左鵬飛
(中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038)
我國(guó)已建成一批市域(郊)鐵路示范線,其中既有新建鐵路,也有利用既有鐵路改建的線路,如北京市郊鐵路S2 線、上海金山市郊鐵路、溫州市域鐵路S1線、臺(tái)州市域鐵路等。市域鐵路示范線的建設(shè)積累了大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),已有多個(gè)團(tuán)體、地方、企業(yè)推出多個(gè)版本的市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范,但是這些設(shè)計(jì)規(guī)范之間存在較大的差異,而且約束力不足。設(shè)計(jì)人員選用規(guī)范時(shí)有一定的隨意性,故急需研究總結(jié)市域鐵路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提高設(shè)計(jì)水平,制定行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),以滿足我國(guó)市域鐵路建設(shè)發(fā)展的需求。
市域鐵路軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)必須結(jié)合其運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)、地域特點(diǎn)等綜合研究確定。如果照搬國(guó)家鐵路軌道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),則既不經(jīng)濟(jì),也不能夠滿足其特殊的減振要求;如果照搬城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),則不能保證相對(duì)高速運(yùn)營(yíng)條件下的軌道結(jié)構(gòu)安全性和可靠性。本文結(jié)合已建成的和在建的市域鐵路軌道的設(shè)計(jì)以及既有規(guī)范規(guī)定,總結(jié)分析軌底坡、曲線超高、鋼軌、扣件選型、無(wú)砟軌道選型、減振方案、到發(fā)線、配線軌道結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)或技術(shù)方案,并提出具體的建議。
軌底坡是軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一。軌底坡若選取得當(dāng),則:①使輪軌接觸面最大,可降低接觸應(yīng)力,減少輪軌疲勞損傷;②減輕軌頭及踏面不均勻磨耗,減少鋼軌打磨量,延長(zhǎng)鋼軌及車(chē)輪的使用壽命;③增大牽引黏著力,獲得最佳的運(yùn)行效率。TB 10082—2017《鐵路軌道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]規(guī)定:國(guó)鐵軌底坡應(yīng)設(shè)置為1:40。T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和T/CRSC 0101—2017《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]均規(guī)定:軌枕或扣件宜設(shè)置1:40 軌底坡。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定鋼軌軌底坡宜為1/40~1/30??芍鼼B 50157—2013 外,均規(guī)定軌底坡采用1:40。實(shí)際上,我國(guó)地鐵軌底坡一般采用與車(chē)輪輪緣踏面更為匹配的1:40,這也與地鐵相關(guān)技術(shù)條件要求相匹配。因此,建議市域鐵路軌底坡采用1:40。
曲線超高計(jì)算一般采用均衡超高法,即設(shè)置超高后使曲線產(chǎn)生的離心加速度與列車(chē)由此產(chǎn)生的向心加速度剛好相平衡。一般有外軌半超高或全超高兩種設(shè)置,均能滿足行車(chē)平穩(wěn)性和安全性要求。GB 50157—2013規(guī)定:隧道內(nèi)及U型結(jié)構(gòu)的無(wú)砟軌道地段曲線超高的設(shè)置宜采用外軌抬高超高值的1/2、內(nèi)軌降低超高值的1/2;高架線、地面線的軌道曲線超高的設(shè)置宜采用外軌抬高超高值。T/CRSC 0101—2017 和 T/CCES 2—2017 均規(guī)定曲線地段應(yīng)采取外軌抬高的方式設(shè)置超高。超高設(shè)置方式主要由建筑限界、軌道類(lèi)型等因素確定,應(yīng)根據(jù)線路實(shí)際情況選擇。半超高在隧道內(nèi)不增加隧道凈空,節(jié)省投資,還能減小超高順坡的坡度,因此地下線隧道內(nèi)徑緊湊的情況下建議考慮半超高方式。有砟軌道地段建議采用全超高方式,有利于保持軌道幾何形位,提高控制精度,降低施工難度。
超高值由車(chē)輛性能、行車(chē)速度、旅客舒適度、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等決定,受軌道橫向穩(wěn)定條件、曲線停車(chē)舒適條件、橫向傾覆安全條件等因素控制。TB 10082—2017規(guī)定:無(wú)砟軌道最大設(shè)計(jì)超高值為175 mm,有砟軌道為150 mm。GB 50157—2013 規(guī)定最大超高值為120 mm。一些國(guó)內(nèi)專(zhuān)家建議把最大超高值改為150 mm,提高車(chē)輛通過(guò)曲線的速度。廣州地鐵三號(hào)線曲線最大超高值為140 mm,日本鐵路線曲線最大超高值為150 mm,巴黎市郊鐵路曲線最大超高值為140 mm,香港機(jī)場(chǎng)曲線最大超高值一般為130 mm,困難時(shí)為150 mm。由于我國(guó)市域鐵路列車(chē)主要采用CRH6城際動(dòng)車(chē)形式,比普通地鐵車(chē)輛重心低,采用相同曲線超高時(shí),低重心的車(chē)輛引起的傾覆翻轉(zhuǎn)小,車(chē)輛行駛更加穩(wěn)定。參考國(guó)內(nèi)外部分城市軌道交通快線超高設(shè)置,建議我國(guó)市域鐵路選用比普通地鐵更大的超高值,可按最大超高150 mm考慮。
曲線上未被平衡的超高會(huì)使外軌產(chǎn)生偏載,導(dǎo)致內(nèi)外軌產(chǎn)生不均勻磨耗等問(wèn)題,乘客舒適度降低,且未被平衡的超高值過(guò)大時(shí)可能導(dǎo)致車(chē)輛傾覆,因此必須限制未被平衡的超高值。我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)資料表明,當(dāng)未被平衡橫向加速度達(dá)到0.4 m/s2,相應(yīng)的欠超高為61 mm時(shí),旅客稍有感覺(jué),但不影響舒適度。所以GB 50157—2013 規(guī)定曲線運(yùn)行時(shí),設(shè)計(jì)容許未被平衡超高值一般情況下最大為61 mm,特殊情況下最大為75 mm。根據(jù)TB 10082—2017,客貨共線鐵路欠超高一般取70 mm,困難情況取90 mm。城際鐵路規(guī)定的欠、過(guò)超高容許值為:優(yōu)秀40 mm,良好80 mm,一般110 mm??拓浌簿€鐵路因客貨通過(guò)總質(zhì)量比重的不同,欠、過(guò)超高值有較大差異。高速鐵路速度單一,不受通過(guò)總質(zhì)量比重因素的影響,可認(rèn)為欠、過(guò)超高近似。
綜合考慮國(guó)內(nèi)部分市域鐵路欠超高設(shè)置和地鐵規(guī)范的要求,且因市域鐵路普遍采用的CRH6城際動(dòng)車(chē)舒適性好,與普通列車(chē)相比,乘客能承受的離心加速度較大。欠、過(guò)超高為70 mm 時(shí),旅客會(huì)有輕微感覺(jué)但尚能適應(yīng)。建議市域鐵路欠、過(guò)超高取70 mm,特殊情況下不大于90 mm。
T/CCES 2—2017規(guī)定市域鐵路宜采用100 m 定尺長(zhǎng)、60 kg/m 鋼軌,無(wú)縫線路采用閃光焊等。根據(jù)調(diào)研分析,采用長(zhǎng)定尺鋼軌時(shí)應(yīng)考慮從鋼軌廠到鋪軌基地之間的運(yùn)輸以及施工現(xiàn)場(chǎng)的裝卸和鋪設(shè)問(wèn)題。長(zhǎng)定尺鋼軌難以實(shí)現(xiàn)公路運(yùn)輸,只能采用鐵路運(yùn)輸。100 m定尺長(zhǎng)鋼軌須采用8 節(jié)鐵路平板車(chē)運(yùn)輸,但目前市域鐵路中與國(guó)鐵互聯(lián)互通的線路較少,100 m 定尺長(zhǎng)鋼軌不便于市域鐵路運(yùn)輸。另外,市域鐵路鋪軌基地一般位于市內(nèi),提供存放100 m 定尺長(zhǎng)鋼軌的鋪軌基地比較困難。此外,100 m 定尺長(zhǎng)鋼軌對(duì)于地下線鋪軌下料非常不便,因此市域鐵路中更多采用的是25 m 定尺長(zhǎng)鋼軌,與城市軌道交通正線鋼軌定尺長(zhǎng)度一致。建議當(dāng)市域鐵路項(xiàng)目與國(guó)鐵互聯(lián)互通且具備長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸條件時(shí),可優(yōu)先采用100 m 定尺長(zhǎng)鋼軌,減少無(wú)縫線路的鋼軌焊接接頭,降低投資,提高線路質(zhì)量。若市域鐵路項(xiàng)目獨(dú)立成網(wǎng),考慮到城市內(nèi)交通擁擠,鋼軌運(yùn)輸、存儲(chǔ)、工期等問(wèn)題,宜采用25 m定尺長(zhǎng)鋼軌。
目前,城市軌道交通主要采用U71Mn 及U75V 兩種材質(zhì)鋼軌。綜合考慮鋼軌磨耗和購(gòu)買(mǎi)成本,不少城市軌道交通全線設(shè)計(jì)采用了強(qiáng)度較高的U75V 軌。根據(jù)各國(guó)鐵路的經(jīng)驗(yàn),直線及大半徑曲線地段鋼軌使用壽命一般受疲勞而非磨耗控制,軸重較輕的城軌交通更是如此。而鋼軌硬度太高,加上列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)鋼軌如同冷加工的碾壓,鋼軌表面硬度還會(huì)提高,使后期打磨十分困難,因此國(guó)鐵要求高速鐵路不選用強(qiáng)度過(guò)高的鋼軌,小半徑曲線地段鋼軌使用壽命則受側(cè)磨控制,可選擇高強(qiáng)度的U75V鋼軌。
考慮到市域鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速范圍是100~160 km/h,線路穿過(guò)市區(qū),小半徑曲線地段較多,且市域鐵路線路運(yùn)營(yíng)具有快起快停、頻繁啟停的特點(diǎn),因此建議鋼軌選材按曲線半徑劃分,分地段合理選用耐磨性好的U75V材質(zhì)鋼軌或疲勞韌性高的U71Mn材質(zhì)鋼軌。
扣件設(shè)計(jì)或選型時(shí),需要考慮列車(chē)動(dòng)荷載和減振降噪的要求。市域鐵路沒(méi)有貨運(yùn)的大軸重,也沒(méi)有高速列車(chē)產(chǎn)生的大動(dòng)載系數(shù),設(shè)計(jì)荷載和動(dòng)載系數(shù)相對(duì)較小。另外,市域鐵路主要用來(lái)連接經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的城市群,如珠三角城市群、長(zhǎng)三角城市群,或連接大中型城市和其衛(wèi)星城市,因此市域鐵路周?chē)嬖诖罅酷t(yī)院、學(xué)校、居民區(qū)等環(huán)境敏感點(diǎn)。例如,按環(huán)評(píng)要求,溫州市域鐵路軌道減振地段占全線80%以上,中等減振地段占全線70%以上,因此扣件選型及設(shè)計(jì)應(yīng)考慮振動(dòng)、噪聲的影響。
目前,已建成和在建市域鐵路選用扣件情況主要是:溫州市域鐵路S1/S2 線選用了與雙塊式無(wú)砟軌道配套的WJ?7B型扣件,臺(tái)州市域鐵路S1線選用了FC?15A扣件。市域鐵路尚無(wú)地下線或高架線的減振等級(jí),可參考城市軌道交通分級(jí)模式:對(duì)于一般減振要求地段,可采用彈性分開(kāi)式扣件;對(duì)于中等減振要求地段,可采用LORD 黏結(jié)墊板減振扣件;對(duì)于高等減振要求地段,可采用Vanguard先鋒扣件。
無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)總體分為預(yù)制板式和現(xiàn)澆混凝土式兩大類(lèi),主要有CRTS Ⅰ型板式、CRTS Ⅱ型板式、CRTS Ⅲ型板式、雙塊式、彈性支承塊式、承臺(tái)式、長(zhǎng)枕埋入式、短枕式等結(jié)構(gòu)形式。CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅱ型、CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道都能滿足市域鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),但造價(jià)高,經(jīng)濟(jì)性差。短枕式整體道床只有城市軌道交通低速應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),其在較高速度條件下軌道幾何形位保持能力不足。彈性支承塊式無(wú)砟軌道具有較好的彈性和減振性能,但只能應(yīng)用于非露天區(qū)間,使用地段受限。長(zhǎng)枕埋入式無(wú)砟軌道軌枕側(cè)面裂紋難以控制。雙塊式無(wú)砟軌道整體性好,軌枕與道床新老混凝土結(jié)合較好,保持軌道幾何形位能力強(qiáng),且具備一定的可維修性。該結(jié)構(gòu)在高架橋、地下線、路基等不同線下基礎(chǔ)上均有成熟鋪設(shè)實(shí)例,在速度較高的線路上應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也較為豐富[5-6]。
現(xiàn)行規(guī)范中,T/CRSC 0101—2017 未規(guī)定具體可供選擇的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式,T/CCES 2—2017 明確規(guī)定市域快速軌道交通宜采用雙塊式、板式等預(yù)制結(jié)構(gòu)形式。具體設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式須結(jié)合設(shè)計(jì)速度、線下工程類(lèi)型、環(huán)境條件等具體情況綜合考慮,建議無(wú)砟軌道選型可選擇雙塊式、板式、彈性支承塊式、長(zhǎng)枕埋入式、承臺(tái)式等結(jié)構(gòu)形式,道岔區(qū)采用軌枕埋入式或板式無(wú)砟軌道。
無(wú)砟軌道選型與設(shè)計(jì)需要考慮減振降噪的要求。城市軌道交通減振已有成熟產(chǎn)品,如軌道減振器扣件、LORD 扣件、雙層非線性壓縮型減振扣件、梯形(縱向)軌枕、減振墊、鋼彈簧浮置板等[7-9]。相對(duì)而言,市域鐵路速度更高、軸重更大,目前尚無(wú)成熟產(chǎn)品。軌道減振設(shè)計(jì)和減振結(jié)構(gòu)不能照搬地鐵的經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品。
CRTS Ⅰ型減振板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)已有很多應(yīng)用,在我國(guó)的贛龍鐵路、遂渝鐵路、武廣高速鐵路、廣深港高速鐵路等線路均有鋪設(shè)。與CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道相比,CRTS Ⅰ型減振板式無(wú)砟軌道在CA砂漿調(diào)整層下鋪設(shè)了彈性墊層,采用隔離式隔振墊,通過(guò)圓臺(tái)狀橡膠彈簧提供彈性[10],見(jiàn)圖1。
圖1 橡膠墊層
減振型雙塊式無(wú)砟軌道是在雙塊式無(wú)砟軌道的基礎(chǔ)上,在道床板和底座之間設(shè)置了彈性隔振墊板。該結(jié)構(gòu)在德國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣的高速鐵路,以及中國(guó)香港地鐵中有所應(yīng)用。彈性支承塊式無(wú)砟軌道本身即為減振型軌道,在中國(guó)、瑞士、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)的地鐵和鐵路隧道內(nèi)廣泛應(yīng)用,軌道結(jié)構(gòu)的垂直彈性由軌下和塊下雙層彈性墊板提供,最大程度模擬了傳統(tǒng)碎石道床的結(jié)構(gòu)承載特性。鋼彈簧浮置板軌道具有良好的隔振效果,它由彈性支承的鋼筋混凝土臺(tái)板,以及與臺(tái)板澆筑成一體的彈簧隔振器組成,在彈簧隔振器支承面上澆筑臺(tái)板,然后由彈簧隔振器抬起。該結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于地鐵中,如北京地鐵14 號(hào)線、上海地鐵16 號(hào)線、臺(tái)州市域鐵路等。
采用CRTS Ⅰ型板式無(wú)砟軌道、雙塊式無(wú)砟軌道等國(guó)鐵常用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式有減振需求時(shí)須進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)及論證。標(biāo)準(zhǔn)中軌道減振主要采取振動(dòng)源控制措施,比如使用減振扣件、軌枕減振、采用浮置板道床等減振措施。
綜合T/CCES 2—2017和T/CRSC 0101—2017的規(guī)定,建議對(duì)于出入段線路、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)線及與正線緊鄰的到發(fā)線軌道類(lèi)型宜與正線保持一致;對(duì)于地下車(chē)站、高架車(chē)站或站臺(tái)范圍架設(shè)空層的車(chē)站配線宜采用無(wú)砟軌道。為方便日后運(yùn)營(yíng)維護(hù),且考慮到與正線相鄰的到發(fā)線線下基礎(chǔ)與正線相比無(wú)本質(zhì)差別,當(dāng)正線采用無(wú)砟軌道時(shí),與正線緊鄰的到發(fā)線宜采用無(wú)砟軌道。
本文總結(jié)了T/CCES 2—2017《市域快速軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)范》、T/CRSC 0101—2017《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》等既有標(biāo)準(zhǔn)的異同,針對(duì)市域鐵路軌道建設(shè),給出以下建議:
1)市域鐵路軌底坡采用1:40。
2)曲線超高最大值不得超過(guò)150 mm。未被平衡的欠、過(guò)超高一般不應(yīng)大于70 mm,困難條件下不應(yīng)大于90 mm。
3)正線鋼軌可采用 25 m 定尺長(zhǎng)、60 kg/m 鋼軌。當(dāng)市域鐵路項(xiàng)目與國(guó)鐵互聯(lián)互通且具備長(zhǎng)鋼軌運(yùn)輸條件時(shí),優(yōu)先采用100 m 定尺長(zhǎng)鋼軌。建議按照曲線半徑分地段合理選用耐磨性好的U75V 材質(zhì)鋼軌或疲勞韌性高的U71Mn材質(zhì)鋼軌。
4)目前市域鐵路主要采用 WJ?7B 型和 FC?15A 扣件,直接套用高速鐵路用扣件,既不經(jīng)濟(jì),也無(wú)法更好地適應(yīng)市域鐵路減振要求。因此,迫切需要根據(jù)市域鐵路線路條件、荷載標(biāo)準(zhǔn)、減振等需求,研發(fā)適用于市域鐵路各類(lèi)地段的扣件。
5)市域鐵路軌道結(jié)構(gòu)一般采用無(wú)砟軌道,多采用雙塊式無(wú)砟軌道,也可選用板式、枕式無(wú)砟軌道等其他結(jié)構(gòu)形式。利用既有線路改造的市域鐵路,宜采用有砟軌道結(jié)構(gòu)形式。
6)市域鐵路應(yīng)采用分級(jí)減振措施??刹捎脺p振扣件、軌枕減振、隔振墊道床等,部分特殊情況采用鋼彈簧浮置板減振道床。減振措施與聲屏障配合使用進(jìn)行降噪。