北京城市鐵路軌道專業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)

【摘要】系統(tǒng)總結(jié)城市鐵路軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況,主要介紹為解決工程急需及以提高軌道設(shè)備質(zhì)量為目的的軌道彈性扣件系列、道岔系列、地面線預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕等新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路、鋼彈簧浮置板道床等新技術(shù)的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】城市軌道交通　軌道　扣件　無(wú)縫線路　道岔　設(shè)計(jì)總結(jié)
1 　設(shè)計(jì)過(guò)程
北京城市鐵路(西直門(mén)—東直門(mén)) 是全國(guó)第一條集地下線、高架線和地面線于同一工程的城市快速軌道交通線路。在全線軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,遇到了很多新的課題,為適應(yīng)這種立體線路的鋪設(shè)方式,設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是把地下線、高架線和地面線的軌道配置統(tǒng)一起來(lái),根據(jù)本工程的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)新型軌道產(chǎn)品。同時(shí),將國(guó)鐵近年來(lái)的軌道施工、設(shè)計(jì)新技術(shù)靈活地應(yīng)用于本工程,使北京城鐵的軌道設(shè)計(jì)技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)合理,達(dá)到少維修、低振動(dòng)、環(huán)保的總設(shè)計(jì)目的。
在各軌道部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中,參考了國(guó)鐵近年來(lái)的先進(jìn)技術(shù),并就其技術(shù)可行性、制造工藝等問(wèn)題反復(fù)研究。對(duì)特別重要的部件,進(jìn)行了工廠試制、試驗(yàn)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。所采用的新技術(shù)諸如地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)、鋼彈簧浮置板道床等,均分專題舉行了專家評(píng)審會(huì),逐項(xiàng)落實(shí)。就全線減振方案等重大問(wèn)題及時(shí)與建設(shè)單位溝通,確定設(shè)計(jì)原則。本工程完成設(shè)計(jì)文件30 冊(cè),包括軌道部件產(chǎn)品圖、工程圖、設(shè)計(jì)說(shuō)明及施工細(xì)則等。
2 　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
本工程是標(biāo)準(zhǔn)軌距雙線全封閉、全立交線路。
(1) 采用60 kgΠm 鋼軌,地面線R ≥600 m , 地下線及高架線均鋪設(shè)無(wú)縫線路。
(2) 地下線采用彈性分開(kāi)式DT Ⅵ2 型扣件及短軌枕、鋼筋混凝土整體道床。
(3) 高架線采用彈性分開(kāi)式DT Ⅶ2 型扣件及短軌枕、鋼筋混凝土整體道床,在線路平縱斷面的薄弱地段鋪設(shè)防脫護(hù)軌。
(4) 地面線及過(guò)渡段采用彈性不分開(kāi)式DT Ⅵ3 型扣件、DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕、碎石道床; 碎石道床與整體道床之間設(shè)過(guò)渡段。在兩段整體道床間的地面線很短時(shí)設(shè)土質(zhì)路基整體道床,以減少整體道床與碎石道床的交替次數(shù)。
(5) 采用60 kgΠm 鋼軌9 號(hào)單開(kāi)道岔及單渡線、交叉渡線。
(6) 根據(jù)沿線環(huán)境,采取分級(jí)減振措施。
3 　軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 　扣件與軌枕簡(jiǎn)介
全線共有五種扣件類型,不同扣件與相應(yīng)的軌枕配套使用。在直線及半徑大于400 m 的曲線地段,鋪枕根數(shù)為1 680 根Πkm , 其余均為1 760 根Πkm 。扣件及軌枕明細(xì)表見(jiàn)表1 。
表1 　扣件及軌枕明細(xì)表

3.1.1 　地下線DT Ⅵ2 型扣件及短軌枕DT Ⅵ2 型扣件是為本工程新設(shè)計(jì)的無(wú)擋肩彈性分開(kāi)式扣件,用于地下隧道內(nèi)及U 形結(jié)構(gòu)地段。扣件垂直靜剛度為20～40 kNΠmm , 一組扣件的防爬阻力不小于1115 kN , 軌距調(diào)整量為+8-12mm , 高度調(diào)整量一般為0 ～15 mm 。短軌枕無(wú)擋肩,長(zhǎng)450 mm , 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橫斷面下部為楔形,伸出鋼筋鉤以加強(qiáng)與道床混凝土的聯(lián)結(jié),采用C50 混凝土,在工廠預(yù)制。

3.1.2 　高架橋DT Ⅶ2 型扣件及短軌枕
DT Ⅶ2 型扣件為無(wú)擋肩彈性分開(kāi)式,用于高架線及加固路基地段?？奂怪膘o剛度為50～70 kNΠmm ; 扣件軌下墊板分橡膠墊板和復(fù)合膠板兩種,即扣件的縱向阻力可以調(diào)整。具有較大的軌距、高度調(diào)整量:軌距調(diào)整量為+8-16mm , 高度調(diào)整量為40 mm 。該扣件的主要特點(diǎn)是可以減少梁軌縱向阻力。
短軌枕為無(wú)擋肩式,長(zhǎng)560 mm , 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橫斷面下部為楔形,下部伸出鋼筋鉤以加強(qiáng)與道床混凝土的聯(lián)結(jié)。短軌枕采用C50 混凝土,在工廠預(yù)制。

3.1.3 　地面線DT Ⅵ3 型扣件及DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕DT Ⅵ3 型扣件為無(wú)螺栓彈性不分開(kāi)式,用于土質(zhì)路基混凝土枕碎石道床地段?？奂怪膘o剛度為40 ～60 kNΠmm , 軌距調(diào)整量為+4-8mm , 不能調(diào)高。該扣件的零部件少,養(yǎng)護(hù)維修量小。
DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕為無(wú)擋肩式,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),長(zhǎng)215 m(A 型) 。為連接接觸軌,設(shè)計(jì)了長(zhǎng)2155 m 的B 型枕,該軌枕采用C60 混凝土,工廠預(yù)制, 軌枕內(nèi)預(yù)埋DT Ⅵ3 型扣件的4 個(gè)預(yù)埋鐵座。根據(jù)接觸軌的安裝要求,A 型與B 型軌枕數(shù)量的比例為5∶1 。

3.1.4 　地面線道岔兩端部位DT Ⅵ1 型扣件及木枕該扣件為彈性分開(kāi)式,用于木枕碎石道床。軌下橡膠墊板、軌距墊、彈條等部件均與DT Ⅵ2 型扣件的相同,與木枕相連的鐵墊板、螺紋道釘?shù)扰cDCZ311 道岔扣件相同。采用Ⅰ 類防腐木枕,技術(shù)條件按GB 154 —84 《防腐枕木》執(zhí)行。

3.1.5 　D Ⅰ 軌道減振器扣件及短軌枕
高架車站的軌道按較高減振要求地段設(shè)計(jì),力求減少振動(dòng)和噪聲。采用國(guó)內(nèi)成熟的D Ⅰ 軌道減振器扣件,上海地鐵一、二號(hào)線、廣州地鐵一號(hào)線均采用了這種扣件,該扣件為彈性分開(kāi)式、無(wú)擋肩,其承軌板、底座與橡膠圈硫化為一整體,較充分地利用了橡膠的剪切變形、動(dòng)彈性好,目前該扣件的制造工藝、原材料品質(zhì)及配方經(jīng)改進(jìn)后,產(chǎn)品質(zhì)量得到改善,疲勞壽命及減振持久性能得到進(jìn)一步提高。

3.2 　道床
3.2.1 　地下線短枕式整體道床
道床混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30 , 道床內(nèi)布設(shè)單層鋼筋網(wǎng),縱向鋼筋兼作雜散電流的排流筋。軌道建筑高度(兩軌頂連線與線路中心線的交點(diǎn)至隧道底的最小厚度) 為550 mm ; 曲線超高采取外股鋼軌抬高超高值的一半、內(nèi)股鋼軌降低超高值一半的辦法設(shè)置;道床設(shè)中心水溝,軌下部分道床面比短軌枕頂面低30 mm , 道床面向中心水溝設(shè)3%的向下橫坡; 整體道床每隔1215 m 左右設(shè)置道床伸縮縫一處,用20 mm 厚瀝青板設(shè)置。

3.2.2 　高架線短枕式整體道床
每跨梁上整體道床分塊布置,一般道床塊長(zhǎng)519 m(Z6 型) 。為避讓梁縫,梁端道床塊實(shí)際長(zhǎng)度為5185 m(ZD6 型),梁中部有適應(yīng)各種梁長(zhǎng)而配置的短道床塊(Zn 型, n < 6 m) 。ZD6 型道床塊的間隔,梁縫處為200 mm , 其余均為100 mm 。道床混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40 , 道床內(nèi)設(shè)兩層鋼筋網(wǎng),縱向鋼筋兼作雜散電流的排流筋。軌道建筑高度(內(nèi)軌頂面至梁面的最小厚度) 為500 mm 。為加強(qiáng)道床混凝土與梁面的聯(lián)結(jié),梁面上要預(yù)埋豎向鋼筋鉤,道床混凝土施工時(shí),應(yīng)先將豎向鋼筋鉤扶正,并將位于道床塊縫隙間的豎向鋼筋鉤去掉。曲線超高采取抬高外股鋼軌設(shè)置。

3.2.3 　地面線碎石道床
本工程碎石道床包括混凝土枕碎石道床、木枕碎石道床、單體橋碎石道床、整體道床與碎石道床的過(guò)渡段等。土質(zhì)路基上的道床采用雙層碎石道床,道床厚45 cm , 其中道碴層厚25 cm , 底碴層厚20 cm 。道床邊坡1∶1.75 , 道床肩寬40 cm , 軌道建筑高度(內(nèi)軌頂至路肩坡腳) 為99.5 cm 。單體橋碎石道床采用單層碎石道床?；炷琳碓诘来仓械穆裆顬?65 mm , 木枕在道床中的埋深為130 mm 。道碴采用TBΠT 2140 —90 《鐵路碎石道碴》中的一級(jí)道碴。底碴應(yīng)符合TBΠT 2897 《鐵路碎石道床底碴》的規(guī)定。
3.3 　道岔及其道床
本工程采用60 kgΠm 鋼軌9 號(hào)單開(kāi)道岔及5 m 間距交叉渡線。在西直門(mén)、立水橋等站,道岔鋪設(shè)于高架橋上;東直門(mén)站的道岔鋪設(shè)于隧道內(nèi);回龍觀等其余有岔站的道岔均鋪設(shè)于地面線上。全線共設(shè)計(jì)道岔圖四冊(cè),以適應(yīng)不同線路鋪設(shè)方式,見(jiàn)表2 。

3.3.1 　高架橋上道岔整體道床
單開(kāi)道岔采用60AT 直線型尖軌、固定型高錳鋼轍叉,一般部位采用彈性分開(kāi)式DT Ⅵ2 型扣件。道岔全長(zhǎng)291329 m(前長(zhǎng)131599 m , 后長(zhǎng)15173 m) 。交叉渡線轉(zhuǎn)轍器與單開(kāi)道岔相同,轍叉均為高錳鋼整鑄式,一般部位采用DT Ⅵ2 型扣件。

表2 　道岔明細(xì)表道岔編號(hào)標(biāo)等。

與工務(wù)有關(guān)的信號(hào)標(biāo)志有限速標(biāo)、停岔枕為無(wú)擋肩鋼筋混凝土短岔枕。短岔枕內(nèi)預(yù)埋尼龍?zhí)坠?孔位依據(jù)道岔鐵墊板釘孔確定。單開(kāi)道岔中除采用DT Ⅵ2 型扣件的地段用短軌枕外,其余地段采用截面均相同、長(zhǎng)度分別為400 、670 、780 mm 的短岔枕。
高架橋上道岔整體道床的基本型式與區(qū)間高架橋整體道床相同,只是由于道岔軌線變化帶來(lái)道床寬度的變化。單開(kāi)道岔整體道床分為6 個(gè)道床塊,整體道床全長(zhǎng)331899 m ,即道岔道床前、后端距岔心分別為131599 m 和2013 m。5 m 間距交叉渡線整體道床除采用單開(kāi)道岔整體道床的道床塊外,在對(duì)稱軸線處有兩個(gè)特殊道床塊。

3.3.2 　地面線木枕碎石道床道岔
單開(kāi)道岔結(jié)構(gòu)與DCZ211 相同,交叉渡線道岔結(jié)構(gòu)與DCZ311 相同。道床的型式尺寸及材質(zhì)要求同區(qū)間碎石道床。單開(kāi)道岔道床全長(zhǎng)371379 m ,即道岔道床前、后端距岔心分別為131599 m 和23178 m。

3.4 　橋上護(hù)軌
本線僅在高架橋上車輪可能爬軌的地段設(shè)防脫護(hù)軌。防脫護(hù)軌是一種安裝方便、價(jià)格適中、可預(yù)防脫軌的裝置,安裝在鋼軌內(nèi)側(cè),與軌底連接。根據(jù)線路平縱斷面的特性,確定防脫護(hù)軌的設(shè)置地段為:
(1) 對(duì)半徑R ≤400 m 曲線的緩圓點(diǎn)、圓緩點(diǎn)前后50 m(圓曲線部分20 m ,緩和曲線部分30 m) ,在下股鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)防脫護(hù)軌。
(2) 對(duì)高架橋跨越北三環(huán)、北四環(huán)、八達(dá)嶺高速公路等主要道路地段,在靠近橋梁中線一側(cè)的兩股鋼軌內(nèi)側(cè)設(shè)置防脫護(hù)軌。

3.5 　線路及信號(hào)標(biāo)志
線路標(biāo)志有百米標(biāo)、坡度標(biāo)、曲線標(biāo)、圓曲線和緩車標(biāo)、終點(diǎn)停車標(biāo)、警沖標(biāo)和車擋表示器等。標(biāo)志采用兩種型式,一種用于碎石道床,一種用于整體道床,以適應(yīng)不同限界及安設(shè)方式。碎石道床地段用標(biāo)志主要參考專線8028《線路及信號(hào)標(biāo)志圖集》進(jìn)行編制,根據(jù)本工程具體情況對(duì)采用標(biāo)志進(jìn)行了局部修改,并增加了百米標(biāo)及道岔編號(hào)標(biāo)。
整體道床地段用標(biāo)志力求與北京已運(yùn)營(yíng)地鐵的標(biāo)志統(tǒng)一。為確保行車安全、增加標(biāo)志的顯示距離,行車用標(biāo)志均采用反光材料作為標(biāo)志面,反光材料為Ⅰ、Ⅱ 級(jí)逆反射材料,其余標(biāo)志均采用搪瓷板。

4 　新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
4.1 　新型鋼軌扣件系列的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

4.1.1 　DT Ⅵ型系列扣件
該系列扣件適用于除高架橋之外地段的60 kgΠm 鋼軌,包括DT Ⅵ1 型、DT Ⅵ2 型及DT Ⅵ3 型扣件。地鐵用扣件應(yīng)有足夠的扣壓力和耐久性,以確保軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;應(yīng)具有方便地調(diào)整鋼軌水平、軌距的能力;應(yīng)具有較高彈性并滿足電氣絕緣的要求;同時(shí)應(yīng)力爭(zhēng)達(dá)到零部件少、安裝調(diào)試方便及減小維修工作量的要求。為適應(yīng)城鐵軌道結(jié)構(gòu)的多樣性,本線共設(shè)計(jì)采用五種扣件,見(jiàn)表1 。對(duì)于本工程而言,更應(yīng)減少各種扣件零部件的種類,以方便通用互換。
(1) 彈性分開(kāi)式DT Ⅵ2 型扣件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
該扣件用于地下線短枕式整體道床,應(yīng)具有良好的彈性、較大的軌距和高度調(diào)整能力,以適應(yīng)整體道床軌道彈性差、施工后很難調(diào)整的特點(diǎn)。我院曾為復(fù)八線設(shè)計(jì)了有擋肩彈性分開(kāi)式DT Ⅵ型扣件,該扣件采用類似英國(guó)Pandrol 扣件的無(wú)螺栓彈條,使扣件扣壓力均勻、零部件少,省去傳統(tǒng)扣件螺栓復(fù)擰、涂油等工序,大大地減少了養(yǎng)護(hù)維修工作量。
本工程扣件設(shè)計(jì)結(jié)合近年來(lái)國(guó)鐵扣件的發(fā)展,以有擋肩DT Ⅵ型扣件為基礎(chǔ),取消其擋肩,通過(guò)提高螺旋道釘?shù)膹?qiáng)度提高扣件抗橫向力的能力,形成新設(shè)計(jì)的無(wú)擋肩DT Ⅵ2 型扣件。通過(guò)這一改進(jìn),取消了扣件及配套使用的鋼筋混凝土短軌枕的擋肩,簡(jiǎn)化了扣件及軌枕的制造工藝,減少了扣件零部件數(shù)量,方便了軌道軌距和高度的調(diào)整。
(2) 彈性不分開(kāi)式DT Ⅵ3 型扣件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
以往地鐵的地面線較短,均采用木枕碎石道床。在北京地鐵復(fù)八線洞口U 形結(jié)構(gòu)外至終點(diǎn)四惠東站間的木枕上, 采用DT Ⅵ型扣件系列 —DT Ⅵ1 型扣和曲線始終點(diǎn)標(biāo)、橋號(hào)標(biāo)、涵洞標(biāo)、水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)、水位標(biāo)、件,兩者的扣壓鋼軌形式一致,只是將鐵墊板與木枕的連接方式改為螺紋道釘。本線在木岔枕兩端的過(guò)渡用木枕上也采用DT Ⅵ1 型扣件。
北京城鐵的地面線占全線的5513 % , 是全國(guó)城市軌道交通中第一條以地面線為主的線路。用于地面線的扣件是影響全線施工工藝、養(yǎng)護(hù)維修方法的關(guān)鍵,也是實(shí)現(xiàn)地面線能否一次鋪設(shè)無(wú)縫線路的關(guān)鍵。因此, 本工程開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了地面線碎石道床混凝土枕用DT Ⅵ3 型扣件。該扣件設(shè)計(jì)主要參考了國(guó)鐵“彈條Ⅲ 型扣件” 的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),采用D1 彈條,將扣件鐵座直接預(yù)埋于混凝土枕中。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下: ① 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,最大限度地減少了扣件零部件數(shù)量; ② 扣壓力均勻; ③ 保持軌距和抗橫向力能力強(qiáng); ④ 扣件保持安裝方便,基本無(wú)維修; ⑤ 不使用傳統(tǒng)的硫磺錨固技術(shù),可消除熱硫磺錨固產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,并避免了環(huán)境污染。
通過(guò)本工程在扣件設(shè)計(jì)方面的技術(shù)開(kāi)發(fā),使我院在北京地鐵復(fù)八線項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的DT Ⅵ 型扣件系列得到進(jìn)一步完善和補(bǔ)充,并形成主要零部件可通用互換。分別用于木枕及預(yù)應(yīng)力混凝土枕碎石道床、鋼筋混凝土短枕式整體道床的扣件系列為DT Ⅵ1 型、DT Ⅵ3 型和DT Ⅵ2 型扣件系列。

4.1.2 　DT Ⅶ2 型扣件
DT Ⅶ 型扣件適用于鋪設(shè)高架橋整體道床地段的60 kgΠm 鋼軌,是在我院為上海地鐵二號(hào)線東延伸線高架橋設(shè)計(jì)的DT Ⅶ 型扣件基礎(chǔ)上,考慮與本工程DT Ⅵ 型扣件系列零部件盡量統(tǒng)一而進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)。
高架橋上扣件的設(shè)計(jì)主要解決兩個(gè)特殊問(wèn)題: 一是如何減小扣件的縱向阻力。高架橋隨溫度變化而伸縮,無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌由于扣件縱向力有阻止橋梁伸縮的趨勢(shì),梁軌間產(chǎn)生縱向附加力,使墩臺(tái)和鋼軌的受力均加大。因此在保證鋼軌基本扣壓力的前提下,應(yīng)盡量減少扣件的縱向阻力;二是要有足夠的軌距、高度調(diào)整能力以調(diào)整由于橋梁上拱和墩臺(tái)工后沉降引起的軌面變化。DT Ⅶ2 型扣件的主要特點(diǎn)是:
(1) 采用特殊設(shè)計(jì)的彈條,通過(guò)加大彈條受力點(diǎn)至扣壓鋼軌點(diǎn)的距離,減小彈條的扣壓力。
(2) 軌下采用復(fù)合膠板(橡膠墊板上表面粘貼不銹鋼板) 以減小鋼軌縱向摩擦系數(shù)。
(3) 采用軌下、鐵墊板下雙調(diào)高的結(jié)構(gòu),可使扣件調(diào)高量達(dá)40 mm , 以滿足橋上調(diào)高量的要求。

4.2 　DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
北京地鐵復(fù)八線地面線采用219 m 長(zhǎng)的木枕。由于本工程地面線占全線的55 % , 若仍采用木枕,則木材成本高、壽命短、道床及路基需加寬等問(wèn)題變得十分突出。若采用國(guó)鐵目前使用的預(yù)應(yīng)力混凝土枕,則無(wú)法解決接觸軌安裝等問(wèn)題。為此, 我們開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕,設(shè)計(jì)過(guò)程如下: ① 確定外荷載:列車荷載按軸重140 kN 、最高速度80 kmΠh 確定, 接觸軌作用在軌枕上的力除其自重外還計(jì)入斷電相斥力215 kN ; ② 設(shè)計(jì)軌枕的外形并計(jì)算外荷載彎矩; ③ 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軌枕采用C60 混凝土、8 <7 mm 螺旋肋預(yù)應(yīng)力鋼絲,預(yù)應(yīng)力鋼絲的總張拉力為325 kN 。該軌枕的結(jié)構(gòu)承載能力與國(guó)鐵Ⅱ 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕相當(dāng)。軌道強(qiáng)度檢算結(jié)果表明,DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕的道床、路基頂面應(yīng)力等比國(guó)鐵Ⅱ 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕的相應(yīng)值均有所減小。

DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是,在不加長(zhǎng)軌枕的前提下,滿足接觸軌與軌枕可靠連接的要求:接觸軌與走行軌的相對(duì)位置固定,即接觸軌需固定于混凝土枕上。除在接觸軌彎頭局部加密與混凝土枕的連接外,其余均為每6 根設(shè)1 個(gè)接觸軌的固定點(diǎn),即混凝土枕上需連接接觸軌的大致比例為5∶1 。DT1 型軌枕分A 、B 兩種長(zhǎng)度:A 型枕長(zhǎng)215 m , 只安裝走行軌;B 型枕在A 型枕的一側(cè)加長(zhǎng)50 mm , 預(yù)埋兩個(gè)<24 的尼龍?zhí)坠?以與接觸軌的懸臂脫架相連及平衡接觸軌外荷載。因兩種長(zhǎng)度軌枕采用相同的截面,從而方便了軌枕的工廠化制造,使大型機(jī)械化鋪軌成為可能。更主要的優(yōu)越性是不需要像219 m 木枕那樣,加寬道床和路基、加大用地界。
軌枕的橫截面采用國(guó)鐵最新使用的雙坡截面,使軌枕在外形控制尺寸相同的情況下,能加大有效截面, 合理布置結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力筋,加大道床縱、橫向阻力,從而提高無(wú)縫線路的穩(wěn)定性。
該軌枕的特點(diǎn)如下: ① 采用無(wú)擋肩外形,可與DT Ⅵ3 型扣件配套使用, 外形簡(jiǎn)潔; ② 采用雙坡外形設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)受力合理,道床縱橫向阻力大,軌道穩(wěn)定性好; ③ 固定接觸軌B 型枕只單邊加長(zhǎng)50 mm , 不加寬道床及路基,可降低初期投資; ④ 可實(shí)現(xiàn)鋪軌機(jī)械化; ⑤ 采用預(yù)應(yīng)力混凝土枕,大大地提高了軌道的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)了維修周期。
DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕于2000 年10 月開(kāi)始試制并進(jìn)行了各種試驗(yàn)檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、制造工藝可行。2000 年11 月9 日,建設(shè)單位和設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位組織了對(duì)軌枕設(shè)計(jì)及試生產(chǎn)的驗(yàn)收。
實(shí)踐證明,DT1 型預(yù)應(yīng)力混凝土枕與DT Ⅵ3 型扣件配套使用,大大加強(qiáng)了地面線的軌道結(jié)構(gòu),減小了養(yǎng)護(hù)維修工作量。
4.3 　60 kgΠm 鋼軌9 號(hào)道岔系列的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
在北京地鐵、上海地鐵等幾條國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的地鐵中,采用了我院與鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的曲線型尖軌60 kgΠm 鋼軌9 號(hào)道岔系列。在本工程的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中,建設(shè)單位根據(jù)在道岔安裝和運(yùn)營(yíng)管理中的經(jīng)驗(yàn),明確要求應(yīng)采用直線型尖軌單開(kāi)道岔。道岔轉(zhuǎn)轍器采用直線型尖軌的優(yōu)點(diǎn)是: ① 道岔轉(zhuǎn)換只需用一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī),運(yùn)營(yíng)管理的值班定員只需一人,從而可節(jié)省投資和管理費(fèi)用; ② 道岔轉(zhuǎn)換所需時(shí)間短,左右開(kāi)道岔的尖軌可互換,尖軌更耐磨,道岔安裝調(diào)試較簡(jiǎn)便,工電配合較容易。因此,對(duì)于城市軌道交通而言,道岔采用直線型尖軌更有利。我們?cè)谠O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)這套直線型尖軌60 kgΠm 鋼軌9 號(hào)道岔時(shí),以國(guó)鐵同型號(hào)道岔為基礎(chǔ),根據(jù)本工程車輛的單一性并考慮道岔與區(qū)間軌道的一致性,設(shè)計(jì)了一套四冊(cè)道岔圖紙,詳見(jiàn)表2 。本線道岔系列的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:
(1) 尖軌、高錳鋼轍叉等易損件采用國(guó)鐵標(biāo)準(zhǔn)件, 以便定貨和降低造價(jià)。
(2) 直線型尖軌使用一臺(tái)轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換。
(3) 道岔扣件均為彈性分開(kāi)式,D1 彈條、軌距墊等均與區(qū)間DT Ⅵ2 型扣件一致,實(shí)現(xiàn)了道岔扣件全彈性化設(shè)計(jì)。
(4) 道岔各部軌距加寬,最大加寬量5 mm , 軌距變化率降低至2 ‰,使車輛通過(guò)道岔時(shí)的游間減小,輪軌沖擊力減小,行車穩(wěn)定。
(5) 軌枕間距更均勻。
(6) 同時(shí)開(kāi)發(fā)了混凝土整體道床、碎石道床上鋪設(shè)的兩種道岔,且兩種道岔的鋼軌件完全一致,只是與軌枕的連接方式不同。2000 年4 月,我院組織了鐵路道岔專家對(duì)新開(kāi)發(fā)的60 kg/m 鋼軌9 號(hào)系列道岔進(jìn)行了階段設(shè)計(jì)審查,與會(huì)專家一致認(rèn)為這是第一次針對(duì)城市軌道交通而設(shè)計(jì)的道岔系列,零部件設(shè)計(jì)采用了許多國(guó)鐵提速道岔的先進(jìn)技術(shù),彈性好,維修量小。2001 年7 月、9 月又通過(guò)了建設(shè)單位組織的對(duì)單開(kāi)道岔、交叉渡線的廠內(nèi)制造組裝驗(yàn)收。
60 kg/m 鋼軌9 號(hào)系列道岔的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),是由我院獨(dú)立設(shè)計(jì)完成的。由于我們熟悉地鐵軌道設(shè)計(jì)、對(duì)地鐵行車條件、各專業(yè)接口十分了解,新型道岔系列設(shè)計(jì)成功是一個(gè)必然的結(jié)果。這套道岔開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)成功,也標(biāo)志著我院已具有獨(dú)立設(shè)計(jì)地鐵道岔的實(shí)力。
5 　城鐵軌道結(jié)構(gòu)采用的新技術(shù)簡(jiǎn)介
5.1 　地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)的應(yīng)用
地面線碎石道床的設(shè)計(jì)與其施工方法密切相關(guān)。城市軌道交通中鋪設(shè)20 km 多地面線還是第一次。以往國(guó)鐵的施工方法,是新線建設(shè)時(shí)鋪設(shè)25 m 標(biāo)準(zhǔn)軌, 待運(yùn)營(yíng)至路基和道床穩(wěn)定后再換鋪成無(wú)縫線路。這種施工方法照搬至城市軌道交通將產(chǎn)生很多問(wèn)題,如城市軌道交通夜間維修困難、因軸重輕而延長(zhǎng)了換鋪無(wú)縫線路的時(shí)間間隔、運(yùn)營(yíng)初期輪軌振動(dòng)和噪聲比較大、今后換下的有螺栓孔軌無(wú)應(yīng)用場(chǎng)所等。
近兩年國(guó)鐵針對(duì)京滬高速和秦沈客運(yùn)專線進(jìn)行了地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)的研究,為我們的設(shè)計(jì)創(chuàng)新打下了技術(shù)基礎(chǔ)。通過(guò)多方位收集資料,充分研究了將國(guó)鐵的科研成果應(yīng)用于城鐵的可行性,并逐漸形成了適應(yīng)城鐵特點(diǎn)和工程實(shí)際需要的本線施工方案,即不采用國(guó)鐵一次鋪設(shè)長(zhǎng)鋼軌軌排方法,而是采用機(jī)械鋪設(shè)工具軌排,在運(yùn)營(yíng)之前一次換上長(zhǎng)鋼軌,再進(jìn)行機(jī)械化養(yǎng)路作業(yè)。建設(shè)單位十分重視這一新技術(shù)的采用,于2000 年12 月28 日組織召開(kāi)了“ 北京城市鐵路地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路專題論證會(huì)”。通過(guò)充分論證一次鋪設(shè)無(wú)縫線路的必要性、可行性、存在難點(diǎn)、施工工藝等問(wèn)題之后,會(huì)議形成結(jié)論性意見(jiàn):本線應(yīng)采用一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)。目前通過(guò)施工單位的嚴(yán)密施工組織以及對(duì)其工裝的改造,施工進(jìn)展順利,西線已試運(yùn)營(yíng)。
本工程采用的一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù),是城市鐵路地面線設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的有益嘗試,解決了夜間維修困難、運(yùn)營(yíng)初期輪軌振動(dòng)與噪聲較大、今后換下的有螺栓孔軌無(wú)應(yīng)用場(chǎng)所等問(wèn)題,節(jié)省了初期投資,使線路交付運(yùn)營(yíng)之初就具有高平順性和穩(wěn)定性。

5.2 　鋼彈簧浮置板道床的應(yīng)用
本工程的起終點(diǎn)站西直門(mén)、東直門(mén)均處于交通樞紐之中,且與周圍商業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)相鄰,緊鄰城鐵西直門(mén)站西側(cè)有三棟已立項(xiàng)開(kāi)發(fā)的寫(xiě)字樓。環(huán)評(píng)報(bào)告中明確要求西直門(mén)站應(yīng)采取更有效的減振隔振措施。另外,東直門(mén)地下暗挖段的隧道從兩座22 層的Y 型居民住宅樓基礎(chǔ)之間穿過(guò),現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)結(jié)果是城鐵左右線結(jié)構(gòu)分別距兩座Y 型居民住宅樓基礎(chǔ)的距離約為116 m , 垂直方向近一半高度的隧道與樓房基礎(chǔ)重疊,預(yù)測(cè)地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)將使該地段的振動(dòng)超標(biāo)。
根據(jù)這幾個(gè)工點(diǎn)的具體情況,與國(guó)外的相似工程進(jìn)行類比,并與德國(guó)隔而固公司進(jìn)行了技術(shù)交流后,按采用隔而固公司鋼彈簧浮置板道床進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)。鋼彈簧浮置板道床由彈簧阻尼隔振器(鋼彈簧、阻尼劑、外筒) 、鋼筋混凝土道床組成,各道床間以鉸連接。該道床的固有頻率低(5～7 Hz) ,可有效地減振和消除固體聲。其減振效果為: 傳遞損失可達(dá)40～60 dB(道床面到隧道壁),差落損失最小可達(dá)25 dB 。該結(jié)構(gòu)的減振元件具有三維彈性,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,鋼彈簧疲勞壽命長(zhǎng)(一般超過(guò)50 年),易檢查更換。維修更換無(wú)需中斷行車,同時(shí)可用于調(diào)整結(jié)構(gòu)的下沉。該結(jié)構(gòu)已用于德國(guó)、英國(guó)、巴西、韓國(guó)等國(guó)家。
為盡可能降低成本,在滿足其減振功能的前提下, 根據(jù)實(shí)際情況,靈活地選用了鋼彈簧隔振器的應(yīng)用形式:在西直門(mén)車站采用側(cè)置式的鋼彈簧浮置板道床;在東直門(mén)兩座Y 型樓下采用嵌入式的鋼彈簧浮置板道床。2001 年8 月建設(shè)單位組織了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的專題審查會(huì),并順利通過(guò)審查。
6 　施工圖設(shè)計(jì)小結(jié)
本工程進(jìn)行了三個(gè)系列的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā): 一是設(shè)計(jì)了技術(shù)先進(jìn)的地下線用無(wú)擋肩彈性分開(kāi)式DT Ⅵ2 型扣件、地面線用無(wú)擋肩彈性不分開(kāi)式DT Ⅵ3 型扣件、高架線用無(wú)擋肩彈性分開(kāi)式DT Ⅶ2 型扣件,使我院開(kāi)發(fā)的城市軌道交通用彈性扣件自成體系,形成了較完整的技術(shù)系列;二是完成了第一冊(cè)地面線用預(yù)應(yīng)力混凝土枕的設(shè)計(jì);三是完成了城市軌道交通60 kgΠm 鋼軌9 號(hào)道岔系列的設(shè)計(jì),使我院已具備獨(dú)立設(shè)計(jì)地鐵道岔的能力。本工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品,進(jìn)一步提高了本專業(yè)的通用技術(shù)儲(chǔ)備,為后續(xù)各項(xiàng)目順利開(kāi)展打下了技術(shù)基礎(chǔ),提高了設(shè)計(jì)效率。
本工程在應(yīng)用新技術(shù)方面也有很大突破。在城市軌道交通領(lǐng)域首次提出并采用了地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù),使城市軌道交通地面線的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)上了一個(gè)臺(tái)階。在軌道減振降噪方面采用鋼彈簧浮置板道床方案,解決了有特殊減振要求地段的隔振型軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),形成了以高彈性扣件、軌道減振器、鋼彈簧浮置板道床為主要技術(shù)手段的減振軌道結(jié)構(gòu)系列。

雖然結(jié)合本工程進(jìn)行了許多產(chǎn)品開(kāi)發(fā),但這種開(kāi)發(fā)還有許多待完善的地方。在設(shè)計(jì)之初,我們?cè)暾?qǐng)了“地面線用彈性不分開(kāi)式扣件及混凝土枕的研究”、“小間距單渡線的研究”等6 項(xiàng)工程科研,但由于未批
準(zhǔn)立項(xiàng),一些新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的試制、試驗(yàn)等必要過(guò)程及采用新技術(shù)對(duì)本工程的針對(duì)性試驗(yàn)研究等項(xiàng)目未能進(jìn)一步開(kāi)展,從而使工程設(shè)計(jì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性。
7 　設(shè)計(jì)體會(huì)
(1) 應(yīng)盡快掌握新技術(shù)。本線的橋上無(wú)縫線路設(shè)計(jì)是高架橋軌道結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn),計(jì)算過(guò)程中需考慮的參數(shù)多,并需進(jìn)行反復(fù)試算,只有用專業(yè)化的計(jì)算程序才能在工期緊的情況下按時(shí)完成設(shè)計(jì)。目前只有鐵科院在這方面研究工作較深,因此將此部分分包給鐵科院,但分包單位對(duì)工程的全面情況不十分清楚,存在配合工作量大、設(shè)計(jì)質(zhì)量一般、后期施工配合量大等問(wèn)題。如果自己掌握計(jì)算方法,則可減少配合環(huán)節(jié),明顯提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。只有技術(shù)全面才能減少失誤。
(2) 應(yīng)力爭(zhēng)加大程序化設(shè)計(jì)的比例。本工程的鋪軌綜合圖是采用“鋪軌綜合圖計(jì)算程序”進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的,全冊(cè)圖紙實(shí)現(xiàn)程序繪圖,大大地降低了圖紙復(fù)核及審核的工作量、降低了出錯(cuò)率、提高了工作效率。因這一計(jì)算程序是我院自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的,出現(xiàn)新問(wèn)題可通過(guò)修改源程序很容易地進(jìn)行補(bǔ)充和完善。今后應(yīng)該將設(shè)計(jì)工作進(jìn)一步程序化和格式化。
(3) 應(yīng)加大新技術(shù)開(kāi)發(fā)力度。由于我院在地鐵設(shè)計(jì)方面有著豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累,使得本次設(shè)計(jì)得以順利完成。通過(guò)結(jié)合工程進(jìn)行適用于地面線和高架線軌道技術(shù)的開(kāi)發(fā),使我院軌道專業(yè)的技術(shù)實(shí)力進(jìn)一步增強(qiáng)。但是,由于軌道新技術(shù)的發(fā)展很快,設(shè)計(jì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈,我們應(yīng)放眼于長(zhǎng)遠(yuǎn)利益,緊跟技術(shù)發(fā)展形勢(shì),注重前期開(kāi)發(fā),加大技術(shù)儲(chǔ)備。工程需要是我們進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的直接動(dòng)力,技術(shù)創(chuàng)新與新技術(shù)應(yīng)用將促進(jìn)我院設(shè)計(jì)綜合實(shí)力的提高。只有在完成設(shè)計(jì)的同時(shí)不斷創(chuàng)新,打下雄厚的技術(shù)基礎(chǔ),才有實(shí)力和能力讓用戶滿意,才能去開(kāi)拓新的設(shè)計(jì)領(lǐng)域。