現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)軌道工程關(guān)鍵技術(shù)分析

丁靜波

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)軌道工程關(guān)鍵技術(shù)分析

丁靜波

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

國內(nèi)許多城市相繼規(guī)劃建設(shè)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)項(xiàng)目,低地板技術(shù)的現(xiàn)代有軌電車造型新穎、舒適、轉(zhuǎn)彎半徑小的特點(diǎn)突出。軌道工程作為有軌電車中最重要組成系統(tǒng)之一,承受車輛的荷載,并引導(dǎo)車輛運(yùn)行。針對(duì)有軌電車系統(tǒng)特點(diǎn),闡述有軌電車主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)差異性,結(jié)合目前國內(nèi)外有軌電車軌道工程結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀,重點(diǎn)分析軌道系統(tǒng)中鋼軌形式、扣件、道岔、道床結(jié)構(gòu)及減振降噪5個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)問題,提出一些設(shè)計(jì)見解和建議。特別針對(duì)現(xiàn)代有軌電車維修困難和振動(dòng)噪聲問題,提出的軌道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念。

有軌電車；軌道工程；減振降噪

1 概述

有軌電車屬于中等運(yùn)量系統(tǒng)，在我國發(fā)展比較早，但大部分城市因與周邊環(huán)境和規(guī)劃不相協(xié)調(diào)而拆除，代之以無軌電車，截止2006年，國內(nèi)僅剩長春、大連仍在運(yùn)營。隨著國內(nèi)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，低地板技術(shù)的現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)為更大運(yùn)量的地鐵網(wǎng)絡(luò)添枝加葉，造型新穎、舒適、轉(zhuǎn)彎半徑小的特點(diǎn)也很突出[1]，國內(nèi)北京、沈陽、蘇州、珠海等城市相繼規(guī)劃建設(shè)?，F(xiàn)代有軌電車與地鐵、常規(guī)公交共同承擔(dān)公交客流，具有道路交通和軌道交通雙重特性，有效與城市自然人文環(huán)境、商業(yè)融合，以環(huán)保、人性化的形象又重新進(jìn)入了公共視野，實(shí)現(xiàn)城市交通效益最大化[2]。

軌道結(jié)構(gòu)是有軌電車系統(tǒng)中最重要組成部分之一，承受列車的動(dòng)荷載，并引導(dǎo)列車運(yùn)行。與地鐵不同，軌道在建設(shè)投資中占比增加，但車站建筑結(jié)構(gòu)土建資金減少。以蘇州高新區(qū)有軌電車1號(hào)線工程為例，總長為17.8 km，第一部分建管工程費(fèi)用為18.44億元，軌道工程2.56億元，不含道路綠化及鋪裝費(fèi)用，占比13.9%，在所有設(shè)備系統(tǒng)投資最高[3]。

目前針對(duì)有軌電車相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)仍不完善，部分技術(shù)仍在整套從國外引進(jìn)，因此有必要針對(duì)現(xiàn)代有軌電車相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。重點(diǎn)介紹現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)軌道工程關(guān)鍵技術(shù)。

2 現(xiàn)代有軌電車工程特點(diǎn)

(1)混合路權(quán)。有軌電車以地面為主，采用人工駕駛模式，獨(dú)立路權(quán)少于40%，在一定程度上是混行，槽形軌、扣件、道岔、道床等軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)突出。

(2)旅行速度低。現(xiàn)代有軌電車的特征之一就是采用70%或100%低地板車輛，其最高構(gòu)造速度可達(dá)到70 km/h，結(jié)合不同的站間距布置，實(shí)際旅行速度僅為15～25 km/h，低于地鐵旅行速度不低于35 km/h的標(biāo)準(zhǔn)。

(3)轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力強(qiáng)?，F(xiàn)代有軌電車車輛通過最小曲線半徑18 m，最大爬坡能力可達(dá)80‰。另外，采用獨(dú)立輪或完全徑向轉(zhuǎn)向架，小半徑曲線地段的軌距可不加寬。

3 主要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)軌距

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)軌距是鋼軌頭部踏面下16 mm范圍內(nèi)兩股鋼軌工作邊之間的最小距離。有軌電車采用槽形軌，執(zhí)行《鐵路應(yīng)用-軌道-特殊用途的鋼軌-槽形軌及相關(guān)結(jié)構(gòu)軌》(DIN EN 14811：2010)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定軌距位置應(yīng)在軌頂中心、軌頭R13圓弧處、軌頂下14 mm范圍。

(2)軌頂坡

國鐵軌枕承軌槽或扣件鐵墊板按1/20～1/40設(shè)置軌底坡。有軌電車槽形軌軌頂設(shè)置了1/40斜面，又稱為“軌頂坡”，因此配套的軌枕或扣件應(yīng)設(shè)計(jì)成平坡。

(3)曲線超高值

現(xiàn)代有軌電車采用低地板技術(shù)，車體重心更低，列車在曲線上的穩(wěn)定條件n>5，屬于穩(wěn)定平衡，安全可靠。結(jié)合《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D20—2006)的規(guī)定，曲線超高的設(shè)置應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)速度、圓曲線半徑、公路條件、自然條件等確定，一般地區(qū)最大超高率8%，積雪冰凍地區(qū)6%[4]。若按《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)換算成曲線最大超高分別為120 mm和90 mm[6]。

(4)曲線加寬

現(xiàn)代有軌電車主要采用獨(dú)立輪轉(zhuǎn)向架，車軸要使用U型軸，左右兩車輪解耦，運(yùn)行時(shí)車軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪分別獨(dú)立自由旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，轉(zhuǎn)速可以不同[5]。通過曲線時(shí)沒有滑動(dòng)和摩擦，且減少輪軌間的磨損和噪聲，小半徑曲線地段的軌距可不加寬。

4 現(xiàn)代有軌電車軌道工程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鋼軌型式

國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車正線主要采用60R2或59R2槽形軌，車場線采用50 kg/m鋼軌。除車場線外，全線均鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，焊接、應(yīng)力放散、曲線半徑R≤50 m預(yù)彎是技術(shù)難點(diǎn)[7]。槽形軌焊接有鋁熱焊和閃光焊二種型式，目前國內(nèi)在TB/T1632《鋼軌焊接》的基礎(chǔ)上已開展了相關(guān)焊接的研究，成果已服務(wù)于蘇州、南京、沈陽有軌電車項(xiàng)目，見圖1。

圖1 槽形軌鋁熱焊和移動(dòng)閃光焊

由于槽形鋼軌橫向抗彎剛度比大，常規(guī)彎軌方法難以實(shí)現(xiàn)，需要二次以上預(yù)彎，操作不當(dāng)容易造成應(yīng)力不均，甚至回彈傷及軌道。以曲線半徑R=25 m為例，圓曲線正矢計(jì)算公式：f=1 000C2/8R，其中，f為圓曲線正矢，C為弦長25 m，正矢f=3 125 mm，必須現(xiàn)場二次彎軌。

4.2 扣件結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有扣件選型基本是在國鐵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)的方案或全套引進(jìn)，如福斯羅的T-tram扣件系統(tǒng)。由于現(xiàn)代有軌電車扣件被不同型式鋪裝材料填充，維護(hù)很困難，為控制投資，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)簡化，混行條件下，應(yīng)適當(dāng)提高扣件剛度，增強(qiáng)絕緣性能。

在頻繁列車荷載作用下，過大的鋼軌垂向和橫向位移會(huì)對(duì)相鄰路面結(jié)構(gòu)造成開裂破壞。參照國外經(jīng)驗(yàn)，在50 Hz的條件下，要求鋼軌垂向位移控制在1.2～1.5 mm。采用有限元方法分析位移與扣件靜剛度關(guān)系，為達(dá)到預(yù)期位移控制目標(biāo)，扣件靜剛度應(yīng)在156 kN/mm及以上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用彈片或扣板式最優(yōu)，見圖2[8]。例如潘德羅有軌電車用Nabla扣件，屬于剛性扣件，其設(shè)計(jì)靜剛度為35 MN/mm以上。

圖2 有限元分析鋼軌位移和扣件示意

按EN13146—5《鐵路設(shè)施.路軌.緊固系統(tǒng)試驗(yàn)方法.第5部分:電阻測定》方法，測試鋼軌對(duì)地電阻，要求不低于15 Ω·km，但目前扣件很難達(dá)到。采取全封閉的防護(hù)罩、高分子材料及柔性材料等措施，以Nabla扣件為例，其測試對(duì)地電阻可達(dá)到22 Ω·km以上。

早期有軌電車軌道結(jié)構(gòu)全壽命基本在10年左右，低于與同期實(shí)施的路面壽命，維修更換也十分困難。為了解決此問題，用連續(xù)彈性材料全封閉包裹走行鋼軌，與路面結(jié)構(gòu)鋪裝層隔離，實(shí)現(xiàn)可維修性，也具有良好的絕緣性能，這樣就可以少用或甚至不用扣件。該系統(tǒng)國外最早在20世紀(jì)90年代初期應(yīng)用，運(yùn)營至今狀態(tài)良好，同時(shí)優(yōu)化了包裹材料性能，預(yù)期使用年限可達(dá)到20～30年，此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)是今后發(fā)展趨勢之一，見圖3。

圖3 連續(xù)彈性全密封件結(jié)構(gòu)

4.3 道岔結(jié)構(gòu)

有軌電車旅行速度低，道岔以小號(hào)碼道岔為主，國內(nèi)常用3號(hào)、6號(hào)道岔。其中，6號(hào)系列道岔采用槽形軌，3號(hào)系列道岔采用50 kg/m鋼軌，道岔全長L、前長a、后長b、導(dǎo)曲線半徑R、直向通過速度V直、側(cè)向通過速度V側(cè)、轍叉角，詳見表1。

表1 有軌電車主要道岔型式尺寸參數(shù)

我國鐵路道岔設(shè)計(jì)實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，實(shí)現(xiàn)通用化、系列化，以降低成本。國外有軌電車主要有4、6、7、9號(hào)4個(gè)道岔號(hào)數(shù)系列，均可與59R1、59R2、60R1、60R2槽形軌配套，可根據(jù)客戶曲線半徑、轍叉角靈活設(shè)計(jì)。有軌電車系統(tǒng)需結(jié)合既有城市道路周邊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)不同跨路口自由轉(zhuǎn)換功能，常用的菱形交叉、三開道岔、直角交叉等特殊道岔，見圖4[9]。車場線采用梯形道岔，其轉(zhuǎn)轍器首尾相連，轍叉公用，可大大節(jié)約占地。

圖4 菱形交叉、三開道岔、直角交叉道岔

國內(nèi)最早大連現(xiàn)代有軌電車設(shè)計(jì)Ri60槽形軌6號(hào)道岔，其轉(zhuǎn)轍器、轍叉均采用高錳鋼整鑄，尖軌設(shè)置1個(gè)牽引點(diǎn)，設(shè)計(jì)動(dòng)程為50 mm，鋪設(shè)彈條Ⅰ型扣件，適用于有縫線路。為提高列車的平順性，以及道岔耐磨性，目前現(xiàn)代有軌電車軌道系統(tǒng)均鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，槽形軌配套道岔仍需國外引進(jìn)。該道岔采用合金材質(zhì)，設(shè)置一個(gè)牽引點(diǎn)，彈性可彎結(jié)構(gòu)，道岔內(nèi)均焊接，每隔1 500 mm左右設(shè)置1處拉連桿，以確保其幾何形位，可不設(shè)置岔枕，見圖5。

圖5 道岔及道床支承結(jié)構(gòu)

4.4 道床結(jié)構(gòu)

道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力即要滿足輪重≮12.5 t要求，又應(yīng)達(dá)到《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2003)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。整體道床結(jié)構(gòu)由下部基礎(chǔ)，中間道床結(jié)構(gòu)，上部鋪裝層3部分組成，其中基礎(chǔ)及鋪裝按公路相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，中間道床設(shè)計(jì)執(zhí)行鐵路相關(guān)規(guī)范。結(jié)合城市周邊景觀要求和路權(quán)不同，鋪裝材料有綠化、盆栽、瀝青混凝土、磚鋪面等形式。

有軌電車整體道床鋪裝層與槽形軌結(jié)合面，極易產(chǎn)生裂紋被破壞，維修十分困難，見圖6。列車頻繁沖擊位移是原因之一，另外還與道床結(jié)構(gòu)溫度梯度效應(yīng)相關(guān)。鋼軌和混凝土材料的線膨脹系數(shù)非常接近，但路表面溫度高于軌底溫度，參照國外資料，表面溫度可達(dá)270華氏度，軌底溫度僅為86華氏度，這種溫度梯度易造成溫度翹曲疲勞傷損[10]。

圖6 有軌電車道床結(jié)構(gòu)破壞

為預(yù)防鋼軌垂向和橫向位移會(huì)對(duì)相鄰路面結(jié)構(gòu)造成開裂破壞，建議在槽形軌設(shè)置緩沖隔離，另外為便于維修更換，鋪裝層可采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，見圖7。道床設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)高度為500 mm，槽形軌兩側(cè)均用柔性材料全封閉包裹，下部基礎(chǔ)均按《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)設(shè)計(jì)，中間道床鋪設(shè)整體道床，鋪裝層則采用預(yù)制結(jié)構(gòu)。

圖7 鋪裝整體道床結(jié)構(gòu)橫斷面

4.5 減振降噪技術(shù)

早期的有軌電車被淘汰主要原因之一車輛振動(dòng)噪聲對(duì)周圍環(huán)境影響較大，對(duì)路面破壞很嚴(yán)重。參照國外的經(jīng)驗(yàn)，在槽形軌兩側(cè)包裹不同柔性材料是減振降噪有效方式之一，見圖8。槽形軌包裹有阻尼損失系數(shù)的彈性體結(jié)構(gòu)，可增大鋼軌振動(dòng)衰減率，縮短振動(dòng)波沿鋼軌的傳播長度，減少鋼軌振動(dòng)，降低了噪聲輻射能量，特別對(duì)400 Hz以上的中高頻段效果更優(yōu)[11]。

圖8 槽形軌用不同柔性材料

5 結(jié)語

我國有軌電車發(fā)展很早，但技術(shù)發(fā)展比較緩慢，相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不完善。國鐵或地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不能直接引用，還應(yīng)參照一些公路規(guī)范的要求。軌道作為一個(gè)系統(tǒng)，具有系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的特點(diǎn)。隨著各城市現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目建設(shè)的發(fā)展和路網(wǎng)增多，標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)規(guī)范設(shè)計(jì)、最大程度實(shí)現(xiàn)資源共享、提高綜合效率、同時(shí)降低管理成本具有重要意義。因此，通過對(duì)國內(nèi)外有軌電車關(guān)鍵技術(shù)分析，結(jié)合國內(nèi)外設(shè)計(jì)理念，加快自主設(shè)計(jì)，推行標(biāo)準(zhǔn)化，以適應(yīng)當(dāng)今城市軌道交通發(fā)展的需求。

[1]沈景炎.對(duì)現(xiàn)代有軌電車建設(shè)與發(fā)展的思考[J].交通與運(yùn)輸，2013(5)：1-3.

[2]姚之浩.國外有軌電車交通的發(fā)展與啟示[J].上海城市規(guī)劃，2010(6)：69-72.

[3]上海城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院.蘇州高新區(qū)有軌電車1號(hào)線工程可行性研究報(bào)告[R].上海：上海城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院，2011.

[4]郝晨琦.關(guān)于公路的超高及其過渡段的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].科學(xué)之友，2010(6)：1-3.

[5]苗彥英.低地板有軌電車車輛技術(shù)特征[J].城市軌道交通研究，2013(4)：39-43.

[6]北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2013.

[7]王宏偉，等.沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車工程特點(diǎn)[J].都市快軌交通，2013(5)：10-14.

[8]許紹輝，等.加載頻率對(duì)高速鐵路無砟軌道扣件彈性墊層剛度影響的試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2014(4)：115-116.

[9]蔣昕.城市軌道交通用60 kg/m鋼軌9號(hào)對(duì)稱三開道岔的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(8):41-42.

[10]王森榮.無砟軌道板溫度測量與溫度應(yīng)力分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(2)：52-54.

[11]曾欽娥，等.阻尼鋼軌的降噪性能試驗(yàn)[J].聲學(xué)技術(shù)，2012，31(1)：98-100.

收稿日期：2014-11-10； 修回日期：2014-12-02

Analysis of Key technologies in Modern Tram System Track Engineering

DING Jing-bo

(Rail Engineering Design & Research Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Many domestic cities plan to construct modern tram system project equipped with modern low floor vehicles characteristic of novelty, comfort and small turning radius. Track engineering is taken as the most important part of the tram system, which bears vehicle load and guides the vehicle operation. This paper focuses on tram system characteristics, addresses the differences in key main technical standards, and analyses the problems related to such key technologies as rails type, fastener, switch, track bed structure and vibration reduction with reference to current domestic and international tramway projects, and puts forward some design concepts and suggestions. Especially, the difficulties in modern tram maintenance and the problems of vibration and noise are discussed and optimization of design concepts is presented.

Modern tram; Track engineering; Vibration and noise reduction

2014-11-24；

2014-12-21

丁靜波(1979—)，男，高級(jí)工程師，2002年畢業(yè)于西南交通

大學(xué)土木工程學(xué)院，工學(xué)學(xué)士，E-mail:dingjbo@163.com。

1004-2954(2015)08-0022-04

U239.5； U213.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.005