淺析城市軌道交通道岔結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)

李喬木

（中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038）

隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的加快，城市中的人口越來越多，隨之交通擁擠越來越嚴(yán)重，城市軌道交通成為人們出行的首選。城市軌道交通列車的運(yùn)行線路按照在運(yùn)營中功能不同分為正線、輔助線和車場線3類。其中，輔助線是輔助正線行車的線路,涉及列車的轉(zhuǎn)線、折返、臨時(shí)待避等,這里就需要用到道岔這種線路設(shè)備。

1 工程案例

某城市軌道交通道岔主要鋪設(shè)在車站，用于車輛的進(jìn)出站，道岔采用50kg/m的鋼軌制作而成。該道岔目前存在的問題包括老舊、使用年限較長，還有一部分道岔使用的是木岔，由于該木岔岔枕使用年限已長，出現(xiàn)了明顯的腐爛、掉塊等的現(xiàn)象。此外，該道岔還時(shí)有爬行問題產(chǎn)生；轍岔由高錳鋼制作而成，岔芯磨損嚴(yán)重。

2 優(yōu)化與設(shè)計(jì)的原則

2.1 道岔長度與站場主流道岔型號一致

道岔的長度與站場的主流道岔型號相同，因?yàn)槌鞘熊壍澜煌ǖ啦硎卿佋O(shè)在站場上的，該區(qū)域內(nèi)的土地資源有限、價(jià)格昂貴，同時(shí)，由于一些站場涉及多項(xiàng)物業(yè)，一旦站場竣工后很難再進(jìn)行改擴(kuò)建。因此，道岔的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮這一因素才能方便以后的維護(hù)和更換。近年來，設(shè)計(jì)人員也針對此問題進(jìn)行過多次的優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如，更換扣件類型、調(diào)整軌枕間距等，在線型上依然保持一致，所以，本次設(shè)計(jì)的道岔前、后以及總長一致，并對線型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化延長道岔使用周期

城市軌道交通單開道岔使用了大量的傳統(tǒng)型道岔，在不增加成本的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化既有道岔線型結(jié)構(gòu)，提升軌道的質(zhì)量和強(qiáng)度，以延長其使用壽命并減少后期維修的概率。具體優(yōu)化措施如下：（1）通過縮短尖軌與道岔之間的距離，優(yōu)化和完善鋼軌與轍叉設(shè)計(jì)方案；（2）增加曲尖軌直線段的長度，提高尖軌的摩擦，延長尖軌使用壽命。

2.3 運(yùn)用新材料、新工藝

新材料、新工藝和新技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用，取得了良好的效果。比如，金鋼材料轍叉和復(fù)合材料岔枕。此外，本方案還提出了一種金鋼組合轍叉和玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹脂（FFU）復(fù)合材料岔枕，為本工程項(xiàng)目施工組織設(shè)計(jì)方案的編寫提供了多個(gè)選擇。

3 道岔線形的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

3.1 線型方案平面次數(shù)

（1）城市軌道交通工程的7#單開道岔具有以下結(jié)構(gòu)特征：總長度為23627mm，其中前段長度為11194mm，后段長度為12433mm，導(dǎo)曲線半徑為150m，未平衡離心加速度為0.32m/s，欠超高為49.2mm；（2）尖軌采用相離半切式線型，轉(zhuǎn)轍器端導(dǎo)曲線與軌道之間的距離為4mm，端導(dǎo)曲線與轍叉的距離為12mm。（3）新設(shè)計(jì)的單開道岔的全長、前長和后長與施工組織設(shè)計(jì)方案基本相同，施工現(xiàn)場可以進(jìn)行互換。工程實(shí)際情況的兩種線形方案，如表1所示。

表1 單開道岔原設(shè)計(jì)與方案1、方案2技術(shù)參數(shù)對比

3.2 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論知識和動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立城市軌道交通單開道岔結(jié)構(gòu)耦合模型，計(jì)算列車在通過上述2種方案時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型，從而為道岔平面線形選擇提供幫助。在我國，地鐵車輛主要有A型車和B型車兩種。其中，B型車在人們的日常出行中十分常見，其車型小、軸重輕。但是，隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，城市人口數(shù)量與日俱增，車型大、軸重輕的A型車逐漸走進(jìn)人們的視野，特別是對于新建的鐵路，大部分以A型車位主要運(yùn)營車輛，因?yàn)锳型車在運(yùn)行過程中對道岔的影響較大，動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算過程中需要嚴(yán)格遵照A型車（如表2）。

表2 城市軌道交通A型車技術(shù)參數(shù)

動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算過程中，城市軌道交通的經(jīng)過岔道時(shí)的時(shí)速為250km/h,本節(jié)主要分析城市軌道逆向和順向經(jīng)過時(shí)兩種不同的工況，即逆向進(jìn)入道岔時(shí)，列車先通過尖軌端進(jìn)入岔區(qū)，通過導(dǎo)曲線后由撤岔駛出；順向出岔時(shí)，城市軌道交通再從撤叉端進(jìn)入岔區(qū)，經(jīng)過導(dǎo)曲線后從尖軌端駛離。

3.3 線型設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與方案一、方案二進(jìn)行對比，得出方案一優(yōu)于方案二的結(jié)論。因此，本次優(yōu)化與設(shè)計(jì)將以方案一作為主要方案。同時(shí)，在本方案中，Q值為1930mm，導(dǎo)曲線始端與轉(zhuǎn)轍器距離為10mm，導(dǎo)曲線末端與心軌的距離為12mm，道岔曲線半徑為150m，按照GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定導(dǎo)曲線半徑150m的要求，需要加寬10mm，加寬后導(dǎo)曲線處側(cè)股軌距為1445mm，在導(dǎo)軌線末端2.5mm之內(nèi)軌道距離逐漸由1445mm下降至1435mm。

4 道岔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)轍器

城市軌道交通單開道岔設(shè)計(jì)借鑒了重載道岔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用了“刨切基本軌、為了提高道岔的性能和穩(wěn)定性，可以考慮采用“加厚尖軌”的設(shè)計(jì)方案，具體做法如下：去除基本軌工作邊，使尖軌形成θ角，此時(shí)曲線尖軌的尖端角度為α+θ，根據(jù)本設(shè)計(jì)方案，α角為1：40，θ角為1：100。為了增強(qiáng)曲線尖軌的強(qiáng)度，在最薄弱的部位加寬5mm，可以通過切削基本軌尖銳端前端30mm的方式來實(shí)現(xiàn)，即在50mm內(nèi)從0依次加寬至5mm，經(jīng)過加厚的尖軌其薄弱環(huán)節(jié)的耐磨性增加。同時(shí)，為了避免曲線尖軌前端薄弱環(huán)節(jié)的過度磨損，可以將直曲組合曲線尖端設(shè)計(jì)得更靠后，使磨損區(qū)域最大的段落位于尖軌斷面的粗壯位置。為了盡可能延長尖軌的直線段長度，可以將尖軌設(shè)計(jì)為直組合型線形。這樣，尖軌直線段的長度將會(huì)更長，半切點(diǎn)的寬度也會(huì)向后延伸，尖軌的耐磨程度就越高，列車在經(jīng)過道岔時(shí)就會(huì)越平穩(wěn)。可以通過改變Q值、導(dǎo)曲線駛端與轉(zhuǎn)轍器相交點(diǎn)的位置以及導(dǎo)曲線末端與芯軌相交點(diǎn)的位置這三個(gè)技術(shù)參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整，曲線組合線型曲線尖軌直線段的長度，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的尖軌端直線長度為2134mm，與原設(shè)計(jì)方案相比，長度增加了560mm。

4.2 固定轍叉

（1）高錳鋼整鑄轍叉。高錳鋼整鑄轍叉因強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)等的特點(diǎn)，目前，在我國大部分的城市軌道交通工程中得到了迅速的推廣。高錳鋼整鑄轍叉結(jié)構(gòu)簡單、整體性好，可滿足一般城市軌道交通運(yùn)行需求。同時(shí)，高錳鋼整鑄轍叉還具有良好的沖擊性和韌性。在經(jīng)過磨損后，它的硬度會(huì)有所提升，這有利于轍叉的制造，將轍叉翼軌在芯軌科逐漸加高，便于列車輪緣更加匹配，提高列車在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和安全性。最大的抬高值為4.8mm。

（2）合金鋼組合轍叉。合金鋼組合轍叉是近年來出現(xiàn)的一種新型材料。該轍叉的主要材料是貝氏體鋼，現(xiàn)已在重載鐵路中得到了普及，合金鋼組合轍叉硬度為38-45HRC，沖擊韌性在20℃下大于或等于70J/cm2。其重量為200Mt，是高錳鋼整柱轍叉的兩倍以上。然而，合金鋼組合轍叉的價(jià)格與高錳鋼整柱轍叉相當(dāng)。因此，合金鋼轍叉的性價(jià)比更高。在施工現(xiàn)場，高錳鋼整柱轍叉可以與合金鋼組合轍叉互換，但要在更換的轍叉下面設(shè)置墊板，芯軌和芯軌對應(yīng)的位置采用合金鋼組合轍叉，翼軌的其他位置與合金鋼組合轍叉分別采用U71Mn或U75V在線熱處理制造。

4.3 岔枕與扣件系統(tǒng)

城市軌道交通單開道岔設(shè)計(jì)時(shí)，由混凝土制作而成的岔枕在城市軌道交通建設(shè)中是最常見的一種岔枕，無須設(shè)置任何的軌底坡，岔枕的強(qiáng)度高于60kN，正彎矩試驗(yàn)荷載為240kN，負(fù)彎矩試驗(yàn)載荷190kN,不會(huì)產(chǎn)生任何的裂紋，疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)荷載為255kN,岔枕的兩端分別采用預(yù)埋的塑料套管和鐵墊板連接在一起。本工程項(xiàng)目采用的是玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹脂材料制作而成的復(fù)合岔枕。增強(qiáng)聚氨酯樹脂材料不僅具有良好的力學(xué)性能，質(zhì)量可靠，且還具有耐絕緣、耐腐蝕、少維護(hù)以及可二次回收等的特點(diǎn)。玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹脂材料復(fù)合岔枕的截面為長方形，尺寸為240×220mm，密度為1000kg/m3的玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹脂材料復(fù)合岔枕，具有與混凝土制造的軌枕相同的抗拔能力、靜載抗裂性能和疲勞強(qiáng)度。唯一的區(qū)別是混凝土岔枕需要預(yù)埋，而玻纖增強(qiáng)聚氨酯樹脂材料復(fù)合岔枕需要在施工現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

4.4 扣件系統(tǒng)

城市軌道交通7#單開道岔采用彈性分開式的扣件系統(tǒng)，彈條采用的是Ⅰ型彈條。在軌道下方設(shè)置了5mm厚的橡膠墊板，鐵板下設(shè)置10mm橡膠墊板，扣件系統(tǒng)強(qiáng)度70～80kN/mm。鋼軌一側(cè)安裝13mm軌距塊，另一側(cè)安裝了11mm軌距塊，岔枕螺栓與鐵墊板需要分別設(shè)置絕緣偏心襯套，以此更進(jìn)一步地提升道岔的整體性能，旋轉(zhuǎn)絕緣偏心襯套能夠確保鐵墊板的整體移動(dòng)，從而調(diào)整鋼軌的位置。

5 結(jié)語

綜上所述，城市軌道交通單開道岔的優(yōu)化與設(shè)計(jì)分別借鑒了重載鐵路和高速鐵路延長道岔使用周期的關(guān)鍵技術(shù)，分別對以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：單開道岔的前長、后長、總長一致使用了刨切直基本軌加寬曲尖軌5mm技術(shù)，以確保曲尖軌前端更加耐用，提高了使用壽命和耐磨性。因此，希望通過對本文的研究，能為同類工程項(xiàng)目的順利開展帶來些許有益幫助。