关键词：城市轨道交通；地铁；轨道结构；选型与设计
引言
如今土地资源紧缺，停车场是综合性基础设施，规模巨大，在不影响列车正常运行的前提下，利用停车场的空间资源进行上盖物业开发，从而集约利用土地资源、改善周边环境、创造经济效益是当前轨道交通发展的趋势。但列车频繁出入，停车场产生的振动噪声严重影响周围的环境，加强对振动噪声的分析和防治，才能保证上盖物业开发的质量。在遵循统一规划、合理布局、综合治理、防治结合原则；工程和设备的减振、降噪，大气污染防治、废水处理、室内空气质量控制，以及电磁辐射防护等采取合理措施的前提下，进行上盖物业开发，通过空间的有效利用，争取便民的同时产生经济效益。
1城市轨道交通的运营特征
城市轨道交通具有轴重轻、运营速度低、行车密度大、牵引力分散、全程距离短和运营单一的特征。这些运营特征将决定着轨道结构类型。(1)车辆轴重轻:例如上海明珠线的车辆轴重为17t,与目前国铁的货车轴重21t相比,减轻19%。由于车辆运营轴重对轨道交通的作用和使用寿命的影响呈三次函数关系,所以,城市轨道交通荷载对轨道的影响要比国铁小。(2)运营速度低:上海明珠线的车辆构造速度为100km/h,最高运行速度为80km/h,由于站间距离短,车辆的平均速度为35km/h,比国铁的速度低得多。研究表明,轨头踏面局部不平顺而产生的动应力与速度的二次方成正比。因此,其由此产生的动应力要比国铁的影响小。(3)行车密度大:根据预测的客流量,为了提高运输效率,减少乘客的候车时间,城市轨道交通线的行车密度最大可达40对/h,比国铁行车间隔的密度要大。(4)牵引力分散:轨道交通采用动车组牵引的动力分散式,国铁则采用机车牵引的动力集中式,由于动力分散式是将牵引力分散在各台机车上,各主动轮与钢轨之间产生的牵引力显然比动力集中式小得多,且分布均匀,因而有利于轨道保持正常的几何状态及减少轮轨之间的磨损。(5)全程距离短:城市轨道交通作为便捷的客运方式,为缩短乘客在途时间和追求最经济的运程,一般线路的全程距离在20～30km。这有利于优化轨道结构,强化轨道设备管理。(6)运营单一性:轨道交通具有运营单一性,这与国铁客货混跑、快慢混行的运营方式不同。在轨道交通运营线上,每趟车经过各个里程的速度变化基本是一致的,这有利于选定与速度有关的轨道结构技术参数。
2城市地铁的轨道结构选型与设计要点
2.1安全可靠性
在无碴轨道基础上，无缝线路具有很高的稳定性，但高温季节解除扣件抬起轨条进行更换作业时，轨条处于无约束状态，在温度应力作用下可能导致轨条失稳。铁道科学研究院曾以无碴轨道上的无缝线路稳定性检算条件，在规定轨温范围内允许连续解除7个节点扣件进行作业，计算得到两种轨型解除7个扣件允许作业温差为：60kg/m钢轨为22℃，50kg/m钢轨为20℃，说明在更换垫板作业时，60kg/m钢轨较50kg/m钢轨的稳定性稍高。
2.2接触及错动模拟
对于普通板式无柞轨道，假设轨道板、CA砂浆层和底座板之间连接良好，不考虑层间相对位移，采用Tie约束连接;考虑到断层错动下底座板与隧道之间可能产生离缝、脱空等病害，故将其设置为硬性接触，即接触面在压紧状态下会传递法向力，并能产生相对滑移。对于有柞轨道，道床属于散粒体结构，断层错动条件下道柞颗粒依然密贴回填基础表面，故设置道床与隧道之间为Tie约束连接;断层错动下道床不均匀下沉，可能出现轨枕吊空现象，因此轨枕和道床之间的接触考虑为硬性接触。荷载方面，由于断层错动导致的轨道结构变形破坏是由于围岩的永久变形所致，所以可以忽略加速度和速度的影响，采用拟静力方法模拟断层错动过程该方法假设断层单方向错动，不考虑来回错动或错动速率的影响，将断层错动分为多次较小的位错，采用分步加载增量法，逐步施加在围岩上。模型中，错动方式考虑为逆断层错动，以上盘为主动盘。
2.3钢轨
钢轨是轨道结构的重要组成部分。钢轨直接承受列车动荷载和车轮的磨耗。因此钢轨应有足够的承载能力,抗弯强度、韧性、耐磨性及耐腐蚀性。钢轨类型的选择还应着重考虑城市轨道交通使用环境特点。(1)地铁隧道空气潮湿,钢轨及零配件易发生锈蚀,故应采用耐腐蚀钢轨或较重一级的钢轨。(2)地铁线路小曲线半径较多,曲线钢轨的磨耗较为严重,因此应考虑钢轨的耐磨寿命,选用耐磨钢轨。(3)钢轨是地铁电力牵引系统的负回流电路,应具备较大的断面,以减小阻抗,减小迷流,降低能耗和运营成本。目前,我国对城市轨道交通的钢轨没有选择标准,均参照国铁钢轨选型标准,现国铁正线采用的有50kg/m和60kg/m钢轨。
2.4浮置板轨道结构
浮置板减振轨道结构又称质量弹簧系统，其基本原理是在轨道上部建筑与基础间插入一固有振动频率远低于激振频率的线性谐振器，即将道床板置于橡胶弹簧上，通过质量—弹簧系统的惯性运动，把列车运营产生的振动进行较大衰减后，再传递给隧道主体结构，以达到减振的目的，所以浮置板轨道结构的特点是其减振降噪效果最好。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆若是在地铁停车场上盖进行综合物业开发，那么列车要从建筑物下方通过，停车场不再像传统形式一样只是列车停放或慢速通过的孤立场所，列车的振动将严重影响上盖物业的使用质量，若是振动程度得不到良好的控制，那么必然会限制物业的开发类型。通用方法是在设备和建筑物之间设置屏障隔振，当屏障的深度达到欲隔掉振动的波长的一定量值，宽度也满足一定的要求时隔振效果较好。但是若地铁从停车场建筑物下方经过，振动源和建筑物处于上和下的空间关系时，这时屏障就无从设置，就需要从轨下基础去进行隔振。从停车场建筑群的方向讲，主要采用建筑物的基础隔振和层间隔振，基础隔振主要是在建筑物基础下设隔振垫或隔振支座，层间隔振指使用浮置楼板隔振。如果在混凝土基础和较硬的水泥搅拌层之间，如果有厚一点的软弱层存在，则可以更有效地衰减振动。根据小附加质量的加速度级大于大附加质量的加速度级，附加质量加大，结构的振动响应强度降低的原理，在物业开发的过程中，上部建筑的质量增大，反而有利于减振。使用浮置板轨道结构，非常有益于停车场上盖物业的开发。
2.5扣件的防锈处理措施
在城市轨道交通一期工程中，扣件未采用防锈措施进行处理，目前锈蚀情况相当严重，给运营部门的养护维修带来了极大的不便，故在新地铁线路的设计过程中，建议结合地铁建设工程中扣件进行防锈处理后的实际效果情况，对新地铁线路的扣件防锈处理措施进行合理、有效的选择。扣件金属件的防锈措施一般有涂防锈漆防锈、锌镍渗层、镀锌防锈、达克罗、静电喷涂、多元气体共渗防锈等几种方法。涂防锈漆防锈、镀锌防锈操作简单，但表面耐磨性差，在运输和施工过程中，表面涂层易损坏。达克罗技术是美国为防盐雾锈蚀汽车底盘而发明的，防盐雾能力强，盐雾试验可达1000小时左右，但在我国实际使用不理想，地铁道钉、轻轨指形板系统都采用过该技术，均因严重锈蚀而改用其它技术。静电喷涂较涂防锈漆防锈、镀锌防锈表面性能强，不易损坏，在运输过程中加装保护膜，能更有效防止表面涂层损坏，但不适用于道钉等带螺旋部件。多元气体共渗技术表面耐磨性强，使用周期长，但造价较高，其加工工艺可引起弹条性能指标的变化。锌镍渗层技术是在锌铝多元合金共渗基础上的创新。该技术是为增加渗层韧性、硬度（耐磨性）、消除盐雾试验初期红锈，提高防腐品质、提高耐撞击性而研发的，渗层硬度比基材提高30~50%。中性盐雾试验3000小时以上未锈，该技术已在地铁4、5号线、深圳地铁5号线、昆明地铁、地铁等线路上进行了应用，效果较好。在深圳地铁3号线和青藏线均利用该技术对部分扣件进行了防锈处理试验，并与经过一般防锈处理的扣件进行了对比（上线1年后）。该防锈处理效果较好。可有效的防止扣件的锈蚀。在青藏线的格尔木工区进行了9个月的高海拔、强日照、大温差、重盐雾的环境中使用对比发现，有效的解决了扣件的严重锈蚀问题，可以大大的节省日常对扣件的养护工作。也降低了运营更换成本，目前地铁国铁的使用均较好。
2.6声屏障减振降噪技术
采用声屏障降低轨道交通两侧噪声是应用比较广泛的降噪措施之一，该措施节约土地，降噪效果明显，被视为最经济有效的降噪工程设施。声屏障是采用吸声材料和隔声材料制造出特殊结构，设置在噪声源与接受点之间，阻止噪声直接传播到接受点的降噪设施。声屏障的作用是阻止直达声传播，隔离透射声，并使衍射声有足够的衰减。屏障后面将形成“声影区”，在“声影区”内噪声有明显的下降，最终达到降低噪声的目的。
2.7地下线
(1)DTⅢ型扣件为弹性分开式,有挡肩。轨下有铁垫板和弹性橡胶垫板,采用国铁定型的ω型弹条。单个弹条扣压力为8kN,节点刚度为21kN/mm,设计弹程10mm。该扣件轨距调整量为+8mm、-12mm,调高量为10mm。其弹性垫层为轨下胶垫和铁垫板下胶垫两层,竖向有较好的弹性,横向也具有一定的弹性,减振效果较好。适用于隧道内一般减振地段。上海地铁1号线、2号线和北京地铁复八线的复西段均使用DTⅢ型扣件,经多年运营实践,状况良好。但由于该扣件为有挡肩型,使扣件的调高量受限,有挡肩轨枕的制造工艺难度增加,且扣件零部件较多,构造较复杂,养护维修不便。
2.8桁架钢筋双块式轨枕整体道床
双块式整体道床由钢轨扣件、双块式轨枕及道床组成，该结构将预制好的双块式轨枕通过桁架式钢筋骨架联结，在现场与道床板结构钢筋直接绑扎，既简化了轨枕结构，又提高了结构的整体性。双块式整体道床的短枕块下的钢筋桁架需专业工厂焊接，精度要求高，但其兼具短轨枕和预应力长枕的优点。既可以保证轨底坡、提高施工精度，又可以减少新老混凝土的分界面，加强轨枕与道床的连接，从而避免轨枕与道床之间产生裂缝。目前已在深圳地铁三期工程中全面采用。
结语
城市轨道交通的建设是百年大计,对轨道交通工作的每一部分的选择都应慎之又慎,一方面要节约投资,另一方面要考虑环境等因素又不得不增加投资,所以不能只节约投资而忽视环境和运营,一旦轨道交通建成要对其整改所花的费用可能是一次投资的几倍。因此对轨道结构轨道类型的选择应注意以下几方面。(1)修建轨道交通工程要有超前意识,全线宜采用整体轨道结构类型。(2)根据城市环境的要求和轨道结构振动、噪声的特点,应采用新型的整体轨道结构形式,如弹性轨道结构、减振降噪型轨道结构类型。(3)对城市轨道交通沿线不同地区,根据环境的要求,有特殊减振要求的区域,如医院、文教区,采用浮置板式轨道结构,一般减振降噪要求的区域选择弹性支承块式整体轨道结构。
参考文献
[1]姜军.城市公交走廊规划与建设必要性的思考[J].江苏城市综合交通专栏，2014（11）：43-46.
[2]2010年北京地铁年客运量达到15.95亿人次，上海地铁年客运量达到19亿人次[J].都市快轨交通，2011，24（01）：112.
论文作者:党超西
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年5卷20期
论文发表时间:2019/12/5
标签：钢轨论文; 轨道论文; 扣件论文; 结构论文; 轨枕论文; 轨道交通论文; 地铁论文; 《工程管理前沿》2019年5卷20期论文;