北京市轨道交通房山线轨道结构设计研究

丁静波，王 青，任树文

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

1 设计概述

北京市轨道交通房山线(简称房山线)起于苏庄大街站,以高架线形式沿长虹路路中向东,经长于路、京良路、长周路,跨永定河及丰西铁路编组站,沿葆台北路北侧向东,逐渐过渡为地下线,至世界公园南门处设大堡台地下站,下穿丰葆路转向北,至郭公庄与M9线换乘,为初期终点站。初期线路全长约24.7 km,其中高架线约21.4 km,地下线约3 km,过渡段约0.32 km。沿线设车站11座,其中高架站9座,地下站2座；平均站间距2.3 km。

列车最高运行速度100 km/h；采用B1型车,6辆编组,车全长为117.720 m；车辆轴重140 kN,采用上接触方式供电。轨道结构主要技术标准如下：

(1)正线均采用60 kg/m钢轨,车辆段采用50 kg/m钢轨；

(2)正线采用弹性分开式扣件；车辆段采用弹条Ⅰ型扣件；

(3)正线采用短轨枕整体道床,配套有A、B(含加长枕)2种轨枕类型；

(4)扣件及轨枕间距均按照625 mm设置；

(5)正线采用60 kg/m钢轨9号道岔；车辆段采用50 kg/m钢轨7号道岔；

(6)全线采取综合减振措施,按环评要求进行分级减振。

2 房山线轨道结构设计

2.1 扣件设计选型

房山线是以高架为主的方式敷设,因此高架小阻力扣件的选型尤为重要。合理地选择扣件形式,对减轻梁轨相互作用力,避免低温断轨,确保列车行车安全,以及桥梁设计均有利。WJ-2型小阻力扣件是目前国内地铁应用最广泛的小阻力扣件之一。设计的扣件垂直静刚度40～60 kN/mm,扣压力为4 kN,弹程达到14 mm,既能满足无缝线路设计要求,又能提供较好的弹性,经济性好,可减少工程造价,且养护维修量少。

地下线采用ZX-3型扣件,它是在国铁弹条Ⅲ型基础上开发的弹性分开式扣件。设计扣件垂直静刚度为40～60 kN/mm；最大调高量20 mm；采用无级调距的扣板,调距量可达到-28～+24 mm。房山线洞口位置最大坡度达到28‰,而ZX-3型单个弹条的扣件的防爬阻力达到17 kN以上,能较好地适应这种大坡道。该扣件在广州地铁也经过多年使用,养护维修量少,运营状况良好。

2.2 轨枕及道床结构设计

高架及地下线扣件不同,有短枕A、B两种短轨枕类型,另外为满足供电接触轨安装要求,设置了加长轨枕。房山线除道岔、减振等特殊地段外,全线采用加长轨枕设计,以确保接触轨安装精度要求,但是由于受桥梁及接触轨布置的限制,给轨排施工增加一定的难度。

高架桥轨道结构高度按520 mm设计,采用纵向承轨台整体道床结构,道床设置预埋钢筋与桥面加强连接。预埋钢筋与道床内钢筋点焊连接,以加强杂散电流的排流。为满足信号波导管最大轮廓232 mm×275 mm,以及波导管中轴距轨中心轴距离430 mm的要求,道床进行加宽设计,详见图1。

图1 房山线高架纵向承轨台整体道床断面(单位：mm)

2.3 道岔及钢轨伸缩调节器设计

房山线9号道岔为弹性可弯曲线尖轨结构,采用相离线形,经过了国铁及北京、上海及广州等地铁多年实践,它对减缓尖轨的磨耗更为有利。设计的9号道岔全长L=29.054 m,道岔前长a=13.011 m,道岔后长b=16.043 m,这与京建线60-9号单开道岔基本一致。其导曲线半径R=200 m,直向允许通过速度为100 km/h,侧向允许速度为35 km/h。配套扣件采用国铁弹条Ⅱ型扣件,轨距块有9、11、13、15号四种,调距量为+8～-4 mm。

在道岔前后设置60 kg/m钢轨伸缩量1 000 mm单向伸缩调节器(简称调节器),其目的为防止无缝线路长轨条的力及位移往道岔内传递,主要尺寸详见图2。调节器直向允许通过速度为100 km/h,基本轨与尖轨贴合面采用半径300 m的圆曲线,尖轨采用轨撑固定,基本轨可伸缩,基本轨与尖轨跟端按冻结接头设计。

图2 单向钢轨伸缩调节器主要尺寸(单位：mm)

3 轨道减振设计

地铁沿线经过的各种建筑物类型比较多,由于列车运行产生振动,对周边居民的影响尤为突出。轨道减振设计依据的是环评报告及《地铁设计规范》(GB50175—2003),同时也考虑因地铁振动而引起建筑物二次结构噪声超标、规划拆迁等综合因素。

结合目前北京、上海地铁最近几条新线发生钢轨异常波磨现象,波磨的波长在80 mm左右。由北京地铁建管公司牵头,联合北京交通大学和设计院进行相关的测试,初步研究表明波磨产生的原因为减振措施使用不当,没有考虑车辆部件固有频率的影响,导致共振现象所至。因此轨道减振类型不宜太多,优先选用枕下减振结构。本线只有梯形轨枕及钢弹簧浮置板轨道2种减振类型。

钢弹簧浮置板有固体和液体阻尼2种类型,液体阻尼型比固体阻尼型造价贵800万元/km,固体阻尼的减振效果为10～18 dB,液体阻尼的减振效果达到25 dB以上。

3.1 梯形轨枕设计

梯形轨枕是北京易科路通科技有限公司专利产品,由预制梯形轨枕(含减振及缓冲材料)、L形支座组成。轨枕分别设减振材料和缓冲材料,枕下减振材料设计静刚度为18 kN/mm,两侧缓冲材料设计静刚度为42.5 kN/mm,其减振效果为7～18 dB。

梯形轨枕轨道结构高度为520 mm,预应力纵枕截面为460 mm×185 mm,详见图3。针对高架桥特点,对侧向挡墙进行局部加强,且在与梁面结合部位采取植筋措施,从而提高结构整体稳定性能。

图3 高架桥梯形轨枕横断面设计(单位：mm)

3.2 钢弹簧浮置板设计

钢弹簧浮置板属于高减振等级及特殊减振结构,在国内地铁广泛使用。房山线钢弹簧浮置板设计轨道结构高度为840 mm,与其他不同,为了满足信号波导管支架垂直空间高度要求,在浮置板中间设置了1 000 mm×50 mm凹槽,详见图4。

图4 房山线钢弹簧浮置板道床横断面设计(单位：mm)

4 无缝线路设计

高架桥采用区间无缝线路设计,在道岔前后设置钢轨伸缩器,部分不满足调节器布置要求的地段,采用2根标准25 m缓冲轨；地下线考虑温差较小,按跨区间无缝线路设计,以减少钢轨轨缝,提高线路的平顺性,减少养护维修量。

按WJ-2型扣件不同布置形式,有3种阻力值：Q1=5 kN/m/轨、Q2=7 kN/m/轨、Q3=10 kN/m/轨,分别用于伸缩区、固定区和缓冲区。地下线采用ZX-3型扣件,扣件阻力不小于20 kN/m/轨。

4.1 高架桥轨道附加力计算

房山线高架桥主要采用25、30 m简支梁进行布跨。根据桥梁提供的资料：双线简支梁截面高度H=1.8 m,截面中性轴距离下翼缘的高度H下=1.1 m,梁体平均惯性矩I=1.7×104m4。结合具体桥型、支座布置等资料,通过平衡微分方程,假定钢轨伸缩的影响长度,建立梁轨位移的平衡和钢轨拉压平衡方程式,采用建立梁轨一体化模型方法进行计算,按最不利情况，经计算钢轨附加力均要小于150 kN,能满足钢轨强度相关要求,见图5。同时考虑全桥刚度的差异,对局部快速制动,梁轨相对位移进行检算均小于2 mm,见图6。根据无缝线路伸缩区、固定区不同,常用25、30 m简支梁单股钢轨附加力见表1。

图5 高架桥轨道挠曲附加力计算

图6 梁轨相对位移检算

表1 简支梁单股钢轨轨道附加力

4.2 无缝线路实施方案

房山线有高架线和地下线,地下线由于温差变化小,采用直铺法铺设无缝线路,移动式接触法焊接。高架线按北京市最高轨温62.6 ℃,最低轨温-27.5 ℃,参照相关工程设计经验,结合本线实际情况,确定锁定轨温为(26±5)℃,施工按确定的锁定温轨统一锁定放散。冻结接头施工1周后,应复拧,确保螺栓扭矩在设计范围内,且运营后应定期检查并复紧,使螺栓长期保持足够的张力。

5 车辆段轨道设计

阎村车辆段轨道包括出入段线、试车线、车场线、库内线轨道铺设、信号标志安装、临管期维护,总铺设长度为11.134 km,其中60 kg/m钢轨长度为0.96 km,50 kg/m钢轨长度为11.02 km。

5.1 混凝土轨枕及道床结构

车辆段除道岔及小于50 m的连接段、库内线外,均采用新Ⅱ型混凝土轨枕,弹条Ⅰ型扣件,碎石道床结构。与木枕道床结构相比,可节省投资约40万元/km,且可增加线路纵横向阻力,对提高轨道结构稳定性,以及减少养护维修量更为有利。考虑到北京地铁不仅正线采用三轨方式供电,车辆段内也采用该方式供电,在保持三轨安装支架不变的情况,专门设计安装三轨用2.6 m预制预应力混凝土枕,见图7。

图7 车辆段混凝土轨枕及道床结构

5.2 车辆段平过道结构

库外线平过道采用混凝土长枕式碎石道床,铺设橡胶道口板。库内平过道为短枕整体道床,用混凝土灌注,轮缘槽处采用特制的橡胶轮缘槽,轮缘槽宽度60 mm,见图8。库前需设置库前截水沟,截水沟就近接入站场排水沟。

图8 车辆段平过道道床结构

6 结语

房山线轨道设计在总结国内地铁已运营线路相关经验基础上,应用较成熟的轨道产品,做好与相关专业的细节设计,确保性能上安全可靠。减振设计充分考虑了沿线建筑情况,特别是针对乘客、乘务人员及车站工作管理人员聚集的车站,采取了较好的减振措施,更加体现人文环保设计理念。全线铺设无缝线路,提高线路的整体平顺性,使得旅客乘车更舒适安全。通过简要论述房山线轨道设计方案,抛砖引玉,以供读者设计参考。

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