城市軌道交通快線軌道結(jié)構(gòu)選型研究

張 鵬，鐘 杰

（鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518100）

1 概述

城市軌道交通普線設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度主要有80 km/h和100 km/h兩種，旅行速度在25～35 km/h[1]，而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升，城市人口急劇膨脹，公民對(duì)公共交通出行的需求量增大、出行速度要求更高，目前國(guó)內(nèi)部分城市如上海、廣州、深圳等已經(jīng)建成并開通設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度達(dá)120 km/h的快線，因而城市軌道交通快線的研究、建設(shè)已成為行業(yè)熱點(diǎn)[2]。

周虎利[3]根據(jù)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)特征，主要從減振降噪的角度分析比較各種類型軌道部件的特性，提出軌道結(jié)構(gòu)選型的基本要求。張慧慧[4]針對(duì)各軌道部件的結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)特點(diǎn)，提出城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。楊明華[5]以某市城市軌道交通線路為例，根據(jù)不同地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型分析。

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]僅適用于速度目標(biāo)值不大于100 km/h的線路，盡管國(guó)內(nèi)不少學(xué)者所作的研究為城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)選型提供了參考，但針對(duì)設(shè)計(jì)速度在120 km/h的快線并不完全適用，且未從不同區(qū)間、考慮減振降噪要求進(jìn)行綜合選型分析，因此有必要針對(duì)城市軌道交通快線的軌道結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行研究。

2 城市軌道交通快線選型的基本要求

城市軌道交通快線相較普線而言具有線路長(zhǎng)度長(zhǎng)、車站平均站間距大、運(yùn)行速度高、行車密度大的特征[7]，因而對(duì)運(yùn)行平順性和旅客乘坐舒適度要求更高，要求快線軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量少維修或免維修，故應(yīng)滿足以下基本要求。

（1）軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的承載能力和強(qiáng)度儲(chǔ)備、適量的彈性、較高的平順性和穩(wěn)定性，確保列車運(yùn)行平穩(wěn)、安全和乘坐舒適。

（2）軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的使用耐久性，在長(zhǎng)期列車動(dòng)荷載作用下能保持安全可靠的幾何狀態(tài)，盡可能減少養(yǎng)護(hù)維修工作量[8]。

（3）軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在結(jié)構(gòu)安全、可靠的基礎(chǔ)上，盡量控制建設(shè)維修成本，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

（4）根據(jù)工程環(huán)境影響評(píng)估的要求，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)分不同減振地段采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和減振降噪措施，使振動(dòng)和噪聲控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)并盡量滿足沿線建筑物對(duì)噪聲的要求。

3 軌道結(jié)構(gòu)類型

軌道結(jié)構(gòu)按照軌下基礎(chǔ)型式可分為有砟軌道和無砟軌道2類。

3.1 有砟軌道

有砟軌道具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈性及減振效果好、鋪設(shè)及維修方便、初期建設(shè)投資較低等優(yōu)點(diǎn)，但碎石道床在長(zhǎng)期列車荷載作用下累積的殘余變形會(huì)導(dǎo)致軌道不平順的產(chǎn)生，需定期對(duì)道床進(jìn)行搗固作業(yè)，且道床作業(yè)受人為因素影響較大，軌道剛度均勻性較差。然而，在城市軌道交通快線運(yùn)營(yíng)期間維修時(shí)間少、作業(yè)空間狹小的情況下，現(xiàn)場(chǎng)的養(yǎng)護(hù)維修工作難以開展，列車運(yùn)行速度也受到極大限制，故有砟軌道已無法滿足城市軌道交通快線的運(yùn)營(yíng)要求[9]。

3.2 無砟軌道

無砟軌道結(jié)構(gòu)具有整體性好、穩(wěn)定性高、平順性高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能大幅提高列車運(yùn)行速度。城市軌道交通對(duì)行車安全和自動(dòng)化程度要求高，行車密度大，不允許利用列車運(yùn)行間隔進(jìn)行維修作業(yè)，夜間的維修時(shí)間有限，無砟軌道相比有砟軌道能夠大幅減少運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)維修工作量，綜合經(jīng)濟(jì)效益更好。目前，國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的地下線幾乎全部采用無砟軌道。

無砟軌道按道床板的制作方式又分為現(xiàn)澆式和預(yù)制式[10]，城市軌道交通地下線的現(xiàn)澆無砟道床型式主要有無枕式無砟道床、短軌枕式無砟道床、長(zhǎng)枕埋入式無砟道床及雙塊式無砟道床幾種，預(yù)制式無砟道床以板式無砟道床為主。

3.2.1 無枕式無砟道床

無枕式無砟道床現(xiàn)場(chǎng)直接澆筑，軌底坡設(shè)在道床表面。該道床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軌道高度低，由于現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)多、進(jìn)度慢、施工質(zhì)量及精度低、可維修性差，目前僅用于個(gè)別土建結(jié)構(gòu)變形、限界不足的地段，其他地段很少采用，如圖1所示。

圖1 無枕式無砟道床示意圖

3.2.2 短軌枕式無砟道床

短軌枕式無砟道床由短軌枕、混凝土道床及水溝組成，如圖2所示。該道床具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、造價(jià)較低、現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)靈活等特點(diǎn)，其通用性較好、軌枕布置靈活，可適用于地下線、道岔區(qū)等比較復(fù)雜的道床結(jié)構(gòu)。

圖2 短軌枕式無砟道床結(jié)構(gòu)示意圖

短軌枕式無砟道床突出的問題是整體性不好，軌底坡不易保證，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)中易出現(xiàn)輪軌關(guān)系不良，從而影響列車的平穩(wěn)性和舒適性，導(dǎo)致鋼軌打磨和扣件調(diào)整等養(yǎng)護(hù)維修工作量增加，目前國(guó)內(nèi)較少采用。

3.2.3 長(zhǎng)枕埋入式無砟道床

長(zhǎng)枕埋入式無砟道床由預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)枕、混凝土道床等組成，如圖3所示。該道床采用預(yù)應(yīng)力混凝土長(zhǎng)軌枕，軌枕預(yù)留圓孔用于穿道床縱向鋼筋，以增強(qiáng)道床與軌枕間的連接力[11]。長(zhǎng)枕式埋入式道床的優(yōu)點(diǎn)是采用軌排法施工方便，工廠預(yù)制的混凝土軌枕可確保軌底坡及軌距，施工進(jìn)度快、精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整體性好。

圖3 長(zhǎng)枕埋入式無砟道床

長(zhǎng)枕埋入式無砟道床突出的問題是長(zhǎng)軌枕與道床間新老混凝土結(jié)合不好。道床上的大量裂紋以及軌枕對(duì)道床板的分割影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，增加運(yùn)維階段的養(yǎng)護(hù)維修工作量。

3.2.4 雙塊式無砟道床

雙塊式無砟道床由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕及道床板組成，如圖4所示。該道床的雙塊軌枕便于鋪設(shè)，重量比長(zhǎng)軌枕輕，鋼桁架也可保持與道床良好的整體性。

圖4 雙塊式無砟道床結(jié)構(gòu)示意圖

雙塊式軌枕中部鋼桁架在運(yùn)輸和安裝過程中，容易受到磕碰、產(chǎn)生變形且不易調(diào)整，影響軌道鋪設(shè)精度，增加后期維修工作量。此外，該道床為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，養(yǎng)護(hù)維修困難，且雙塊軌枕與道床板間存在新老混凝土結(jié)合問題。

前期城市軌道交通建設(shè)以現(xiàn)澆式無砟軌道為主，但在建設(shè)運(yùn)營(yíng)期間暴露出現(xiàn)場(chǎng)圬工量大、整體性不好、可維修性較差等問題，在結(jié)構(gòu)耐久性方面不如預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)好。

3.2.5 板式無砟道床

板式無砟道床由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制軌道板、隔離層、自密實(shí)混凝土層以及鋼筋混凝土底座等部分組成[12]，如圖5所示。

圖5 板式無砟道床結(jié)構(gòu)組成圖

板式無砟道床為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，相較現(xiàn)澆式無砟道床更符合城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求，符合國(guó)家預(yù)制化、裝配式發(fā)展方向，具備以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）高質(zhì)量、高可靠性。軌道板通過板廠預(yù)制、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，施工質(zhì)量易于控制，工效高，技術(shù)先進(jìn)成熟。

（2）高精度、高平順性。采用移動(dòng)可調(diào)軌道板生產(chǎn)鋼模，小半徑曲線地段和緩和曲線地段軌道板的制造通過調(diào)整承軌臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高精度的軌道空間幾何線型，實(shí)現(xiàn)軌道板承軌臺(tái)與平、豎曲線二維匹配。將盡可能多的精調(diào)工作放在廠內(nèi)完成，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工作量，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

（3）結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。采用單元結(jié)構(gòu)，利于運(yùn)營(yíng)期間的養(yǎng)護(hù)維修，對(duì)沉降變形的適應(yīng)性更強(qiáng)。

（4）具備可調(diào)整性。建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間均可通過在板上加吸音板、板下加減振墊，調(diào)整為減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。

（5）可維修性好。通過在自密實(shí)混凝土和底座間設(shè)置隔離層，便于特殊情況下結(jié)構(gòu)的維修[13]。

然而，板式無砟道床在特殊地段如過軌、人防門、防淹門等的適應(yīng)性差，此類地段仍需采用現(xiàn)澆式無砟道床；受地鐵線路狹小空間的限制，板式無砟軌道施工效率較低，需要通過優(yōu)化施工組織、施工工法、施工裝備，進(jìn)一步提高施工效率。

4 道床選型

有砟軌道和無砟軌道各自技術(shù)特點(diǎn)鮮明，但從工程類比角度來看，對(duì)于城市軌道交通快線而言可優(yōu)先考慮采用無砟軌道結(jié)構(gòu)。面對(duì)多種無砟軌道結(jié)構(gòu)，實(shí)際工程中必須結(jié)合具體地質(zhì)條件、環(huán)境要求、養(yǎng)護(hù)維修條件、工程投資計(jì)劃等進(jìn)行選型。

4.1 正線道床方案

城市軌道交通以地下敷設(shè)方式為主，綜合考慮限界、綜合誤差、預(yù)留加固空間以及空氣動(dòng)力學(xué)等因素影響[14]，線路部分區(qū)間盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑采用6 m，部分采用5.5 m。板式道床對(duì)小盾構(gòu)適應(yīng)性差，對(duì)線下工程施工精度要求高，施工進(jìn)度不如現(xiàn)澆道床快。雙塊式道床對(duì)小盾構(gòu)適應(yīng)性好，施工進(jìn)度相對(duì)較快，對(duì)線下施工精度要求相對(duì)較低。因此，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，正線大盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間宜采用板式無砟道床，小盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間及在人防門、防淹門及需要道床過軌（考慮到設(shè)計(jì)及施工的靈活性）等特殊地段宜采用雙塊式無砟道床方案。

地下線受溫度影響較小，同時(shí)考慮預(yù)制軌道板生產(chǎn)和工程造價(jià)影響，板式無砟軌道宜采用普通混凝土軌道板。

4.2 岔區(qū)道床方案

道岔區(qū)存在諸多不平順，是地鐵線路的薄弱環(huán)節(jié)，列車經(jīng)過道岔區(qū)時(shí)軌道結(jié)構(gòu)將承受顯著的附加動(dòng)力作用，岔區(qū)軌道狀態(tài)將直接影響行車的平穩(wěn)性和舒適性，進(jìn)而影響道岔結(jié)構(gòu)的使用壽命。道岔號(hào)數(shù)（9號(hào)、12號(hào)）及道岔咽喉區(qū)功能（單開、單渡以及交叉渡線）相對(duì)復(fù)雜，采用預(yù)制道岔板結(jié)構(gòu)不如現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)靈活，且道岔板種類繁多，不利于統(tǒng)一生產(chǎn)制造，因此岔區(qū)宜采用更加靈活的軌枕埋入式無砟道床。

根據(jù)軌枕類型不同，國(guó)內(nèi)城市軌道交通線路道岔的軌下基礎(chǔ)主要分為混凝土短岔枕式整體道床、合成樹脂岔枕式整體道床以及鋼筋混凝土長(zhǎng)岔枕式整體道床?？紤]到混凝土短岔枕式整體道床施工精度低、整體性差，而合成樹脂岔枕式整體道床造價(jià)高、整體性不如長(zhǎng)軌枕。鋼筋混凝土長(zhǎng)岔枕式整體道床的道岔整體性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)，道岔的幾何尺寸保持能力強(qiáng)且施工精度高，可有效提高道岔的鋪設(shè)進(jìn)度，同時(shí)可大幅減少線路開通后道岔的養(yǎng)護(hù)維修工作量。岔區(qū)可采用鋼筋混凝土長(zhǎng)岔枕式整體道床。

4.3 車站道床方案

由于車站附近有大量敏感建筑，列車通過時(shí)，振動(dòng)將通過軌道、隧道、土體向周圍建筑物傳播，對(duì)敏感建筑及儀器設(shè)備、人員產(chǎn)生不良影響。此外，噪聲在地下車站封閉環(huán)境中無法向外傳播，需經(jīng)多次反射才能衰減，噪聲持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，噪聲污染問題較為突出，對(duì)站臺(tái)候車乘客產(chǎn)生較大影響，尤其是長(zhǎng)期在車站的工作人員，深受振動(dòng)和噪聲的雙重影響。為減少地鐵運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境的影響，為乘客提供舒適的公共候車乘車空間，為地鐵工作人員提供良好的工作環(huán)境，在車站范圍內(nèi)宜采用減振降噪一體化軌道結(jié)構(gòu)。

減振降噪一體化軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、吸音板、軌道板、自密實(shí)混凝土、減振墊、底座等部分組成。其中，軌道吸音板為分塊單元結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)在道床板頂面，通過螺栓與軌道板上預(yù)埋套筒進(jìn)行連接，保證吸音板的穩(wěn)定，同時(shí)軌道吸音板鋪設(shè)時(shí)繞避了承軌臺(tái)，并留出充足的鋼軌起道、扣件復(fù)擰等日常工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)空間，不會(huì)對(duì)日常工務(wù)養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)產(chǎn)生影響。此外，實(shí)際工程中當(dāng)軌道吸音板底部軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害需要維修時(shí)，可將軌道吸音板拆除，軌道結(jié)構(gòu)病害修復(fù)完成后，重新鋪裝。該結(jié)構(gòu)利用設(shè)置在自密實(shí)混凝土下的減振墊進(jìn)行減振，通過建立減振效果理論分析模型，初步計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的減振效果可達(dá)12～18 dB，降噪效果可達(dá)3 dB（A）以上。

5 結(jié)論

軌道結(jié)構(gòu)選型是城市軌道交通快線建設(shè)的關(guān)鍵之一，合理的選擇軌道類型才能保證機(jī)車車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平順性、旅客舒適度以及合理安排維修周期。除滿足上述要求外，相應(yīng)減振降噪設(shè)計(jì)還應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)部門環(huán)保要求。本文根據(jù)城市軌道交通快線選型的基本要求，結(jié)合有砟軌道與無砟軌道、各類無砟軌道的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)城市軌道交通快線的軌道結(jié)構(gòu)選型進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）正線軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)靈活選用，大盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間宜采用板式無砟道床，小盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間及特殊地段宜采用雙塊式無砟道床。

（2）對(duì)于道岔號(hào)數(shù)及道岔咽喉區(qū)功能相對(duì)復(fù)雜的線路，岔區(qū)宜采用整體性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)且施工精度高的鋼筋混凝土長(zhǎng)岔枕式整體道床。

（3）軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)分不同減振地段采用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式和減振降噪措施，使振動(dòng)和噪聲控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的允許范圍內(nèi)并盡量滿足沿線建筑物對(duì)噪聲的要求。通過數(shù)值模擬，軌道減振降噪一體化結(jié)構(gòu)的減振效果可達(dá)12 ～18 dB，降噪效果可達(dá)3 dB（A）以上，宜在車站范圍內(nèi)應(yīng)用。

現(xiàn)今城市軌道交通快線的建設(shè)規(guī)模正逐步加大，無砟道床的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)線下工程、環(huán)境條件等具體情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后合理靈活選擇，不應(yīng)局限于單一結(jié)構(gòu)類型，分區(qū)段選用軌道結(jié)構(gòu)類型將是未來城市軌道交通快線建設(shè)的一種趨勢(shì)，研究?jī)?nèi)容可為城市軌道交通快線設(shè)計(jì)提供一定的參考。