城市軌道交通軌道系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念探討

江萬(wàn)紅，姚 力，龐 玲

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031 )

城市軌道交通軌道系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念探討

江萬(wàn)紅，姚 力，龐 玲

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031 )

軌道系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)歸納與總結(jié)，概括出了軌道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念：設(shè)法延長(zhǎng)軌道部件壽命，努力提高行車舒適性，合理開(kāi)展軌道減振降噪設(shè)計(jì)，盡量提高列車運(yùn)行速度。同時(shí)，從軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀出發(fā)，探討了實(shí)現(xiàn)城市軌道交通軌道系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的思路和措施。

軌道系統(tǒng)； 可持續(xù)發(fā)展； 設(shè)計(jì)理念； 思路； 措施

作為城市軌道交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)要求。本文基于軌道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念，通過(guò)歸納和總結(jié)近年來(lái)國(guó)家高速與重載鐵路軌道結(jié)構(gòu)采用的新技術(shù)、新工藝，探討將其應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)的可行性。

1 軌道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念

從結(jié)構(gòu)組成來(lái)講，軌道系統(tǒng)包括鋼軌、扣件、軌枕、道床、道岔以及無(wú)縫線路與減振降噪設(shè)計(jì)。

軌道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念應(yīng)著眼于節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境，同時(shí)注重“以人為本”。概括起來(lái)，軌道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念為：設(shè)法延長(zhǎng)軌道部件壽命，努力提高行車舒適性，合理開(kāi)展軌道減振降噪設(shè)計(jì)，盡量提高列車運(yùn)行速度。

2 延長(zhǎng)軌道部件壽命

軌道部件種類繁多，縱觀近年來(lái)城市軌道交通軌道系統(tǒng)暴露的問(wèn)題，主要還是集中在鋼軌波磨以及道岔尖軌與轍叉剝離掉塊上。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)歸納與總結(jié)，本文提出了以下解決思路。

2.1 鋪設(shè)U75V熱軋鋼軌

鋼軌材質(zhì)選型需考慮線路條件、磨耗特性及養(yǎng)護(hù)維修等諸多因素。目前國(guó)內(nèi)可供選擇的常用鋼軌材質(zhì)主要有U71Mn和U75V兩種。U71Mn鋼軌與U75V鋼軌主要技術(shù)性能[1]比較見(jiàn)表1。

表1 U71Mn鋼軌與U75V鋼軌主要性能比較

研究表明，鋼軌與車輪的硬度比宜控制在1.1～1.2之間。由表1可知，鋪設(shè)U75V熱軋鋼軌是合適方案。從國(guó)內(nèi)地鐵運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀來(lái)看，鋪設(shè)U75V熱軋鋼軌的思路是正確的，達(dá)到相等磨耗時(shí)，鋪設(shè)U75V熱軋鋼軌較鋪設(shè)U71Mn熱軋鋼軌晚2～3年。

2.2 強(qiáng)化道岔尖軌

目前，城市軌道交通道岔尖軌一般采用軋制的矮型特種斷面珠光體鋼軌，由道岔生產(chǎn)廠經(jīng)鍛、銑、削、熱處理等工序加工而成。由于尖軌斷面不對(duì)稱導(dǎo)致熱處理困難，強(qiáng)度和硬度都不能滿足需要，造成出現(xiàn)不耐磨、剝離掉塊等傷損。

國(guó)內(nèi)外為改善尖軌的耐磨性能，主要采用以下兩種方式。

2.2.1 改善尖軌材質(zhì)

軋制貝氏體尖軌替代珠光體尖軌。

2.2.2 改善熱處理方式

激光相變處理技術(shù)：采用激光相變處理技術(shù)對(duì)鋼軌表面進(jìn)行強(qiáng)韌化處理。

層流等離子體強(qiáng)化技術(shù)：采用層流等離子技術(shù)[2]使得軌面加熱區(qū)形成較寬較深的超細(xì)針狀馬氏體組織，達(dá)到僅強(qiáng)化鋼軌表層的目的。

由于貝氏體尖軌制造成本高昂，同時(shí)激光相變處理所需的激光器成本高、一次性投資大，并不適應(yīng)大批量生產(chǎn)，因此，本文建議采用層流等離子體技術(shù)強(qiáng)化道岔尖軌。

2.3 鋪設(shè)合金鋼組合轍叉

目前，道岔中的轍叉一般采用高錳鋼整鑄轍叉，由于高錳鋼整鑄轍叉機(jī)械性能較差，同時(shí)容易存在鑄造缺陷，造成高錳鋼整鑄轍叉出現(xiàn)疲勞裂紋、心軌磨耗到限和剝離掉塊等現(xiàn)象。

為解決轍叉失效問(wèn)題，可采用合金材料制造心軌。合金鋼轍叉[3]心軌采用奧貝氏體耐磨合金材料，抗拉強(qiáng)度≥1240 MPa，延伸率≥8%，室溫沖擊韌性≥60 J/cm2,硬度HRC37-42，可經(jīng)鍛造成形后機(jī)械加工為組合轍叉心軌。翼軌及叉跟軌同樣需要采用奧貝氏體耐磨合金材料制作，轍叉心軌與叉跟軌之間采用栓接。

合金鋼組合轍叉通過(guò)總重可以達(dá)到2×108t以上，是普通高錳鋼整鑄轍叉3-4倍。針對(duì)城市軌道交通軌道系統(tǒng)的特點(diǎn)，建議推廣使用。

3 提高行車舒適性

提高行車舒適性是城市軌道交通軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)注重“以人為本”的直接體現(xiàn)，通過(guò)借鑒高速鐵路的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，本文提出了以下解決思路。

3.1 鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路

目前，城市軌道交通基于道岔尖軌更換頻繁、高錳鋼整鑄轍叉可焊性差等因素，基本都是采用區(qū)間無(wú)縫線路，造成列車過(guò)岔時(shí)振動(dòng)強(qiáng)烈，引起旅客評(píng)價(jià)不高。強(qiáng)化尖軌以及采用高錳鋼組合轍叉后，給鋪設(shè)無(wú)縫道岔創(chuàng)造了條件。采用無(wú)縫道岔后，軌道系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)跨區(qū)間無(wú)縫線路[4]，對(duì)列車振動(dòng)及噪聲將有很大程度的緩解，同時(shí)為道岔的壽命延長(zhǎng)也是促進(jìn)。

3.2 道岔剛度均勻化

區(qū)間軌道的剛度沿線路縱向呈均勻分布。岔區(qū)軌道相對(duì)區(qū)間線路而言，其結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，使岔區(qū)軌道剛度與區(qū)間軌道剛度、岔區(qū)自身軌道剛度沿線路縱向不再均勻分布，呈現(xiàn)很強(qiáng)的突變性。

道岔剛度均勻化[5]就是針對(duì)道岔內(nèi)部不同部位采用不同扣件剛度使其達(dá)到與區(qū)間軌道相當(dāng)?shù)恼w剛度。通過(guò)優(yōu)化道岔區(qū)剛度設(shè)計(jì)，并推廣鋪設(shè)，可達(dá)到提高車輛過(guò)岔舒適性，延長(zhǎng)道岔部件的使用壽命，大幅度減少道岔區(qū)工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修的目的。

3.3 引入軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)

通過(guò)分析城市軌道交通軌道施工技術(shù)特點(diǎn)，傳統(tǒng)基標(biāo)法軌道測(cè)量體系存在諸多不足，如導(dǎo)線測(cè)量易造成誤差積累、對(duì)中誤差大等。

為提高軌道結(jié)構(gòu)的平順性及建成后的養(yǎng)護(hù)維修水平，建議將高速鐵路無(wú)砟軌道建設(shè)的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)[6]測(cè)量與無(wú)砟軌道精調(diào)的相關(guān)技術(shù)引入城市軌道交通，對(duì)軌道的幾何狀態(tài)進(jìn)行精密檢測(cè)和精確調(diào)整。

采用軌道精密測(cè)量體系(CPⅢ測(cè)量)，可大大提高軌道的初始平順性，提供更穩(wěn)定的走行軌道，對(duì)減振降噪、減少輪軌磨耗以及提高乘車舒適性效果顯著。

4 合理開(kāi)展軌道減振降噪設(shè)計(jì)

軌道減振降噪是處理城市軌道交通與環(huán)境和諧發(fā)展的重要手段之一。合理開(kāi)展軌道減振降噪設(shè)計(jì)應(yīng)包含合理確定減振降噪需求與合理開(kāi)展減振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.1 合理確定減振降噪需求

關(guān)于減振需求，目前一般采用模式法預(yù)測(cè)工程運(yùn)營(yíng)后的環(huán)境振動(dòng)值。關(guān)于降噪需求，主要針對(duì)高架及地面線路開(kāi)展預(yù)測(cè)，很少對(duì)地下線輪軌噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文建議引入振動(dòng)地圖與噪聲地圖合理確定減振降噪需求。

4.1.1 振動(dòng)地圖

建立綜合考慮車輛、軌道、隧道、地基、地面結(jié)構(gòu)物的系統(tǒng)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，最終形成沿線條帶振動(dòng)預(yù)測(cè)圖，即振動(dòng)地圖?？捎?jì)算得出結(jié)構(gòu)物動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，與二次結(jié)構(gòu)噪聲。

4.1.2 噪聲地圖

建立反映某特定區(qū)域噪聲的地圖(噪聲地圖)意義重大。輪軌噪聲通過(guò)車輛、軌道、隧道或橋梁耦合模型計(jì)算得出，然后通過(guò)邊界元可計(jì)算出聲場(chǎng)處某點(diǎn)的聲壓值。最后疊加上集電系統(tǒng)噪聲，空氣動(dòng)力噪聲即可形成沿線條帶狀噪聲地圖。

通過(guò)振動(dòng)與噪聲地圖可以給新建鐵路的選線、軌道選型以及減振降噪措施的決策等提供指導(dǎo)。

4.2 合理開(kāi)展軌道減振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1 嚴(yán)格控制減振分級(jí)

目前，國(guó)內(nèi)城市軌道交通的軌道減振分級(jí)無(wú)統(tǒng)一規(guī)定。減振分級(jí)較少時(shí)，便于運(yùn)營(yíng)管理，但經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。減振分級(jí)較多時(shí)，減振產(chǎn)品種類繁多，運(yùn)營(yíng)管理難度加大。建議嚴(yán)格控制軌道減振分級(jí)為三級(jí)，即中等、高等及特殊。

4.2.2 合理確定減振系統(tǒng)整體剛度

對(duì)于減振效果與輪軌安全在減振系統(tǒng)整體剛度上是一對(duì)矛盾體，國(guó)內(nèi)某些軌道交通線路出現(xiàn)了鋼軌嚴(yán)重波磨[7]與軌道整體剛度肯定存在必然聯(lián)系。軌道系統(tǒng)進(jìn)行減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行車輛、軌道耦合動(dòng)力學(xué)分析，減振系統(tǒng)剛度確定應(yīng)避開(kāi)共振區(qū)。除重視減振系統(tǒng)豎向整體剛度外還應(yīng)強(qiáng)化減振系統(tǒng)橫向剛度，橫向剛度不足將會(huì)導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)軌距不穩(wěn)，在小半徑地段出現(xiàn)鋼軌外翻，嚴(yán)重時(shí)引起彈條斷裂。

4.2.3 重視軌道降噪處理措施

目前，在城市軌道交通軌道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)減振的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降噪，尤其是地下線基本很少考慮噪聲污染。由于大量采用低剛度軌道減振措施，造成輪軌下沉量偏大，列車運(yùn)行于減振地段時(shí)，輪軌噪聲放大明顯。

振動(dòng)衰減率[8]是一個(gè)整體性概念，反映的是振動(dòng)波在軌道中的傳遞衰減情況，如果衰減率小，表明振動(dòng)衰減慢，傳遞得遠(yuǎn)，鋼軌輻射噪聲將會(huì)明顯。本文建議將軌道振動(dòng)衰減率的測(cè)試引入城市軌道交通的減振降噪設(shè)計(jì)，以全面評(píng)價(jià)軌道減振降噪設(shè)計(jì)是否合理，避免走向僅重視減振需求的極端。

5 盡量提高列車運(yùn)行速度

目前，國(guó)內(nèi)地鐵普遍采用ATC信號(hào)系統(tǒng)，具有ATP/ATO功能。當(dāng)列車在運(yùn)行過(guò)程中觸發(fā)了緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線時(shí)，列車可能達(dá)到的最高速度一般在緊急制動(dòng)觸發(fā)速度上會(huì)增加約5 km/h，即達(dá)到列車最大運(yùn)行速度為VNE。針對(duì)軌道系統(tǒng)，VNE不能大于要求的土建限速。提高軌道系統(tǒng)土建限速主要包含提高曲線限速與道岔側(cè)向限速兩方面的內(nèi)容。

5.1 提高軌道系統(tǒng)曲線限速

5.1.1 建議執(zhí)行“寧過(guò)不欠”的超高設(shè)置思路

曲線超高設(shè)置過(guò)程中，軌道專業(yè)首先需要根據(jù)行車專業(yè)開(kāi)放的速度時(shí)分曲線計(jì)算出每個(gè)曲線的最大速度與最小速度，二者取平均得到平均速度。建議在平均速度的基礎(chǔ)上提高一定的幅值后作為曲線的最終條件計(jì)算超高，即執(zhí)行“寧過(guò)不欠”的超高設(shè)置，提高幅值可按5～10 mm超高值考慮，針對(duì)半徑R=400 m曲線，列車運(yùn)行速度可提高約2 km/h。

5.1.2 合理確定最大容許欠超高值

軌道最大容許欠超高的確定涉及軌道結(jié)構(gòu)安全、行車舒適度及行車穩(wěn)定性三方面的內(nèi)容。由軌道結(jié)構(gòu)安全、行車穩(wěn)定性控制的最大容許欠超高一般較大，考慮到地鐵為人性化的載客系統(tǒng)，一般按照舒適度來(lái)控制最大容許欠超高(表2)。

表2 相關(guān)規(guī)范對(duì)容許欠超高值的規(guī)定 mm

最大容許欠超高分別取61 mm、75 mm、90 mm時(shí)，針對(duì)半徑R=400 m曲線，曲線土建限速分別為78 km/h、81 km/h、84 km/h。目前，軌道系統(tǒng)的土建限速一般都是按照欠超高61 mm取值計(jì)算，顯得較保守，若采用75 mm取值將提高土建限速3 km/h。

地鐵列車車內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定因素應(yīng)重點(diǎn)考慮，本文建議最大欠超高值采用75 mm較合適。

5.2 提高道岔側(cè)向限速

為保證列車平穩(wěn)通過(guò)道岔，我國(guó)建議將離心加速度的容許限度值取為0.5～0.65 m/s2。這一指標(biāo)建立了速度與道岔導(dǎo)曲線半徑的聯(lián)系。通過(guò)總結(jié)分析我國(guó)道岔的側(cè)向限速情況，9號(hào)及以下的道岔一般按照欠超高75 mm確定限速，12號(hào)及以上道岔大致按照欠超高90 mm確定限速(表3)。

表3 常用道岔限速情況 km/h

通過(guò)上述分析得知，通過(guò)改變道岔結(jié)構(gòu)提高側(cè)向過(guò)岔速度是有限的，最有效的辦法是將有能力需求的道岔采用大號(hào)碼道岔，當(dāng)然大號(hào)碼道岔長(zhǎng)度將會(huì)增長(zhǎng)，但總的折返時(shí)間是節(jié)省的。

6 結(jié)論

本文通過(guò)歸納與總結(jié)，概括出了軌道系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)理念。針對(duì)延長(zhǎng)軌道部件壽命問(wèn)題，提出了全線鋪設(shè)U75V熱軋鋼軌、采用層流等離子體強(qiáng)化尖軌、鋪設(shè)奧貝氏體合金鋼組合轍叉三種建議措施。針對(duì)提高行車舒適性問(wèn)題，提出了全線鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路、進(jìn)行道岔剛度均勻化處理、引入高精度軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)三種建議措施。針對(duì)合理開(kāi)展軌道減振降噪設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了運(yùn)用振動(dòng)與噪聲地圖合理確定需求，同時(shí)嚴(yán)格控制減振分級(jí)與減振系統(tǒng)整體剛度的建議，最后建議引進(jìn)通過(guò)測(cè)定振動(dòng)衰減率的方法以評(píng)價(jià)減振降噪的合理性。針對(duì)盡量提高列車運(yùn)行速度問(wèn)題，提出了“寧過(guò)不欠”進(jìn)行超高設(shè)置、最大容許欠超高取值75 mm以及折返道岔采用大號(hào)碼道岔三項(xiàng)建議。

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江萬(wàn)紅(1982～)，男，碩士，工程師；姚力(1971～)，男，碩士，教授級(jí)高工；龐玲(1980～)，男，學(xué)士，工程師。

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[定稿日期]2015-01-28