張 鵬，鐘 杰

（鐵科院（深圳）研究設(shè)計院有限公司，廣東深圳 518100）

1 概述

城市軌道交通普線設(shè)計最高運行速度主要有80 km/h和100 km/h兩種，旅行速度在25～35 km/h[1]，而隨著國民經(jīng)濟水平的提升，城市人口急劇膨脹，公民對公共交通出行的需求量增大、出行速度要求更高，目前國內(nèi)部分城市如上海、廣州、深圳等已經(jīng)建成并開通設(shè)計最高運行速度達120 km/h的快線，因而城市軌道交通快線的研究、建設(shè)已成為行業(yè)熱點[2]。

周虎利[3]根據(jù)城市軌道交通的運營特征，主要從減振降噪的角度分析比較各種類型軌道部件的特性，提出軌道結(jié)構(gòu)選型的基本要求。張慧慧[4]針對各軌道部件的結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)特點，提出城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則。楊明華[5]以某市城市軌道交通線路為例，根據(jù)不同地質(zhì)條件和工程特點對軌道結(jié)構(gòu)進行選型分析。

GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[6]僅適用于速度目標值不大于100 km/h的線路，盡管國內(nèi)不少學者所作的研究為城市軌道交通的軌道結(jié)構(gòu)選型提供了參考，但針對設(shè)計速度在120 km/h的快線并不完全適用，且未從不同區(qū)間、考慮減振降噪要求進行綜合選型分析，因此有必要針對城市軌道交通快線的軌道結(jié)構(gòu)選型進行研究。

2 城市軌道交通快線選型的基本要求

城市軌道交通快線相較普線而言具有線路長度長、車站平均站間距大、運行速度高、行車密度大的特征[7]，因而對運行平順性和旅客乘坐舒適度要求更高，要求快線軌道結(jié)構(gòu)應盡量少維修或免維修，故應滿足以下基本要求。

（1）軌道結(jié)構(gòu)應具有足夠的承載能力和強度儲備、適量的彈性、較高的平順性和穩(wěn)定性，確保列車運行平穩(wěn)、安全和乘坐舒適。

（2）軌道結(jié)構(gòu)應具有良好的使用耐久性，在長期列車動荷載作用下能保持安全可靠的幾何狀態(tài)，盡可能減少養(yǎng)護維修工作量[8]。

（3）軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計應在結(jié)構(gòu)安全、可靠的基礎(chǔ)上，盡量控制建設(shè)維修成本，提高綜合經(jīng)濟效益。

（4）根據(jù)工程環(huán)境影響評估的要求，軌道結(jié)構(gòu)應分不同減振地段采用相應的結(jié)構(gòu)形式和減振降噪措施，使振動和噪聲控制在國家標準的允許范圍內(nèi)并盡量滿足沿線建筑物對噪聲的要求。

3 軌道結(jié)構(gòu)類型

軌道結(jié)構(gòu)按照軌下基礎(chǔ)型式可分為有砟軌道和無砟軌道2類。

3.1 有砟軌道

有砟軌道具有結(jié)構(gòu)簡單、彈性及減振效果好、鋪設(shè)及維修方便、初期建設(shè)投資較低等優(yōu)點，但碎石道床在長期列車荷載作用下累積的殘余變形會導致軌道不平順的產(chǎn)生，需定期對道床進行搗固作業(yè)，且道床作業(yè)受人為因素影響較大，軌道剛度均勻性較差。然而，在城市軌道交通快線運營期間維修時間少、作業(yè)空間狹小的情況下，現(xiàn)場的養(yǎng)護維修工作難以開展，列車運行速度也受到極大限制，故有砟軌道已無法滿足城市軌道交通快線的運營要求[9]。

3.2 無砟軌道

無砟軌道結(jié)構(gòu)具有整體性好、穩(wěn)定性高、平順性高、耐久性強等優(yōu)點，能大幅提高列車運行速度。城市軌道交通對行車安全和自動化程度要求高，行車密度大，不允許利用列車運行間隔進行維修作業(yè)，夜間的維修時間有限，無砟軌道相比有砟軌道能夠大幅減少運營期間的養(yǎng)護維修工作量，綜合經(jīng)濟效益更好。目前，國內(nèi)外城市軌道交通的地下線幾乎全部采用無砟軌道。

無砟軌道按道床板的制作方式又分為現(xiàn)澆式和預制式[10]，城市軌道交通地下線的現(xiàn)澆無砟道床型式主要有無枕式無砟道床、短軌枕式無砟道床、長枕埋入式無砟道床及雙塊式無砟道床幾種，預制式無砟道床以板式無砟道床為主。

3.2.1 無枕式無砟道床

無枕式無砟道床現(xiàn)場直接澆筑，軌底坡設(shè)在道床表面。該道床結(jié)構(gòu)簡單、軌道高度低，由于現(xiàn)場施工作業(yè)多、進度慢、施工質(zhì)量及精度低、可維修性差，目前僅用于個別土建結(jié)構(gòu)變形、限界不足的地段，其他地段很少采用，如圖1所示。

圖1 無枕式無砟道床示意圖

3.2.2 短軌枕式無砟道床

短軌枕式無砟道床由短軌枕、混凝土道床及水溝組成，如圖2所示。該道床具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、造價較低、現(xiàn)場施工作業(yè)靈活等特點，其通用性較好、軌枕布置靈活，可適用于地下線、道岔區(qū)等比較復雜的道床結(jié)構(gòu)。

圖2 短軌枕式無砟道床結(jié)構(gòu)示意圖

短軌枕式無砟道床突出的問題是整體性不好，軌底坡不易保證，導致運營中易出現(xiàn)輪軌關(guān)系不良，從而影響列車的平穩(wěn)性和舒適性，導致鋼軌打磨和扣件調(diào)整等養(yǎng)護維修工作量增加，目前國內(nèi)較少采用。

3.2.3 長枕埋入式無砟道床

長枕埋入式無砟道床由預應力長枕、混凝土道床等組成，如圖3所示。該道床采用預應力混凝土長軌枕，軌枕預留圓孔用于穿道床縱向鋼筋，以增強道床與軌枕間的連接力[11]。長枕式埋入式道床的優(yōu)點是采用軌排法施工方便，工廠預制的混凝土軌枕可確保軌底坡及軌距，施工進度快、精度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整體性好。

圖3 長枕埋入式無砟道床

長枕埋入式無砟道床突出的問題是長軌枕與道床間新老混凝土結(jié)合不好。道床上的大量裂紋以及軌枕對道床板的分割影響結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性，增加運維階段的養(yǎng)護維修工作量。

3.2.4 雙塊式無砟道床

雙塊式無砟道床由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕及道床板組成，如圖4所示。該道床的雙塊軌枕便于鋪設(shè)，重量比長軌枕輕，鋼桁架也可保持與道床良好的整體性。

圖4 雙塊式無砟道床結(jié)構(gòu)示意圖

雙塊式軌枕中部鋼桁架在運輸和安裝過程中，容易受到磕碰、產(chǎn)生變形且不易調(diào)整，影響軌道鋪設(shè)精度，增加后期維修工作量。此外，該道床為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，養(yǎng)護維修困難，且雙塊軌枕與道床板間存在新老混凝土結(jié)合問題。

前期城市軌道交通建設(shè)以現(xiàn)澆式無砟軌道為主，但在建設(shè)運營期間暴露出現(xiàn)場圬工量大、整體性不好、可維修性較差等問題，在結(jié)構(gòu)耐久性方面不如預應力結(jié)構(gòu)好。

3.2.5 板式無砟道床

板式無砟道床由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、隔離層、自密實混凝土層以及鋼筋混凝土底座等部分組成[12]，如圖5所示。

圖5 板式無砟道床結(jié)構(gòu)組成圖

板式無砟道床為預應力結(jié)構(gòu)，相較現(xiàn)澆式無砟道床更符合城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求，符合國家預制化、裝配式發(fā)展方向，具備以下優(yōu)點。

（1）高質(zhì)量、高可靠性。軌道板通過板廠預制、標準化生產(chǎn)，施工質(zhì)量易于控制，工效高，技術(shù)先進成熟。

（2）高精度、高平順性。采用移動可調(diào)軌道板生產(chǎn)鋼模，小半徑曲線地段和緩和曲線地段軌道板的制造通過調(diào)整承軌臺，實現(xiàn)高精度的軌道空間幾何線型，實現(xiàn)軌道板承軌臺與平、豎曲線二維匹配。將盡可能多的精調(diào)工作放在廠內(nèi)完成，減少現(xiàn)場調(diào)整工作量，提高現(xiàn)場施工效率。

（3）結(jié)構(gòu)適應性強。采用單元結(jié)構(gòu)，利于運營期間的養(yǎng)護維修，對沉降變形的適應性更強。

（4）具備可調(diào)整性。建設(shè)及運營期間均可通過在板上加吸音板、板下加減振墊，調(diào)整為減振降噪型軌道結(jié)構(gòu)，環(huán)境適應性更強。

（5）可維修性好。通過在自密實混凝土和底座間設(shè)置隔離層，便于特殊情況下結(jié)構(gòu)的維修[13]。

然而，板式無砟道床在特殊地段如過軌、人防門、防淹門等的適應性差，此類地段仍需采用現(xiàn)澆式無砟道床；受地鐵線路狹小空間的限制，板式無砟軌道施工效率較低，需要通過優(yōu)化施工組織、施工工法、施工裝備，進一步提高施工效率。

4 道床選型

有砟軌道和無砟軌道各自技術(shù)特點鮮明，但從工程類比角度來看，對于城市軌道交通快線而言可優(yōu)先考慮采用無砟軌道結(jié)構(gòu)。面對多種無砟軌道結(jié)構(gòu)，實際工程中必須結(jié)合具體地質(zhì)條件、環(huán)境要求、養(yǎng)護維修條件、工程投資計劃等進行選型。

4.1 正線道床方案

城市軌道交通以地下敷設(shè)方式為主，綜合考慮限界、綜合誤差、預留加固空間以及空氣動力學等因素影響[14]，線路部分區(qū)間盾構(gòu)隧道管片內(nèi)徑采用6 m，部分采用5.5 m。板式道床對小盾構(gòu)適應性差，對線下工程施工精度要求高，施工進度不如現(xiàn)澆道床快。雙塊式道床對小盾構(gòu)適應性好，施工進度相對較快，對線下施工精度要求相對較低。因此，根據(jù)實際地質(zhì)條件和工程特點，正線大盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間宜采用板式無砟道床，小盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間及在人防門、防淹門及需要道床過軌（考慮到設(shè)計及施工的靈活性）等特殊地段宜采用雙塊式無砟道床方案。

地下線受溫度影響較小，同時考慮預制軌道板生產(chǎn)和工程造價影響，板式無砟軌道宜采用普通混凝土軌道板。

4.2 岔區(qū)道床方案

道岔區(qū)存在諸多不平順，是地鐵線路的薄弱環(huán)節(jié)，列車經(jīng)過道岔區(qū)時軌道結(jié)構(gòu)將承受顯著的附加動力作用，岔區(qū)軌道狀態(tài)將直接影響行車的平穩(wěn)性和舒適性，進而影響道岔結(jié)構(gòu)的使用壽命。道岔號數(shù)（9號、12號）及道岔咽喉區(qū)功能（單開、單渡以及交叉渡線）相對復雜，采用預制道岔板結(jié)構(gòu)不如現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)靈活，且道岔板種類繁多，不利于統(tǒng)一生產(chǎn)制造，因此岔區(qū)宜采用更加靈活的軌枕埋入式無砟道床。

根據(jù)軌枕類型不同，國內(nèi)城市軌道交通線路道岔的軌下基礎(chǔ)主要分為混凝土短岔枕式整體道床、合成樹脂岔枕式整體道床以及鋼筋混凝土長岔枕式整體道床?？紤]到混凝土短岔枕式整體道床施工精度低、整體性差，而合成樹脂岔枕式整體道床造價高、整體性不如長軌枕。鋼筋混凝土長岔枕式整體道床的道岔整體性強、使用壽命長，道岔的幾何尺寸保持能力強且施工精度高，可有效提高道岔的鋪設(shè)進度，同時可大幅減少線路開通后道岔的養(yǎng)護維修工作量。岔區(qū)可采用鋼筋混凝土長岔枕式整體道床。

4.3 車站道床方案

由于車站附近有大量敏感建筑，列車通過時，振動將通過軌道、隧道、土體向周圍建筑物傳播，對敏感建筑及儀器設(shè)備、人員產(chǎn)生不良影響。此外，噪聲在地下車站封閉環(huán)境中無法向外傳播，需經(jīng)多次反射才能衰減，噪聲持續(xù)時間長，噪聲污染問題較為突出，對站臺候車乘客產(chǎn)生較大影響，尤其是長期在車站的工作人員，深受振動和噪聲的雙重影響。為減少地鐵運營對周邊環(huán)境的影響，為乘客提供舒適的公共候車乘車空間，為地鐵工作人員提供良好的工作環(huán)境，在車站范圍內(nèi)宜采用減振降噪一體化軌道結(jié)構(gòu)。

減振降噪一體化軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性扣件、吸音板、軌道板、自密實混凝土、減振墊、底座等部分組成。其中，軌道吸音板為分塊單元結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)在道床板頂面，通過螺栓與軌道板上預埋套筒進行連接，保證吸音板的穩(wěn)定，同時軌道吸音板鋪設(shè)時繞避了承軌臺，并留出充足的鋼軌起道、扣件復擰等日常工務養(yǎng)護維修作業(yè)空間，不會對日常工務養(yǎng)護維修作業(yè)產(chǎn)生影響。此外，實際工程中當軌道吸音板底部軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害需要維修時，可將軌道吸音板拆除，軌道結(jié)構(gòu)病害修復完成后，重新鋪裝。該結(jié)構(gòu)利用設(shè)置在自密實混凝土下的減振墊進行減振，通過建立減振效果理論分析模型，初步計算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的減振效果可達12～18 dB，降噪效果可達3 dB（A）以上。

5 結(jié)論

軌道結(jié)構(gòu)選型是城市軌道交通快線建設(shè)的關(guān)鍵之一，合理的選擇軌道類型才能保證機車車輛運行穩(wěn)定性、平順性、旅客舒適度以及合理安排維修周期。除滿足上述要求外，相應減振降噪設(shè)計還應符合國家相關(guān)部門環(huán)保要求。本文根據(jù)城市軌道交通快線選型的基本要求，結(jié)合有砟軌道與無砟軌道、各類無砟軌道的技術(shù)特點，對城市軌道交通快線的軌道結(jié)構(gòu)選型進行了分析，得到如下結(jié)論。

（1）正線軌道結(jié)構(gòu)應根據(jù)地質(zhì)條件和工程特點靈活選用，大盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間宜采用板式無砟道床，小盾構(gòu)內(nèi)徑區(qū)間及特殊地段宜采用雙塊式無砟道床。

（2）對于道岔號數(shù)及道岔咽喉區(qū)功能相對復雜的線路，岔區(qū)宜采用整體性強、使用壽命長且施工精度高的鋼筋混凝土長岔枕式整體道床。

（3）軌道結(jié)構(gòu)應分不同減振地段采用相應的結(jié)構(gòu)形式和減振降噪措施，使振動和噪聲控制在國家標準的允許范圍內(nèi)并盡量滿足沿線建筑物對噪聲的要求。通過數(shù)值模擬，軌道減振降噪一體化結(jié)構(gòu)的減振效果可達12 ～18 dB，降噪效果可達3 dB（A）以上，宜在車站范圍內(nèi)應用。

現(xiàn)今城市軌道交通快線的建設(shè)規(guī)模正逐步加大，無砟道床的結(jié)構(gòu)型式應根據(jù)線下工程、環(huán)境條件等具體情況，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后合理靈活選擇，不應局限于單一結(jié)構(gòu)類型，分區(qū)段選用軌道結(jié)構(gòu)類型將是未來城市軌道交通快線建設(shè)的一種趨勢，研究內(nèi)容可為城市軌道交通快線設(shè)計提供一定的參考。