北京市轨道交通大兴线轨道设计综述

程宝青,杨宝峰,于春华

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

1.1 工程概述

北京市轨道交通大兴线与地铁4号线在南四环公益西桥北侧接轨,沿线经过丰台区南苑西、大兴区西红门、大兴新城主城区、大兴新城核心区、大兴区生物医药基地等地区。线路正线全长21.756 km,其中地下线长度为17.427 km；过渡段长度为0.703 km,高架段长度为3.626 km；出入段线长度约为1.002 km。新建车站11座,其中地下车站10座,高架车站1座,新设车辆段1处(图1)。

图1 北京轨道交通大兴线线路示意

1.2 轨道工程设计理念

轨道交通建设的目的是以为市民服务为宗旨,在满足工程建设标准和技术条件的基础上充分反映市民的需求。大兴线轨道工程以“人文地铁”“绿色地铁”“科技地铁”为设计理念,其主要体现在以下4方面。

(1)轨道结构具有足够的强度、稳定性、耐久性和适量弹性,以确保列车安全、平稳、快速运行。

(2)轨道结构质量均衡、弹性连续、结构等强、合理匹配。

(3)轨道设备的施工严格控制质量与维修养护标准,提高轨道平顺性,满足乘客舒适度。

(4)轨道系统采用先进的减振结构,在施工及运营期间减少对周围环境的振动和噪声污染。

1.3 轨道设计工作程序

轨道系统设计的工作程序见图2,按照设计程序开展设计是确保设计质量,提高工作效率的有力保障。

2 主要技术标准

2.1 线路主要技术标准

(1)轨距 1 435 mm；

(2)正线数目 双线；

(3)最高行车速度 80 km/h；

(4)最小曲线半径 正线：一般300 m,困难250 m；辅助线：一般200 m,困难150 m；车场线：110 m。

(5)最大坡度 正线：30‰；联络线及出入线：35‰；

(6)竖曲线半径 正线：一般地段5 000 m,困难地段3 000 m；车站端部：一般3 000 m,困难2 000 m；辅助线：2 000 m；

(7)车辆 采用B1型车,6辆编组,3动3拖,直流750 V接触轨供电。

2.2 轨道主要设计标准

2.2.1 轨道主要技术标准

北京地铁大兴线采用标准轨距轮轨系统,车辆采用标准B1型车,接触轨上部受流,最高行车速度80 km/h；

正线、辅助线及试车线采用60 kg/m钢轨、弹性扣件、整体道床(地面线为碎石道床)、无缝线路；

车场线库外线采用50 kg/m钢轨、混凝土轨枕(或木枕)、碎石道床；

车场线库内线采用50 kg/m钢轨、短轨枕(或无枕)式整体道床；

正线、辅助线及试车线采用60 kg/m钢轨9号各类型道岔；

车场线采用50 kg/m钢轨7号各类型道岔。

2.2.2 轨道主要铺设标准

(1)钢轨及轨底坡设置

正线、辅助线、出入线、试车线采用60 kg/m钢轨；车场线采用50 kg/m钢轨,材质均为U71Mn,定尺长度25 m,60 kg/m钢轨与50 kg/m钢轨衔接处采用60-50 kg/m异型钢轨。

钢轨轨底设置1∶40的轨底坡,道岔区及道岔间不足50 m的地段不设轨底坡。

(2)扣件

地下线及U形地段采用DTⅥ2型扣件；

高架线采用DTⅦ2型扣件；

地面线及车场线铺设混凝土枕地段采用国铁标准弹条Ⅰ型扣件；

60 kg/m钢轨铺设木枕地段采用DTⅥ1型弹性分开式扣件；

50 kg/m钢轨铺设木枕地段采用DTⅣ1型弹性分开式扣件；

车场线库内线铺设整体道床地段采用DJK5-1型扣件。

上述各扣件形式如图3所示。

(3)曲线轨距加宽及超高

曲线半径200 m≥R>150 m地段,轨距加宽值5 mm；曲线半径150 m≥R>100 m地段,轨距加宽值10 mm；

轨距加宽在缓和曲线范围内递减,无缓和曲线时,在直线段递减。递减率不宜大于2‰,困难地段不应大于3‰；

地下线及敞开段的曲线地段超高采取外轨抬高超高值一半和内轨降低超高值一半的办法设置,高架线及地面线采用外轨抬高全部超高值的办法设置。曲线最大超高值为120 mm。曲线超高值在缓和曲线内递减顺接,无缓和曲线时,应在直线段递减顺接。超高顺坡率不宜大于2‰,困难地段不应大于3‰；

当设置的超高不能满足速度要求时,一般允许有不大于61 mm的欠超高,并适当设置过超高；

车场线不设置超高的地段,为了避免反超高,可设置4～6 mm的超高。

(4)轨枕铺设根数

根据北京地铁运营经验,同时为了统一铺设标准,便于施工，正线、辅助线、试车线均按1 600根(对)/km铺设,车场线按1 440根(对)/km铺设,库内立柱式检查坑轨道按相关工艺要求设计。

(5)轨道结构高度

图3 扣件

矩形隧道及U形结构地段：混凝土整体道床560 mm；

单线马蹄形隧道：混凝土整体道床不小于650 mm；

圆形隧道：混凝土整体道床740 mm；

桥上整体道床：520 mm；

出入线和试车线：840 mm(碎石道床、不含路拱)；

库内线：500 mm(整体道床)；

库外线：620 mm(混凝土枕碎石道床、不含路拱)。

3 设计重点及难点

3.1 扣件防腐处理技术的应用

随着城轨交通运营线路里程的增加,线路养护维修任务越来越繁重,扣件锈蚀问题逐渐成为一个亟需解决的突出问题,同时也是设计重点考虑的问题之一。

当前运营的线路,在设计时大多没有考虑预先对扣件进行防腐处理,而是在运营以后采取涂油等被动措施,这种方法效率低、成本高且污染环境。

近年来,金属防腐技术日趋成熟,并逐渐应用于城轨交通工程中。目前,适用于扣件小金属件的防锈处理技术有达克罗涂层技术、渗锌、多元共渗技术以及多功能防腐复合涂层技术等。大兴线扣件防腐采用多元共渗技术。

多元共渗技术是用气体或液体将金属表面进行复合处理(简称LGLT技术),气体多元共渗适用于螺栓、螺母、平垫圈等小金属件,液体多元共渗适用于弹条等大金属件。

多元共渗防腐技术具有造价低、无污染、耐盐雾性强、安全环保等特点,图4为多元共渗处理过的螺旋道钉。

图4 多元共渗处理过的螺旋道钉

3.2 轨道减振结构

3.2.1 轨道减振结构设计特点

“安全”、“正点”、“快捷”、“舒适”的城市轨道交通,受到广大市民的青睐,成为出行者首选的交通工具。但城市轨道交通不可避免地给城市带来诸多如振动噪声等污染。超标的振动及噪声,影响了人们的正常工作和生活。在生活质量不断提高的今天,如何减少城市轨道交通带来的振动和噪声,逐步受到广大科研设计者的重视。如何做好轨道减振设计成为该工程设计研究的难点之一。

大兴线轨道减振设计首先遵照《北京市轨道交通大兴线工程环境影响报告书》精神,然后依据《地铁设计规范》(GB50157—2003)相关条文进行设计。该线轨道减振设计标准如下。

一般减振地段：不超标地段,不特别设防,轨道结构采用重型钢轨、弹性扣件、无缝线路、整体道床等起到减振降噪作用；

中等减振地段：超标1～3 dB,设防4～6 dB,采用轨道减振器扣件；

高等减振地段：超标4～12 dB,设防7～15 dB,采用梯形轨枕轨轨道结构；

特殊减振地段：超标>12 dB,设防>15 dB,采用钢弹簧浮置板整体道床的轨道结构。

3.2.2 高等减振地段轨道结构设计方案

过去在振动超标15 dB的减振地段,由于没有相应减振级别的轨道结构,一般采用钢弹簧浮置板轨道。钢弹簧浮置板减振效果可达20～25 dB,造价比较高,用于超标15 dB的减振地段,性价比不合理,加大了不必要的工程投资。近年来研制了一种减振新结构(梯形轨枕轨道结构),满足了高等减振地段为超标4～12 dB、设防7～15 dB的减振地段的特殊要求。

梯形轨枕轨道是一种新型的轨道结构,其轨枕是由两根钢筋混凝土纵梁及3根钢管制的横向联接杆构成的,形似扶梯,因此称之为梯形轨枕(图5)。梯形轨枕下设弹性减振装置,弹性垫层有板形、球形、角形等多种形式。梯形轨枕是纵向轨枕的一种,既能大幅度提高荷重的分散能力,又可补充钢轨本身的刚性和质量的性能特点,是轨枕的一种革新形式。尤其适用于整体道床,不但能充分发挥复合轨道高刚性的特点,还使轨道构造具有充分的弹性。利用减振材料等间隔支撑结构,使其浮于混凝土整体道床上,应用于地下线可减小隧道开挖断面,应用于高架线可减少轨道自重和桥梁恒载。梯形轨道可在很大程度减小列车运行带来的振动和噪声,是一种低噪声、低振动的轨道结构。与普通轨道结构相比,减振效果可达15 dB,造价约700万元/km。梯形轨枕轨道结构首先应用于日本,近年来在我国城市轨道交通中也有使用,北京地铁4、5号线、广州地铁、上海地铁等均有铺设。

图5 梯形轨枕轨道

3.2.3 特殊减振地段轨道结构设计方案

图6 盾构区弹簧浮置板轨道示意

弹簧浮置板轨道结构具有固有频率低,减振效果好,施工简单,维修方便,寿命长等特点,在我国城市轨道交通的建设中广泛采用。

4 轨道安全设备的设置

为了确保城市轨道交通运营安全在必要的地段设置了轨道安全设备。如铺设在高架桥上的护轮设备防止列车脱轨；铺设钢轨伸缩调节器防止高架桥无缝线路胀轨跑道或者断轨；铺设列车止挡设备防止列车失控时冲出线路。

4.1 护轮设备(图7)

图7 护轮设备

为防止列车在高架桥上脱轨倾覆和影响另一条线正常运营,高架桥上一定位置须设置防脱护轨,这种护轨在车轮万一爬轨时能使车轮复位,防止车轮脱轨。安装在钢轨内侧,与轨底联结,安装简便。本线在半径小于500 m的曲线圆缓(缓圆)点前后50 m(圆曲线部分15 m、缓和曲线部分35 m),在下股钢轨内侧设防脱护轨。在跨越城市主要道路地段,在靠近桥梁中线的钢轨内侧安装防脱护轨。在竖曲线与缓和曲线重叠处,重叠范围内两股钢轨内侧安装防脱护轨。

4.2 钢轨伸缩调节器

高架桥上无缝线路,除采用小阻力扣件外,还应在道岔前后和其他位置铺设钢轨伸缩调节器(图8),钢轨伸缩调节器既能保证轨道的稳定,又能保证最高轨温下不胀轨跑道、最低轨温下断轨的断缝不超过允许值。

图8 钢轨伸缩调节器

钢轨伸缩调节器应设置在直线上,在钢轨伸缩调节器范围内不得有竖曲线。

钢轨伸缩调节器的材质应与正线钢轨材质相同。

本线在高架桥道岔前后、大跨度梁的中部根据需要设置钢轨伸缩调节器。

4.3 列车止挡设备

在城轨交通线路如正线、辅助线、试车线、车场线库内外等线路末端,为了防止车辆滑逸或因机械失灵、操作不当等原因造成车辆失控、冲出线路,而设置的止挡设备称之为车挡,亦称挡车器。

车挡形式多种多样，适应不同地段,缓冲式车挡主要有3种形式,即缓冲滑动式车挡、缓冲液压式车挡和液压缓冲滑动式车挡。

本文仅对地下线使用的缓冲液压式车挡加以介绍(图9)。

图9 缓冲液压式车挡

缓冲液压式车挡,由2套液压缓冲油缸和1台撞击引导装置组成。

缓冲液压式车挡技术较先进,结构合理,能有效地消耗列车动能,不损坏车辆和车挡,确保人身安全。且能自动复位,但造价较高。安装长度约8 m,如果能结合土建条件合理选用,能减小工程规模,降低投资。

本线在新宫站停车线末端采用2组缓冲液压式车挡,较缓冲滑动式车挡,节省结构开挖7 m。

缓冲液压式车挡已应用于上海地铁1号线、4号线和6号线,深圳地铁5号线等线路,起到运营安全作用。

5 结论

北京轨道交通大兴线轨道工程,设计者在调查研究的基础上,充分总结了以往轨道系统设计经验,在“人文地铁”“绿色地铁”“科技地铁”的三大设计理念的指导下开展设计。

在轨道减振结构方面,经技术经济对比,采用了技术成熟的梯形轨枕轨道结构。在采用新材料、新工艺、新结构等方面做了探索,既满足了环保要求又降低了工程造价。

今后在运营过程中应该对轨道减振结构的减振效果进行在线检测,以进一步论证其使用效果和适用范围。同时注意总结设计、施工和养护维修等方面经验,给类似工程提供依据。

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