北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述

張東風(fēng) 王 進(jìn) 劉 瑋

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068)

1 概述

北京軌道交通新機(jī)場(chǎng)線一期工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新機(jī)場(chǎng)線)已于2019年9月28日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。新機(jī)場(chǎng)線一期線路全長(zhǎng)41.36 km，其中地下線和U形結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)23.65 km，高架線和路基段長(zhǎng)17.71 km，是國(guó)內(nèi)首條時(shí)速160 km的城市軌道交通線路，全線設(shè)草橋站、大興新城站和大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)站，從草橋到大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)用時(shí)僅需19 min，被喻為“國(guó)門(mén)線”。新機(jī)場(chǎng)線是北京城市軌道交通重點(diǎn)工程，具有列車(chē)軸重大、速度高、通過(guò)地段地物復(fù)雜多樣等特點(diǎn)。

新機(jī)場(chǎng)線設(shè)計(jì)速度為160 km/h，既有城市軌道交通中采用的軌道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[1]已無(wú)法滿足新機(jī)場(chǎng)線高速行車(chē)的需求，設(shè)計(jì)中面臨許多新問(wèn)題，需借鑒城際鐵路及高速鐵路中的成熟經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地提出了諸多新型結(jié)構(gòu)，成功解決了高速度下的軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、平順性等設(shè)計(jì)問(wèn)題，為今后城市軌道交通市域快線及市郊鐵路軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新思路。

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路

新機(jī)場(chǎng)線設(shè)計(jì)速度為160 km/h，超越了地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的速度范疇[2]。同時(shí)，本工程建設(shè)工期十分緊張，給軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。為了縮短工程周期和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間，宜借鑒或考慮技術(shù)相對(duì)成熟的產(chǎn)品。其次，當(dāng)列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，必須使線下基礎(chǔ)的變形量較以往更小，以降低基礎(chǔ)變形引起的軌面不平順。因此，在整體道床鋪設(shè)前，需對(duì)路基、橋梁的工后沉降和變形以及其他道路交通引起的線下基礎(chǔ)沉降變形[3]等進(jìn)行評(píng)估。國(guó)內(nèi)外大量研究成果表明，更高的運(yùn)營(yíng)速度對(duì)于周邊環(huán)境及鄰近建筑物也會(huì)造成更為不利的影響[4]，嚴(yán)重情況下甚至?xí)疣徑ㄖ锸覂?nèi)振動(dòng)[5]及二次噪聲超限[6]。通過(guò)設(shè)計(jì)思路創(chuàng)新，完成了新機(jī)場(chǎng)線軌道結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路主要?dú)w納為以下4個(gè)方面。

2.1 “城際+地鐵”新標(biāo)準(zhǔn)

新機(jī)場(chǎng)線是國(guó)內(nèi)首條時(shí)速160 km的城市軌道交通線路，采用市域車(chē)(軸重不大于17t)、8輛編組，采用AC25kV接觸網(wǎng)供電，超越傳統(tǒng)城市軌道交通設(shè)計(jì)的速度范疇，原有的城市軌道交通軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)體系及標(biāo)準(zhǔn)已不適應(yīng)160 km/h的設(shè)計(jì)速度(160 km/h的設(shè)計(jì)速度對(duì)軌道系統(tǒng)的鋪設(shè)精度、平順性要求更高)。因此，結(jié)合自身特點(diǎn)對(duì)軌道系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)升級(jí)，積極引進(jìn)、吸收高鐵及城際鐵路的成熟先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)造性地采用了“城際+地鐵”相結(jié)合的新標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 特殊地段創(chuàng)新設(shè)計(jì)

新機(jī)場(chǎng)線的隧道、橋梁及路基結(jié)構(gòu)斷面與國(guó)鐵不同，軌道道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能照搬國(guó)鐵的標(biāo)準(zhǔn)道床。因此，對(duì)道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多樣化設(shè)計(jì)，如新機(jī)場(chǎng)線高架段含共構(gòu)區(qū)間，軌道結(jié)構(gòu)高度受限，雙線橋中心需要設(shè)置疏散平臺(tái)，高架段道床需要特殊設(shè)計(jì)；針對(duì)新機(jī)場(chǎng)線工期緊張、沉降觀測(cè)難以保證等困難，在沉降危險(xiǎn)性區(qū)域設(shè)計(jì)了特殊板式整體道床，預(yù)留沉降調(diào)整量；因土建工期、降水、凍結(jié)施工風(fēng)險(xiǎn)等諸多因素，新機(jī)場(chǎng)線有6處聯(lián)絡(luò)通道處無(wú)法設(shè)置廢水泵房，需要采用內(nèi)置泵房技術(shù)。為此，在內(nèi)置泵房地段設(shè)計(jì)了板式道床結(jié)構(gòu)。

2.3 沉降觀測(cè)與評(píng)估工作

國(guó)內(nèi)普通城市軌道交通線路很少做基礎(chǔ)沉降評(píng)估工作。新機(jī)場(chǎng)線線下基礎(chǔ)多樣，包含隧道、U形結(jié)構(gòu)、路基、橋梁，且本工程南段路基及U形結(jié)構(gòu)地段正好位于沉降危險(xiǎn)區(qū)域。為保證本工程正線整體道床的鋪設(shè)精度[7]，滿足列車(chē)平穩(wěn)、舒適的運(yùn)行要求，減少運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修工作量，從總體設(shè)計(jì)階段就提出應(yīng)參照國(guó)鐵高速及城際鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展沉降變形觀測(cè)與評(píng)估工作。

2.4 國(guó)鐵技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新

充分借鑒國(guó)內(nèi)高鐵、城際鐵路的先進(jìn)技術(shù)及工藝，將有擋肩扣件、雙塊式軌枕、隔離式減振墊浮置板等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行消化吸收并優(yōu)化創(chuàng)新后，應(yīng)用到本工程軌道設(shè)計(jì)中。

3 軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況及創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)概況

新機(jī)場(chǎng)線正線為1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，設(shè)置1：40軌底坡(或軌頂坡，含岔區(qū))，一次性鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路。正線采用60 kg/m U75V熱軋鋼軌，WJ-8B型有擋肩扣件及配套小阻力扣件，SK-Ⅱ型雙塊式軌枕，60 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔及配套交叉渡線。一般地段采用雙塊式整體道床，沉降危險(xiǎn)區(qū)域采用預(yù)制板式整體道床，有減振需求地段采用隔離式減振墊浮置板軌道。

車(chē)場(chǎng)線采用50 kg/m U71Mn鋼軌，彈條Ⅰ型扣件，50 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔及交叉渡線；試車(chē)線采用60 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔。庫(kù)外線采用碎石道床，有縫線路；庫(kù)內(nèi)線采用整體道床，無(wú)縫線路。

3.2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

(1)特殊地段道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在新機(jī)場(chǎng)線軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要面臨以下三方面較為特殊的情況：

部分線路穿越沉降危險(xiǎn)性較大的區(qū)域，對(duì)新機(jī)場(chǎng)線后期運(yùn)營(yíng)及維護(hù)造成不利影響。

受土建工期、降水、凍結(jié)施工等諸多因素的影響，新機(jī)場(chǎng)線需要采用內(nèi)置泵房技術(shù)，對(duì)內(nèi)置泵房地段的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新挑戰(zhàn)。

相較于高速及城際鐵路，城市軌道交通橋梁結(jié)構(gòu)剛度較小，需要對(duì)既有雙塊式軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)優(yōu)化。

針對(duì)以上存在的三方面問(wèn)題，分別提出了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

①新型軌道板

新機(jī)場(chǎng)線南段路基段及U形結(jié)構(gòu)地段正好位于地質(zhì)沉降危險(xiǎn)性區(qū)域，為應(yīng)對(duì)日后調(diào)整，設(shè)計(jì)了新型預(yù)應(yīng)力軌道板(如圖1～圖3所示)，一旦發(fā)生沉降致使結(jié)構(gòu)破壞或軌道變形較大影響運(yùn)行安全時(shí)，可以更方便地采取補(bǔ)救措施。該軌道板采用新型限位結(jié)構(gòu)，適用性強(qiáng)，可滿足不同地段的鋪設(shè)要求；同時(shí)，該軌道板具有較大的調(diào)整量，特別適用于差異沉降地段，可維修性好。

圖1 地下線用軌道板

圖2 U形結(jié)構(gòu)用軌道板

② 制板式整體道床

新機(jī)場(chǎng)線有6處聯(lián)絡(luò)通道采用內(nèi)置泵房。結(jié)合寧波、天津等地類(lèi)似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，首次在本工程設(shè)計(jì)了預(yù)制板式整體道床(如圖4所示)，既方便水泵的安裝和管線的布設(shè)，又大大提高了軌道結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，提高了軌道鋪設(shè)精度和質(zhì)量；在集水坑四周設(shè)置不銹鋼防水鋼槽，提高了防水處理效果，同時(shí)為水泵提供了安裝基礎(chǔ)，避免了水泵安裝對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的損傷；在集水坑上方設(shè)置蓋板，既可充當(dāng)疏散通道，又將集水坑與鋼軌、扣件等金屬部件隔離開(kāi)來(lái)，降低了水氣對(duì)金屬部件的腐蝕，減少了運(yùn)營(yíng)的養(yǎng)護(hù)維修工作量。

圖3 路基段用軌道板

圖4 預(yù)制板式內(nèi)置泵房

③高架段雙塊式整體道床結(jié)構(gòu)體系

新機(jī)場(chǎng)線的高架段全部采用雙塊式整體道床。按照高鐵及城際鐵路高架線的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)采用“道床層”+“底座層”的雙層結(jié)構(gòu)體系，該軌道結(jié)構(gòu)高度為725 mm，二期恒載約為45 kN/m。然而，城市軌道交通高架線的橋梁結(jié)構(gòu)承載能力較弱，照搬高鐵及城際鐵路的道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)荷載超限，且本工程高架段含共構(gòu)區(qū)間，軌道結(jié)構(gòu)高度也受限。

借鑒城市軌道交通高架線縱向承軌臺(tái)的設(shè)計(jì)理念，將雙層結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化為單層結(jié)構(gòu)體系，取消了底座層，改為通過(guò)橋面植筋將單層道床板固定于橋梁之上。優(yōu)化后的軌道結(jié)構(gòu)高度僅為600 mm，二期恒載降低為25 kN/m，減少了施工工序，縮短了施工工期，降低了造價(jià)，更加符合城市軌道交通的建設(shè)特點(diǎn)(如圖5、圖6所示)。

圖5 高架線共構(gòu)段雙塊式軌枕

圖6 高架線非共構(gòu)段雙塊式軌枕

(2)新型道岔設(shè)計(jì)

道岔是制約列車(chē)運(yùn)行速度的關(guān)鍵設(shè)備[8]，同時(shí)，在軌道建設(shè)初期，道岔投資占比較大，運(yùn)營(yíng)后的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用通常也遠(yuǎn)高于區(qū)間其他設(shè)備。因此，必須充分考慮新機(jī)場(chǎng)線的使用條件與特點(diǎn)，對(duì)道岔進(jìn)行選型與設(shè)計(jì)。

①時(shí)速160 km新型12號(hào)道岔設(shè)計(jì)

為了滿足新機(jī)場(chǎng)線工程建設(shè)的需要，設(shè)計(jì)了新型12號(hào)單開(kāi)道岔(如圖7所示)及5.3 m、6.7 m間距交叉渡線(如圖8所示)，并首次在岔區(qū)全范圍內(nèi)設(shè)置了軌底坡或軌頂坡，實(shí)現(xiàn)了交叉渡線的剛度均勻化及整體低剛度，提高了列車(chē)經(jīng)過(guò)岔區(qū)時(shí)的平穩(wěn)性和旅客的乘座舒適度；首次將鑲嵌翼軌式合金鋼組合轍叉應(yīng)用于城市軌道交通，提高了轍叉使用壽命，減小了養(yǎng)護(hù)維修量。

圖7 60 kg/m鋼軌12號(hào)單開(kāi)道岔(時(shí)速160 km)

圖8 60 kg/m鋼軌12號(hào)道岔5.3 m間距交叉渡線(時(shí)速160 km)

②車(chē)場(chǎng)線用新型9號(hào)道岔的設(shè)計(jì)

新機(jī)場(chǎng)線車(chē)輛段建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)鐵動(dòng)車(chē)所，車(chē)場(chǎng)線采用了9號(hào)道岔。目前，國(guó)鐵既有的9號(hào)道岔為活接頭式結(jié)構(gòu)，容易產(chǎn)生病害且難以整治，工務(wù)部門(mén)強(qiáng)烈反對(duì)采用活接頭結(jié)構(gòu)的道岔。為此，設(shè)計(jì)了車(chē)場(chǎng)線用新型50 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔(如圖9所示)。該道岔采用彈性可彎式尖軌，徹底解決了活接頭病害問(wèn)題。

圖9 50 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔(時(shí)速100 km)

(3)新型庫(kù)內(nèi)線高等級(jí)扣件設(shè)計(jì)

車(chē)輛段內(nèi)一般行車(chē)速度較低，在以往設(shè)計(jì)中，車(chē)輛段內(nèi)行車(chē)引起的上蓋建筑物振動(dòng)及噪聲問(wèn)題并未引起足夠重視。在以往設(shè)計(jì)中，車(chē)輛段通常不設(shè)置軌道減振措施[9]。隨著大批車(chē)輛段投入使用，車(chē)輛段引起的上蓋建筑物室內(nèi)振動(dòng)及噪聲超限問(wèn)題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了上部物業(yè)開(kāi)發(fā)[10]。因此，應(yīng)采取結(jié)構(gòu)減振降噪措施[11]或在建筑物中設(shè)置減振隔振結(jié)構(gòu)[12]。新機(jī)場(chǎng)線的磁各莊車(chē)輛段日后要進(jìn)行上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)，需要采取軌道減振措施。根據(jù)減振需求，設(shè)計(jì)了庫(kù)內(nèi)線軌道專(zhuān)用高等級(jí)減振扣件(如圖10所示)，可有效降低列車(chē)進(jìn)出庫(kù)時(shí)的振動(dòng)[16-17]，為后續(xù)上蓋物業(yè)開(kāi)發(fā)提供了有利條件。

圖10 減振扣件

4 基于軌面平順性控制的成套技術(shù)方案

隨著列車(chē)運(yùn)行速度的不斷提高，軌面的平順性對(duì)于列車(chē)運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性起著最為關(guān)鍵的作用[13]。對(duì)于高速鐵路及城際鐵路而言，軌面平順性控制在設(shè)計(jì)階段、施工階段、運(yùn)營(yíng)階段均有著明確的控制措施及控制精度指標(biāo)，形成了較為完整的軌面平順性控制技術(shù)體系[14]。對(duì)于城市軌道交通而言，受投資成本、施工作業(yè)方式等因素影響，其軌面平順性通常很難達(dá)到高鐵及城際鐵路的控制精度及標(biāo)準(zhǔn)。

新機(jī)場(chǎng)線設(shè)計(jì)速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)城市軌道交通線路，必須結(jié)合新機(jī)場(chǎng)線的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段就提出適用于更高速度的城市軌道交通軌面平順性控制方法。在高精度整體道床設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)(CPⅢ網(wǎng))、鋼軌預(yù)打磨及后期動(dòng)態(tài)檢測(cè)三個(gè)角度豐富軌面平順性控制體系，完成了貫穿設(shè)計(jì)、施工鋪設(shè)、開(kāi)通、運(yùn)營(yíng)全階段的軌面平順性控制成套技術(shù)，大大提高了新機(jī)場(chǎng)線的軌面控制精度[15]，從而為保證新機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)的安全及平穩(wěn)舒適奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.1 軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)

軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)是高鐵軌道精密定位的基礎(chǔ)控制網(wǎng)，將軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)(CPⅢ網(wǎng))引入城市軌道交通建設(shè)中，并結(jié)合城市軌道交通的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的精密施工定位，提高軌道的平順性，進(jìn)而改善地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題，提高乘客乘坐的舒適度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，為施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供高精度的統(tǒng)一控制基準(zhǔn)。

新機(jī)場(chǎng)線設(shè)計(jì)速度高，這就對(duì)軌道的平順性提出了更高的要求。通過(guò)多條城市軌道交通的實(shí)踐檢驗(yàn)，軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)(CPⅢ)配合軌道檢測(cè)儀的使用可以大幅度提高軌道的平順性。為確保鋪軌精度，施工單位必須依據(jù)軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)進(jìn)行鋪軌作業(yè)，同時(shí)建議開(kāi)展CPⅢ控制網(wǎng)的測(cè)量咨詢?cè)u(píng)估(含抽檢測(cè)量)工作。

4.2 鋼軌預(yù)打磨

建議線路開(kāi)通前就對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)打磨，以改善輪軌接觸關(guān)系，延長(zhǎng)輪軌使用壽命。

4.3 動(dòng)態(tài)綜合檢測(cè)

目前，我國(guó)高速、城際鐵路正式開(kāi)通前普遍采用動(dòng)態(tài)檢測(cè)，一方面驗(yàn)證相關(guān)系統(tǒng)的主要功能是否符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，另一方面測(cè)試列車(chē)的運(yùn)行穩(wěn)定性是否滿足相應(yīng)要求。

建議新機(jī)場(chǎng)線正式通車(chē)前進(jìn)行動(dòng)態(tài)綜合檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容主要分為動(dòng)態(tài)檢測(cè)、理論分析等[18]。軌道系統(tǒng)涉及的內(nèi)容包括軌道剛度、鋼軌磨耗狀態(tài)、軌道振動(dòng)加速度、軌道動(dòng)位移、輪軌力等測(cè)試工作。

基于軌面平順性控制的成套技術(shù)方案得到業(yè)主的認(rèn)可并已在本工程中實(shí)施。