城市轨道交通轨道工程拆解设计方案研究

胡志鹏

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),710043,西安∥高级工程师)

1 概述

近年来,城市轨道交通建设规模不断扩大。部分线路由于线网规划及建设时序的调整,在设计时考虑了兼顾近、远期的运营要求,在运营若干年后需拆解既有线组成新的线路[1-3]。为降低轨道工程拆解过程中的拆解难度及减少对行车的干扰,一方面需在前期设计阶段合理预留接口,满足近、远期运营条件;另一方面还应针对拆解工程设计合理的拆解方案,以减少对既有线的运营干扰,提升拆解效率[4-6]。

城市轨道交通线路的轨道结构大多采用整体道床,而整体道床一经浇筑,后期难以整改,这对轨道工程的拆解十分不利。因此,制定合理的拆解方案是轨道拆解工程的重难点,须前期做好规划,以保证后期拆解实施的可行性和高效性。目前,我国城市轨道交通线路拆解的案例较少,广州和上海近10年有过轨道交通线路的拆解工程,这些线路前期运营的时间相对较短,且因线路小半径曲线段通过扣件实现较低超高,导致钢轨磨耗及养护维修量增加[7-8]。对于远期拆解工程而言,因线路的运营时间较长,不仅要考虑前期轨道超高的合理设置,以确保行车安全、舒适及快速运行,还需考虑拆解难度、运营干扰等因素,因此有必要对须拆解的轨道工程进行综合设计及研究。

本文以某城市的轨道交通1号线(以下简称“1号线”)的区间轨道工程拆解为例,对其拆解方案进行深入研究。该线在开通初期贯通运营,拟在远期对其中的车站1至车站2区间线路进行拆解。该区间全长860 m,曲线半径为350 m,缓和曲线长度为60 m。

1号线拆解前后线路走向如图1所示。1号线拆解时需暂时中断正线运营。线路拆解后,1号线继续向东行进,新设车站3;车站2往南区段折向东,在车站3内设站,与既有的车站2及其往北线路另立为2号线。拆解后1号线与2号线在车站3平行换乘,1号线和2号线均独立运营。拆解完成后,保留既有线的AC段,作为1号线和2号线的联络线,在A、C点插入道岔后各自连通延伸线;废弃既有线的BD段,B、D点各自连通正线。

图1 1号线拆解前后线路走向示意图

2 轨道工程拆解的重点及难点分析

2.1 轨道结构的兼容性

根据规划,1号线在远期进行拆解。考虑到初、近期运营时间较长,轨道结构不仅要兼顾拆解前、后的曲线超高需求,还要确保轨道结构满足强度、稳定性及耐久性等性能要求。

2.2 中断运营时间短

1号线拆解时,列车分别在车站1和车站2实现折返,即在起点至车站1、车站2至终点站分别组建2个临时小交路,车站1至车站2区段中断运营。为减小轨道拆解对1号线运营的影响,轨道系统需在短时间内完成改造铺设,并迅速具备满足1号线、2号线延伸的线路条件。

2.3 道岔需特殊设计

为保证1号线初期贯通运营,减少道岔的养护维修量,在前期建设过程中,车站1至车站2的区间线路内不插入道岔。拆解工程完成后,1号线AC段保留为联络线,为此需在车站1及车站2左线各插入1组9号道岔。为缩短插入道岔的施工时间,道岔需进行2个方面的特殊设计:①道岔区轨道超高可快速更改;②道岔区扣件钉孔距可快速更改。

2.4 不同轨道区段的超高设置

车站1至车站2区间线路的曲线半径为350 m,缓和曲线长度为60 m。拆解前,根据1号线行车速度-距离(v-s)曲线计算,该区间需设置120 mm轨道超高,以减少区间钢轨磨耗,减少养护维修工作量。

拆解后,由于该区间两端插入道岔,道岔区不设超高,曲线段无法实现超高顺坡,拆解后的区间轨道不设超高。因此,该区间的轨道线路既要满足拆解前120 mm的超高要求,又要满足在拆解时能快速实现超高更改的要求。

2.5 共用道床同步实施

1号线拆解前后在缓和曲线段范围内的线间距较小,道床及轨枕在建设期应同步建设,并需满足以下三方面要求:①道床设计须满足拆解后道岔、道床的使用要求;②轨枕须既满足初期扣件钉孔距要求,又满足道岔区岔枕布置要求,为此,轨枕需加长、加宽设计;③共用道床部分轨道超高能实现快速更改。

3 轨道工程拆解方案

基于上文所述拆解工程的特点、重点及难点,需要合理设计轨道工程拆解方案,以确保拆解工程按期、保质顺利完成。适用于该拆解工程的方案有2个:树脂枕道床方案和预制板道床方案。由于拆解点A、B和C、D的拆解方案一致,本文以A、B点为例,对2个拆解方案进行分析。

3.1 树脂枕道床方案

3.1.1 树脂枕类型

3.1.1.1 一体化树脂枕

树脂枕具有切割、开孔方便、施工灵活等特点。一体化树脂枕的剖面图如图2所示,标准轨枕宽度为240 mm,长度为2 500 mm,上表面呈楔形,薄端高度为140 mm,厚端高度视具体超高而定。该树脂枕的轨枕宽度、长度及厚度均可根据具体需求一次加工成型,并可同步实现120 mm的超高要求。

图2 一体化树脂枕的剖面图

图3为一体化树脂枕的侧视图。如图3所示,拆解时,以轨枕薄端厚度140 mm为基线,去除楔形多余部分,平整轨枕表面并涂装轨枕表面,即可实现超高的快速更改。

图3 一体化树脂枕的侧视图

3.1.1.2 组装型树脂枕

图4为组装型树脂枕的侧视图。组装型树脂枕的宽度为240 mm,高度为160 mm。在上表面钢轨安装区内加工了1条20 mm深、与轨枕同宽的凹槽,槽内粘接楔形调高块,上表面呈斜面。轨枕在整体道床内的埋深为140 mm,在楔形调高块的上表面安装钢轨,以实现120 mm超高。拆解时,去掉楔形块,即可实现超高的快速更改。

图4 组装型树脂枕侧视图

对一体化树脂枕及组装型树脂枕的性能进行综合分析,一体化树脂枕可根据具体需求一次加工成不同尺寸轨枕,整体性更好。组装型树脂枕粘接部分的耐久性会影响轨枕的使用寿命。经比选,推荐采用一体化树脂枕。

3.1.2 树脂枕道床的拆解方案及拆解过程

3.1.2.1 拆解措施

由于一体化树脂枕具有切割、开孔方便等特点,树脂枕拆解措施需在前期优化设计,兼顾拆解后轨道工程的超高需求,并尽可能减少拆解工程量。图5为树脂枕道床方案的拆解范围及拆解前后轨道结构布置。图6为图5中区域1、区域2(近远期线路交叉处)及区域3的轨道结构放大图。

1) 拆解范围: ①左线拆解时, 需更改左线缓和曲线及圆曲线轨枕超高,长度约为660 m;②右线拆解时,需更改共用道床(3 m线间距范围内及拆解前后线路交叉处)范围内的轨枕以消除超高,其长度总计约170 m。

2) 前期优化设计措施:①对于区域3,设计初期左线、右线在缓和曲线和直线共用道床范围内一次性铺设加长轨枕,并设置相应的超高;②对于区域2,近、远期在线路交叉处铺设的轨枕需兼顾拆解前、后的工程需求,轨枕采用一体化树脂枕,并加长、加宽;③对于区域1,设计初期按照插入9号道岔的岔枕型式铺设轨枕,将岔枕延长,并确保1号线轨道能正常使用。

3.1.2.2 拆解过程

1) 区域3及区域2:因轨枕的长度和宽度均可满足拆解后的要求,仅需调整线路位置和超高。其拆解过程分2步:一是根据拆解后线路超高切割既有树脂枕;二是封闭既有扣件孔洞,根据最新线位扣件间钉孔间距重新打孔,并安装钢轨、扣件。

2) 区域1:由于道岔区不设超高,拆解时需切割既有轨枕的全部超高,封闭既有扣件孔洞,并在树脂枕上根据道岔扣件钉孔间距重新打孔,安装道岔。

3) 拆解时间:拆除钢轨扣件需1 d,更改轨枕需4 d,插入道岔需3 d,则拆解时间共计8 d。

3.2 预制板道床方案

将预制轨道板应用于拆解工程的曲线段时,可通过调整砂浆调整层实现超高变化。拆解时,需凿除砂浆调整层,按线路调整轨道板标高,再重新填充砂浆调整层。预制板道床方案拆解前后预制板道床横断面如图7所示。

图7 预制板道床方案拆解前后预制板道床横断面图

3.2.1 拆解前轨道结构布置

拆解前,在1号线左线的缓和曲线及圆曲线区段铺设预制轨道板,在线路建设过程中同步施作远期底座(含道岔底座)及限位凹槽。预制板道床方案拆解前预制轨道板及底座实施范围如图8所示。

图8 预制板道床方案拆解前预制轨道板及底座实施范围

3.2.2 拆解方案及拆解过程

3.2.2.1 拆解方案

首先需要拆除已铺设的轨道板。在完成砂浆层高度的调整后再进行道岔的铺设,进而实现插入道岔的拆解。

拆解后,拆除共用道床预制轨道板,凿除砂浆调整层,插入9号道岔,铺设轨道板,再重新灌注砂浆调整层。图9为预制板道床方案的拆解范围及拆解后轨道结构布置。图10为图8和图9中区域1、区域2、区域3及区域4的轨道结构放大图。

图9 预制板道床方案的拆解范围及拆解后轨道结构布置

图10 图8及图9中4个区域的轨道结构放大图

3.2.2.2 拆解过程

1) 区域1、区域2及区域4的拆解步骤为:①吊移轨道板;②凿除既有线砂浆调整层,以消除超高;③按拆解后线位安装预制轨道板(调整纵、横向位置),精调轨道板;④重新灌注砂浆调整层。

2) 区域3的拆解步骤为:①拆除既有轨道板;②凿除砂浆调整层,以消除超高;③按拆解后线位安装预制道岔板(调整纵、横向位置),精调轨道板;④重新灌注砂浆调整层,安装道岔。

3) 拆解时间:拆除预制轨道板需5 d,运输预制板需2 d,铺设轨道板需13 d,插入道岔需3 d,则拆解时间共计23 d。

3.3 方案比选

进一步对这2个方案的轨道结构进行对比,其结果如表1所示。由表1可知:2个方案均可满足轨道工程拆解要求;树脂枕道床方案前期设计复杂,需同时兼顾近、远期轨道工程,但拆解工程量小,拆解效率高;预制板道床方案前期设计简单,但拆解工程量大、中断运营时间长。

拆解工程大多时间紧迫,要求在最短时间内恢复线路运营。为减小拆除工程量,缩短拆解时间,减小线路中断运营时间,本文推荐采用树脂枕道床方案。

4 结语

城市轨道交通轨道工程拆解方案设计时,建议采用树脂枕道床方案,该方案既可实现前期运营阶段的超高需求,又具备后期拆解的调整超高要求。此外,还需考虑拆解前、后共用底座等混凝土工程,在设计时应一次性满足二者需求。应综合性、前瞻性地考虑接口问题,以保证后期拆解实施的可行性和高效性,减小拆除工程量,缩短拆解时间,减小线路中断运营时间。本文案例可为城市轨道交通类似的轨道拆解工程提供参考。