張艷軍,戴春陽,雷黔湘

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100037)

1 工程概況

北京市軌道交通亦莊線線路起點(diǎn)位于豐臺(tái)區(qū)宋莊路與石榴莊路交叉口南側(cè)的宋家莊站,終點(diǎn)到達(dá)亦莊新城東部的京津城際鐵路的亦莊站設(shè)亦莊火車站。亦莊線正線全長23.25 km,地下線長約8.67 km,高架線路13.80 km,U形槽及路基過渡段0.78 km。宋家莊出入段線長1.35 km,亦莊火車站出入段線0.61 km。起點(diǎn)設(shè)置宋家莊停車場1處，終點(diǎn)設(shè)置臺(tái)湖車輛段1處。全線共設(shè)車站14座,其中地下車站6座,高架車站8座。亦莊線線路平面如圖1所示。

本工程采用DC750V接觸軌供電,標(biāo)準(zhǔn)B1型車,最大軸重為14 t,6輛編組,最高行車速度80 km/h,信號(hào)采用移動(dòng)閉塞。

圖1 北京市軌道交通亦莊線工程線路平面示意

正線采用60 kg/m鋼軌,1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距,1/40軌底坡。

全線共采用5種類型扣件：Ⅰ型扣件用于地下線普通整體道床及鋼彈簧浮置板道床地段；Ⅱ型扣件用于高架線普通道床地段；地下線軌道減振器扣件和高架線軌道減振器扣件,分別用于地下線和高架線減振地段；先鋒扣件用于地下線先鋒扣件道床地段。

道岔一般采用60 kg/m鋼軌9號(hào)彈性可彎式尖軌單開道岔及5 m間距交叉渡線,轉(zhuǎn)轍器尖軌采用60AT鋼軌制造,轍叉采用高錳鋼整鑄式轍叉。僅在宋家莊站前采用60 kg/m鋼軌12號(hào)彈性可彎式尖軌單開道岔及5 m間距交叉渡線。

正線全部采用短枕式整體道床。地下線區(qū)間道床設(shè)置中心水溝,地下線車站道床設(shè)置兩側(cè)水溝。高架線道床為短枕承臺(tái)式。

本工程在高架線易產(chǎn)生脫軌地段設(shè)置防脫護(hù)軌。全線設(shè)置了線路標(biāo)志,所有標(biāo)志均采用反光材料作為標(biāo)志面；小半徑曲線地段前后設(shè)置鋼軌涂油器。

全線鋪設(shè)溫度應(yīng)力式無縫線路,高架線道岔前后各設(shè)置1組單向伸縮調(diào)節(jié)器,保證無縫線路的穩(wěn)定。

2 亦莊線軌道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本工程采用的軌道結(jié)構(gòu)具有牢固穩(wěn)定、耐久、絕緣、防腐、均衡等特性,能夠確保行車安全、平穩(wěn)和乘客的舒適；軌道結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度,合適的剛度和彈性并符合減振降噪等環(huán)保要求,養(yǎng)護(hù)維修工作量少,軌道的使用壽命長。全線軌道結(jié)構(gòu)形式基本統(tǒng)一,采用具有通用性和互換性的零部件,力求構(gòu)造簡單,便于養(yǎng)護(hù)維修和降低成本。設(shè)計(jì)中應(yīng)采用成熟的先進(jìn)技術(shù)、工藝和科研成果,并考慮施工的方便和可行。根據(jù)環(huán)保的要求,軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)采取分級(jí)減振降噪措施,協(xié)同相關(guān)專業(yè),把振動(dòng)和噪聲控制在國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

3 亦莊線軌道減振設(shè)計(jì)

3.1 減振設(shè)計(jì)原則

(1)綜合治理：減振降噪是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,應(yīng)將線路、車輛、軌道、結(jié)構(gòu)作為一個(gè)系統(tǒng)來處理。根據(jù)目前技術(shù)發(fā)展水平,軌道專業(yè)從改善輪軌接觸關(guān)系，采取軌道減振、隔振等技術(shù)措施,使列車在運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲能有效衰減。

(2)分級(jí)減振：根據(jù)現(xiàn)有減振技術(shù)發(fā)展的水平,結(jié)合本線《環(huán)境評(píng)價(jià)影響報(bào)告書》將全線的減振地段劃分等級(jí)。各地段采用不同的減振措施,達(dá)到分級(jí)減振,使軌道部件配置合理,達(dá)到減振目標(biāo)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),分為一般減振地段、較高減振地段和特殊減振地段。

(3)滿足列車安全平穩(wěn)運(yùn)行要求。在正常情況下確保軌道動(dòng)態(tài)、靜態(tài)幾何變形在正常范圍內(nèi)。

(4)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。采取相應(yīng)措施后,保證地鐵對(duì)沿線敏感目標(biāo)的噪聲和振動(dòng)影響滿足《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(GB3096—93)及《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB10070—88)的要求。

3.2 減振降噪地段分析

振動(dòng)及噪聲是地鐵建設(shè)對(duì)環(huán)境影響的重要內(nèi)容,直接影響沿線現(xiàn)狀地物的使用和開發(fā),所以減振降噪必須由相關(guān)專業(yè)綜合考慮。在運(yùn)營期,列車運(yùn)行所引起的振動(dòng)和噪聲會(huì)影響沿線兩側(cè)的環(huán)境狀況,本線的減振措施原則上根據(jù)亦莊線《環(huán)境影響報(bào)告書》的分析和要求進(jìn)行綜合治理,同時(shí)根據(jù)本線線路走向、沿線規(guī)劃及敏感建筑分布的踏勘調(diào)查確定。根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告,并參考北京地鐵其他線路減振地段設(shè)置條件,分級(jí)減振[1],采取相應(yīng)減振措施。

3.3 減振設(shè)計(jì)方案

3.3.1 綜合治理方案

為減輕列車運(yùn)行對(duì)環(huán)境的干擾,在沿線一些對(duì)減振降噪要求較高的地段需針對(duì)振動(dòng)源及傳播路徑采取不同的減振降噪措施進(jìn)行綜合治理。軌道采取的主要措施如下。

(1)全線鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路,徹底消除鋼軌接頭,保證軌面的連續(xù)和平順,減少輪軌間的沖擊和振動(dòng),從而減少振動(dòng)噪聲。

(2)預(yù)測振動(dòng)未超國家標(biāo)準(zhǔn)的地段,全線采用性能優(yōu)良的專為地鐵設(shè)計(jì)的彈性分開式扣件,扣件節(jié)點(diǎn)靜剛度為20 kN/mm左右,采用軌下和墊板下兩層減振膠墊的方式,可減振3 dB左右。

(3)要求運(yùn)營前和運(yùn)營中定期打磨鋼軌頂面和車輪踏面,以保持良好的輪軌接觸,減少輪軌之間的動(dòng)力作用,從而達(dá)到減振降噪的效果。

(4)在小半徑曲線地段的鋼軌工作面上涂油或其他潤滑劑,既可減少鋼軌磨耗,又可以降低噪聲。

(5)嚴(yán)格控制軌道施工質(zhì)量,提高經(jīng)常性養(yǎng)護(hù)維修的質(zhì)量,確保線路和軌道的幾何狀態(tài)良好,使得由車輛引起的振動(dòng)減小到最低程度,從而減少振動(dòng)和噪聲。

3.3.2 較高減振地段技術(shù)措施

根據(jù)環(huán)評(píng)要求及工程使用經(jīng)驗(yàn),在較高減振地段設(shè)置了軌道減振器扣件。新型剪切形軌道減振器扣件的特點(diǎn)：利用橡膠的剪切變形提供豎向和橫向彈性,減振效果達(dá)到8～12 dB；采用新型的橡膠材料配方,動(dòng)靜剛度比不大于1.25,改進(jìn)了目前地鐵中使用的軌道減振器扣件減振性能衰減快等缺陷,大大提高了減振性能和使用壽命，且更換維修非常簡單方便。另外針對(duì)目前新開通線路上減振器地段鋼軌異常波磨問題,亦莊線設(shè)計(jì)中對(duì)曲線地段減振器布置進(jìn)行了優(yōu)化。

由于施工進(jìn)度所限,本工程主要對(duì)減振器布置進(jìn)行優(yōu)化,以期達(dá)到降低鋼軌異常波磨的產(chǎn)生和發(fā)展的目的。對(duì)于鋼軌磨耗的評(píng)價(jià),由于傳統(tǒng)磨耗評(píng)價(jià)指標(biāo)磨耗功率和磨耗指數(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用方便,同時(shí)精度滿足要求,故本文中選取二者作為鋼軌磨耗的評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。通過建立地鐵車輛軌道動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了鋼軌磨耗的仿真計(jì)算分析。建立車輛和軌道模型[3～4]如圖2所示。采用扣件間距加密措施,將每千米扣件的鋪設(shè)數(shù)量根據(jù)線路幾何要素以及線路類型情況分為4個(gè)等級(jí)進(jìn)行加密,建立4種扣件間距的減振器扣件道床模型,對(duì)磨耗功率和扣件間距變化的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值模擬分析,變化趨勢如圖3所示。

圖2 地鐵車輛動(dòng)耦合動(dòng)力學(xué)模型

圖3 4種不同扣件間距的減振器道床模型

基于所建立模型和工況得出的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見表1。經(jīng)過扣件加密措施后,一、二位輪對(duì)和整車的磨耗功率呈下降的趨勢。一位輪對(duì)磨耗功率減少量為7.62%,二位輪對(duì)為13.19%,整車為5.04%。表明減振器扣件間距加密措施可以降低磨耗功率的數(shù)值,雖不能從根本上抑制波磨現(xiàn)象的出現(xiàn),但可以在一定程度上減輕波磨的程度,從而延長鋼軌波磨再次出現(xiàn)的時(shí)間間隔。

但上述結(jié)論只是理論分析結(jié)果,實(shí)際效果需等待運(yùn)營階段的檢驗(yàn)。

表1 減振器扣件加密措施對(duì)磨耗功率的影響

3.3.3 特殊減振地段技術(shù)措施

本線頂秀欣園小區(qū)、小紅門村、雙廟村段為村莊平房,距線路很近或線路下穿,振動(dòng)超標(biāo)且易受二次結(jié)構(gòu)噪聲影響,設(shè)計(jì)中采用了鋼彈簧浮置板系統(tǒng)。該系統(tǒng)的道床質(zhì)量大,可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載,隔振效果可達(dá)到20～30 dB以上；隔振系統(tǒng)固有頻率低,減振頻率范圍廣；鋼彈簧的使用壽命長達(dá)50年以上,基本與道床等壽命；維修十分方便,采用專用的維修機(jī)具調(diào)整道床面的高度和更換鋼彈簧,不影響行車。

為保證施工進(jìn)度,本工程首次采用了鋼筋籠施工方法。

鋼彈簧浮置板軌道施工步驟是首先在隧道結(jié)構(gòu)底板澆筑墊層,達(dá)到強(qiáng)度后上鋪一層隔離材料(PVC薄膜或防水油氈)。本工程采用鋼筋籠法施工,在鋪軌基地相對(duì)條件寬松的環(huán)境進(jìn)行浮置板鋼筋骨架的綁扎、鋼軌的架設(shè)和外套筒的安裝,以此形成一個(gè)具有一定剛度的鋼筋籠,然后整體運(yùn)送到隧道內(nèi)。鋼筋籠吊裝到洞內(nèi)就位后,在現(xiàn)場綁扎兩側(cè)的鋼筋,最后澆筑混凝土。28 d后待道床混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,采用專用液壓千斤頂頂升浮置板,安裝隔振器,并進(jìn)行軌距、高低等調(diào)整。

傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板軌道工藝復(fù)雜,進(jìn)度緩慢。但本工程采用鋼筋籠法施工后,大量工作可預(yù)先在地面完成,大大加快了施工進(jìn)度,可達(dá)傳統(tǒng)方法的5倍以上。

4 大號(hào)碼道岔使用

本線設(shè)計(jì)條件要求列車最高運(yùn)行速度為80 km/h,根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范及實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),全線采用9號(hào)道岔即可以滿足一般要求。

亦莊線起點(diǎn)位于宋家莊站,與5號(hào)線宋家莊站采用丁字形換乘。由于線路條件限制,亦莊線宋家莊站站后為地鐵5號(hào)線線路,無法采用常規(guī)的站后折返形式,只能在站前載客折返。由于需要進(jìn)行站前折返,同時(shí)北京市新線地鐵建設(shè)提出了遠(yuǎn)期需滿足30對(duì)/h運(yùn)營能力的要求,因此要求用于站前折返的道岔側(cè)向速度必須提高到50 km/h左右。目前的9號(hào)道岔無法滿足要求,因此本工程在北京地鐵工程中首次采用了新型12號(hào)大號(hào)碼道岔。

本工程采用的12號(hào)道岔專為北京地鐵設(shè)計(jì)(納入北京地鐵軌道設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目),直向過岔速度可達(dá)120 km/h,側(cè)向通過速度達(dá)到50 km/h,采用彈性可彎式尖軌,導(dǎo)曲線半徑為350 m,不僅過岔速度高,舒適性也較好,可以很好地滿足遠(yuǎn)期運(yùn)營要求。

5 地下線道床形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

北京地鐵常采用中心水溝的道床形式,水溝不設(shè)蓋板。如兩側(cè)由于道床布筋不合理,易產(chǎn)生局部收縮或沉降開裂,開裂后保持軌距能力差,可能危及行車安全。

因此本工程對(duì)道床形式進(jìn)行了優(yōu)化,地下線車站道床改為雙側(cè)水溝。采用雙側(cè)水溝與中心水溝相比其優(yōu)點(diǎn)很多：道床整體性更好,平整美觀,易于保潔；方便養(yǎng)護(hù)維護(hù)人員行走,當(dāng)發(fā)生車輛故障及火險(xiǎn)等災(zāi)害時(shí)有利于乘客的安全疏散；隧道內(nèi)道床表面平整,無需設(shè)置水溝蓋板；如兩側(cè)水溝設(shè)置蓋板,更可以成倍增加疏散通道寬度；方便軌旁設(shè)備的安裝,避免軌旁設(shè)備暴露于潮濕的中心水溝上方,延長設(shè)備使用壽命,降低養(yǎng)護(hù)維修造價(jià)。

目前地下線站內(nèi)雙側(cè)水溝形式使用情況良好,建議今后工程中全線推廣使用。

6 結(jié)論

本工程在總結(jié)了國內(nèi)外軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上,結(jié)合亦莊線工程特點(diǎn),進(jìn)行了優(yōu)化和提高。在滿足環(huán)評(píng)基礎(chǔ)上,吸取既有線鋼軌波磨經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),對(duì)減振器布置進(jìn)行了優(yōu)化,在地鐵開通帶來出行便利的同時(shí),最大限度地減少振動(dòng)噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響,體現(xiàn)了“以人為本”的設(shè)計(jì)內(nèi)涵。通過新型大號(hào)碼道岔的首次研究選用,解決了站前折返難題,為北京地鐵今后類似線路的建設(shè)提供了良好的借鑒作用。對(duì)道床形式的優(yōu)化等工作,為今后軌道設(shè)計(jì)拓寬了思路。相信經(jīng)過設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營等各方的共同努力,亦莊線軌道建設(shè)必然成為北京市軌道交通中的精品工程。

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