孫大新,高曉新

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，北京 100037)

1 概述

北京市軌道交通昌平線是一條連接中心城區(qū)與昌平新城的南北向的軌道交通快速客運(yùn)線路,線路北起十三陵景區(qū),南至城鐵13號(hào)線西二旗站,該線的修建對(duì)于促進(jìn)昌平新城及沿線發(fā)展具有重要作用。

本次工程設(shè)計(jì)起點(diǎn)為南邵站,經(jīng)沙河高教園站、沙河站、鞏華城站、朱辛莊站、生命科學(xué)園站、終到西二旗站,線路全長(zhǎng)21.35 km,其中高架線15.535 km,地下線3.01 km,地面線2.805 km。除南邵站為地下車站外,其余6座車站皆為高架站,在朱辛莊站北側(cè)設(shè)定泗路停車場(chǎng)1座。線路在朱辛莊站與8號(hào)線延伸線換乘,在終點(diǎn)西二旗站與城鐵13號(hào)線換乘。昌平線工程線路示意如圖1所示。

圖1 昌平線工程線路示意

正線最小曲線半徑為350 m,輔助線最小曲線半徑為200 m,最大坡度24.131‰。

本工程采用國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)B1型車,軸重≤14 t,6輛編組,直流750 V接觸軌供電,最高設(shè)計(jì)速度為100 km/h。

正線采用60 kg/m鋼軌、1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距、1/40軌底坡,車場(chǎng)線采用50 kg/m鋼軌。全線共有7種類型的扣件,分別適用不同地段內(nèi)的道床,見表1。

正線采用60 kg/m 9號(hào)系列道岔,道岔采用60AT曲線尖軌,采用高錳鋼整鑄轍叉,交叉渡線間距為5 m,單渡線最小間距為4.2 m。車場(chǎng)采用50 kg/m鋼軌7號(hào)單開道岔和5 m交叉渡線。

表1 北京市軌道交通昌平線扣件類型

正線地下線和高架線采用整體道床結(jié)構(gòu),地下線設(shè)中心水溝,高架線設(shè)條帶狀道床。本線正線有兩段地面線,地面線較長(zhǎng),采用碎石道床結(jié)構(gòu)。車場(chǎng)庫(kù)內(nèi)線采用整體道床結(jié)構(gòu),庫(kù)外線采用碎石道床結(jié)構(gòu)。

正線鋪設(shè)無縫線路,高架線道岔兩段設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器,地下線溫差小,道岔兩端與曲線線路凍結(jié)。地面線鋪設(shè)無縫線路,但南邵站—高教園站區(qū)間地面線路因跨越地震斷裂帶,按普通線路設(shè)計(jì)。

2 工程特點(diǎn)和軌道設(shè)計(jì)思路

昌平線是為實(shí)現(xiàn)北京市軌道交通規(guī)劃2010年年底交通運(yùn)營(yíng)里程目標(biāo)的一條線,總結(jié)有以下4點(diǎn)顯著的技術(shù)特點(diǎn)。

(1)建設(shè)周期短,昌平線從2008年底開始進(jìn)入設(shè)計(jì)階段到2010年底實(shí)現(xiàn)通車試運(yùn)營(yíng),僅2年時(shí)間,是北京軌道交通建設(shè)史上建設(shè)周期最短的線路之一。

(2)設(shè)計(jì)速度高,本線設(shè)計(jì)最高速度為100 km/h,且因站少,區(qū)間較長(zhǎng),平均旅行速度超過50 km/h,兩項(xiàng)指標(biāo)都遠(yuǎn)超目前已運(yùn)營(yíng)及同期在建其他線路。

(3)沿線多為未開發(fā)地段,隨著地鐵的建設(shè),沿線的開發(fā)力度和開發(fā)速度很快,對(duì)地鐵建設(shè)提出了很高的要求。

(4)本線設(shè)計(jì)周期內(nèi),北京地鐵前期建設(shè)的幾條線已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間,也暴露出一些振動(dòng)和噪聲問題。同時(shí)因市民對(duì)生活環(huán)境的要求越來越來高,必然要求盡可能降低軌道交通對(duì)周邊的環(huán)境的影響,對(duì)軌道設(shè)計(jì)提出了更嚴(yán)格的要求。

鑒于以上工程特點(diǎn),軌道設(shè)計(jì)中采用的設(shè)計(jì)理念如下：

(1)軌道設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用被工程證明是成熟、穩(wěn)定的技術(shù)；

(2)軌道設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)采用較先進(jìn)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)；

(3)軌道設(shè)計(jì)不僅應(yīng)滿足目前通車運(yùn)營(yíng)的要求,也要適當(dāng)為近期規(guī)劃地段做一定的減振預(yù)留,提高周邊地塊使用價(jià)值；

(4)軌道減振設(shè)計(jì)應(yīng)尋求一定的突破,不能原封照搬以往的減振方案。

3 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特殊問題

本線除沿承北京城市軌道交通以往軌道設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)外[1～3],也順應(yīng)城市軌道交通發(fā)展趨勢(shì),采用了部分較為先進(jìn)的技術(shù),部分技術(shù)在北京地鐵屬首次應(yīng)用。

3.1 曲線尖軌軌道減振器道岔及伸縮調(diào)節(jié)器在北京地鐵的首次應(yīng)用

本線設(shè)計(jì)速度為100 km/h,傳統(tǒng)的直線尖軌道岔已無法滿足過岔速度要求,因此采用曲線尖軌道岔。該道岔采用先進(jìn)的相離型彈性可彎曲線尖軌,尖軌為60 kg/m AT制作,尖軌根端采用限位器結(jié)構(gòu),是可實(shí)現(xiàn)道岔與區(qū)間焊接的無縫道岔。該道岔轉(zhuǎn)轍器部分與北京機(jī)場(chǎng)線采用9號(hào)道岔相同,區(qū)別是轍叉部分為固定轍叉。該道岔已在北京地鐵多條線路列為推薦方案,北京昌平線為首次實(shí)際鋪設(shè)。

為適應(yīng)本線減振的要求,部分位于減振段內(nèi)的道岔也需要采取減振措施。設(shè)計(jì)采用了類似直線尖軌減振器道岔的結(jié)構(gòu),在正常的曲線尖軌道岔鐵墊板下加設(shè)軌道減振器,并采取有效措施將道岔鐵墊板與減振器連接。為保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性,除對(duì)必要的減振性能、絕緣性能、適用壽命等提出要求外,還對(duì)減振器的疲勞性能、荷載條件下的動(dòng)態(tài)下沉量和軌底橫移量、動(dòng)靜比、硫化層強(qiáng)度等提出明確要求。

高架線減振器道岔兩端設(shè)置的伸縮調(diào)節(jié)器也需采取減振設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路與減振器道岔相同。上部伸縮器的鋼軌件和鐵墊板不變,下部加設(shè)減振器,鐵墊板與減振器之間可靠連接。

3.2 地下線聚酯彈性體墊板在北京地鐵的首次試用

DTⅥ2型、DTⅦ2型扣件屬于彈性分開式扣件,軌下及鐵墊板下各設(shè)一層彈性墊板。目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)扣件的彈性墊板均采用橡膠材料,如丁苯橡膠或氯丁橡膠等種類。

普通橡膠墊板成本較低,但受材料特性的局限,在彈性、疲勞性能、耐老化性能等方面,均不十分理想。為此,各國(guó)對(duì)彈性墊板的材料進(jìn)行了大量的研究,其中高彈性熱塑性彈性體是較為成功的一種新型彈性材料。

高彈性熱塑性彈性體由較長(zhǎng)的軟鏈段和適當(dāng)?shù)挠叉湺谓M成,顯示出2組締合結(jié)構(gòu),硬鏈段結(jié)晶起物理交聯(lián)作用,軟鏈段無定形,賦予聚合物高回彈性。因此，它結(jié)合了橡膠和軟塑料二者的優(yōu)點(diǎn),具有高韌性和高回彈性、優(yōu)良的耐磨性、抗彎曲疲勞性及耐老化性,尤其在低溫下良好的柔韌性是其他彈性體所無法比擬的。

熱塑性聚酯彈性體墊板有2種結(jié)構(gòu)形式,一種是微發(fā)泡結(jié)構(gòu),一種是溝槽結(jié)構(gòu)。本線選用應(yīng)用較為廣泛的微發(fā)泡結(jié)構(gòu)。

微孔發(fā)泡制品結(jié)構(gòu),外表是一層很薄、但密度較大的致密層,有利于保護(hù)內(nèi)部發(fā)泡層,使氣體不易逸出,外部的油污、灰塵不易進(jìn)入發(fā)泡體內(nèi)。內(nèi)部是由無數(shù)細(xì)小而均勻、相對(duì)獨(dú)立的泡孔結(jié)構(gòu)組成。這種密閉的泡孔結(jié)構(gòu)較大地提高了產(chǎn)品的力學(xué)性能,在墊板受力時(shí),能使壓力向四周均勻傳遞,特別是在承受交變應(yīng)力時(shí),其抗疲勞強(qiáng)度高,具有更好的回彈性,永久性變形小,吸振和減振性能好。微發(fā)泡墊板的這些特點(diǎn)是其他實(shí)體墊板所無法比擬的。

新型高彈性墊板的動(dòng)靜剛度比小于1.45,而普通橡膠墊板動(dòng)靜剛度比為1.8～2.0,很明顯，前者的減振性能更有優(yōu)勢(shì)。

此外,聚酯彈性體墊板的疲勞性能很好,經(jīng)300萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后,靜剛度變化量不超過20%,使用壽命優(yōu)于普通橡膠墊板。雖然初期投資增加,但是因延長(zhǎng)更換周期,同時(shí)性能更加穩(wěn)定,綜合成本并不比普通墊板高。

此外,道岔內(nèi)為方便維修更換,未采用焊接接頭,為降低接頭沖擊,道岔板下墊板采用聚酯彈性體墊板。因鋼軌件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,引用了國(guó)鐵高速道岔的軌下連續(xù)剛度的理念,設(shè)計(jì)了本線道岔的連續(xù)剛度表,可大大提高過岔剛度的連續(xù)性,有利于行車平穩(wěn)。

3.3 梯形軌枕的應(yīng)用

本線在施工圖階段加入了梯形軌枕方案。但因梯形軌枕在北京地鐵高架線上屬首次大批量采用,很多設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)都是第一次發(fā)現(xiàn)。

(1)橋梁止水帶橡膠條要求可以更換,決定了不允許梯形軌枕跨梁縫設(shè)置。

雖然梯形軌枕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,允許軌枕跨過梁縫,但因?yàn)闃蛄褐顾畮鹉z條老化后,需要有可以更換的條件,如果梯枕跨縫,將無更換橡膠條的空間,必然造成運(yùn)營(yíng)接收和維修的困難。因此設(shè)計(jì)中采用了多種不同規(guī)格的梯形軌枕塊,通過不同長(zhǎng)度的梯形軌枕的組合來適應(yīng)不同的梁長(zhǎng)。

(2)土建預(yù)留高度較小,導(dǎo)致道床高度較薄,對(duì)于施工中的誤差要求很嚴(yán)格。

梯形軌枕方案是在經(jīng)過業(yè)主部門組織專家評(píng)審后在施工圖階段加入的。但因土建進(jìn)度較快,已無法調(diào)整軌道結(jié)構(gòu)高度,因此土建預(yù)留的軌道結(jié)構(gòu)高度較小,梯形軌枕下道床較薄,如土建誤差較大,則無法施工。實(shí)際軌道施工前,先由勘測(cè)單位對(duì)梁頂高程進(jìn)行了復(fù)測(cè),然后由設(shè)計(jì)單位核查是否滿足鋪軌要求,對(duì)于不滿足鋪軌要求的,通過線路調(diào)坡處理。

同時(shí),因梁端擋水臺(tái)較高,與梯形軌枕位置基本重疊,因此,經(jīng)過與橋梁專業(yè)溝通,降低了梁端擋水臺(tái)的高度,才保證梯形軌枕得以順利鋪設(shè)。

(3)梯形軌枕的“以直代曲”,對(duì)扣件調(diào)距量、調(diào)高量和保持軌距能力提出了很高的要求。

梯形軌枕因其制造時(shí)采用了直線型設(shè)計(jì),套管全部是直線型對(duì)稱布置的,因此,在曲線段,需要利用扣件的調(diào)距能力適應(yīng)曲線線型。為此,引入了國(guó)鐵WJ-2型扣件。該扣件調(diào)距量為±20 mm,調(diào)高墊板最小厚度1 mm,可以較好地實(shí)現(xiàn)調(diào)距和調(diào)高的效果。但是因曲線鋼軌內(nèi)應(yīng)力較大,對(duì)于扣件保持軌距的要求很高，運(yùn)營(yíng)后應(yīng)多注意螺栓扭矩的檢查。此外,對(duì)于半徑350 m以下的曲線,建議在今后的設(shè)計(jì)中將套管布置成曲線型,以降低扣件螺栓受到的橫向力。

3.4 跨京包鐵路大跨梁的鋪軌

本線跨京包鐵路為重要工程節(jié)點(diǎn)橋,橋梁專業(yè)采用了(37+60+79+42.5)m和(42.5+79+42.5)m兩個(gè)大跨連續(xù)鋼混結(jié)合梁對(duì)接的方式,鋼混結(jié)合梁的撓度變形計(jì)算值見圖2。

圖2 跨京包鐵路大跨梁豎向變形理論值

可見,在二期恒載和徐變的共同作用下,橋梁豎向變形最大值將超過40 mm,超出了整體道床扣件的調(diào)整能力。因此,有必要在施工初期采取措施,抵消一部分豎向變形,使后期的變形控制在可調(diào)整的范圍內(nèi)。

從計(jì)算結(jié)果看,二期恒載引起的變形為主,徐變引起的變形最大約為16 mm,尚在扣件可調(diào)整范圍內(nèi),因此,從簡(jiǎn)化施工困難程度,提高初期平順度的角度,該段鋪軌時(shí),僅以抵消二期恒載的變形為準(zhǔn),徐變值在后期的維修過程中,通過扣件的調(diào)整能力調(diào)整。因此實(shí)際施工中,在線路標(biāo)準(zhǔn)高程上,疊加了二期恒載引起的變形作為鋪軌時(shí)的高程。軌道驗(yàn)收時(shí)仍按線路標(biāo)準(zhǔn)高程進(jìn)行驗(yàn)收。

3.5 避免鋼軌波磨的措施

隨著北京地鐵4、5號(hào)線運(yùn)營(yíng)以來,波磨問題的日益突出,傳統(tǒng)的減振設(shè)計(jì)方案正逐漸暴露出一些問題,有必要對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn),以避免出現(xiàn)類似的波磨問題。本工程實(shí)施階段,恰逢北京地鐵波磨課題組提出了研究成果,本線借鑒課題組研究成果,對(duì)避免鋼軌波磨進(jìn)行了有益嘗試。

(1)減振方案的變化

據(jù)目前既有線統(tǒng)計(jì),波磨主要發(fā)生在半徑800 m以下的小半徑曲線地段,為避免在小半徑曲線地段再出現(xiàn)同類問題,故經(jīng)過業(yè)主溝通—上報(bào)方案—專家會(huì)評(píng)審等多個(gè)階段,最終確定了昌平線高架線曲線半徑800 m及以下半徑減振地段的曲線地段不采用軌道減振器扣件,采用梯形軌枕。800 m以上半徑的減振地段曲線地段采用減振器扣件。

(2)曲線地段扣件適當(dāng)加密

借鑒鋼軌波磨研究課題組的研究成果,對(duì)采用軌道減振器的地段進(jìn)行了扣件加密,適當(dāng)提高鋼軌的橫向和垂向支撐剛度。具體的加密規(guī)則如下：

正線及輔助線軌道減振器地段直線、曲線半徑R>800 m扣件鋪設(shè)數(shù)量1 600對(duì)/km；半徑800 m≥R>400 m地段扣件鋪設(shè)數(shù)量為1 760對(duì)/km；半徑≤400 m曲線地段扣件鋪設(shè)數(shù)量為1 840對(duì)/km。

不同等級(jí)軌枕間距之間設(shè)25 m軌枕間距過渡段,過渡段設(shè)在直線段。

(3)適當(dāng)增大扣件剛度

提高扣件剛度,特別是橫向剛度有利于提高鋼軌穩(wěn)定性。昌平線主要提高了減振器扣件和WJ-2型扣件的剛度。

對(duì)于高架線軌道減振器扣件,通過與廠家聯(lián)絡(luò),將軌道減振器剛度提高至10～14 kN/mm。

因梯形軌枕系統(tǒng)不易調(diào)整軌枕間距,為提高橫向穩(wěn)定性,梯形軌枕上使用的WJ-2型扣件剛度由原來的40～60 kN/mm調(diào)整為100～120 kN/mm。

4 結(jié)語(yǔ)

北京軌道交通昌平線軌道設(shè)計(jì)在總結(jié)北京及國(guó)內(nèi)軌道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化,應(yīng)用了近年的先進(jìn)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn),借鑒了以往地鐵的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),采取措施克服了以往地鐵設(shè)計(jì)中的不足。經(jīng)過1年多的設(shè)計(jì)施工,軌道工程目前已經(jīng)圓滿完成施工,為昌平線勝利通車奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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