■ 王雅群 彭華 陳軍華

2008年以來，我國(guó)進(jìn)入城市軌道交通建設(shè)“大繁榮”時(shí)期。在我國(guó)新建城市軌道交通線路中，絕大多數(shù)采用無砟軌道。但是，相較于有砟軌道，無砟軌道具有以下缺點(diǎn)：

（1）造價(jià)高，初期投資大；

（2）幾何狀態(tài)調(diào)整僅靠扣件實(shí)現(xiàn)，變形較大時(shí)調(diào)整困難且代價(jià)巨大；

（3）使用中易出現(xiàn)波磨現(xiàn)象，導(dǎo)致振動(dòng)明顯、噪聲增大，嚴(yán)重影響乘客舒適度，增加養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

無砟軌道的缺點(diǎn)在一定程度上制約了城市軌道交通的發(fā)展，而在巴黎、倫敦、柏林、赫爾辛基等國(guó)外城市的城市軌道交通地下線路正線中，20世紀(jì)初期鋪設(shè)的有砟軌道仍在正常使用，總結(jié)并參考國(guó)外城市軌道交通地下線路有砟軌道應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)十分必要。鑒于此，在分析國(guó)內(nèi)外有砟軌道在城市軌道交通線路中應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)、環(huán)境評(píng)價(jià)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、鋪設(shè)條件及養(yǎng)護(hù)維修等方面對(duì)有砟軌道在城市軌道交通地下線路中應(yīng)用的可行性進(jìn)行探討和研究。

1 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外軌道交通建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可知，無砟軌道初期投資大約為有砟軌道的1．5倍，如日本板式無砟軌道與有砟軌道的初期投資比例為1．3～1．5，德國(guó)R h e d a型無砟軌道與有砟軌道的初期投資比例為1．5～1．7[1-2]。根據(jù)我國(guó)情況：鋼彈簧浮置板道床為1 700萬元/km，梯形軌枕道床為1 200萬元/km，彈性長(zhǎng)枕道床為650萬元/km，碎石道床為530萬元/km。無砟軌道與有砟軌道建設(shè)及維修費(fèi)用對(duì)比見表1。

無砟軌道初期投資和經(jīng)濟(jì)效益問題十分復(fù)雜，影響因素也較多。由表1可知，在建設(shè)及維修費(fèi)用方面，無砟軌道明顯高于有砟軌道。由于無砟軌道對(duì)養(yǎng)護(hù)措施水平要求較高，為保障無砟軌道的質(zhì)量，在施工工序和質(zhì)量控制等方面會(huì)花費(fèi)較多的額外費(fèi)用和時(shí)間。此外，對(duì)于橋梁和路基上的無砟軌道，因控制基礎(chǔ)長(zhǎng)期沉降而需增加的費(fèi)用為有砟軌道的2．0～2．5倍。如今，有砟軌道結(jié)構(gòu)維修技術(shù)較成熟，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化，大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)的精度和質(zhì)量大幅提升，軌道幾何狀態(tài)保持得以延長(zhǎng)，其費(fèi)用低于手工作業(yè)；若考慮無砟軌道達(dá)到壽命周期后高昂的再建費(fèi)用，有砟軌道的經(jīng)濟(jì)效益更為明顯。

表1 無砟軌道與有砟軌道建設(shè)及維修費(fèi)用對(duì)比

2 環(huán)境評(píng)價(jià)

2.1 噪聲評(píng)價(jià)

列車噪聲限值采用A加權(quán)等效聲級(jí)[3]，對(duì)于列車運(yùn)行時(shí)速30～90 km的軌旁噪聲，支承塊式無砟軌道比有砟軌道大2．8～4．5 dB（A）。

對(duì)北京1、2、4（含大興線）、5、13號(hào)地鐵部分線路進(jìn)行車內(nèi)噪聲測(cè)量：1、2號(hào)線噪聲暴露水平Leq約為76 dB（A）；4、5號(hào)線噪聲暴露水平Leq約為80 dB（A）；13號(hào)線噪聲暴露水平Leq約為70 dB（A）。北京地鐵1、2、4、5號(hào)線幾乎全線采用無砟軌道；13號(hào)線主要為地面線，幾乎全線采用有砟軌道。分析可知，有砟軌道振動(dòng)噪聲暴露水平Leq比無砟軌道小6～9 dB（A），有砟軌道線路降噪效果優(yōu)于無砟軌道。

2.2 振動(dòng)評(píng)價(jià)

選取振動(dòng)加速度級(jí)及其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)級(jí)對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)，是目前國(guó)際上廣泛采用的方式。假設(shè)某點(diǎn)在某一方向的振動(dòng)加速度的有效值為a，可得其對(duì)應(yīng)的振動(dòng)級(jí) L[4]：

式中：L為振動(dòng)加速度有效值對(duì)應(yīng)振動(dòng)級(jí)，dB；a為經(jīng)振動(dòng)感覺校正的振動(dòng)加速度有效值，m/s2；a0為振動(dòng)加速度基準(zhǔn)值，一般取1×10-6m/s2。

相對(duì)垂直或水平振動(dòng)，可按給定頻率響應(yīng)曲線計(jì)算a：

式中：n為頻率，Hz；an為頻率分量的振動(dòng)加速度有效值，m/s2；Cn為頻率的相對(duì)響應(yīng)，dB。

通過計(jì)算，可得不同軌道結(jié)構(gòu)形式的軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度級(jí)（見表2）。由表2可知，與普通鋼筋混凝土整體道床相比，碎石道床更大幅減少了軌道振動(dòng)向隧道的傳播，其振動(dòng)加速度級(jí)的減小量為8～10 dB。對(duì)于整體道床而言，梯形軌枕、彈性短軌枕、軌道減振器等軌道減振措施對(duì)低頻振動(dòng)的減振效果一般劣于高頻（50 Hz以上）減振效果，而有砟道床的減振頻域更廣闊，且對(duì)中低頻的振動(dòng)也有較好的減振效果。采取在道床底部鋪設(shè)彈性墊層或在軌枕底面設(shè)置彈性墊層等減振措施后，有砟軌道的減振效果明顯提高，道砟搗固周期及有砟道床使用期限進(jìn)一步延長(zhǎng)。

3 地鐵隧道內(nèi)有砟軌道鋪設(shè)條件

有砟軌道與無砟軌道的道床斷面尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，因此在設(shè)計(jì)新建城市軌道交通地下線路中的有砟軌道時(shí)，為滿足運(yùn)營(yíng)安全，隧道斷面會(huì)有相應(yīng)變化。隧道內(nèi)采用有砟軌道的線路形式，軌道結(jié)構(gòu)高度比無砟軌道高10～20 cm，所以隧道斷面凈高需進(jìn)一步增加，地鐵車輛的建筑限界也需進(jìn)行修改。結(jié)合對(duì)隧道內(nèi)有砟軌道道床斷面的分析可知，如在直徑6 m的盾構(gòu)隧道內(nèi)使用有砟軌道，將不能滿足地鐵設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范及車輛限界的要求。因此，建議增加盾構(gòu)隧道直徑，內(nèi)徑由5．4 m增至5．8 m或以上，以滿足盾構(gòu)隧道中使用有砟軌道的限界要求。此外，隧道內(nèi)道床排水可采用線路兩側(cè)或單側(cè)的方式，考慮到有砟軌道的使用年限及維修周期，建議采用線路兩側(cè)排水的方式。

綜合地鐵車輛類型、列車的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度及施工難易程度，特別考慮道床相關(guān)力學(xué)性能、線路穩(wěn)定性等方面的因素，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速大于80 km且正線半徑較小時(shí)（A型車小于500 m，B型車小于450 m），建議使用寬軌枕，或采用道砟膠的方式來提高線路穩(wěn)定性，以保證安全運(yùn)營(yíng)。對(duì)于有砟軌道曲線地段，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)木€路超高、隧道限界及道砟堆高，以滿足列車運(yùn)行要求。此外，軌道基礎(chǔ)沉降問題一直困擾著城市軌道交通，當(dāng)采用無砟軌道時(shí)，為控制基礎(chǔ)的長(zhǎng)期沉降，需增加較多的后期養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用，而采用有砟軌道可以通過道砟補(bǔ)充較為容易地克服沉降問題，且有砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用較低。

表2 不同軌道結(jié)構(gòu)形式的振動(dòng)加速度級(jí) dB

4 有砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

4.1 動(dòng)力分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算時(shí)，基于耦合動(dòng)力學(xué)理論[5]，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、懸掛特性等對(duì)城市軌道列車進(jìn)行模型化處理。將列車車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架及4個(gè)輪對(duì)視為剛體，列車模型就成為1個(gè)多剛體系統(tǒng)，該系統(tǒng)視為由1個(gè)車體、2個(gè)轉(zhuǎn)向架及4個(gè)輪對(duì)組成，彼此間以兩系彈簧阻尼器元件進(jìn)行連接。在“列車-軌道”空間耦合動(dòng)力分析模型中，車體和轉(zhuǎn)向架各有沉浮、點(diǎn)頭、橫移、側(cè)滾和搖頭5個(gè)自由度；輪對(duì)則具有沉浮、橫移、側(cè)滾和搖頭4個(gè)自由度，不考慮車輪轉(zhuǎn)速不均勻產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)[6]?！傲熊?軌道結(jié)構(gòu)-隧道”耦合動(dòng)力學(xué)模型見圖1。

4.2 主要計(jì)算參數(shù)

城市軌道交通隧道內(nèi)有砟軌道包含道床、軌枕、扣件、鋼軌等結(jié)構(gòu)，模型建立時(shí)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，只考慮仰拱（采用C35混凝土）、拱墻（采用C35混凝土）、仰拱回填層（采用C20混凝土）、噴射混凝土層（采用C25混凝土）及襯砌外部的部分圍巖。以修改鋼軌模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的方式，將不平順樣本分布施加于左、右鋼軌。其中車體質(zhì)量22．80 t，轉(zhuǎn)向架質(zhì)量2．50 t，輪對(duì)質(zhì)量1．76 t。采用60 kg/m鋼軌；扣件間距為0．625 m，扣件系統(tǒng)垂向動(dòng)剛度取75 kN/mm，橫向動(dòng)剛度取40 kN/mm；

圖1 “列車-軌道結(jié)構(gòu)-隧道”耦合動(dòng)力學(xué)模型

其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)定參考相關(guān)規(guī)范與文獻(xiàn)。

4.3 動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果及分析

模型建立后進(jìn)行計(jì)算，部分典型的仿真結(jié)果時(shí)程曲線見圖2—圖7，時(shí)程曲線取自列車時(shí)速60 km時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。

圖2 鋼軌垂向位移

圖3 鋼軌橫向位移

圖4 碎石道床垂向加速度

圖5 隧道垂向加速度

圖6 輪重減載率

通過建立“列車-軌道結(jié)構(gòu)-隧道”耦合動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，可獲取模型計(jì)算結(jié)果峰值（見表3）。由表3可知，隧道內(nèi)有砟軌道的安全性指標(biāo)、車體平穩(wěn)性指標(biāo)、軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)、振動(dòng)指標(biāo)等數(shù)據(jù)均小于限值要求，可知在城市軌道交通地下線中采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，無論在結(jié)構(gòu)安全、動(dòng)力響應(yīng)等方面，還是在乘客舒適度及噪聲振動(dòng)方面都是可行的。

圖7 脫軌系數(shù)

5 地鐵有砟軌道養(yǎng)護(hù)維修

有砟軌道在養(yǎng)護(hù)維修方面作業(yè)時(shí)間短、效率高，對(duì)既有線路影響小，雖然維修工作量相比無砟軌道較大，但考慮地鐵軸重較小，可通過道砟固化等方式有效減少維修量。

參照國(guó)內(nèi)外高速鐵路及普速鐵路有砟軌道線路的建設(shè)及運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，在隧道內(nèi)鋪設(shè)有砟道床時(shí)，應(yīng)將隧道二次襯砌下部光滑的混凝土斷面拉毛或設(shè)置道砟槽，增大道砟與隧道底面間摩阻力，保證道床縱橫向阻力，提高線路平順性及安全性；按設(shè)計(jì)速度開通前，應(yīng)使用大型設(shè)備進(jìn)行搗固穩(wěn)定；道床鋪設(shè)結(jié)束后，在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)初期，列車應(yīng)采取階梯提速方式，進(jìn)一步穩(wěn)定道床；運(yùn)營(yíng)后期，應(yīng)使用小型機(jī)械對(duì)有砟道床進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

表3 隧道內(nèi)有砟軌道的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

為確保列車以規(guī)定速度安全、平穩(wěn)且不間斷運(yùn)行，保持和提高線路設(shè)備的質(zhì)量，最大限度延長(zhǎng)各設(shè)備使用壽命，需對(duì)軌道在使用過程中產(chǎn)生的各種變形采取相應(yīng)養(yǎng)護(hù)維修措施。因此，應(yīng)合理劃分、嚴(yán)謹(jǐn)組織相關(guān)維護(hù)工作，對(duì)其工作性質(zhì)、內(nèi)容、標(biāo)準(zhǔn)、要求及實(shí)施周期作出詳細(xì)規(guī)定。為適應(yīng)大型機(jī)械化、開天窗維修及大修隊(duì)的現(xiàn)代化作業(yè)方法需要，在遵循“預(yù)防為主、防治結(jié)合、養(yǎng)修并重”技術(shù)原則基礎(chǔ)上，在經(jīng)常維護(hù)中應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)養(yǎng)修分開。考慮地鐵運(yùn)量及道床臟污等病害，在保證每2年至少1次的大型搗固基礎(chǔ)上，隧道內(nèi)有砟軌道的線路大修周期宜定為20年。

6 結(jié)束語

綜上所述，有砟軌道在經(jīng)濟(jì)效益、減振降噪及病害防治等方面相對(duì)于無砟軌道具有一定優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)力響應(yīng)和養(yǎng)護(hù)維修等方面滿足列車正常運(yùn)營(yíng)要求。因此，在城市軌道交通地下線路中鋪設(shè)有砟軌道具有可行性。建議在新建城市軌道交通隧道中，選取典型試驗(yàn)段，從實(shí)踐及技術(shù)儲(chǔ)備的角度出發(fā)，進(jìn)一步論證有砟軌道在城市軌道交通地下線路中應(yīng)用的可行性。

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