上海市轨道交通12号线轨道新技术的设计与应用

上海市轨道交通12号线轨道新技术的设计与应用

李俊玺

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

摘 要：借鉴我国高速铁路轨道方面的先进技术，总结既有轨道交通线路设计经验，从提高城市轨道交通轨道专业设计标准和技术创新的角度，重点阐述上海市轨道交通12号线轨道采用的预制轨道板、预制道岔板、预制浮置板、对称三开道岔、CPⅢ轨道基础控制网的技术创新。运营实践表明，这些新技术提升了轨道专业整体技术标准，同时结合研发、设计和使用中存在的问题，提出改进建议和意见，使这些轨道新技术更完善、更合理。

关键词：城市轨道交通；轨道工程； 预制板 ；三开道岔；轨道基础控制网

1 概述

城市轨道交通工程是一个庞大的系统工程，包括多个专业和系统。轨道系统要求具有足够的强度、稳定性和适量的弹性，以及耐久性和可维修性，且应方便施工，确保行车安全、平稳及乘车的舒适度。根据国家优先发展公共交通的要求，国内多个城市展开了大规模的地铁建设，经过多年的实践，已经形成了具有符合各自地域特点的轨道系统，且北京、上海还制定了地方性轨道交通设计标准，编制了通用图，极大地方便了施工和运营管理。

上海轨道交通经过了20多年的发展，已建成14条线，结合本地区的特点，从方便建设管理和养护维修的角度，轨道系统开展标准化和通用化设计，形成了相对稳定的设计方案，其中整体道床采用有螺栓ω型弹性分开式扣件，碎石道床采用国铁定型弹条Ⅰ型扣件；地下线和高架线均采用轨枕埋入式现浇混凝土整体道床，地面线则以碎石道床为主；正线道岔采用60 kg/m钢轨9号和12号曲线型尖轨系列道岔。

上海市轨道交通绝大部分为建于市区、市郊的地下或高架，轨道结构具有型式多、减振降噪要求高、基础工后沉降大、排水要求高、施工作业场地狭窄、专业接口复杂等特点，随着运营线路的增加和运营时间的增长，轨道结构的养护维修工作量逐渐增多，除了轨道部件外，隧道和桥梁结构沉降等引起道床结构病害逐步加剧，需要进行整改维修，甚至更换铺新，同时，随着新线建设日益加快，人们对城市轨道交通周边环境的质量和乘坐舒适度的要求逐渐提高，因此，采用高精度、少维修和可维修的轨道结构，实现机械化施工，对建设、运营及养护维修打下良好基础显得尤为重要。

近年来，我国高速铁路迅速发展，形成了一整套具有自主知识产权的轨道先进技术，主要包括CRTSⅢ型板式无砟轨道、无砟轨道高速道岔、CPⅢ轨道精密测量技术等，城市轨道交通的轨道结构型式和高速铁路类似，借鉴高速铁路先进技术，结合城市轨道交通的特点，开展新型轨道结构技术创新，可提高城市轨道交通轨道系统设计标准和整体水平。

2 轨道新技术的设计与应用

上海轨道交通12号线是从西南到东北方向的一条骨干线路，全为地下线路，正线全长40.673 km，采用6辆编组A型车，设计最高速度80 km/h。本工程具有线路长、线位复杂，换乘节点多，道岔布置密集，沿线环境敏感点多，轨道减振降噪设计要求高等特点。结合本线工程特点，总结既有轨道交通线路设计经验，引进我国高速铁路轨道结构先进技术，对轨道结构进行了设计优化，同时采用了很多新的技术。

2.1 预制轨道板

上海属于软土地区，隧道等线下基础结构易产生不均匀沉降，部分地段已经超出了轨道扣件的调高量，这就需要从道床结构上考虑来应对基础的这种不均匀沉降。我国高速铁路研发的具有自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道，具有结构稳定、精度高、机械化施工程度高等优点，其道床结构由预制轨道板、自密实混凝土层、土工布隔离层、限位凹槽和基底等组成，设置在自密实混凝土层与基底之间的这层土工布将板和基础隔离开，可在板底进行注浆填充实现调整轨面高程的作用，有效的应对基础不均匀沉降带来的轨面不平顺，同时可以更换轨道板，实现了整体道床的可维修。因此，根据上海轨道交通的特点，借鉴高速铁路轨道先进技术，研发适用于城市轨道交通的预制板式轨道，以提高城市轨道交通轨道的精度和实现运营后的可维修性。

上海轨道交通12号线在漕宝路站—龙漕路站区间首次铺设了地下隧道用预制轨道板结构的试验段(图1)，预制板式无砟轨道由钢轨、扣件、预制轨道板、自密实混凝土层、土工布隔离层、限位凹槽、基底和水沟等部分组成。轨道板采用工厂预制，为普通钢筋混凝土结构，板厚200 mm；自密实混凝土层厚80 mm，强度等级为C35，浇筑完成后与预制板结合为一块大板；隔离层采用4 mm厚的土工布；基底采用现浇钢筋混凝土，设置轨道板限位凹槽，水沟设置在轨道板两侧的基底层上。

图1 隧道内预制板式无砟轨道

根据12号线设计速度、车辆参数、限界、线路、杂散电流防护要求等因素，对轨道板进行建模分析，轨道板的厚度与高铁一致，采用200 mm，当轨道板长度取6 m时，对比不同宽度轨道板受力，结合隧道内限界尺寸，经综合分析确定板宽采用2.3 m；对比不同长度轨道板受力情况，结合曲线地段矢距变化的影响分析，确定轨道板长度在直线地段采用4.7 m，在半径600 m以下曲线地段采用3.5 m。

对车辆准静力荷载作用下轨道板进行受力分析，本次计算仅考虑2节A型车，按照2个转向架位于相邻两块轨道板上的最不利工况，按照目前轨道交通最大速度120 km/h考虑，单个动轮载140 kN，建立有限元模型，计算结果见表1，轨道板位移满足设计规范要求，其应力和弯矩均不大。结合高速铁路轨道板预应力钢棒折断等问题，采用普通钢筋混凝土结构，配置2层HRB400级φ14 mm钢筋，经检算其强度和裂缝均满足要求。为了加强与自密实混凝土层的连接，板底设置门型钢筋。

表1 轨道板受力情况

项目最大位移/mm最大应力/MPa最大弯矩/(kN·m)钢轨1.466218—轨道板0.0200.870横向5.936,纵向9.194

考虑轨道板制造时脱模方便及施工、运输吊装的要求，在每块轨道板上布置了4组起吊套管；为了满足自密实混凝土灌注，每块板上设置3个灌浆孔，根据灌注工装设备要求，采用上大下小的圆孔；轨道交通应考虑杂散电流防护的要求，杂散电流的收集在轨道板内实现，要求板内钢筋电气连通，并在板的四个角上分别埋置杂散电流端子，与排流钢筋可靠焊联。

预制轨道板新技术提高了轨道质量，在施工和运营中达到了很明显的效果，但在研究、设计、施工和使用中也暴露出一些问题，由于地下空间受限，轨道结构高度受限，排水设计困难，存在排水进入隔离层的隐患，建议进一步优化板宽和结构组成，预留足够的轨道结构高度，保证排水沟的深度。

2.2 预制道岔板

针对道岔区短轨枕空吊、道岔几何形位难以控制、隧道产生差异沉降等问题，借鉴我国高速铁路道岔板技术，从提高道岔精度和实现轨下基础可维修的角度出发，研制了城市轨道交通用道岔板，并在12号线虹梅路站成功试铺了1组60 kg/m钢轨9号单开道岔板式无砟轨道。

预制道岔板无砟轨道结构组成与区间线路轨道板无砟轨道相同，由道岔钢轨件、扣件、道岔板、自密实混凝土层、土工布隔离层、限位凹槽和底座等组成。根据道岔前窄后宽的结构，同时考虑模板制作以及道岔板的生产、存放、运输，满足轨排孔下料尺寸要求，将9号道岔共分为9块尺寸不一的板，保证长度或宽度方向不大于3 m，板的厚度同样采用200 mm，板底同样设置门型连接钢筋，板内预埋扣件套管、起吊螺栓、杂散电流端子和注浆孔等，详见图2。

图2 场地试铺的道岔板无砟轨道

与普通轨道板相比，道岔板还需考虑信号转辙机的安装，在道岔板分块时，已经考虑转辙机的安装条件，在牵引点位置道岔板断开设置板缝，宽度420 mm，满足转辙机拉连杆安装空间的需求。轨道交通道岔一般采用侧式转辙机，利用角钢固定在钢轨底部，需要在连杆两侧1号、2号、3号板上开设安装角钢用沟槽。经与转辙机设计单位多次研究，确定角钢沟槽尺寸为：宽度200 mm，深度90 mm。同时在这3块板端设置了凹槽，为轨枕式转辙机安装预留空间。角钢沟槽处为薄弱部位，对此处进行重点分析，建立的“梁-板-板”有限元模型对轨道结构在列车垂向荷载作用下的受力状况进行了分析，当列车转向架的1对车轮作用在板端时为最不利状况，列车垂向荷载作用下，该道岔板应力云图如图3所示。

图3 道岔板板底应力云图

分析可知2号板道岔板转辙机沟槽位置弯矩最大值：纵向正弯矩为1.43 kN·m/m、负弯矩为0.25 kN·m/m；横向正弯矩为1.90 kN·m/m、负弯矩为0.42 kN·m/m。根据弯矩理论分析结果，并考虑板厚减小至110 mm，沟槽倒角处易出现应力集中，经计算采用纵向和横向加密配筋的方式进行加强，可满足要求。

2.3 预制浮置板

钢弹簧浮置板轨道结构具有很好的隔振效果，广泛应用于城市轨道交通减振等级较高的地段。由于该结构为“质量-弹簧”系统，要求浮置的道床板具有较大的质量，目前浮置板主要采用现浇混凝土施工，现场绑扎钢筋和浇筑混凝土工作量大，导致施工进度缓慢，综合进度约5 m/d。

采用预制浮置板可彻底解决因现场绑扎钢筋和浇筑混凝土而引起的施工进度缓慢问题，合理安排施工工序，可提高施工进度8～10倍。预制浮置板的外形尺寸根据吊装设备的能力和下料口尺寸(27 m×3 m)，以及轨枕间距、减振性能等因素确定，经比选预制浮置板长度采用3.6 m、宽度采用2.7 m，板厚仍旧采用325 mm，并在中间设置凸台，保证浮置板具有一定的质量和强度，每块板质量约9.3 t。按照线路平面曲线半径的不同分为3种型号：DTQ-1型、DTQ-2型曲线板和DTZ型直线板，另外还有可满足隧道偏差较大以及道床面需要安装信标等设备要求的DTS型特殊板。扣件位置板面设置高20 mm的承轨台，板内设置隔振器外套筒，以及扣件、剪力铰、起吊螺栓、板缝盖板用套管和杂散电流端子。

预制钢弹簧浮置板道床结构由预制浮置板、钢弹簧隔振器、基底、中心水沟、剪力铰等组成，与传统现浇混凝土钢弹簧浮置板轨道结构相比，除了采用预制浮置板外，不同之处在于板缝处采用方形隔振器，同时支撑两侧的预制板，另外剪力铰采用上置式。通过动态模拟分析确定系统自振频率f0为9.6 Hz，具有较高的隔振效果。12号线在高等减振地段全部采用预制浮置板，在满足环保要求的前提下，保证了铺轨施工的工期进度，铺设完成的预制浮置板轨道见图4。

图4 圆形隧道铺设成型的预制浮置板轨道

预制浮置板的新技术极大地提高了施工速度，但是根据施工反馈，隔振器采用侧置式+内置式组合的隔振技术，对于顶升中施工调平提出的要求较高，耗费的时间较多，另外浮置板中间设置的凸台影响钢轨更换和信标设备的安装，建议进一步优化隔振器型号和板厚，取消中间凸台，缩短顶升调整的时间。

2.4 对称三开道岔

轨道交通配线一般选用与正线相同的单开道岔，对于设置安全线的单存车线和折返线至少需要设置4组单开道岔，从配线使用功能上来说，1组对称三开道岔便可以代替2组单开道岔和部分线路，将大幅缩短道岔区长度和存车线长度，不仅可以节省道岔投资，而且显著缩短配线的长度，极大节省土建工程投资。采用单开道岔和对称三开道岔的配线布置对比如图5所示。

图5 采用单开道岔和对称三开道岔的配线布置对比

对称三开道岔仅在国铁货场有砟线路中有所应用，鉴于对称三开道岔在综合投资方面优势明显，结合城市轨道交通的特点，研发了适用于城市轨道交通无砟轨道的60 kg/m钢轨9号对称三开道岔，首次在上海市轨道交通12号线龙华中路站、国际客运中心站、隆昌路站、巨峰路站应用，共铺设了7组。该9号对称三开道岔全长28.379 m，导曲线半径为200 m，侧向允许通过速度35 km/h；采用相离线型曲线尖轨、高锰钢整铸辙叉、分开式H型护轨；扣件采用弹条Ⅱ型分开式弹性扣件，不设置轨底坡；转辙器采用两点牵引；轨下基础配套采用短轨枕。如图6所示。

图6 铺设完成的60 kg/m钢轨9号对称三开道岔

2.5 CPⅢ轨道基础控制网

为了进一步提高轨道交通旅客乘车的舒适性，提高轨道的几何线性参数，使轨道在建设阶段达到高平顺性，本工程首次将高铁精密测量技术引入12号线建设与运营管理中，并融合、改进和再创新传统的城市轨道交通的测量方法与轨道施工工艺，形成了一套新的城市轨道交通轨道精密工程测量体系。基于轨道基础控制网的调线调坡测量设计是这一体系中重要组成部分。

相比既有城市轨道交通测量技术体系，轨道基础控制网采用了更合理的分级布设方式，保证了各阶段控制精度的统一性与整体性。在调线调坡阶段建立的轨道基础控制网实现了一网多用的目的，主要为调线调坡、轨道的铺设与运营维护服务，同时还可以为施工放样、建设期间变形监测以及运营后的结构变形监测服务。如图7所示。

图7 基于CPⅢ轨道基础控制网采用轨检小车进行轨道精调

3 结语

上海市轨道交通12号线工程在借鉴以往线路轨道设计的成功经验和总结以往线路轨道设计不足的基础上，引入我国高速铁路、普速铁路和国内其他城市轨道交通的先进技术，成功将预制板、对称三开道岔和CPⅢ轨道基础控制网等铁路先进技术应用在本线，预制板和轨道基础控制网技术提高了铺轨施工的质量和轨道平顺性，更方便了运营期养护维修工作的开展；预制浮置板技术可更有效地安排铺轨筹划，缩短施工工期，而且提升了道床质量；对称三开道岔技术使得配线布置更灵活，缩短了道岔区长度，节省了土建开挖面积，有效降低了综合造价。实践表明，这一系列轨道新技术和设计创新，提升了该线轨道专业整体技术标准，使城市轨道交通轨道技术达到了先进水平。

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Design and Application of New Track Technology in Shanghai Rail Transit Line 12

LI Jun-xi

(China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055, China)

Abstract：With reference to China’s advanced high speed railway track technology， this paper summarizes the existing rail transit line design experiences and focuses on track innovations in Shanghai rail transit Line 12， including prefabricated track slab， turnout slab and floating slab， three-way turnout， CPIII track control network from the perspective of improving urban rail transit track design standards and technological innovation. Operational practice shows that these new technologies have upgraded the overall technical standards of track， and have been improved during the cause of development， design and application.

Key words：Urban rail transit; Track engineering; Prefabricated slab; Three-way turnout; Track control network

文章编号：1004-2954(2017)04-0005-04

收稿日期：2016-07-18；

修回日期：2016-08-24

作者简介：李俊玺(1980—)，男，高级工程师，2003年毕业于北京交通

大学土木工程专业，工学学士，E-mail: [e-mail]。

中图分类号：U239.5

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.002