北京市轨道交通亦庄线正线轨道设计综述

张艳军,戴春阳,雷黔湘

(北京市市政工程设计研究总院，北京 100037)

1 工程概况

北京市轨道交通亦庄线线路起点位于丰台区宋庄路与石榴庄路交叉口南侧的宋家庄站,终点到达亦庄新城东部的京津城际铁路的亦庄站设亦庄火车站。亦庄线正线全长23.25 km,地下线长约8.67 km,高架线路13.80 km,U形槽及路基过渡段0.78 km。宋家庄出入段线长1.35 km,亦庄火车站出入段线0.61 km。起点设置宋家庄停车场1处，终点设置台湖车辆段1处。全线共设车站14座,其中地下车站6座,高架车站8座。亦庄线线路平面如图1所示。

本工程采用DC750V接触轨供电,标准B1型车,最大轴重为14 t,6辆编组,最高行车速度80 km/h,信号采用移动闭塞。

图1 北京市轨道交通亦庄线工程线路平面示意

正线采用60 kg/m钢轨,1 435 mm标准轨距,1/40轨底坡。

全线共采用5种类型扣件：Ⅰ型扣件用于地下线普通整体道床及钢弹簧浮置板道床地段；Ⅱ型扣件用于高架线普通道床地段；地下线轨道减振器扣件和高架线轨道减振器扣件,分别用于地下线和高架线减振地段；先锋扣件用于地下线先锋扣件道床地段。

道岔一般采用60 kg/m钢轨9号弹性可弯式尖轨单开道岔及5 m间距交叉渡线,转辙器尖轨采用60AT钢轨制造,辙叉采用高锰钢整铸式辙叉。仅在宋家庄站前采用60 kg/m钢轨12号弹性可弯式尖轨单开道岔及5 m间距交叉渡线。

正线全部采用短枕式整体道床。地下线区间道床设置中心水沟,地下线车站道床设置两侧水沟。高架线道床为短枕承台式。

本工程在高架线易产生脱轨地段设置防脱护轨。全线设置了线路标志,所有标志均采用反光材料作为标志面；小半径曲线地段前后设置钢轨涂油器。

全线铺设温度应力式无缝线路,高架线道岔前后各设置1组单向伸缩调节器,保证无缝线路的稳定。

2 亦庄线轨道设计特点

本工程采用的轨道结构具有牢固稳定、耐久、绝缘、防腐、均衡等特性,能够确保行车安全、平稳和乘客的舒适；轨道结构具有足够的强度,合适的刚度和弹性并符合减振降噪等环保要求,养护维修工作量少,轨道的使用寿命长。全线轨道结构形式基本统一,采用具有通用性和互换性的零部件,力求构造简单,便于养护维修和降低成本。设计中应采用成熟的先进技术、工艺和科研成果,并考虑施工的方便和可行。根据环保的要求,轨道结构应采取分级减振降噪措施,协同相关专业,把振动和噪声控制在国家环保标准允许的范围内。

3 亦庄线轨道减振设计

3.1 减振设计原则

(1)综合治理：减振降噪是一项系统工程,应将线路、车辆、轨道、结构作为一个系统来处理。根据目前技术发展水平,轨道专业从改善轮轨接触关系，采取轨道减振、隔振等技术措施,使列车在运行中产生的振动和噪声能有效衰减。

(2)分级减振：根据现有减振技术发展的水平,结合本线《环境评价影响报告书》将全线的减振地段划分等级。各地段采用不同的减振措施,达到分级减振,使轨道部件配置合理,达到减振目标。根据工程经验,分为一般减振地段、较高减振地段和特殊减振地段。

(3)满足列车安全平稳运行要求。在正常情况下确保轨道动态、静态几何变形在正常范围内。

(4)满足国家标准要求。采取相应措施后,保证地铁对沿线敏感目标的噪声和振动影响满足《城市区域环境噪声标准》(GB3096—93)及《城市区域环境振动标准》(GB10070—88)的要求。

3.2 减振降噪地段分析

振动及噪声是地铁建设对环境影响的重要内容,直接影响沿线现状地物的使用和开发,所以减振降噪必须由相关专业综合考虑。在运营期,列车运行所引起的振动和噪声会影响沿线两侧的环境状况,本线的减振措施原则上根据亦庄线《环境影响报告书》的分析和要求进行综合治理,同时根据本线线路走向、沿线规划及敏感建筑分布的踏勘调查确定。根据环评报告,并参考北京地铁其他线路减振地段设置条件,分级减振[1],采取相应减振措施。

3.3 减振设计方案

3.3.1 综合治理方案

为减轻列车运行对环境的干扰,在沿线一些对减振降噪要求较高的地段需针对振动源及传播路径采取不同的减振降噪措施进行综合治理。轨道采取的主要措施如下。

(1)全线铺设跨区间无缝线路,彻底消除钢轨接头,保证轨面的连续和平顺,减少轮轨间的冲击和振动,从而减少振动噪声。

(2)预测振动未超国家标准的地段,全线采用性能优良的专为地铁设计的弹性分开式扣件,扣件节点静刚度为20 kN/mm左右,采用轨下和垫板下两层减振胶垫的方式,可减振3 dB左右。

(3)要求运营前和运营中定期打磨钢轨顶面和车轮踏面,以保持良好的轮轨接触,减少轮轨之间的动力作用,从而达到减振降噪的效果。

(4)在小半径曲线地段的钢轨工作面上涂油或其他润滑剂,既可减少钢轨磨耗,又可以降低噪声。

(5)严格控制轨道施工质量,提高经常性养护维修的质量,确保线路和轨道的几何状态良好,使得由车辆引起的振动减小到最低程度,从而减少振动和噪声。

3.3.2 较高减振地段技术措施

根据环评要求及工程使用经验,在较高减振地段设置了轨道减振器扣件。新型剪切形轨道减振器扣件的特点：利用橡胶的剪切变形提供竖向和横向弹性,减振效果达到8～12 dB；采用新型的橡胶材料配方,动静刚度比不大于1.25,改进了目前地铁中使用的轨道减振器扣件减振性能衰减快等缺陷,大大提高了减振性能和使用寿命，且更换维修非常简单方便。另外针对目前新开通线路上减振器地段钢轨异常波磨问题,亦庄线设计中对曲线地段减振器布置进行了优化。

由于施工进度所限,本工程主要对减振器布置进行优化,以期达到降低钢轨异常波磨的产生和发展的目的。对于钢轨磨耗的评价,由于传统磨耗评价指标磨耗功率和磨耗指数在实际工程中应用方便,同时精度满足要求,故本文中选取二者作为钢轨磨耗的评价指标[2]。通过建立地铁车辆轨道动耦合动力学模型进行了钢轨磨耗的仿真计算分析。建立车辆和轨道模型[3～4]如图2所示。采用扣件间距加密措施,将每千米扣件的铺设数量根据线路几何要素以及线路类型情况分为4个等级进行加密,建立4种扣件间距的减振器扣件道床模型,对磨耗功率和扣件间距变化的关系进行数值模拟分析,变化趋势如图3所示。

图2 地铁车辆动耦合动力学模型

图3 4种不同扣件间距的减振器道床模型

基于所建立模型和工况得出的数值模拟计算结果见表1。经过扣件加密措施后,一、二位轮对和整车的磨耗功率呈下降的趋势。一位轮对磨耗功率减少量为7.62%,二位轮对为13.19%,整车为5.04%。表明减振器扣件间距加密措施可以降低磨耗功率的数值,虽不能从根本上抑制波磨现象的出现,但可以在一定程度上减轻波磨的程度,从而延长钢轨波磨再次出现的时间间隔。

但上述结论只是理论分析结果,实际效果需等待运营阶段的检验。

表1 减振器扣件加密措施对磨耗功率的影响

3.3.3 特殊减振地段技术措施

本线顶秀欣园小区、小红门村、双庙村段为村庄平房,距线路很近或线路下穿,振动超标且易受二次结构噪声影响,设计中采用了钢弹簧浮置板系统。该系统的道床质量大,可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,隔振效果可达到20～30 dB以上；隔振系统固有频率低,减振频率范围广；钢弹簧的使用寿命长达50年以上,基本与道床等寿命；维修十分方便,采用专用的维修机具调整道床面的高度和更换钢弹簧,不影响行车。

为保证施工进度,本工程首次采用了钢筋笼施工方法。

钢弹簧浮置板轨道施工步骤是首先在隧道结构底板浇筑垫层,达到强度后上铺一层隔离材料(PVC薄膜或防水油毡)。本工程采用钢筋笼法施工,在铺轨基地相对条件宽松的环境进行浮置板钢筋骨架的绑扎、钢轨的架设和外套筒的安装,以此形成一个具有一定刚度的钢筋笼,然后整体运送到隧道内。钢筋笼吊装到洞内就位后,在现场绑扎两侧的钢筋,最后浇筑混凝土。28 d后待道床混凝土达到设计强度后,采用专用液压千斤顶顶升浮置板,安装隔振器,并进行轨距、高低等调整。

传统钢弹簧浮置板轨道工艺复杂,进度缓慢。但本工程采用钢筋笼法施工后,大量工作可预先在地面完成,大大加快了施工进度,可达传统方法的5倍以上。

4 大号码道岔使用

本线设计条件要求列车最高运行速度为80 km/h,根据地铁设计规范及实际运营经验,全线采用9号道岔即可以满足一般要求。

亦庄线起点位于宋家庄站,与5号线宋家庄站采用丁字形换乘。由于线路条件限制,亦庄线宋家庄站站后为地铁5号线线路,无法采用常规的站后折返形式,只能在站前载客折返。由于需要进行站前折返,同时北京市新线地铁建设提出了远期需满足30对/h运营能力的要求,因此要求用于站前折返的道岔侧向速度必须提高到50 km/h左右。目前的9号道岔无法满足要求,因此本工程在北京地铁工程中首次采用了新型12号大号码道岔。

本工程采用的12号道岔专为北京地铁设计(纳入北京地铁轨道设备标准化项目),直向过岔速度可达120 km/h,侧向通过速度达到50 km/h,采用弹性可弯式尖轨,导曲线半径为350 m,不仅过岔速度高,舒适性也较好,可以很好地满足远期运营要求。

5 地下线道床形式优化设计

北京地铁常采用中心水沟的道床形式,水沟不设盖板。如两侧由于道床布筋不合理,易产生局部收缩或沉降开裂,开裂后保持轨距能力差,可能危及行车安全。

因此本工程对道床形式进行了优化,地下线车站道床改为双侧水沟。采用双侧水沟与中心水沟相比其优点很多：道床整体性更好,平整美观,易于保洁；方便养护维护人员行走,当发生车辆故障及火险等灾害时有利于乘客的安全疏散；隧道内道床表面平整,无需设置水沟盖板；如两侧水沟设置盖板,更可以成倍增加疏散通道宽度；方便轨旁设备的安装,避免轨旁设备暴露于潮湿的中心水沟上方,延长设备使用寿命,降低养护维修造价。

目前地下线站内双侧水沟形式使用情况良好,建议今后工程中全线推广使用。

6 结论

本工程在总结了国内外轨道系统设计经验基础上,结合亦庄线工程特点,进行了优化和提高。在满足环评基础上,吸取既有线钢轨波磨经验教训,对减振器布置进行了优化,在地铁开通带来出行便利的同时,最大限度地减少振动噪声对周围环境的影响,体现了“以人为本”的设计内涵。通过新型大号码道岔的首次研究选用,解决了站前折返难题,为北京地铁今后类似线路的建设提供了良好的借鉴作用。对道床形式的优化等工作,为今后轨道设计拓宽了思路。相信经过设计、建设、运营等各方的共同努力,亦庄线轨道建设必然成为北京市轨道交通中的精品工程。

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)：16-22.

[2]练松良,孙 琦,王午生.铁路曲线钢轨磨耗及其减缓措施[M].中国铁道出版社,2001：30-36．

[3]张格妍.车辆浮置板轨道垂向耦合动力学特性研究[D].北京：北京交通大学，2004.

[4]齐 琳,夏 禾.梯形轨枕的减振特征及论证[J].铁道标准设计,2007(10)：67-71．