城市地鐵的軌道結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

吳樂

摘要：當(dāng)前，我國(guó)各大城市都在加快地鐵等軌道交通的建設(shè) ，但是地鐵的軌道結(jié)構(gòu)相關(guān)研究仍不夠完善。本文以軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌、扣件、軌枕、道床等組成構(gòu)件為研究對(duì)象，對(duì)其選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。以深圳地鐵九號(hào)線為例，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)進(jìn)行了案例分析。本文的研究成果可為地鐵軌道等相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。

Abstract： At present， urban rail lines are under construction in many cities of China. However， the study on rail track structure is not sufficient. In this paper， the components of rail track structure， including steel rail，? fastener， ballast and so on， are investigated. The type selection and design of above components are discussed. The Shenzhen rail line nine is used as an example for the type selection and design of these components. This paper offers a reference for the relative engineering and technical personnel.

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;地鐵;軌道結(jié)構(gòu);選型與設(shè)計(jì)

Key words： urban rail transit;subway;track structure;selection and design

中圖分類號(hào)：U231.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0126-04

1? 發(fā)展概況

過去幾十年，我國(guó)的軌道交通發(fā)展非常迅猛[1]。1971年，我國(guó)第一條地鐵在北京開始試運(yùn)營(yíng)。如表1所示，截至2019年5月，我國(guó)共有38個(gè)城市（含香港和臺(tái)灣）擁有軌道交通在運(yùn)營(yíng)，總里程5639.88公里，車站3613座，覆蓋大約3億左右的人口，每天運(yùn)送7000多萬(wàn)的乘客。

軌道交通在各大城市居民的日常出行中，占據(jù)越來(lái)越重要的地位，因此，各大城市也在積極突進(jìn)軌道交通的建設(shè)[2-6]。以深圳市為例，目前深圳運(yùn)行的軌道交通線路共有9條，其中一條為有軌電車。但是，2019年目前在建的軌道線路（包括延長(zhǎng)線）達(dá)到17條：12、13、14、16、6、6支線、6南延、8、10、20、2東延、3東延、3南延、4北延、5南延、9南海大道支線、9西延。

軌道交通的建設(shè)也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，受到許多專家和學(xué)者的重要。例如，祁帆（2015）以上海地鐵為例，分析了地下車站排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題[7]。李平（2019）以廣州市海珠區(qū)有軌電車為例，對(duì)其軌道工程施工的鋼軌、鋼軌護(hù)套、道岔以及平交道口軌道等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析[8]。劉乃宗（2019）探討了地鐵車輛段的平面設(shè)計(jì)問題，并用價(jià)值工程理論進(jìn)行了分析[9]。房愛民等（2019）以北京地鐵為例，研究了車站冷卻塔的設(shè)置問題[10]。

雖然地鐵建設(shè)是個(gè)研究熱點(diǎn)，但是較少研究關(guān)注地鐵的軌道結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)問題。軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌枕、道床等組成。軌道結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合本線的客流、運(yùn)量、軸重和運(yùn)營(yíng)條件等因素進(jìn)行確定。本文分析軌道結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以豐富相關(guān)研究領(lǐng)域，為軌道交通有關(guān)從業(yè)者提供有益參考。

2? 鋼軌

鋼軌類型選擇主要從運(yùn)量、城市軌道交通的要求等角度考慮，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選后確定。根據(jù)的客流，換算成年通過總重，經(jīng)計(jì)算年通過總重大于25Mt，符合選用60kg/m重型鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)。下面對(duì)常用的60kg/m鋼軌與50kg/m鋼軌進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析。

2.1 使用壽命

軌道結(jié)構(gòu)直接承受隨機(jī)重復(fù)荷載，決定它安全使用壽命的是疲勞損傷和耐磨性能。根據(jù)鐵道部對(duì)我國(guó)60kg/m鋼軌和50kg/m鋼軌無(wú)縫線路的使用周期的規(guī)定，60kg/m鋼軌為50kg/m鋼軌使用壽命的1.27倍。

對(duì)于小半徑曲線，在R=400～800m的曲線上，60kg/m鋼軌較50kg/m鋼軌使用壽命延長(zhǎng)約4%～10%。鐵道科學(xué)研究院對(duì)曲線鋼軌磨耗的仿真計(jì)算也認(rèn)為，在小半徑曲線上，60kg/m鋼軌要優(yōu)于50kg/m鋼軌。

2.2 安全可靠性

在無(wú)碴軌道基礎(chǔ)上，無(wú)縫線路具有很高的穩(wěn)定性，但高溫季節(jié)解除扣件抬起軌條進(jìn)行更換作業(yè)時(shí)，軌條處于無(wú)約束狀態(tài)，在溫度應(yīng)力作用下可能導(dǎo)致軌條失穩(wěn)。鐵道科學(xué)研究院曾以無(wú)碴軌道上的無(wú)縫線路穩(wěn)定性檢算條件，在規(guī)定軌溫范圍內(nèi)允許連續(xù)解除7個(gè)節(jié)點(diǎn)扣件進(jìn)行作業(yè)，計(jì)算得到兩種軌型解除7個(gè)扣件允許作業(yè)溫差為：60kg/m鋼軌為22℃，50kg/m鋼軌為20℃，說(shuō)明在更換墊板作業(yè)時(shí)，60kg/m鋼軌較50kg/m鋼軌的穩(wěn)定性稍高。

2.3 噪音、供電

軌噪聲與軌面平順程度有關(guān)，材質(zhì)強(qiáng)韌性差的鋼軌經(jīng)列車長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，其軌頂面將產(chǎn)生塑性流變而剝離掉塊或出現(xiàn)波形磨耗，導(dǎo)致軌頂面的不平順。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把60kg/m鋼軌作為主軌型，材料采用優(yōu)質(zhì)鋼種，提高其強(qiáng)韌性，以減少運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)的軌面不平順，列車通過軌道的動(dòng)力坡度減少，相應(yīng)地輪軌振動(dòng)和沖擊減少，因而采用重型鋼軌對(duì)降低噪聲有利。

50kg/m鋼軌較60kg/m鋼軌直流電阻大18%，由于鋼軌是直流供電系統(tǒng)的回流通路，其電阻為供電回路電阻的一部分，鋪設(shè)50kg/m鋼軌較鋪設(shè)60kg/m鋼軌使整個(gè)供電回路的電阻增加7%～9%，這將直接影響機(jī)車的受電最低電壓水平。在機(jī)車發(fā)送總對(duì)數(shù)相同的情況下，機(jī)車受電壓水平降低，將導(dǎo)致機(jī)車電流增加，相應(yīng)增加能耗，顯然，采用60kg/m鋼軌可降低運(yùn)營(yíng)成本。

2.4 技術(shù)效益

鋪設(shè)60kg/m鋼軌與50kg/m鋼軌的無(wú)縫線路相比，軌底動(dòng)彎應(yīng)力及枕上壓力分別減少30%和40%，道床壓應(yīng)變和基面應(yīng)力分別降低44%和20%。目前來(lái)看，60kg/m鋼軌在綜合性能方面較優(yōu)，今后將作為我國(guó)軌道交通建設(shè)的主流。

3? 扣件

扣件的作用是固定鋼軌正確位置，阻止鋼軌的縱向和橫向位移，防止鋼軌傾翻，提供適量的彈性，并將鋼軌所受的力傳遞給軌枕或道床承軌臺(tái)。

3.1 扣件選擇的主要原則

扣件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以抵抗鋼軌的縱向力和橫向力。整體道床剛度大，軌道彈性主要依靠扣件及墊層提供，因此扣件應(yīng)具有較好的彈性，以減少列車荷載的沖擊，使鋼軌承受的荷載能均勻地傳遞到道床上，扣件節(jié)點(diǎn)垂直靜剛度一般在30～50kN/mm。

扣件應(yīng)具有良好的扣壓力，每組扣件的扣壓力>12kN。同時(shí)還應(yīng)有滿足實(shí)際需要的軌距和高低調(diào)整量?？奂?yīng)具有良好的絕緣性能，以減少雜散電流，其絕緣部件的工作電阻應(yīng)大于108Ω?？奂?yīng)盡量標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易鋪設(shè)及維修?？奂饘俨考?yīng)做防腐處理。

3.2 扣件選型

如圖1所示，該扣件為彈性分開式，無(wú)擋肩扣件，扣壓件采用專為地鐵研制的DⅠ彈條（Φ18mm）。這種扣件的特點(diǎn)是取消了T型螺栓，零部件少，降低了造價(jià)，同時(shí)也減少了維修工作量?？奂O(shè)計(jì)中采用防止彈條在運(yùn)營(yíng)使用中滑退的結(jié)構(gòu)，安裝拆卸彈條方便。在軌下和鐵墊板下各設(shè)一層橡膠墊板，二次絕緣。與軌枕聯(lián)結(jié)方式采用M30螺旋道釘和在軌枕內(nèi)予埋尼龍?zhí)坠堋＼壘嗾{(diào)整量為+8～-12mm，調(diào)高量為30mm，能滿足使用需要。該扣件經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)通車動(dòng)測(cè)，扣件性能和減振效果良好，通過了科學(xué)技術(shù)鑒定。

DTⅥ2型扣件的主要技術(shù)參數(shù)如下：

單個(gè)彈條扣壓力為25kN;

扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度20～40kN/mm;

設(shè)計(jì)彈程為10.5mm;

軌距調(diào)整量為+8，-12mm;

水平調(diào)高量為0～30mm;

絕緣電阻：?jiǎn)谓M扣件絕緣電阻大于108Ω。

該扣件適用于隧道內(nèi)一般減振地段，北京地鐵復(fù)八線、北京城鐵、天津地鐵、南京地鐵、深圳地鐵5號(hào)線等均采用了這種扣件。

如圖2所示，該扣件是一種無(wú)擋肩、有彈條螺栓的彈性分開式扣件。其扣壓件采用Ⅱ型彈條，軌下和鐵墊板下可同時(shí)設(shè)置調(diào)高墊板，并分別設(shè)橡膠和橡塑絕緣墊板。彈條與鐵墊板之間用T型螺栓聯(lián)結(jié)，通過改變螺栓扭矩來(lái)調(diào)整彈條的扣壓力值。鐵墊板與軌枕之間采用螺栓道釘聯(lián)結(jié)。該扣件適用于地下線路軌道。

彈條Ⅱ型分開式扣件的主要技術(shù)參數(shù)如下：

單個(gè)彈條扣壓力不小于9kN;

扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度35～50kN/mm;

設(shè)計(jì)彈程為13.0mm;

軌距調(diào)整量為+8，-12mm;

水平調(diào)高量為0～15mm;

絕緣電阻：?jiǎn)谓M扣件絕緣電阻大于108Ω。

如圖3所示，DT-Ⅲ型常阻力扣件是一種無(wú)擋肩彈性分開式扣件。該扣件是在單趾彈簧扣件的基礎(chǔ)上進(jìn)行研制的，采用國(guó)鐵標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ型彈條代替單趾彈簧，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，增加了扣壓力，提高了軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性?？奂悴考?shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造、施工、維護(hù)。另外，該扣件在鐵墊板上增加彈條止退系統(tǒng)，能有效防止彈性扣壓件的退出。在深圳地鐵3 號(hào)線上已采用了這種扣件，目前為止使用效果良好。DT-Ⅲ型常阻力扣件主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：

初始扣壓力： 20～25kN/組;

防爬阻力： ≥12kN/組;

節(jié)點(diǎn)垂向靜剛度：30～40kN/mm;

工作電阻： ≥108Ω;

軌距調(diào)整量： +2mm、-10mm;

高低調(diào)整量： +20mm;

抵抗橫向水平力的能力：通過300 萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)。

該扣件零部件少，裝卸方便，養(yǎng)護(hù)維修工作量少;除了彈條以外，其它零部件基本實(shí)現(xiàn)與單趾彈簧扣件的零部件互換;扣件扣壓力有所增加，適合于在大坡度、小半徑曲線上使用。

3.3 扣件的防銹處理措施

在深圳市城市軌道交通一期工程中，扣件未采用防銹措施進(jìn)行處理，目前銹蝕情況相當(dāng)嚴(yán)重，給運(yùn)營(yíng)部門的養(yǎng)護(hù)維修帶來(lái)了極大的不便，故在新地鐵線路的設(shè)計(jì)過程中，建議結(jié)合地鐵建設(shè)工程中扣件進(jìn)行防銹處理后的實(shí)際效果情況，對(duì)新地鐵線路的扣件防銹處理措施進(jìn)行合理、有效的選擇。

扣件金屬件的防銹措施一般有涂防銹漆防銹、鋅鎳滲層、鍍鋅防銹、達(dá)克羅、靜電噴涂、多元?dú)怏w共滲防銹等幾種方法。

涂防銹漆防銹、鍍鋅防銹操作簡(jiǎn)單，但表面耐磨性差，在運(yùn)輸和施工過程中，表面涂層易損壞。

達(dá)克羅技術(shù)是美國(guó)為防鹽霧銹蝕汽車底盤而發(fā)明的，防鹽霧能力強(qiáng)，鹽霧試驗(yàn)可達(dá)1000小時(shí)左右，但在我國(guó)實(shí)際使用不理想，廣州地鐵道釘、重慶輕軌指形板系統(tǒng)都采用過該技術(shù)，均因嚴(yán)重銹蝕而改用其它技術(shù)。

靜電噴涂較涂防銹漆防銹、鍍鋅防銹表面性能強(qiáng)，不易損壞，在運(yùn)輸過程中加裝保護(hù)膜，能更有效防止表面涂層損壞，但不適用于道釘?shù)葞菪考?/p>

多元?dú)怏w共滲技術(shù)表面耐磨性強(qiáng)，使用周期長(zhǎng)，但造價(jià)較高，其加工工藝可引起彈條性能指標(biāo)的變化。

鋅鎳滲層技術(shù)是在鋅鋁多元合金共滲基礎(chǔ)上的創(chuàng)新。該技術(shù)是為增加滲層韌性、硬度（耐磨性）、消除鹽霧試驗(yàn)初期紅銹，提高防腐品質(zhì)、提高耐撞擊性而研發(fā)的，滲層硬度比基材提高30～50%。中性鹽霧試驗(yàn)3000小時(shí)以上未銹，該技術(shù)已在廣州地鐵4、5號(hào)線、深圳地鐵5號(hào)線、昆明地鐵、重慶地鐵等線路上進(jìn)行了應(yīng)用，效果較好。

在深圳地鐵3號(hào)線和青藏線均利用該技術(shù)對(duì)部分扣件進(jìn)行了防銹處理試驗(yàn)，并與經(jīng)過一般防銹處理的扣件進(jìn)行了對(duì)比（上線1年后）。該防銹處理效果較好。可有效的防止扣件的銹蝕。在青藏線的格爾木工區(qū)進(jìn)行了9個(gè)月的高海拔、強(qiáng)日照、大溫差、重鹽霧的環(huán)境中使用對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有效的解決了扣件的嚴(yán)重銹蝕問題，可以大大的節(jié)省日常對(duì)扣件的養(yǎng)護(hù)工作。也降低了運(yùn)營(yíng)更換成本，目前地鐵國(guó)鐵的使用均較好。

目前各種主要防銹措施的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如表1。

4? 道床及軌枕

地下線路一般地段的整體道床主要有以下二種型式。

4.1 短枕式整體道床

如圖4所示，短枕式整體道床結(jié)構(gòu)是將鋼筋混凝土短枕埋入混凝土道床內(nèi)，道床兩側(cè)設(shè)置縱向排水溝，道床頂面設(shè)橫向排水坡，混凝土道床結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)兼起排除雜散電流的作用。普通短枕截面形式采取上小、下大結(jié)構(gòu)，軌枕底部設(shè)伸出鋼筋，用以加強(qiáng)短枕與混凝土道床之間的聯(lián)結(jié)，短枕一般采取工廠預(yù)制的方式。短枕式整體道床有利于采取軌道減振降噪措施，如采用橡膠套靴及彈性墊板的減振結(jié)構(gòu)。

短枕式整體道床在北京、天津、南京、廣州和深圳地鐵一、二期工程等項(xiàng)目中均得到應(yīng)用。

4.2 長(zhǎng)枕埋入式整體道床

如圖5所示，長(zhǎng)枕埋入式整體道床結(jié)構(gòu)是將鋼筋混凝土長(zhǎng)軌枕埋入混凝土道床內(nèi)，在道床兩側(cè)設(shè)置縱向排水溝，道床頂面設(shè)橫向排水坡。長(zhǎng)軌枕側(cè)面預(yù)留圓孔，道床縱向結(jié)構(gòu)鋼筋從中穿過，以加強(qiáng)長(zhǎng)軌枕與混凝土道床之間的聯(lián)結(jié)，長(zhǎng)軌枕由工廠預(yù)制，混凝土道床結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)兼起排除雜散電流的作用。長(zhǎng)枕埋入式整體道床結(jié)構(gòu)不利于采用雙自由度的軌道減振降噪措施，一般只有依靠扣件提供減振功能。

4.3 桁架鋼筋雙塊式軌枕整體道床

雙塊式整體道床由鋼軌扣件、雙塊式軌枕及道床組成，該結(jié)構(gòu)將預(yù)制好的雙塊式軌枕通過桁架式鋼筋骨架聯(lián)結(jié)，在現(xiàn)場(chǎng)與道床板結(jié)構(gòu)鋼筋直接綁扎，既簡(jiǎn)化了軌枕結(jié)構(gòu)，又提高了結(jié)構(gòu)的整體性。雙塊式整體道床的短枕塊下的鋼筋桁架需專業(yè)工廠焊接，精度要求高，但其兼具短軌枕和預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)枕的優(yōu)點(diǎn)。既可以保證軌底坡、提高施工精度，又可以減少新老混凝土的分界面，加強(qiáng)軌枕與道床的連接，從而避免軌枕與道床之間產(chǎn)生裂縫。目前已在深圳地鐵三期工程中全面采用。

5? 應(yīng)用案例

以深圳市地鐵九號(hào)線施工的軌道結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行分析。結(jié)合上文，建議其正線及配線推薦采用60kg/m鋼軌;建議扣件采用DT-Ⅲ型常阻力扣件;考慮到深圳地區(qū)受沿海性氣候的影響，需要有較高的耐酸耐腐蝕的性能。建議提高防繡等級(jí)，鐵墊板采用靜電噴涂，彈條、螺栓及墊片采用鋅鎳滲層技術(shù);推薦地下線采用桁架鋼筋雙塊式軌枕整體道床，在鋼彈簧等局部地段采用短軌枕。

6? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文分析了地鐵線路軌道結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)，并以深圳地鐵九號(hào)線的軌道結(jié)構(gòu)選擇為例，進(jìn)行了選型了設(shè)計(jì)，研究成果可為地鐵相關(guān)工程技術(shù)人員提供參考。

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