線路的附加力是通過扣件、道床直接傳給隧道結(jié)構(gòu),且此附加力與隧道結(jié)構(gòu)之間主要是靠摩擦傳遞,因此對結(jié)構(gòu)影響較小,在本工程中忽略不計(jì)。

4.1 鎖定軌溫

地下線路區(qū)間隧道夏季的最高溫度車廂設(shè)置空氣調(diào)節(jié)而車站不設(shè)置安全門時,不得高于35 ℃,區(qū)間隧道冬季最低溫度不應(yīng)低于5 ℃。列車車廂設(shè)置空調(diào)而車站設(shè)置安全門時,列車周圍空氣溫度不高于40 ℃[7]。

因此,地下線設(shè)計(jì)鎖定軌溫為24 ℃,鋪設(shè)鎖定軌溫為(24±5)℃,即19～29 ℃。地下線與高架線采用一致的鎖定軌溫,也有利于運(yùn)營后的養(yǎng)護(hù)維修。

4.2 軌條布置

本工程中由于道岔采用普通有縫道岔,因此在道岔前后不焊接,通過設(shè)置50 m緩沖區(qū)將道岔與長軌條連接。

地下線軌條布置主要是在道岔前后斷開,在長軌條與道岔之間設(shè)置緩沖區(qū),緩沖區(qū)長度為50 m。軌條布置如圖4所示。

圖4 大興地鐵地下線軌條布置

5 結(jié)語

北京市軌道交通大興線,是一條位于北京南部,整體呈南北走向的線路。該線的建成運(yùn)營,聯(lián)通了豐臺、大興2個行政區(qū),與地鐵4號線共同構(gòu)成北京市南北客運(yùn)大動脈。為了減少鋼軌接頭、消除接頭病害隱患,降低軌道振動與噪聲污染,提高旅客舒適度,大興線全線鋪設(shè)無縫線路。高架橋上與隧道內(nèi)的無縫線路鋪設(shè)有著不同特點(diǎn)，根據(jù)其不同特點(diǎn)確定線路的設(shè)計(jì)參數(shù)、鎖定溫度,并進(jìn)行穩(wěn)定性檢算后,開展無縫線路設(shè)計(jì)。

通過地鐵大興線無縫線路設(shè)計(jì),總結(jié)以下設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

(1)大興線全線鋪設(shè)無縫線路,提高了線路的平順性、延長了軌道部件的使用壽命,增進(jìn)了旅客舒適度；

(2)在高架線無縫線路中設(shè)置了緩沖區(qū),保留了部分鋼軌接頭,雖然縮短了長軌條的長度,但是有利于無縫線路的安全及穩(wěn)定,但同時在局部地段影響了線路的平順性,需要在后繼的設(shè)計(jì)中深入研究,盡量取消緩沖區(qū)的設(shè)置,減少鋼軌接頭；

(3)在高架橋無縫線路鋪設(shè)小阻力扣件可減少鋼軌縱向力,降低軌道對高架結(jié)構(gòu)的附加力；

(4)鎖定軌溫的確定以及無縫線路區(qū)段劃分是無縫線路設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵,應(yīng)根據(jù)高架橋、隧道、U形槽不同地段軌溫條件等設(shè)置；

(5)高架橋道岔前后分別設(shè)置兩組單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,并經(jīng)檢算后,在區(qū)間線路適當(dāng)位置設(shè)雙向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。地下線隧道內(nèi)、U形槽地段均可不設(shè)。伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置應(yīng)通過計(jì)算確定,且在線路中應(yīng)盡量少用；

(6)地下段無縫線路設(shè)計(jì)中,當(dāng)采用普通道岔時,應(yīng)在道岔前后各50 m范圍內(nèi)設(shè)置緩沖區(qū)。

參考文獻(xiàn)：

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