北京市轨道交通昌平线一期轨道结构设计综述

孙大新,高晓新

(北京城建设计研究总院有限责任公司，北京 100037)

1 概述

北京市轨道交通昌平线是一条连接中心城区与昌平新城的南北向的轨道交通快速客运线路,线路北起十三陵景区,南至城铁13号线西二旗站,该线的修建对于促进昌平新城及沿线发展具有重要作用。

本次工程设计起点为南邵站,经沙河高教园站、沙河站、巩华城站、朱辛庄站、生命科学园站、终到西二旗站,线路全长21.35 km,其中高架线15.535 km,地下线3.01 km,地面线2.805 km。除南邵站为地下车站外,其余6座车站皆为高架站,在朱辛庄站北侧设定泗路停车场1座。线路在朱辛庄站与8号线延伸线换乘,在终点西二旗站与城铁13号线换乘。昌平线工程线路示意如图1所示。

图1 昌平线工程线路示意

正线最小曲线半径为350 m,辅助线最小曲线半径为200 m,最大坡度24.131‰。

本工程采用国产标准B1型车,轴重≤14 t,6辆编组,直流750 V接触轨供电,最高设计速度为100 km/h。

正线采用60 kg/m钢轨、1 435 mm标准轨距、1/40轨底坡,车场线采用50 kg/m钢轨。全线共有7种类型的扣件,分别适用不同地段内的道床,见表1。

正线采用60 kg/m 9号系列道岔,道岔采用60AT曲线尖轨,采用高锰钢整铸辙叉,交叉渡线间距为5 m,单渡线最小间距为4.2 m。车场采用50 kg/m钢轨7号单开道岔和5 m交叉渡线。

表1 北京市轨道交通昌平线扣件类型

正线地下线和高架线采用整体道床结构,地下线设中心水沟,高架线设条带状道床。本线正线有两段地面线,地面线较长,采用碎石道床结构。车场库内线采用整体道床结构,库外线采用碎石道床结构。

正线铺设无缝线路,高架线道岔两段设置钢轨伸缩调节器,地下线温差小,道岔两端与曲线线路冻结。地面线铺设无缝线路,但南邵站—高教园站区间地面线路因跨越地震断裂带,按普通线路设计。

2 工程特点和轨道设计思路

昌平线是为实现北京市轨道交通规划2010年年底交通运营里程目标的一条线,总结有以下4点显著的技术特点。

(1)建设周期短,昌平线从2008年底开始进入设计阶段到2010年底实现通车试运营,仅2年时间,是北京轨道交通建设史上建设周期最短的线路之一。

(2)设计速度高,本线设计最高速度为100 km/h,且因站少,区间较长,平均旅行速度超过50 km/h,两项指标都远超目前已运营及同期在建其他线路。

(3)沿线多为未开发地段,随着地铁的建设,沿线的开发力度和开发速度很快,对地铁建设提出了很高的要求。

(4)本线设计周期内,北京地铁前期建设的几条线已经投入运营一段时间,也暴露出一些振动和噪声问题。同时因市民对生活环境的要求越来越来高,必然要求尽可能降低轨道交通对周边的环境的影响,对轨道设计提出了更严格的要求。

鉴于以上工程特点,轨道设计中采用的设计理念如下：

(1)轨道设计应尽量采用被工程证明是成熟、稳定的技术；

(2)轨道设计应适当采用较先进的技术和标准；

(3)轨道设计不仅应满足目前通车运营的要求,也要适当为近期规划地段做一定的减振预留,提高周边地块使用价值；

(4)轨道减振设计应寻求一定的突破,不能原封照搬以往的减振方案。

3 轨道结构设计中的特殊问题

本线除沿承北京城市轨道交通以往轨道设计的成熟经验外[1～3],也顺应城市轨道交通发展趋势,采用了部分较为先进的技术,部分技术在北京地铁属首次应用。

3.1 曲线尖轨轨道减振器道岔及伸缩调节器在北京地铁的首次应用

本线设计速度为100 km/h,传统的直线尖轨道岔已无法满足过岔速度要求,因此采用曲线尖轨道岔。该道岔采用先进的相离型弹性可弯曲线尖轨,尖轨为60 kg/m AT制作,尖轨根端采用限位器结构,是可实现道岔与区间焊接的无缝道岔。该道岔转辙器部分与北京机场线采用9号道岔相同,区别是辙叉部分为固定辙叉。该道岔已在北京地铁多条线路列为推荐方案,北京昌平线为首次实际铺设。

为适应本线减振的要求,部分位于减振段内的道岔也需要采取减振措施。设计采用了类似直线尖轨减振器道岔的结构,在正常的曲线尖轨道岔铁垫板下加设轨道减振器,并采取有效措施将道岔铁垫板与减振器连接。为保证整体结构的稳定性和可靠性,除对必要的减振性能、绝缘性能、适用寿命等提出要求外,还对减振器的疲劳性能、荷载条件下的动态下沉量和轨底横移量、动静比、硫化层强度等提出明确要求。

高架线减振器道岔两端设置的伸缩调节器也需采取减振设计，设计思路与减振器道岔相同。上部伸缩器的钢轨件和铁垫板不变,下部加设减振器,铁垫板与减振器之间可靠连接。

3.2 地下线聚酯弹性体垫板在北京地铁的首次试用

DTⅥ2型、DTⅦ2型扣件属于弹性分开式扣件,轨下及铁垫板下各设一层弹性垫板。目前国内传统扣件的弹性垫板均采用橡胶材料,如丁苯橡胶或氯丁橡胶等种类。

普通橡胶垫板成本较低,但受材料特性的局限,在弹性、疲劳性能、耐老化性能等方面,均不十分理想。为此,各国对弹性垫板的材料进行了大量的研究,其中高弹性热塑性弹性体是较为成功的一种新型弹性材料。

高弹性热塑性弹性体由较长的软链段和适当的硬链段组成,显示出2组缔合结构,硬链段结晶起物理交联作用,软链段无定形,赋予聚合物高回弹性。因此，它结合了橡胶和软塑料二者的优点,具有高韧性和高回弹性、优良的耐磨性、抗弯曲疲劳性及耐老化性,尤其在低温下良好的柔韧性是其他弹性体所无法比拟的。

热塑性聚酯弹性体垫板有2种结构形式,一种是微发泡结构,一种是沟槽结构。本线选用应用较为广泛的微发泡结构。

微孔发泡制品结构,外表是一层很薄、但密度较大的致密层,有利于保护内部发泡层,使气体不易逸出,外部的油污、灰尘不易进入发泡体内。内部是由无数细小而均匀、相对独立的泡孔结构组成。这种密闭的泡孔结构较大地提高了产品的力学性能,在垫板受力时,能使压力向四周均匀传递,特别是在承受交变应力时,其抗疲劳强度高,具有更好的回弹性,永久性变形小,吸振和减振性能好。微发泡垫板的这些特点是其他实体垫板所无法比拟的。

新型高弹性垫板的动静刚度比小于1.45,而普通橡胶垫板动静刚度比为1.8～2.0,很明显，前者的减振性能更有优势。

此外,聚酯弹性体垫板的疲劳性能很好,经300万次疲劳试验后,静刚度变化量不超过20%,使用寿命优于普通橡胶垫板。虽然初期投资增加,但是因延长更换周期,同时性能更加稳定,综合成本并不比普通垫板高。

此外,道岔内为方便维修更换,未采用焊接接头,为降低接头冲击,道岔板下垫板采用聚酯弹性体垫板。因钢轨件结构复杂,引用了国铁高速道岔的轨下连续刚度的理念,设计了本线道岔的连续刚度表,可大大提高过岔刚度的连续性,有利于行车平稳。

3.3 梯形轨枕的应用

本线在施工图阶段加入了梯形轨枕方案。但因梯形轨枕在北京地铁高架线上属首次大批量采用,很多设计中的细节都是第一次发现。

(1)桥梁止水带橡胶条要求可以更换,决定了不允许梯形轨枕跨梁缝设置。

虽然梯形轨枕的结构设计中,允许轨枕跨过梁缝,但因为桥梁止水带橡胶条老化后,需要有可以更换的条件,如果梯枕跨缝,将无更换橡胶条的空间,必然造成运营接收和维修的困难。因此设计中采用了多种不同规格的梯形轨枕块,通过不同长度的梯形轨枕的组合来适应不同的梁长。

(2)土建预留高度较小,导致道床高度较薄,对于施工中的误差要求很严格。

梯形轨枕方案是在经过业主部门组织专家评审后在施工图阶段加入的。但因土建进度较快,已无法调整轨道结构高度,因此土建预留的轨道结构高度较小,梯形轨枕下道床较薄,如土建误差较大,则无法施工。实际轨道施工前,先由勘测单位对梁顶高程进行了复测,然后由设计单位核查是否满足铺轨要求,对于不满足铺轨要求的,通过线路调坡处理。

同时,因梁端挡水台较高,与梯形轨枕位置基本重叠,因此,经过与桥梁专业沟通,降低了梁端挡水台的高度,才保证梯形轨枕得以顺利铺设。

(3)梯形轨枕的“以直代曲”,对扣件调距量、调高量和保持轨距能力提出了很高的要求。

梯形轨枕因其制造时采用了直线型设计,套管全部是直线型对称布置的,因此,在曲线段,需要利用扣件的调距能力适应曲线线型。为此,引入了国铁WJ-2型扣件。该扣件调距量为±20 mm,调高垫板最小厚度1 mm,可以较好地实现调距和调高的效果。但是因曲线钢轨内应力较大,对于扣件保持轨距的要求很高，运营后应多注意螺栓扭矩的检查。此外,对于半径350 m以下的曲线,建议在今后的设计中将套管布置成曲线型,以降低扣件螺栓受到的横向力。

3.4 跨京包铁路大跨梁的铺轨

本线跨京包铁路为重要工程节点桥,桥梁专业采用了(37+60+79+42.5)m和(42.5+79+42.5)m两个大跨连续钢混结合梁对接的方式,钢混结合梁的挠度变形计算值见图2。

图2 跨京包铁路大跨梁竖向变形理论值

可见,在二期恒载和徐变的共同作用下,桥梁竖向变形最大值将超过40 mm,超出了整体道床扣件的调整能力。因此,有必要在施工初期采取措施,抵消一部分竖向变形,使后期的变形控制在可调整的范围内。

从计算结果看,二期恒载引起的变形为主,徐变引起的变形最大约为16 mm,尚在扣件可调整范围内,因此,从简化施工困难程度,提高初期平顺度的角度,该段铺轨时,仅以抵消二期恒载的变形为准,徐变值在后期的维修过程中,通过扣件的调整能力调整。因此实际施工中,在线路标准高程上,叠加了二期恒载引起的变形作为铺轨时的高程。轨道验收时仍按线路标准高程进行验收。

3.5 避免钢轨波磨的措施

随着北京地铁4、5号线运营以来,波磨问题的日益突出,传统的减振设计方案正逐渐暴露出一些问题,有必要对传统设计方案进行改进,以避免出现类似的波磨问题。本工程实施阶段,恰逢北京地铁波磨课题组提出了研究成果,本线借鉴课题组研究成果,对避免钢轨波磨进行了有益尝试。

(1)减振方案的变化

据目前既有线统计,波磨主要发生在半径800 m以下的小半径曲线地段,为避免在小半径曲线地段再出现同类问题,故经过业主沟通—上报方案—专家会评审等多个阶段,最终确定了昌平线高架线曲线半径800 m及以下半径减振地段的曲线地段不采用轨道减振器扣件,采用梯形轨枕。800 m以上半径的减振地段曲线地段采用减振器扣件。

(2)曲线地段扣件适当加密

借鉴钢轨波磨研究课题组的研究成果,对采用轨道减振器的地段进行了扣件加密,适当提高钢轨的横向和垂向支撑刚度。具体的加密规则如下：

正线及辅助线轨道减振器地段直线、曲线半径R>800 m扣件铺设数量1 600对/km；半径800 m≥R>400 m地段扣件铺设数量为1 760对/km；半径≤400 m曲线地段扣件铺设数量为1 840对/km。

不同等级轨枕间距之间设25 m轨枕间距过渡段,过渡段设在直线段。

(3)适当增大扣件刚度

提高扣件刚度,特别是横向刚度有利于提高钢轨稳定性。昌平线主要提高了减振器扣件和WJ-2型扣件的刚度。

对于高架线轨道减振器扣件,通过与厂家联络,将轨道减振器刚度提高至10～14 kN/mm。

因梯形轨枕系统不易调整轨枕间距,为提高横向稳定性,梯形轨枕上使用的WJ-2型扣件刚度由原来的40～60 kN/mm调整为100～120 kN/mm。

4 结语

北京轨道交通昌平线轨道设计在总结北京及国内轨道设计的基础上进行了优化,应用了近年的先进技术和标准,借鉴了以往地铁的先进经验,采取措施克服了以往地铁设计中的不足。经过1年多的设计施工,轨道工程目前已经圆满完成施工,为昌平线胜利通车奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]任 静,王 进,曾向荣.北京地铁5号线正线轨道设计综述[J].铁道标准设计,2007(10).

[2]武江虹,郑瑞武,李文英.北京地铁10号线正线轨道总体设计[J].铁道标准设计，2008(7).

[3]王 进,高晓新,李文英，等.大跨度预应力结构地段的轨道设计与施工技术要求[J].铁道标准设计，2007(10).