浅析城市轨道交通道岔结构优化与设计

李乔木

（中国土木工程集团有限公司，北京 100038）

随着城市化建设进程的加快，城市中的人口越来越多，随之交通拥挤越来越严重，城市轨道交通成为人们出行的首选。城市轨道交通列车的运行线路按照在运营中功能不同分为正线、辅助线和车场线3类。其中，辅助线是辅助正线行车的线路,涉及列车的转线、折返、临时待避等,这里就需要用到道岔这种线路设备。

1 工程案例

某城市轨道交通道岔主要铺设在车站，用于车辆的进出站，道岔采用50kg/m的钢轨制作而成。该道岔目前存在的问题包括老旧、使用年限较长，还有一部分道岔使用的是木岔，由于该木岔岔枕使用年限已长，出现了明显的腐烂、掉块等的现象。此外，该道岔还时有爬行问题产生；辙岔由高锰钢制作而成，岔芯磨损严重。

2 优化与设计的原则

2.1 道岔长度与站场主流道岔型号一致

道岔的长度与站场的主流道岔型号相同，因为城市轨道交通道岔是铺设在站场上的，该区域内的土地资源有限、价格昂贵，同时，由于一些站场涉及多项物业，一旦站场竣工后很难再进行改扩建。因此，道岔的设计应考虑这一因素才能方便以后的维护和更换。近年来，设计人员也针对此问题进行过多次的优化设计，比如，更换扣件类型、调整轨枕间距等，在线型上依然保持一致，所以，本次设计的道岔前、后以及总长一致，并对线型进行了优化设计。

2.2 通过结构优化延长道岔使用周期

城市轨道交通单开道岔使用了大量的传统型道岔，在不增加成本的基础上，通过优化既有道岔线型结构，提升轨道的质量和强度，以延长其使用寿命并减少后期维修的概率。具体优化措施如下：（1）通过缩短尖轨与道岔之间的距离，优化和完善钢轨与辙叉设计方案；（2）增加曲尖轨直线段的长度，提高尖轨的摩擦，延长尖轨使用寿命。

2.3 运用新材料、新工艺

新材料、新工艺和新技术在城市轨道交通中的应用，取得了良好的效果。比如，金钢材料辙叉和复合材料岔枕。此外，本方案还提出了一种金钢组合辙叉和玻纤增强聚氨酯树脂（FFU）复合材料岔枕，为本工程项目施工组织设计方案的编写提供了多个选择。

3 道岔线形的优化与设计

3.1 线型方案平面次数

（1）城市轨道交通工程的7#单开道岔具有以下结构特征：总长度为23627mm，其中前段长度为11194mm，后段长度为12433mm，导曲线半径为150m，未平衡离心加速度为0.32m/s，欠超高为49.2mm；（2）尖轨采用相离半切式线型，转辙器端导曲线与轨道之间的距离为4mm，端导曲线与辙叉的距离为12mm。（3）新设计的单开道岔的全长、前长和后长与施工组织设计方案基本相同，施工现场可以进行互换。工程实际情况的两种线形方案，如表1所示。

表1 单开道岔原设计与方案1、方案2技术参数对比

3.2 动力学仿真计算

根据动力学理论知识和动力学仿真软件，建立城市轨道交通单开道岔结构耦合模型，计算列车在通过上述2种方案时的动力学模型，从而为道岔平面线形选择提供帮助。在我国，地铁车辆主要有A型车和B型车两种。其中，B型车在人们的日常出行中十分常见，其车型小、轴重轻。但是，随着城镇化建设步伐的加快，城市人口数量与日俱增，车型大、轴重轻的A型车逐渐走进人们的视野，特别是对于新建的铁路，大部分以A型车位主要运营车辆，因为A型车在运行过程中对道岔的影响较大，动力学仿真计算过程中需要严格遵照A型车（如表2）。

表2 城市轨道交通A型车技术参数

动力学仿真计算过程中，城市轨道交通的经过岔道时的时速为250km/h,本节主要分析城市轨道逆向和顺向经过时两种不同的工况，即逆向进入道岔时，列车先通过尖轨端进入岔区，通过导曲线后由撤岔驶出；顺向出岔时，城市轨道交通再从撤叉端进入岔区，经过导曲线后从尖轨端驶离。

3.3 线型设计

根据动力学仿真结果与方案一、方案二进行对比，得出方案一优于方案二的结论。因此，本次优化与设计将以方案一作为主要方案。同时，在本方案中，Q值为1930mm，导曲线始端与转辙器距离为10mm，导曲线末端与心轨的距离为12mm，道岔曲线半径为150m，按照GB 50157—2013《地铁设计规范》规定导曲线半径150m的要求，需要加宽10mm，加宽后导曲线处侧股轨距为1445mm，在导轨线末端2.5mm之内轨道距离逐渐由1445mm下降至1435mm。

4 道岔结构的优化与设计

4.1 转辙器

城市轨道交通单开道岔设计借鉴了重载道岔设计经验，采用了“刨切基本轨、为了提高道岔的性能和稳定性，可以考虑采用“加厚尖轨”的设计方案，具体做法如下：去除基本轨工作边，使尖轨形成θ角，此时曲线尖轨的尖端角度为α+θ，根据本设计方案，α角为1：40，θ角为1：100。为了增强曲线尖轨的强度，在最薄弱的部位加宽5mm，可以通过切削基本轨尖锐端前端30mm的方式来实现，即在50mm内从0依次加宽至5mm，经过加厚的尖轨其薄弱环节的耐磨性增加。同时，为了避免曲线尖轨前端薄弱环节的过度磨损，可以将直曲组合曲线尖端设计得更靠后，使磨损区域最大的段落位于尖轨断面的粗壮位置。为了尽可能延长尖轨的直线段长度，可以将尖轨设计为直组合型线形。这样，尖轨直线段的长度将会更长，半切点的宽度也会向后延伸，尖轨的耐磨程度就越高，列车在经过道岔时就会越平稳。可以通过改变Q值、导曲线驶端与转辙器相交点的位置以及导曲线末端与芯轨相交点的位置这三个技术参数来进行调整，曲线组合线型曲线尖轨直线段的长度，经过优化设计后的尖轨端直线长度为2134mm，与原设计方案相比，长度增加了560mm。

4.2 固定辙叉

（1）高锰钢整铸辙叉。高锰钢整铸辙叉因强度高、承载能力强等的特点，目前，在我国大部分的城市轨道交通工程中得到了迅速的推广。高锰钢整铸辙叉结构简单、整体性好，可满足一般城市轨道交通运行需求。同时，高锰钢整铸辙叉还具有良好的冲击性和韧性。在经过磨损后，它的硬度会有所提升，这有利于辙叉的制造，将辙叉翼轨在芯轨科逐渐加高，便于列车轮缘更加匹配，提高列车在运行过程中的稳定性和安全性。最大的抬高值为4.8mm。

（2）合金钢组合辙叉。合金钢组合辙叉是近年来出现的一种新型材料。该辙叉的主要材料是贝氏体钢，现已在重载铁路中得到了普及，合金钢组合辙叉硬度为38-45HRC，冲击韧性在20℃下大于或等于70J/cm2。其重量为200Mt，是高锰钢整柱辙叉的两倍以上。然而，合金钢组合辙叉的价格与高锰钢整柱辙叉相当。因此，合金钢辙叉的性价比更高。在施工现场，高锰钢整柱辙叉可以与合金钢组合辙叉互换，但要在更换的辙叉下面设置垫板，芯轨和芯轨对应的位置采用合金钢组合辙叉，翼轨的其他位置与合金钢组合辙叉分别采用U71Mn或U75V在线热处理制造。

4.3 岔枕与扣件系统

城市轨道交通单开道岔设计时，由混凝土制作而成的岔枕在城市轨道交通建设中是最常见的一种岔枕，无须设置任何的轨底坡，岔枕的强度高于60kN，正弯矩试验荷载为240kN，负弯矩试验载荷190kN,不会产生任何的裂纹，疲劳强度试验荷载为255kN,岔枕的两端分别采用预埋的塑料套管和铁垫板连接在一起。本工程项目采用的是玻纤增强聚氨酯树脂材料制作而成的复合岔枕。增强聚氨酯树脂材料不仅具有良好的力学性能，质量可靠，且还具有耐绝缘、耐腐蚀、少维护以及可二次回收等的特点。玻纤增强聚氨酯树脂材料复合岔枕的截面为长方形，尺寸为240×220mm，密度为1000kg/m3的玻纤增强聚氨酯树脂材料复合岔枕，具有与混凝土制造的轨枕相同的抗拔能力、静载抗裂性能和疲劳强度。唯一的区别是混凝土岔枕需要预埋，而玻纤增强聚氨酯树脂材料复合岔枕需要在施工现场进行安装。

4.4 扣件系统

城市轨道交通7#单开道岔采用弹性分开式的扣件系统，弹条采用的是Ⅰ型弹条。在轨道下方设置了5mm厚的橡胶垫板，铁板下设置10mm橡胶垫板，扣件系统强度70～80kN/mm。钢轨一侧安装13mm轨距块，另一侧安装了11mm轨距块，岔枕螺栓与铁垫板需要分别设置绝缘偏心衬套，以此更进一步地提升道岔的整体性能，旋转绝缘偏心衬套能够确保铁垫板的整体移动，从而调整钢轨的位置。

5 结语

综上所述，城市轨道交通单开道岔的优化与设计分别借鉴了重载铁路和高速铁路延长道岔使用周期的关键技术，分别对以下几个方面进行了优化：单开道岔的前长、后长、总长一致使用了刨切直基本轨加宽曲尖轨5mm技术，以确保曲尖轨前端更加耐用，提高了使用寿命和耐磨性。因此，希望通过对本文的研究，能为同类工程项目的顺利开展带来些许有益帮助。