现代有轨电车轨道结构综述

香燕军，林红松，王 健，颜 华

(1.西南交通大学,成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

现代有轨电车轨道结构综述

香燕军1，林红松2，王 健1，颜 华2

(1.西南交通大学,成都 610031；2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

通过对国内外的现代有轨电车轨道结构的研究与发展现状进行归纳、总结，对有轨电车轨道结构进行初步分类，并详细介绍几种国内外应用较多的现代有轨电车轨道结构的组成、特点及其应用情况，结合我国现有的技术特点，提出我国现代有轨电车轨道结构设计的一些建议。

有轨电车；轨道结构；轻轨交通；埋入式轨道

1 概述

传统有轨电车最早兴建于1881年的柏林,兴建之初作为较有效的城市公共交通方式,得到了较为迅速的发展。我国于1908年在上海英租界也开行了第一辆有轨电车［1]。之后随着汽车业的兴起和发展,传统有轨电车在速度、舒适度、灵活性及噪声等方面与汽车比较相形见细,到20世纪30年代至50年代中期逐渐衰落。从20世纪70年代开始,交通与城市发展的矛盾越来越突出,城市化需要更多大运量交通工具。此外,绿色环境理念的增强以及受到能源危机、汽车公害等的困扰之后,有轨电车又重新得到了重视。现代有轨电车是在传统有轨电车的基础上通过全面的改造升级,在20世纪90年代后期率先在法国发展起来的一种先进的交通方式,已先后在法国、德国、西班牙等多个西欧城市成功建设运营［2-3]。

与传统有轨电车相比,现代有轨电车车辆性能高、载客量大、安全舒适、快速便捷、节能降噪、编组灵活［4]。现代有轨电车运输能力介于常规公交和轻轨之间［5],可作为大型城市内部既有轨道交通的加密线,地铁、轻轨等轨道交通线路在郊区的延伸、接驳线,大型城市周边的卫星城(新城)、中小城市的公共交通骨干线,是城市公共交通系统的重要组成部分。我国“十二五”规划纲要中明确提出,实施公共交通优先发展战略,有序推进包括有轨电车在内的城市轨道交通网络建设。目前国内的天津滨海新区、上海浦东张江开发区、沈阳浑南新区等已经建设开通了多条线路,苏州高新区现代有轨电车正在建设中,国内其他多个城市也已经规划多条现代有轨电车线路。

轨道结构起着支承车辆运行、导向等作用,部分地段轨道还需要考虑减振降噪等措施,是现代有轨电车关键的基础设施之一。根据路权特征,轨道结构一般可以分为埋入式轨道和非埋入式轨道。国外经过多年发展,已经形成了适应于不同运行条件的多类型的轨道结构,轨道结构设计也向综合考虑全寿命周期成本方向发展［6]。目前国内现代有轨电车还处于起步阶段,同时考虑到国内的工程设计及建造特点,国外的轨道结构并不完全适用于国内,因此有必要对现代有轨电车轨道结构的发展现状进行总结分析,为国内现代有轨电车轨道结构设计提供参考。

2 有轨电车轨道结构分类

根据走行系统的不同,《城市公共交通分类标准》(CJJ/T114―2007)将现代有轨电车分为两种:单厢或铰接式有轨电车(GJ241,即钢轮钢轨)、导轨式胶轮电车(GJ242,即胶轮导轨)［7]。

2.1 胶轮导轨式轨道

胶轮导轨式现代有轨电车轨道由行车道和导轨组成。车辆行走系统为橡胶轮胎,导向轮经导轨引导车辆运行。导轨一般焊接为无缝结构,铺设于路面混凝土或沥青混凝土中［8]。

2.2 钢轮钢轨式轨道

钢轮钢轨式现代有轨电车地面2条钢轨既承担钢轮的重力,同时对钢轮起着导向作用。钢轮钢轨制式有轨电车轨道,与传统铁路轨道近似,从轨道结构类型上区分,可以分为有作轨道和无作轨道2种,2种轨道结构特点和适用范围存在一定差异。为了满足有轨电车与其他交通共用路权,在无作轨道基础上又衍生出在共有路权地段应用较广的埋入式轨道。

(1)有作轨道

有轨电车有作轨道与传统有作轨道基本相同,具有造价低廉、养护维修作业方便等优点。在与道路平交时做类似于铁路平交道口的特殊处理,使路面车辆可以平顺地通过轨道。由于道作对城市环境有一定影响,且该轨道需要用独立路权,这限制了有作轨道在城市主城区的应用,一般应用于郊区等较为空阔地带。

(2)无作轨道

无作轨道底座板或支承层一般灌注在道路结构中,在上面铺设道床板或轨道板。轨道的上部结构凸出于道路平面,使得路面交通仍不能运行于轨道之上。在平交道口处,需要将轨道埋入道路中才能使相交道路的机动车平顺通过。无作轨道能够比较好地满足城市环境的要求,但线路依然要独立占用道路资源,并没解决现代有轨电车与其他交通方式共享路权的问题。

(3)埋入式轨道

埋入式轨道将全部轨道结构埋在道路铺面之下,轨顶与路面平齐,因此可以满足路面交通的共用路权的需求［9]。由于轨道对于道路形态和城市景观的破坏程度最低,在半封闭路权上尽管无其他车辆行驶,许多城市还是将埋入式轨道作为现代有轨电车线路在市区内的主要轨道形式。此外,根据经过景观及环保需要,通过在轨道间覆土并种植草坪,形成草坪轨道,这种轨道结构使得轨道更加自然、环保。

3 国外现代有轨电车轨道结构

目前,国内外有轨电车轨道结构形式较多,如Translohr胶轮导轨式轨道、有扣件轨道和无扣件轨道以及草坪轨道等,但总体而言主要分为埋入式和非埋入式轨道。非埋入式轨道结构与普通铁路轨道结构类似,享有独立的路权,运营和养护维修方便。而埋入式轨道使得现代有轨电车与其他交通方式共享路权的运行方式得以实现,目前国内外在建或已经建成的现代有轨电车中应用较多,也是现代有轨电车轨道结构的发展重点。

3.1 Translohr胶轮导轨式轨道［10]

目前,我国天津和上海运营的是由法国Lohr公司开发的Translohr新型有轨电车系统。Translohr有轨电车系统正线导轨采用无缝线路。标准导轨(28 kg/m)的长度为12 m,经打磨后通过气压焊法焊接为长钢轨,对于曲线半径小于300 m的地段,铺设前需要对导轨进行预校弯处理。导轨焊接为长钢轨后,放置于混凝土路面预留导轨槽内。导轨槽宽度为190 mm,高度为80 mm,如图1、图2所示。

图1 导轨结构断面（单位：mm)

图2 导轨槽结构

为了减小桥梁纵向温度力对导轨的影响及导轨无缝线路温度力对道岔设备的影响,在桥梁和道岔两端,导轨轨道需利用特制伸缩节装置设置伸缩缝；在半径小于300 m的曲线段和平交道口地段,为防止导轨无缝线路受到有轨电车自身导向轮和汽车横向作用力的影响产生移动,需要在该段导轨两侧设置加固扣件。导向钢轨焊接成无缝长钢轨放置于混凝土路面预留的轨道槽内后,需通过浇筑特殊的树脂材料将其固定于混凝土轨槽内。

3.2 埋入式轨道结构

埋入式轨道结构最大的特点是能共享路权,对既有道路通行情况影响较小。从钢轨的固定方式来分,埋入式轨道结构可分为有扣件轨道结构和无扣件轨道结构。

3.2.1 有扣件轨道结构

如图3所示的轨道结构是荷兰阿姆斯特丹采用的一种有扣件有轨电车轨道的一部分［11],该轨道结构类似于双块式无作轨道,由钢轨、轨枕、扣件、混凝土板和沥青层组成。其中钢轨采用的是Ri60型槽型钢轨；轨下垫板给钢轨提供一定的弹性,并能过滤掉部分高频振动以保护混凝土轨枕；钢轨和轨枕间通过Vossloh弹条扣件扣压在一起；轨枕块与连续混凝土板浇筑在一起,2个轨枕块之间设置了强化结构,提高了轨道结构的整体性；钢轨四周浇筑了一层复合物,能减小钢轨的振动以及对混凝土板的冲击,降低电车运行时产生的噪声。目前这种轨道结构的有轨电车已经在阿姆斯特丹建成并开通运营。

图3 阿姆斯特丹双块式轨道结构

图4 为另一种常用的有扣件埋入式轨道结构［12],该轨道结构主要由钢轨、扣件、弹性层、混凝土块、混凝土板、沥青层等组成,其支承结构为30 cm厚的连续轨道板。这种轨道结构与图3的轨道结构相比更为复杂,其混凝土枕由一个小型混凝土板和混凝土块组成,在钢轨和轨枕间除使用了软橡胶垫板外,还采用了一种新研制的合成纤维垫板。在混凝土浇筑前合成纤维垫板需要用螺栓安装在混凝土块上(螺栓采用M22高强螺栓),混凝土板暂时由小型混凝土板和混凝土块支撑［13]。先初步调整轨道的位置然后浇筑混凝土,等混凝土达到一定强度后再将轨道调到它的最终的位置,钢轨仍采用Vossloh扣件扣压。此外,为了获得精确的轨距,轨道的侧向可以采用楔形垫进行调整。目前这种轨道结构的有轨电车已经在海牙投入使用,这种轨道结构与双块式轨道结构相比其轨道弹性更好,能有效减小电车运行时产生的振动和对轨枕的冲击,但由于其结构更加复杂,因此施工更为繁琐,建设周期相对较长,而且一旦出现病害,养护维修比较困难。

图4 新型纤维垫板轨道结构

3.2.2 无扣件轨道结构

如图5所示为一种在海牙铺设成功的无扣件埋入式轨道结构［14]。该轨道结构主要由钢轨、路面铺装层、corkelast弹性材料、混凝土板、直径为70 mm的PVC管等组成。在这种轨道结构中没有轨枕块和扣件,钢轨和弹性化合物一起直接被模制到一个槽中。凹槽可以用钢或者混凝土制成,弹性化合物是通过在聚合物中添加软木颗粒经过加工后形成的,它的性质不会受到油或者化学品影响。该埋入式轨道的优点是刚性沟槽能确保钢轨的变形对凹槽外的结构没有影响,使得钢轨和路面之间实现完美分割。钢轨需要在化合物浇筑之前放进沟槽中,并且使用化合物浇筑的硬化块暂时保持钢轨的位置,然后浇筑化合物。

图5 埋入式轨道结构

这种轨道结构减振和降噪的效果特别明显,但需要轨道铺设具有高的精确度,一旦轨道被浇筑好后基本没有进一步修正的可能,因此需要非常准确地开展施工,并且对表面进行特殊处理。

图6为一种由菲尼克斯公司开发的连续支承式槽型钢轨系统［12]。这种连续弹性支承系统已经在德国几个城市的轻轨中应用。该轨道结构主要由钢轨、沥青层、混凝土、钢轨包套、轨下胶垫等组成。在槽型钢轨轨底的下方,设置了一层带空气腔的橡胶垫,为钢轨提供弹性支承。2根钢轨能适应在高等级的混凝土底座上铺设,且需要采用钢棒相连接以保持合适的轨距。在槽型钢轨的两侧安装了带空气腔的橡胶包套,其目的是为了减小空气和结构噪声的产生,并且还能作为钢轨与道路路面之间的过渡层。弹性垫与混凝土底座间的空隙采用复合填充材料充填。预先施工的混凝土底座作为一个平坦的刚性承载层,在底座上面将整个轨道框架与弹性垫、钢轨包套组装在一起,轨道框架可采用木楔自上而下进行调整。这种轨道结构具有较好的减振和降噪效果,但结构组装较为复杂,施工工艺较嵌入式轨道结构更为繁琐,且轨下胶垫和橡胶包套的使用寿命不长,需要长期养护维修。

图6 连续支承式槽型钢轨

图7 为奥地利维也纳Westbahnstr有轨电车采用的拼装式轨道结构。该轨道结构主要由槽型钢轨、橡胶套靴、道床板以及填充材料组成。该轨道将钢轨轨底置于橡胶套靴中,可以有效减小来自道路交通的横向冲击,具有良好的减振降噪效果,且需要采用钢板相连接以保持合适的轨距和轨道的整体性。在钢轨两侧设置可拆卸填充条,道路路面采用的是预制的混凝土板,易于轨道拆卸和维修。这种轨道结构施工工艺简单,施工方便,且路面的混凝土板可以拆卸,使得轨道结构养护维修更为方便,减振降噪效果较好。

图7 Westbahnstr有轨电车轨道

图8 所示为一种填充块式有轨电车轨道结构。该轨道结构主要由密封件、PUR(聚氨醋)填充块、PP套壳(聚丙烯)、SylodynⓇ_底垫和侧垫等组成。PUR(聚氨醋)填充块能提供连续有效的柔性隔离且能抑制振动和噪声,尤其是二次空气噪声。SylodynⓇ_底垫和侧垫分别为轨道结构提供竖向和横向弹性。PP-套壳(聚丙烯)和密封件能增强轨道结构的密封性,以及卓越的杂散电流绝缘性。该轨道结构具有良好的减振降噪效果,维护成本低,经济性好,能快速安装,灵活性较高。

图8 填充块式有轨电车轨道结构

随着城市化的发展,人们的环保意识逐渐加强,由此而研发的一种带草坪的轨道结构如图9所示［13]。该轨道结构主要由槽型轨、噪声吸收器、草坪、草坪基层、抗根箔以及基础层等组成。该轨道在一股钢轨内侧设置了噪声吸收器,能有效减小轮轨接触产生的噪声。基础层上铺设了一层抗根箔以避免草根侵入基础层中对结构造成不稳定的破坏。这种带草坪的轨道结构会使得轨道更加自然,更加环保,适合于在公园、景区等对美学要求较高的地方铺设。这种轨道结构比常规有作轨道昂贵,且如果不充分考虑好排水问题,后期的养护维修将更加频繁、维修工作量更大,更困难,目前在国外较多城市均有铺设。

图9 带草坪的有轨电车轨道结构

4 我国有轨电车轨道结构

大连市有轨电车改造工程始于1999年,改造工程采用的是地面线路,轨道形式采用埋入式,钢轨顶面与地面道路平齐,与其他交通车辆混行,轨距为1435 mm。钢轨采用U71Mn槽形钢轨；采用温度应力式无缝线路,用接触焊把标准长25 m的钢轨焊接成长钢轨,无缝线路单元轨节长度为1.5 km,无缝线路缓冲区由2～4根标准长度槽形钢轨组成［15]。道床采用钢筋混凝土支承块式整体道床,整体道床的主体为C28钢筋混凝土,厚度为35 mm。支承块采用C48钢筋混凝土制成,配有纵向钢筋和箍筋,块下有伸出钢筋与混凝土道床联结。制造支承块时,扣件预埋件灌注在支撑块内,设置支承块数为1 680对/km。施工时将预制好的钢筋混凝土支承块与C28钢筋混凝土道床浇筑成一个整体,道床和路基之间铺设砂夹碎石垫层［14]。总体而言,大连有轨电车与国外同类型的有轨电车相比无论是在轨道结构还是机车车辆上都相对比较落后,不能称为真正意义上的现代有轨电车。

目前我国的沈阳、新津等地也先后开始了现代有轨电车的建设。如图10所示为新津现代有轨电车的轨道结构,其结构组成为槽形钢轨、扣件、道床板、支撑层,钢轨下设置了橡胶垫板和铁垫板,提高整体轨道结构的稳定性。施工时,先将扣件系统安装到钢轨上,然后架设好钢轨,最后浇筑道床板。这种轨道结构可以方便更换钢轨,施工工艺简单,但对施工精度要求较高。

图10 新津现代有轨电车轨道结构

如图11所示为沈阳现代有轨电车轨道结构。轨道结构类似于双块式无作轨道结构,在轨枕块的底部设置的伸出钢筋有利于加强轨枕与现浇道床板间的连接。在混行路面一般都采用混凝土或沥青路面。修建在城区绿化带上的有轨电车轨道由于需要考虑城市景观的要求,铺设了带草坪的有轨电车轨道。该草坪轨道结构比较简单,仅是在道床板上铺设一层土工布,覆土后铺设草坪。这种结构虽然施工方便,结构简单,但这种结构可能会导致排水不畅或者排水沟堵塞等问题。

图11 沈阳现代有轨电车轨道结构

5 结论与展望

随着有轨电车技术的不断发展及我国城市化进程的加快,我国将会有越来越多的城市开始规划修建现代有轨电车。各种有轨电车轨道结构的优缺点对比分析表明,对于像郊区等具有较多空间来修建有轨电车的区域宜采用非埋入式轨道结构,这样使得投入更低,施工方便快速、运营管理以及养护维修更方便。而对于景区、公园以及对美学和环保要求比较高的地段,可选择草坪轨道,这种轨道结构更自然,更能成为城市独特的风景线。在人口密集以及道路资源有限的地方修建有轨电车应尽可能地采用埋入式轨道。

考虑到我国在现代有轨电车轨道结构方面经验积累较少,应结合我国现有的技术特点加强轨道结构的系统性设计,注重轨道的少维修、可维修。此外,在轨道结构设计、新材料应用等方面,应结合轨道结构的全寿命周期成本综合考虑。

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Overview on Track Structure for Modern Tramway

XU Yan-jun1,LIN Hong-song2,WANG Jian1,YAN Hua2
(1.Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China；2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610031,China)

After a summary on current situation of research and development of track structures of modern tramway at home and abroad,this paper preliminarily classified the track structures of tramcars.In addition,as for the most common types of track structures of modern tramway at home and abroad,this paper expounded the components,characteristics and the application situation.Finally,according to current technical characteristics in China,this paper made suggestions on the design of track structures of modern tramway in China.

tramway；track structure；light rail transit；embedded-type track

U239.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.014

1004-2954(2014)07-0058-05

2013-10-16；

2013-11-14

中铁二院科学技术研究计划项目(编号:院计划13164200 (13-14))

胥燕军(1991―)男,硕士研究生,E-mail:1125565054@ qq.com。