有砟轨道技术在北京市城市轨道交通地下线正线的应用研究

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有砟轨道技术在北京市城市轨道交通地下线正线的应用研究

赵　洪1，戴春阳2

(1.北京市重大项目建设指挥部办公室，北京　100029；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京　100082)

摘　要：研究分析北京市城市轨道交通地下线正线应用有砟轨道结构技术措施。对地下线正线应用有砟轨道的结构形式、部件选型进行设计分析，并辅以模拟计算手段对道床部分典型动力特性进行分析，借鉴国铁养护维修典型年运量理论对地下线有砟轨道养护维修工作量进行分析，认为道床几何尺寸、纵横阻力等稳定性指标能够满足相关规范要求，设备选型合理可行，养护维修工作量适中，认为北京市城市轨道交通地下线正线应用有砟轨道技术具备可行性和重要意义。

关键词：城市轨道交通；有砟轨道；养护维修；道床阻力

1　概述

1.1　研究背景及意义

轨道的出现可以追溯到15世纪初。随着英国工业革命的发展，在1605年出现了第一条用木条铺成的轨道。用散体材料碎石组成道床的传统轨道形式经历180多年的发展、使用经久不衰，仍是当前铁路轨道主要结构形式。有砟轨道发展历史与铁路及配套的轨道结构相适应，其作为经典传统轨道结构形式一直广泛应用于各国铁路工程、高速铁路工程以及城市轨道交通工程。例如法国TGV高速铁路、日本新干线高速铁路，我国普速铁路客运、货运线路等等。

在我国的城市轨道交通工程中，有砟轨道技术应用研究尚处在初级阶段，尤其是地下线正线线路中几乎全部采用了无砟轨道的结构形式。一些轨道交通建设发展较早的国家较为普遍地采用了有砟轨道形式。

例如，拥有世界上第一条地铁线路的英国伦敦，早已建成12条总长度超过400 km的线路网，部分地下路段采用有砟轨道形式；巴黎地铁前期修建的线路有很多都在隧道中采用有砟轨道的结构形式，如9号线、12号线，隧道中的有砟轨道至今仍在使用；芬兰首都赫尔辛基的地下铁路系统只有一条线路，隧道中大部分路段采用有砟轨道的形式，运营至今轨道及车辆匹配关系良好；德国柏林地铁总长度达146 km，有部分正线路段采用有砟轨道的形式并且沿用至今，如U9与U5线；莫斯科地铁是世界上最古老、效率最高、埋深最深的地铁系统，同样也大量采用了有砟轨道的结构形式，运营情况良好。

国内情况如前所述，目前尚无有砟轨道技术在城市轨道交通地下线正线使用案例，仅在地面线路基地段有过少量应用，例如北京地铁八通线及13号线地面段，上海、广州情况与北京类似。只有在2014年底开通的北京15号线一期西段工程地下线清华东站后折返线上应用了180 m的有砟轨道。如图1、图2所示。

图1　北京地铁13号线

图2　北京地铁15号线地下线站后折返线

有砟轨道技术具有铺设、改造灵活、刚度匹配合理、造价经济、减振效果优良、适应不良地质沉降能力强、钢轨病害较少等一系列优点，同时近年有砟轨道又有了一些新的技术和措施发展，故考虑在城市轨道交通地下线使用有砟轨道具有一定意义。

1.2　研究方向

有砟轨道技术在部分国外城市轨道交通正线工程中应用效果已得到检验，考虑在北京城市轨道交通正线工程中采用有砟轨道技术存在可行性，认为有必要参考国内外地铁正线、国铁有砟轨道的成功经验，对有砟轨道在城市轨道交通地下线正线的应用进行研究。本文主要从有砟轨道服役所需的条件，如不同隧道断面下轨道结构形式、部件选型、有砟轨道的稳定性及部分主要力学特性、养护维修方面进行一定的研究分析，对北京市城市轨道交通地下线应用有砟轨道技术可行性给出建议。

2　地下线有砟轨道结构设计分析

2.1　结构设计

碎石道床技术主要应用在地面路基段，路基面比较平整，具有充足的布置空间，道床结构可以提供足够的道床纵、横向阻力以及弹性，有利于保证轨道几何形位，为列车提供安全、舒适、平顺的行驶基础。当碎石道床结构应用于地下线时会受到限制，主要表现为相对狭小空间对有砟轨道结构高度范围的削弱。

地下区间结构主要有盾构、明挖以及暗挖3种形式。盾构结构由于断面呈圆形，对道床两侧被削弱最多，轨道结构各项性能受影响最大，故盾构结构中使用有砟轨道技术为3种地下结构形式中最不利状态。

2.1.1　盾构结构下应用有砟轨道技术(图3)

图3　盾构结构中有砟轨道示意

有砟轨道结构主要由钢轨、扣件、轨枕以及道砟组成，应用于盾构隧道结构时主要存在轨道高度的问题，直接影响道砟厚度、砟肩宽度等。

(1)道床厚度

道床厚度是指直线或曲线上内轨中轴线下轨枕底面至路基顶面的距离。道床厚度是按照道床中压力的扩散角及路基面的允许应力计算确定的。

地下线采用有砟轨道时，隧道结构可以为道床提供刚性的基础，比土质路基具有更高的承压能力，理论上讲可采用相对较薄的道床厚度，但工程实际证明道床除了起到扩散分布荷载的作用，还有很多其他方面的功能，例如增加道床的弹性、降低道砟颗粒的破碎和粉化程度、减振降噪等，所以在相对坚硬的隧道基础上应用有砟轨道不可单一地减薄道床厚度。

《地铁设计规范》(GB50157—2013)关于正线混凝土结构基础上的有砟轨道最小道床厚度规定为300 mm[1]；《铁路轨道设计规范》(TB 10082—2005)关于次重型轨道在土质路基使用时给出了最小厚度为300 mm单层道砟的规定[2]。拟合轨道结构断面时要满足上述要求，通过比较分析确定地下线正线有砟轨道高度采用890 mm(钢轨轨顶至限界距离)。

在设置最大超高的情况下，内股钢轨轨枕端部下沿距离盾构内壁最近，此距离最小为259 mm(无超高时为266 mm)，相应的内股钢轨一侧道床最小厚度约为360 mm(枕底至限界距离)，如图 4所示。

图4　曲线地段盾构隧道有砟轨道断面(单位：mm)

在盾构隧道中使用890 mm轨道高度情况下可以满足相关规范对道床厚度的规定，故建议5.8 m直径盾构隧道采用有砟轨道结构时，轨道高度不应小于890 mm，且应严格控制盾构施工误差，在保证道床厚度不小于300 mm的同时轨枕端部边缘距离盾构最小距离不小于250 mm(参考桥上120 km/h新建铁路有砟轨道道床厚度不应小于250 mm)。

(2)砟肩宽度

道床顶面宽度决定于其砟肩宽度。一定的砟肩宽度可有效阻止道砟从枕端下面挤出，尤其可有效提高轨道横向阻力，这对于保证无缝线路的稳定性具有重要意义，增加肩宽有助于保证捣固效果和防止道床塌落。根据研究表明，道床肩宽部分所分担的道床横向阻力约占总道床横向阻力的1/3，故必须保证足够的砟肩宽度。

一定的砟肩宽度可有效提高道床横向阻力，但是否横向阻力会无限与砟肩宽度呈线性增长关系，同时过宽的砟肩宽度势必带来道砟用量的增加，这些因素共同决定着砟肩宽度的合理范围。

北京交通大学曾在混凝土轨枕轨道上对砟肩宽度与道床横向阻力的关系进行了测试，日本崛越博士也做过类似实验，认为砟肩宽度从400 mm以下增加到400～450 mm是轨枕横向阻力增长最快的阶段，砟肩宽度大于450 mm之后，轨枕横向阻力的增长趋势将趋于平缓。因此，很多国家对砟肩宽度规定了限值。《地铁设计规范》要求单根轨枕横向阻力不小于9 kN。

道床砟肩宽度部分所分担的道床横向阻力可以通过理论公式计算获得。在道床受到横向作用力时，轨枕下部与道砟的摩擦力与轨枕横向移动挤动砟肩的道砟棱体的阻力共同提供抗力。砟肩提供阻力示意见图5。

图5　砟肩提供阻力示意

本文工况下，考虑轨道道床横向失稳的情况下，计算得出的砟肩宽度为350～500 mm。根据前述轨道结构尺寸设计，轨道结构高度为890 mm的情况下，无论直线地段还是最大超高的曲线地段(超高值120 mm)，钢轨两侧砟肩宽度皆大于500 mm(轨枕边缘至限界圆距离)，从理论计算角度可有效提供横向道床阻力。

综上，城市轨道交通地下线正线盾构区间使用有砟轨道时，应保证砟肩宽度不小于400 mm，在曲线半径小于800 m时，曲线外侧道床肩宽不小于500 mm。上述尺寸为轨枕端部至盾构限界圆的距离。

(3)道床边坡

道床边坡是有砟轨道断面的主要特征，但在城市轨道交通地下线盾构区间设置道床边坡后，道床外侧空间明显不足，使得轨道维修养护工作及特殊情况下人员疏散都比较困难，故地下线有砟轨道不进行边坡设置，道床砟肩直接延至盾构壁。

(4)砟肩堆高

砟肩堆高是提高轨枕横向阻力，提高线路横向稳定性最经济、最有效的手段。国家现行标准《无缝线路铺设及养护维修方法》(TB2098—2007)规定在某些特殊地段采用砟肩堆高160 mm[3]。《铁路轨道设计规范》要求正线无缝线路轨道砟肩堆高150 mm。《地铁设计规范》规定正线无缝线路半径小于800 m时，砟肩应堆高150 mm。

考虑到城市轨道交通车辆轴重相对较轻、运营速度相对较慢，尤其是地下线路轨温差值较小，故城市轨道交通地下线有砟轨道最高砟肩堆高设计为150 mm。在无缝线路曲线半径小于800 m的情况下使用，要求曲线内外侧砟肩同时加高；正线直线及大半径地段无缝线路统一考虑采用100 mm砟肩加高。在进行砟肩加高设计时不进行放坡，直接在原有砟肩上进行加高处理。

2.1.2　小结

在5.8 m直径的盾构隧道中，在道床高度不小于890 mm的情况下，可以保证有效的道床厚度，进而提供良好的弹性、适中的道床应力；可以保证足够的砟肩宽度，进而提供足够的道床横、纵向阻力，保证道床的稳定性；足够的空间进行砟肩的堆高处理，进一步加强道床的横向阻力，同时提供足够宽度的人员疏散通道和养护维修空间。矩形断面(轨道高度770 mm)、马蹄形断面(轨道高度890 mm)情况亦复如是，此处不再赘述。

此外，还可通过“双侧挡台式轨枕”以及“固化道砟技术”进一步提高有砟轨道的稳定性，更好地适应某些不良的工程条件。见图6、图7。

图6　双侧挡台轨枕

图7　固化道床技术

2.2　轨道部件选型

2.2.1　轨枕

有砟轨道结构轨枕种类较多，国外主要有弹性轨枕、宽轨枕、梯子式轨枕、框架式轨枕、德国B系列轨枕及法国双块式轨枕等，我国的有砟轨道轨枕主要是国铁的预应力Ⅰ、Ⅱ以及Ⅲ型混凝土轨枕[4]。从实际应用经验、国有化程度以及市场供货等角度考虑，本文推荐采用国铁轨枕作为城市轨道交通地下线正线有砟轨道轨枕。

Ⅰ型轨枕目前已逐步从线上换下，主要问题是螺栓孔间的纵裂及轨下正弯矩裂缝。Ⅱ型轨枕在国铁及城市轨道交通车辆基地中应用较为广泛，其不足之处为安全储备不足[5]。Ⅲ型枕在自身强度较Ⅱ型轨枕有明显增强，轨下和枕中截面的设计承载力较Ⅱ型枕分别提高了43%和65%，能够更好地适应高速、重载以及对轨道结构抗疲劳荷载要求；从道床阻力角度分析，Ⅲ型轨枕在铺设密度为1 667根/km时，道床横向阻力可达到12.78 kN/枕，满足《地铁设计规范》相关要求；此外，Ⅲ型轨枕使用1 667根/km的轨枕铺设密度时，可以保证足够的捣固空间，此时轨枕与钢轨焊缝的搭接关系也最为合理。本文推荐城市轨道交通地下线正线有砟轨道采用国铁Ⅲ型预应力混凝土轨枕(1 667根/km)。

2.2.2　钢轨与扣件系统

60 kg/m钢轨使用寿命长、安全可靠、可降低噪声和减少杂散电流，降低供电能耗，并具有良好的动力响应特性和更强的稳定性，在长期运营中能保持良好的平顺性，并能减少养护维修量，延长轨道使用寿命，其技术、经济综合指标最佳。国内外地铁的使用实践证明采用60 kg/m钢轨具有较大的优越性，因此对于地下线有砟轨道建议采用60 kg/m钢轨。

扣件系统建议采用与国铁Ⅲ型轨枕相配套的弹条Ⅱ型扣件，不再另行单独设计。扣件单个弹条扣压力不小于9 kN，绝缘套管抗拔力大于60 kN，扣件节点垂直静刚度35～50 kN/mm，调高量20 mm，轨距调整量为+8、-12 mm[6]。国铁Ⅱ型弹条扣件示意如图8所示。

图8　国铁Ⅱ型弹条扣件(不分开式)

3　轨道结构模拟分析

3.1　模型

针对城市轨道交通A型车建立模型，建模选取的是具有二系悬挂的整车模型，在建立车辆模型时，进行了一定程度的简化：

(1)不考虑车体、转向架和轮对的弹性变形；

(2)三大构件的质心左右和前后对称，不考虑偏心作用[7]；

(3)车体、转向架和轮对这三大构件之间的连接简化为弹簧和阻尼单元；

(4)对于车轮外形做了适当的简化；

(5)仅考虑1节车辆的动力学性能。

3.1.1　车体及轨道

本文中，仅考虑车体在垂向和横向上的平动位移和转动位移，考虑车体的沉浮、点头、横摆、侧滚以及摇头等5个自由度[8]；混凝土轨枕及钢轨采用实体模型，钢筋采用线单元耦合在混凝土轨枕模型中；扣件采用线性单元，约束钢轨轨底两侧的转角自由度[9]。车辆及有砟轨道模型见图9。

图9　车辆及有砟轨道模型

3.1.2　不平顺模型

对轨道不平顺统计特征的描述常采用轨道不平顺功率谱的形式。轨道的确定性不平顺和随机不平顺(包括实测的不平顺数据和各类轨道谱)[10,11]，都可以作为本模型的输入数据。轨道不平顺谱见图10。

图10　轨道不平顺谱

模型材料参数皆选取标准材料弹模、泊松比、密度等，此处不再赘述。

3.2　计算结果分析

3.2.1　典型曲线

对轨道结构车辆运行动态模拟计算，其中车辆运行动态模拟计算是按照最高行车速度80 km/h进行的模拟。结果如图11～图14所示。

图11　钢轨位移时程曲线

图12　轨枕位移时程曲线

图13　轮重减载率时程曲线

图14　有砟轨道插入损失

3.2.2　结果分析

(1)车辆安全性及舒适性：轮重减载率最大值为0.334，列车安全性能够得到保证。

(2)轨道结构强度检算：轨道动应力由上至下不断减小，钢轨、轨枕、道床的应力值较小，且具有较大的富余量，远小于结构的容许应力值。

(3)轨道动位移：有砟轨道钢轨动位移大于无砟轨道，但仍在可控范围内，与国铁有砟轨道动位移属同一数量级，轨道几何形位能够得到保证。

(4)隧道结构动力响应：目前公认的评价减振性能的指标为插入损失[12]，将有砟长枕道床与无砟长枕道床在相似工况下进行对比，可得出插入损失计算值约为8 dB。

4　养护维修工作量分析

4.1　城市轨道交通运量

目前城市轨道交通主要车型为A型、B型车2种，编组方式一般为6节或8节编组，从近期建设情况看，为适应城市大客流需要、为区域发展预留承载能力以及尽量提高乘客乘坐舒适度等角度，城市轨道交通也逐步向“重型化”方向发展。

轨道交通的运量通常以年通过总重作为评价标准，《铁路线路修理规则》中对于年通过总量有明确的计算公式，城市轨道交通工程可加以借鉴[13]：

根据城市轨道交通运行特点及车辆参数对上述公式进行简化处理，并将相应参数代入求解。

(1)按照A型车8节编组进行计算，考虑每天运营时间为18 h，其中早晚高峰共4 h；

(2)8节编组的组合形式为6动2拖，动车空车按重40 t计、拖车空车按重36 t计；

(3)每节车厢坐席数量56人，定员(立席按6人/m2计)，超员(立席按9人/m2计)，非高峰时段定员(立席按2人/m2计)，人均体重按照60 kg计；

(4)高峰区段发车间隔按照2.5 min，平峰区段发车间隔按照6 min考虑，最终得出城市轨道交通正线年通过总质量

W年=34 Mt·km/km

城市轨道交通地下线采用有砟轨道技术标准与国铁相当，采用60 kg/m钢轨、弹条Ⅱ型扣件、Ⅲ型混凝土轨枕、一级道砟，故其养护维修标准可参考国铁标准进行。按照年通过总量计算，8A编组车辆的城市轨道交通线路年通过总重约为34 Mt·km/km；通过线路修理周期表初步计算，可得城市轨道交通地下线正线有砟轨道的养护维修时间。

4.2　养护维修时间修正系数

《铁路轨道修理规则》钢轨的损伤与运营累计通过总重即规定的大修周期有关。除此之外，还与行车速度、轴重等有关。故本文认为在线路的修程中亦应考虑行车速度与轴重等的关系。

(1)速度修正系数：铁路车辆按照最大速度160 km/h计，城市轨道交通按照80 km/h计；

(2)偏载系数：铁路轨道最大未被平衡超高按70 mm计，城市轨道交通轨道最大未被平衡超高按61 mm计；

(3)轴重修正系数：国铁客货混跑线路可粗略按照客运、货运量各占50%计，客运车辆最大轴重17 t、货运车辆最大轴重30 t；

地铁只有空载和满载之分。

4.3　养护维修时间计算

(1)大修时间

(2)中修时间

(3)综合维修时间

城市轨道交通地下线正线有砟轨道道岔的综合维修周期，若综合维修中期较短可与之同步。若综合维修周期较长，则可与之错开。这与线路的开通后运量、道岔状态有关，可适当延长道岔的综合维修周期，但建议不超过6年。

5　有砟轨道其他特性

灵活性是有砟轨道的一个显著性优势。有砟轨道线路几何状态调整较为方便，对于穿越工程造成的线路变形可以进行较大幅度的调整，因而采用有砟轨道结构无论对于新建穿越工程的施工控制，还是既有地铁结构运行安全都有很大的益处，尤其是在地层断裂带处以及软土地基地段，有砟轨道具有明显的适用性优势，例如目前正在实施的乌鲁木齐1号线计划使用有砟轨道来应对地层断裂带的威胁，另方便后续工程改造。有砟轨道属于散体结构，便于后期改造。例如，北京地铁15号线西延工程在清华东站后折返线设置180 m长的有砟轨道，预留了西延的良好条件，以及预留了穿越校园敏感点所需的减振条件，可以通过砟下减振垫板的形式，或者将有砟轨道彻底拆除，在原有空间重设特殊减振等级的道床结构，工程实施难度较小。

6　结语

针对北京市城市轨道交通地下线工程应用有砟轨道技术进行了分析论证。

(1)在φ5.8 m盾构结构中，通过优化轨道结构形式，可以满足有砟轨道道床厚度、砟肩宽度、道床边坡及堆高等相关要求，进而保证了道床纵横向阻力、轨道结构稳定性以及为工务人员日常检查、维修作业行走和紧急情况下疏散提供通畅通道的要求。

(2)参照国铁线路养护维修量计算方法，充分考虑北京市城市轨道交通运营特点，得到北京市城市轨道交通年通过总重，并通过引入速度偏载系数和轴重修正系数，得到适合于北京市城市轨道交通地下线有砟轨道结构的修程周期：大修约45年、中修19～26年、综合维修6～10年，道岔区不超过6年。

(3)有砟轨道具有较强的灵活性，可较为便捷的处理由于各种原因引起的轨道不均匀沉降问题，为穿越工程、不良地质条件下的轨道交通工程以及为远期预留线路工程的改造提供了可行性。

参考文献：

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[2]中华人民共和国铁道部.TB 10082—2005铁路轨道设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

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[4]卢祖文.我国铁路混凝土轨枕的现状和发展[J].中国铁路,2006(6):8-11.

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[12]郭建平,刘衍峰.城市轨道交通在8～12 dB范围轨道减振降噪措施比较[J].铁道标准设计,2008(3):59-62.

[13]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号铁路线路修理规则[S].北京：中国铁道出版社,2006.

Study on Ballast Track Technology Applied to Main Track of Beijing Urban Rail Transit

ZHAO Hong1， DAI Chun-yang2

(1.Beijing Major Projects Construction Headquarters Office， Beijing 100029， China;2.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute， Beijing 100082， China)

Abstract：Research and analysis are conducted of the ballast track technology applied to the main track of Beijing urban rail transit system. Track form， equipment selection， and typical dynamic performance related to the underground main line are analyzed by means of simulation and the maintenance workload of ballast track is analyzed in terms of railway system annual traffic volume. The results show that the ballast track geometric dimension and ballast resistance meet the specifications， the equipment selection is reasonable and feasible， the maintenance workload is moderate， and the ballast track technology is applicable for the main track of urban rail transit system．

Key words：Urban rail transit; Ballast track; Maintenance; Ballast bed resistance

收稿日期：2016-02-18；

修回日期：2016-02-27

作者简介：赵　洪(1961—)，男，高级工程师，主要从事轨道交通工程安全质量管理及相关专业设计研究工作，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)09-0016-06

中图分类号：U211

文献标识码：A　　DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.09.004