吳建忠 曾向榮

(1.北京交通大學(xué),100044,北京;2.北京城建設(shè)計研究總院,100037,北京∥第一作者,高級工程師)

1 地鐵軌道系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟特征

軌道系統(tǒng)是城市軌道交通工程中非常重要的組成部分,它直接支承和引導(dǎo)列車車輪,承受動載作用,故軌道系統(tǒng)最基本的特性要求是高安全可靠性。

隨著軌道技術(shù)的發(fā)展及國內(nèi)各個城市地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴大,軌道系統(tǒng)的經(jīng)濟性也越來越被關(guān)注。軌道系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性特征主要表現(xiàn)在設(shè)備部件和結(jié)構(gòu)的固化性以及設(shè)備的可維修更換性兩方面。

1.設(shè)備部件和結(jié)構(gòu)的固化：軌道系統(tǒng)設(shè)備和結(jié)構(gòu)的固化性明顯。一條線路不論長10 km或50 km,或一個城市總長500 km的地鐵線網(wǎng),乃至全國各地地鐵,其鋼軌類型一般只有1～2種,即以60 kg/m鋼軌為主、50 kg/m鋼軌為輔;扣件、軌枕及道岔類型也較為有限,如北京、南京、天津等城市的地鐵,地下線的扣件均相同。這一特性使得軌道設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟性對工程造價具有放大效應(yīng)。如果一套扣件成本降低10元,可使一條線的造價節(jié)省數(shù)百萬元,整個線網(wǎng)造價節(jié)省數(shù)千萬元。

2.設(shè)備的可維修更換性：軌道系統(tǒng)是土建與設(shè)備的結(jié)合體,除整體道床一般不可更換之外,其余如鋼軌、扣件、道岔、減振設(shè)備等在運營期間均可且必須按一定的技術(shù)規(guī)則進行養(yǎng)護、維修與更換。故設(shè)備的種類越少、設(shè)備部件的維修量越小、更換周期越長、投入的養(yǎng)護維修費用越低,則其運營經(jīng)濟性越好。

基于上述兩方面的特性,軌道設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)將經(jīng)濟性分析作為重要的設(shè)計研究內(nèi)容之一。本文從四個不同的角度探討如何更好地提高軌道系統(tǒng)設(shè)計的綜合技術(shù)經(jīng)濟性。

2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與針對性設(shè)計相結(jié)合

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計可分為3個層面：行業(yè)領(lǐng)域?qū)用妗⒊鞘芯€網(wǎng)層面以及具體工程層面。其中,行業(yè)領(lǐng)域?qū)用婕俺鞘芯€網(wǎng)層面的標(biāo)準(zhǔn)化側(cè)重于軌道設(shè)備方面,具體工程層面的標(biāo)準(zhǔn)化則側(cè)重于軌道結(jié)構(gòu)方面。

2.1.1 地鐵行業(yè)層面的標(biāo)準(zhǔn)化

地鐵行業(yè)層面的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)成為將來的發(fā)展趨勢,但由于種種原因,目前幾乎空白。國鐵軌道的標(biāo)準(zhǔn)化程度很高,為其規(guī)?；ㄔO(shè)創(chuàng)造了有利條件,可為地鐵行業(yè)提供參考。但整個國鐵行業(yè)即為一個大線網(wǎng),故其行業(yè)層面的標(biāo)準(zhǔn)化實質(zhì)上相當(dāng)于一個大線網(wǎng)層面的標(biāo)準(zhǔn)化,系統(tǒng)內(nèi)部較易實現(xiàn)。

2.1.2 地鐵線網(wǎng)層面的標(biāo)準(zhǔn)化

地鐵線網(wǎng)層面的標(biāo)準(zhǔn)化方面,線網(wǎng)建設(shè)較成熟的北京、上海、廣州等在軌道標(biāo)準(zhǔn)化上有所發(fā)展。如北京地鐵在5號線建設(shè)時即著手編制的“京建線”系列軌道通用圖,經(jīng)過不斷完善,大大提高了新線軌道設(shè)計、招標(biāo)及建設(shè)管理的效率。

根據(jù)軌道系統(tǒng)不同設(shè)備的用量、重復(fù)性及維修更換概率等技術(shù)經(jīng)濟特征,線網(wǎng)層面的軌道標(biāo)準(zhǔn)化可劃分為完全標(biāo)準(zhǔn)化、盡量標(biāo)準(zhǔn)化及有限標(biāo)準(zhǔn)化等3級。具體分析見表1。

表1 線網(wǎng)層面的軌道設(shè)備及部件標(biāo)準(zhǔn)化等級劃分

2.1.3 地鐵工程層面的標(biāo)準(zhǔn)化

工程層面標(biāo)準(zhǔn)化的重點在于：同一工程不同地段的設(shè)備類型力求統(tǒng)一,部件種類盡量通用,軌道結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)盡量一致。

首都機場線軌道系統(tǒng)在工程層面進行了標(biāo)準(zhǔn)化的嘗試：全線地下線、地面線及高架線均采用了相同的無螺栓e型彈條彈性分開式扣件及長枕式整體道床(見圖1),最大限度地減少了軌道以及與軌道一體化安裝的軌旁設(shè)備的種類,加快了工程建設(shè)速度,降低了運營維修工作量。

圖1 首都機場線全線統(tǒng)一的軌道設(shè)備及結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計很重要的前提是,納入標(biāo)準(zhǔn)化范疇的設(shè)備及結(jié)構(gòu)應(yīng)經(jīng)過充分的技術(shù)優(yōu)化與改進,功能完善、技術(shù)成熟,方能作為標(biāo)準(zhǔn)化成果——通用圖,加以推廣。此外,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計還應(yīng)解決知識產(chǎn)權(quán)及技術(shù)權(quán)威性確認、技術(shù)歸口管理等方面的問題。

2.2 針對性設(shè)計

在滿足系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟性方面,針對性設(shè)計與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計是相輔相成的。應(yīng)盡量推行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,但針對工程特殊之處,不能硬套通用圖。如北京地鐵“京建線”中60 kg/m鋼軌9號單開道岔原來僅有直尖軌(直尖軌耐磨性好,只需一臺轉(zhuǎn)轍機,即可滿足直向90 km/h、側(cè)向30 km/h通過速度要求),但從6號線開始,部分線路設(shè)計速度提高至100 km/h或以上,則應(yīng)選擇直向通過速度更高的彈性可彎曲尖軌道岔?！熬┙ň€”的擴編也已將曲尖軌道岔收納其中。

又如：首都機場線全線扣件及軌枕類型實現(xiàn)了統(tǒng)一,其前提之一是地面線經(jīng)論證采用了無砟軌道。原因包括：地面線總長較短且被分為多段;無砟軌道路基占地比有砟軌道約窄2 m,可減少城市土地資源占用;直線電機系統(tǒng)對軌道平順性要求高;軌旁設(shè)備(感應(yīng)板、接觸軌、波導(dǎo)管及信標(biāo)等)多,采用有砟軌道時養(yǎng)護維修很困難等。若無以上綜合因素,地面線仍采用傳統(tǒng)有砟軌道,則不必刻意追求全線扣件及軌枕的統(tǒng)一。

此外,隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,其制式已從單一的傳統(tǒng)地鐵向多樣化(輕軌、直線電機、導(dǎo)軌式膠輪、獨軌、有軌電車等)發(fā)展,設(shè)計速度也由80 km/h演變?yōu)?0～120 km/h之間,故根據(jù)不同工程的情況開展針對性設(shè)計,也是設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)濟化的必經(jīng)途徑之一。

此前,由于規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系不完善,一些并不適用《地鐵設(shè)計規(guī)范》的工程亦采用了該規(guī)范進行設(shè)計,針對性不足。這一情況有望在不遠的將來得到改善。目前,除《地鐵設(shè)計規(guī)范》正在總結(jié)近幾年大量工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進行修編之外,同期在編的還有《直線電機軌道交通設(shè)計規(guī)范》、《跨坐式單軌交通設(shè)計規(guī)范》、《輕軌設(shè)計規(guī)范》、《有軌電車設(shè)計規(guī)范》、《市域快速軌道交通設(shè)計規(guī)范》等。這些規(guī)范將城市軌道交通進行了細化劃分,可系統(tǒng)地、有效地提高工程設(shè)計的針對性,從而實現(xiàn)更好的綜合技術(shù)經(jīng)濟性。

3 開展集約化、精細化設(shè)計

集約化、精細化設(shè)計的著重點在于深入研究并充分利用設(shè)備及結(jié)構(gòu)的材料特性,在確保安全可靠的前提下,實現(xiàn)更好的技術(shù)性能或節(jié)省更多的材料。它是實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要環(huán)節(jié)。

3.1 國鐵軌道的部分精細化設(shè)計經(jīng)驗

國鐵軌道在集約化、精細化設(shè)計方面一直走在前列。如國鐵Ⅲ型彈條的設(shè)計最大復(fù)合應(yīng)力 1 400 MPa,超過了材料(60Si2Mn)的屈服強度(1 200 MPa),目的在于充分利用材料的屈服硬化特性,使材料用量更節(jié)省。

又如：京津城際客運專線所用Vossloh300扣件鐵墊板厚度由傳統(tǒng)的18 mm減至16 mm,寬度由傳統(tǒng)的170 mm減至160 mm,WJ-7扣件非承軌部位的寬度更是減至125 mm;武廣客運專線所用的WG-Ⅲ型軌枕打破傳統(tǒng)設(shè)計思維,將尼龍?zhí)坠茉O(shè)計凸出軌枕底部,軌枕厚度減至135 mm。如圖2所示。

圖2 部分高速客運專線用軌道設(shè)備

3.2 地鐵軌道集約化設(shè)計的部分探索與實踐

在最近的地鐵軌道設(shè)計中,進行了一些集約化設(shè)計的探索與嘗試,以下為兩個實例。

3.2.1 地下線及高架線通用型扣件的研制

以往地鐵設(shè)計中,地下線扣件扣壓力較大,因此在高架線上為降低無縫線路梁軌作用力,一般采用小阻力扣件,地下線與高架線扣件類型不統(tǒng)一。

實際運營表明,小阻力扣件可保證高架線無縫線路穩(wěn)定。而地下線溫差、結(jié)構(gòu)變形等條件均比高架線好,故小阻力扣件完全可用于地下線。基于這一思路,在成熟的地下線采用DTⅥ2型扣件(見圖3)的基礎(chǔ)上,研制了地下線及高架線通用的DTⅥ2-3型扣件(見圖4)。這樣,不僅全線扣件統(tǒng)一,且使高架線不再局限于有螺栓彈條扣件,符合少維護的需求趨勢。新、老扣件的技術(shù)指標(biāo)對比見表2。

圖3 DTⅥ2型扣件

圖4 DTⅥ2-3型扣件

表2 DTⅥ2-3型扣件與DTⅥ2型扣件的技術(shù)指標(biāo)對比

由表2可知：

◆新扣件自身的結(jié)構(gòu)高度有所降低,可實現(xiàn)更大的調(diào)高量,調(diào)距量也比老扣件有所加大,可適應(yīng)高架線鋪設(shè)要求。

◆新扣件彈條直徑采用16 mm,同等彈程條件下,彈條最大應(yīng)力水平較低,彈條在彈性變形范圍內(nèi)工作時對表面瑕疵及異常受力情況的包容性加大,殘余變形小,性能更穩(wěn)定,材料用量也更少。

◆經(jīng)優(yōu)化設(shè)計,DTⅥ2-3型扣件的鐵墊板質(zhì)量較老扣件減輕20%,僅此一項可降低成本約14元/塊。

◆軌枕厚度由170 mm優(yōu)化至135 mm,加上扣件高度所節(jié)省的10 mm,則軌道結(jié)構(gòu)高度可降低45 mm,使道床混凝土節(jié)省約10%,壓縮了隧道斷面尺寸并減輕橋梁的荷載,具有綜合技術(shù)經(jīng)濟效益。

3.2.2 整體道床鋼筋規(guī)格及布置的優(yōu)化

地下線及高架線一般采用整體道床。整體道床主要是為軌枕提供各向約束,并將列車動荷載分散傳遞至下部基礎(chǔ)。其受力主要表現(xiàn)為受壓,采用素混凝土即可滿足要求。但由于工期緊張及很多情況下沿線輸送預(yù)拌混凝土困難,使道床澆注質(zhì)量參差不齊,易產(chǎn)生收縮裂縫,在運營列車動荷載作用下易產(chǎn)生開裂。

為此,新線設(shè)計中已將防迷流要求設(shè)置的底部單層鋼筋改為上下兩層。典型的配筋設(shè)計為：縱向設(shè)14×φ 14鋼筋(≥2 000 mm2),橫向每一軌枕空檔設(shè)2×φ 10鋼筋,如圖 5所示。

為更好地防止道床開裂,可采用更細的鋼筋和更小的布置間距。例如,將縱向筋優(yōu)化為20×φ 12,橫向筋優(yōu)化為每個軌枕空檔3×φ 8。其與原方案鋼筋總量基本一致,但道床的整體性與耐久性卻得到了改善。

圖5 整體道床鋼筋的優(yōu)化

4 注重全壽命周期成本分析

軌道設(shè)備的可維修更換性決定了選型時必須考慮全壽命周期成本。但在很多實際的軌道設(shè)計中,往往對其僅作粗略的、定性的分析,而缺乏細致的、定量的論證。

例如,在鋼軌選型設(shè)計時通常僅作定性論述。但文獻[1]采用成本折現(xiàn)法對50 kg/m鋼軌與60 kg/m鋼軌的電能消耗進行了分析,認為60 kg/m鋼軌在20年內(nèi)所節(jié)省的電能消耗折現(xiàn)值與50 kg/m鋼軌的初期投資節(jié)省額持平,從而量化了兩種鋼軌在此方面的技術(shù)經(jīng)濟性。

又如,近年來開始推廣應(yīng)用的扣件用聚酯彈性體墊板,雖性能較普通橡膠墊板優(yōu)越,如強度更高、疲勞性能更好、動靜比更低、使用壽命更長等(見表3),但因造價較高,使其推廣受阻。

表3 聚酯彈性體與普通橡膠墊板的主要技術(shù)指標(biāo)對比

本文采用全壽命周期成本分析方法,將兩種彈性墊板的初期投資及使用更換成本進行折現(xiàn)計算與對比(見表4)。成本折現(xiàn)值的計算公式為：

式中：

P——成本折現(xiàn)值,元;

F——未來某一時間發(fā)生的成本值,元;

i——未來成本值的折現(xiàn)率,取10%;

n——成本發(fā)生時距現(xiàn)今的時間,年。

由表4可知,聚酯彈性體初期成本超過普通橡膠墊板近1倍,但40年運營期的綜合成本折現(xiàn)值基本持平。考慮聚酯彈性體墊板具有更優(yōu)越的性能,且隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,設(shè)備采購及運營期間的維修更換成本往往呈遞增趨勢,故從長遠考慮,聚酯彈性體的技術(shù)經(jīng)濟性更好。

當(dāng)然,業(yè)主對設(shè)備選型的特定要求與愿望也可越過全壽命周期成本分析。如一些工程為盡量降低初期投資,明確要求采用50 kg/m鋼軌,則不必強求采用60 kg/m鋼軌。

表4 聚酯彈性體與普通橡膠墊板的全壽命周期成本對比

5 提高軌道減振設(shè)備的國產(chǎn)化程度

國內(nèi)地鐵對軌道減振設(shè)備的需求隨著建設(shè)規(guī)模的擴大而增加,對地鐵運營振動與噪聲的控制要求也越來越嚴。目前,應(yīng)用最多的高等級軌道減振設(shè)備與技術(shù)均來自國外,如英國的Vanguard扣件、日本的梯形軌枕以及德國的鋼彈簧浮置板等。這些國外的軌道減振設(shè)備雖已部分實現(xiàn)國產(chǎn)化,但價格仍居高不下,對軌道系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響越來越大。

在一些城市的地鐵建設(shè)主管部門及管理單位的大力支持下,國內(nèi)也正開展高等級軌道減振設(shè)備的國產(chǎn)化應(yīng)用與研究,并已取得了一些進展,但在設(shè)備國產(chǎn)化的研制、應(yīng)用、評定及推廣的規(guī)范化等方面,還需開展大量的工作。

6 結(jié)語

本文根據(jù)多年軌道設(shè)計研究的實踐,以及對國內(nèi)加速地鐵建設(shè)的背景及軌道技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀的了解與理解,提出了軌道設(shè)備選型及系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)濟化的思想,并從不同的角度進行了分析。這些思考與探討雖不具備系統(tǒng)性,但期望能為當(dāng)前的地鐵建設(shè)提供一些啟示。

需要說明的是,本文所提出的經(jīng)濟化并非片面追求“省錢”,而是認為在目前的軌道設(shè)備的設(shè)計中,還可采取更多的綜合技術(shù)及管理措施,使軌道系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟性更佳。

[1] 董文敏,何文繼,顧保南.城市軌道交通鋼軌電阻測量及電耗研究[J].城市軌道交通研究,2002,5(2)：49.

[2] 曾向榮,李文英,趙曉華.首都機場線地面線無碴軌道選型及路基設(shè)計[J].都市快軌交通,2008,21(6)：69.

[3] 孫京建,王朝陽.軌道工程在地鐵新線建設(shè)中的作用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2008(7)：4.