北京市軌道交通房山線軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

丁靜波，王 青，任樹文

(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)

1 設(shè)計(jì)概述

北京市軌道交通房山線(簡稱房山線)起于蘇莊大街站,以高架線形式沿長虹路路中向東,經(jīng)長于路、京良路、長周路,跨永定河及豐西鐵路編組站,沿葆臺(tái)北路北側(cè)向東,逐漸過渡為地下線,至世界公園南門處設(shè)大堡臺(tái)地下站,下穿豐葆路轉(zhuǎn)向北,至郭公莊與M9線換乘,為初期終點(diǎn)站。初期線路全長約24.7 km,其中高架線約21.4 km,地下線約3 km,過渡段約0.32 km。沿線設(shè)車站11座,其中高架站9座,地下站2座；平均站間距2.3 km。

列車最高運(yùn)行速度100 km/h；采用B1型車,6輛編組,車全長為117.720 m；車輛軸重140 kN,采用上接觸方式供電。軌道結(jié)構(gòu)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)正線均采用60 kg/m鋼軌,車輛段采用50 kg/m鋼軌；

(2)正線采用彈性分開式扣件；車輛段采用彈條Ⅰ型扣件；

(3)正線采用短軌枕整體道床,配套有A、B(含加長枕)2種軌枕類型；

(4)扣件及軌枕間距均按照625 mm設(shè)置；

(5)正線采用60 kg/m鋼軌9號(hào)道岔；車輛段采用50 kg/m鋼軌7號(hào)道岔；

(6)全線采取綜合減振措施,按環(huán)評(píng)要求進(jìn)行分級(jí)減振。

2 房山線軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 扣件設(shè)計(jì)選型

房山線是以高架為主的方式敷設(shè),因此高架小阻力扣件的選型尤為重要。合理地選擇扣件形式,對(duì)減輕梁軌相互作用力,避免低溫?cái)嘬?確保列車行車安全,以及橋梁設(shè)計(jì)均有利。WJ-2型小阻力扣件是目前國內(nèi)地鐵應(yīng)用最廣泛的小阻力扣件之一。設(shè)計(jì)的扣件垂直靜剛度40～60 kN/mm,扣壓力為4 kN,彈程達(dá)到14 mm,既能滿足無縫線路設(shè)計(jì)要求,又能提供較好的彈性,經(jīng)濟(jì)性好,可減少工程造價(jià),且養(yǎng)護(hù)維修量少。

地下線采用ZX-3型扣件,它是在國鐵彈條Ⅲ型基礎(chǔ)上開發(fā)的彈性分開式扣件。設(shè)計(jì)扣件垂直靜剛度為40～60 kN/mm；最大調(diào)高量20 mm；采用無級(jí)調(diào)距的扣板,調(diào)距量可達(dá)到-28～+24 mm。房山線洞口位置最大坡度達(dá)到28‰,而ZX-3型單個(gè)彈條的扣件的防爬阻力達(dá)到17 kN以上,能較好地適應(yīng)這種大坡道。該扣件在廣州地鐵也經(jīng)過多年使用,養(yǎng)護(hù)維修量少,運(yùn)營狀況良好。

2.2 軌枕及道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高架及地下線扣件不同,有短枕A、B兩種短軌枕類型,另外為滿足供電接觸軌安裝要求,設(shè)置了加長軌枕。房山線除道岔、減振等特殊地段外,全線采用加長軌枕設(shè)計(jì),以確保接觸軌安裝精度要求,但是由于受橋梁及接觸軌布置的限制,給軌排施工增加一定的難度。

高架橋軌道結(jié)構(gòu)高度按520 mm設(shè)計(jì),采用縱向承軌臺(tái)整體道床結(jié)構(gòu),道床設(shè)置預(yù)埋鋼筋與橋面加強(qiáng)連接。預(yù)埋鋼筋與道床內(nèi)鋼筋點(diǎn)焊連接,以加強(qiáng)雜散電流的排流。為滿足信號(hào)波導(dǎo)管最大輪廓232 mm×275 mm,以及波導(dǎo)管中軸距軌中心軸距離430 mm的要求,道床進(jìn)行加寬設(shè)計(jì),詳見圖1。

圖1 房山線高架縱向承軌臺(tái)整體道床斷面(單位：mm)

2.3 道岔及鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

房山線9號(hào)道岔為彈性可彎曲線尖軌結(jié)構(gòu),采用相離線形,經(jīng)過了國鐵及北京、上海及廣州等地鐵多年實(shí)踐,它對(duì)減緩尖軌的磨耗更為有利。設(shè)計(jì)的9號(hào)道岔全長L=29.054 m,道岔前長a=13.011 m,道岔后長b=16.043 m,這與京建線60-9號(hào)單開道岔基本一致。其導(dǎo)曲線半徑R=200 m,直向允許通過速度為100 km/h,側(cè)向允許速度為35 km/h。配套扣件采用國鐵彈條Ⅱ型扣件,軌距塊有9、11、13、15號(hào)四種,調(diào)距量為+8～-4 mm。

在道岔前后設(shè)置60 kg/m鋼軌伸縮量1 000 mm單向伸縮調(diào)節(jié)器(簡稱調(diào)節(jié)器),其目的為防止無縫線路長軌條的力及位移往道岔內(nèi)傳遞,主要尺寸詳見圖2。調(diào)節(jié)器直向允許通過速度為100 km/h,基本軌與尖軌貼合面采用半徑300 m的圓曲線,尖軌采用軌撐固定,基本軌可伸縮,基本軌與尖軌跟端按凍結(jié)接頭設(shè)計(jì)。

圖2 單向鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器主要尺寸(單位：mm)

3 軌道減振設(shè)計(jì)

地鐵沿線經(jīng)過的各種建筑物類型比較多,由于列車運(yùn)行產(chǎn)生振動(dòng),對(duì)周邊居民的影響尤為突出。軌道減振設(shè)計(jì)依據(jù)的是環(huán)評(píng)報(bào)告及《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50175—2003),同時(shí)也考慮因地鐵振動(dòng)而引起建筑物二次結(jié)構(gòu)噪聲超標(biāo)、規(guī)劃拆遷等綜合因素。

結(jié)合目前北京、上海地鐵最近幾條新線發(fā)生鋼軌異常波磨現(xiàn)象,波磨的波長在80 mm左右。由北京地鐵建管公司牽頭,聯(lián)合北京交通大學(xué)和設(shè)計(jì)院進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試,初步研究表明波磨產(chǎn)生的原因?yàn)闇p振措施使用不當(dāng),沒有考慮車輛部件固有頻率的影響,導(dǎo)致共振現(xiàn)象所至。因此軌道減振類型不宜太多,優(yōu)先選用枕下減振結(jié)構(gòu)。本線只有梯形軌枕及鋼彈簧浮置板軌道2種減振類型。

鋼彈簧浮置板有固體和液體阻尼2種類型,液體阻尼型比固體阻尼型造價(jià)貴800萬元/km,固體阻尼的減振效果為10～18 dB,液體阻尼的減振效果達(dá)到25 dB以上。

3.1 梯形軌枕設(shè)計(jì)

梯形軌枕是北京易科路通科技有限公司專利產(chǎn)品,由預(yù)制梯形軌枕(含減振及緩沖材料)、L形支座組成。軌枕分別設(shè)減振材料和緩沖材料,枕下減振材料設(shè)計(jì)靜剛度為18 kN/mm,兩側(cè)緩沖材料設(shè)計(jì)靜剛度為42.5 kN/mm,其減振效果為7～18 dB。

梯形軌枕軌道結(jié)構(gòu)高度為520 mm,預(yù)應(yīng)力縱枕截面為460 mm×185 mm,詳見圖3。針對(duì)高架橋特點(diǎn),對(duì)側(cè)向擋墻進(jìn)行局部加強(qiáng),且在與梁面結(jié)合部位采取植筋措施,從而提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能。

圖3 高架橋梯形軌枕橫斷面設(shè)計(jì)(單位：mm)

3.2 鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)

鋼彈簧浮置板屬于高減振等級(jí)及特殊減振結(jié)構(gòu),在國內(nèi)地鐵廣泛使用。房山線鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)高度為840 mm,與其他不同,為了滿足信號(hào)波導(dǎo)管支架垂直空間高度要求,在浮置板中間設(shè)置了1 000 mm×50 mm凹槽,詳見圖4。

圖4 房山線鋼彈簧浮置板道床橫斷面設(shè)計(jì)(單位：mm)

4 無縫線路設(shè)計(jì)

高架橋采用區(qū)間無縫線路設(shè)計(jì),在道岔前后設(shè)置鋼軌伸縮器,部分不滿足調(diào)節(jié)器布置要求的地段,采用2根標(biāo)準(zhǔn)25 m緩沖軌；地下線考慮溫差較小,按跨區(qū)間無縫線路設(shè)計(jì),以減少鋼軌軌縫,提高線路的平順性,減少養(yǎng)護(hù)維修量。

按WJ-2型扣件不同布置形式,有3種阻力值：Q1=5 kN/m/軌、Q2=7 kN/m/軌、Q3=10 kN/m/軌,分別用于伸縮區(qū)、固定區(qū)和緩沖區(qū)。地下線采用ZX-3型扣件,扣件阻力不小于20 kN/m/軌。

4.1 高架橋軌道附加力計(jì)算

房山線高架橋主要采用25、30 m簡支梁進(jìn)行布跨。根據(jù)橋梁提供的資料：雙線簡支梁截面高度H=1.8 m,截面中性軸距離下翼緣的高度H下=1.1 m,梁體平均慣性矩I=1.7×104m4。結(jié)合具體橋型、支座布置等資料,通過平衡微分方程,假定鋼軌伸縮的影響長度,建立梁軌位移的平衡和鋼軌拉壓平衡方程式,采用建立梁軌一體化模型方法進(jìn)行計(jì)算,按最不利情況，經(jīng)計(jì)算鋼軌附加力均要小于150 kN,能滿足鋼軌強(qiáng)度相關(guān)要求,見圖5。同時(shí)考慮全橋剛度的差異,對(duì)局部快速制動(dòng),梁軌相對(duì)位移進(jìn)行檢算均小于2 mm,見圖6。根據(jù)無縫線路伸縮區(qū)、固定區(qū)不同,常用25、30 m簡支梁單股鋼軌附加力見表1。

圖5 高架橋軌道撓曲附加力計(jì)算

圖6 梁軌相對(duì)位移檢算

表1 簡支梁單股鋼軌軌道附加力

4.2 無縫線路實(shí)施方案

房山線有高架線和地下線,地下線由于溫差變化小,采用直鋪法鋪設(shè)無縫線路,移動(dòng)式接觸法焊接。高架線按北京市最高軌溫62.6 ℃,最低軌溫-27.5 ℃,參照相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合本線實(shí)際情況,確定鎖定軌溫為(26±5)℃,施工按確定的鎖定溫軌統(tǒng)一鎖定放散。凍結(jié)接頭施工1周后,應(yīng)復(fù)擰,確保螺栓扭矩在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),且運(yùn)營后應(yīng)定期檢查并復(fù)緊,使螺栓長期保持足夠的張力。

5 車輛段軌道設(shè)計(jì)

閻村車輛段軌道包括出入段線、試車線、車場(chǎng)線、庫內(nèi)線軌道鋪設(shè)、信號(hào)標(biāo)志安裝、臨管期維護(hù),總鋪設(shè)長度為11.134 km,其中60 kg/m鋼軌長度為0.96 km,50 kg/m鋼軌長度為11.02 km。

5.1 混凝土軌枕及道床結(jié)構(gòu)

車輛段除道岔及小于50 m的連接段、庫內(nèi)線外,均采用新Ⅱ型混凝土軌枕,彈條Ⅰ型扣件,碎石道床結(jié)構(gòu)。與木枕道床結(jié)構(gòu)相比,可節(jié)省投資約40萬元/km,且可增加線路縱橫向阻力,對(duì)提高軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,以及減少養(yǎng)護(hù)維修量更為有利?？紤]到北京地鐵不僅正線采用三軌方式供電,車輛段內(nèi)也采用該方式供電,在保持三軌安裝支架不變的情況,專門設(shè)計(jì)安裝三軌用2.6 m預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土枕,見圖7。

圖7 車輛段混凝土軌枕及道床結(jié)構(gòu)

5.2 車輛段平過道結(jié)構(gòu)

庫外線平過道采用混凝土長枕式碎石道床,鋪設(shè)橡膠道口板。庫內(nèi)平過道為短枕整體道床,用混凝土灌注,輪緣槽處采用特制的橡膠輪緣槽,輪緣槽寬度60 mm,見圖8。庫前需設(shè)置庫前截水溝,截水溝就近接入站場(chǎng)排水溝。

圖8 車輛段平過道道床結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

房山線軌道設(shè)計(jì)在總結(jié)國內(nèi)地鐵已運(yùn)營線路相關(guān)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,應(yīng)用較成熟的軌道產(chǎn)品,做好與相關(guān)專業(yè)的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),確保性能上安全可靠。減振設(shè)計(jì)充分考慮了沿線建筑情況,特別是針對(duì)乘客、乘務(wù)人員及車站工作管理人員聚集的車站,采取了較好的減振措施,更加體現(xiàn)人文環(huán)保設(shè)計(jì)理念。全線鋪設(shè)無縫線路,提高線路的整體平順性,使得旅客乘車更舒適安全。通過簡要論述房山線軌道設(shè)計(jì)方案,拋磚引玉,以供讀者設(shè)計(jì)參考。

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