深圳地鐵9號線提升軌道平順性的技術創新

劉文武

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣州 510010)

深圳地鐵9號線提升軌道平順性的技術創新

劉文武

(廣州地鐵設計研究院有限公司， 廣州 510010)

系統總結深圳地鐵9號線全面提升軌道平順性而研究實施的技術創新方案，主要包括：桁架雙塊式軌枕、高平順地鐵道岔及輥輪滑床板系統、預制鋼彈簧浮置板、軌道基礎控制網建設測量技術(CPⅢ)等，可為地鐵軌道系統解決傳統現澆鋼彈簧浮置板的種種問題和不足提供技術儲備，并大大提高軌道鋪設精度和平順性，降低后期運營部門養護維修量。

深圳地鐵； 軌道； 高平順性； 桁架雙塊式軌枕； 道岔； 輥輪滑床板； 預制浮置板； CPⅢ測量

1 工程特點及軌道高平順性需求

深圳地鐵9號線主要經過南山區、福田區、羅湖區，線路全長約25.5 km，共設22座車站，其中9座換乘車站，均為地下線路。設筆架山停車場1座(全地下)和僑城東車輛段1座。線路設計最高行車速度為80 km/h，采用A型車6輛編組，架空接觸網供電。

全線預測遠期全日客流高達98萬人次，日客運強度為3.86萬人次/km，其中早高峰為3.81萬人次/h，晚高峰為4.13萬人次/h；全 線 減 振要求高，減 振 地 段合計76處，剛度過渡段152處，長度約占全線的45%，其中浮置板地段占全線的31%；全線線路小半徑曲線及大坡度段較多，正線平面最小曲線半徑為330 m，縱斷面最大坡度為29‰、豎曲線最小半徑為2 000 m。另外，本工程鋪軌工期緊張，前期受軌行區接收時間節點制約、部分地段土建糾偏影響及考慮后續接觸網、信號等專業實施節點需求，最嚴峻地段工期要求110 m/d/作業面(普通整體道床)。在上述種種不利條件下，采用創新技術全面提升和確保軌道平順性顯得尤其重要，不僅可提高行車平穩性、舒適性，減少振動對沿線的影響，還可減少運營期間車輛和軌道系統的養護維修工作量，具有綜合技術經濟效益。

為此，針對以往地鐵軌道系統在平順性方面表現出來的問題和不足，本工程在設計過程中進行了調研和分析，并吸收了我國地鐵及高鐵中提高軌道平順性的技術創新成果，主要包括桁架雙塊式軌枕、高平順地鐵道岔、預制鋼彈簧浮置板、軌道控制網(CPⅢ)測量方法精密鋪軌等。

2 全面提升軌道平順性的技術創新

2.1 城市軌道交通首次采用桁架雙塊式軌枕

目前城市軌道交通普遍使用的軌枕類型為混凝土短軌枕和混凝土長軌枕，二者各有優缺點：短軌枕結構簡單、道床水溝布置靈活，但整體性稍差，施工時軌距及軌底坡較難保證；長軌枕整體性好、施工速度快、軌距及軌底坡易保證，但軌枕與道床新舊混凝土的接觸面積較大，施工時如振搗不密實易產生裂縫。短軌枕與長軌枕常見病害如圖1、2所示。

圖1 短軌枕病害Fig.1 Defects of Short sleepers

圖2 長軌枕病害(道床開裂)Fig.2 Defects of long sleepers(track bed cracking)

在國內外客運專線和高速鐵路中使用較廣泛的為桁架雙塊式軌枕，既可保證軌底坡、提高施工精度，又可以減少預制軌枕與現澆道床混凝土的分界面，加強軌枕與道床的連接，確保軌道結構的整體性，但客專用雙桁架鋼筋結構復雜，需專業工廠生產焊接，精度要求高,造價也高。

考慮到地鐵車輛軸重較小、速度相對較低以及25 m軌排吊裝施工，本線設計中將桁架雙塊式軌枕由雙桁架結構簡化為單桁架結構，這一簡化的核心問題是需要解決桁架鋼筋因外力作用下的變形引起的軌距變化以及桁架鋼筋的生產工藝。單桁架的強度及剛度按一個攜帶簡單機具設備的成年人(合計100 kg)，在單桁架鋼筋上行走時桁架基本無變形來加以確定。簡化后的單桁架鋼筋結構簡單，減少了材料用量，生產焊接方便，降低了造價。

單桁架雙塊式軌枕軌排的重量與傳統短軌枕相當，但軌排剛度及鋪軌精度可媲美長軌枕，達到了預期使用效果(見圖3、4)，整體道床采用混凝土軌枕技術經濟對比見表1。

圖3 雙桁架雙塊式軌枕Fig.3 Double-block sleeper with the double truss

圖4 單桁架雙塊式軌枕Fig.4 Double block sleeper with a single truss

表1 整體道床采用混凝土軌枕技術經濟對比

2.2 道岔區高平順性處理

道岔是軌道系統中的薄弱環節，也是影響軌道平順性的關鍵環節。地鐵行車密度大，道岔轉換頻率高，尖軌等薄弱部件易磨耗，導致了運營部門養護維修量大。

本線研究采用的新型高平順地鐵道岔，相對于以往傳統道岔的主要改進如下。

2.2.1 岔區軌道剛度均勻化

與非道岔區相比，道岔區鋼軌件的斷面變化均較大，尖軌寬度及高度均小于標準軌，而轍叉斷面又比標準軌大很多；此外，道岔區的軌下彈性墊板均采用均一材質和硬度，當鋼軌件斷面減少或增大時，軌下墊板的寬度和剛度也相應減少或增大，加劇了道岔區軌道剛度的不均勻，對軌道平順性的影響很大。

本線設計中在分析了岔區軌道剛度分布規律的基礎上，分區將板下墊板的剛度進行了調整以實現道岔區剛度均勻化，從而可提高列車過岔時的橫向和縱向平順度。整體道床9號曲尖軌道岔的墊板單位長度剛度分為轉轍器(75 kN/mm)、轍叉(60 kN/mm)、護軌(75 kN/mm)及普通地段(80 kN/mm)等部分；碎石道床7號道岔的墊板單位長度剛度分為轉轍器(138 kN/mm)、轍叉(120 kN/mm)、護軌(135 kN/mm)及普通地段(142 kN/mm)等部分。側向過岔軌道整體剛度分布見圖5。

圖5 側向過岔軌道整體剛度分布Fig.5 The stiffness distribution for lateral turnouts

2.2.2 岔區鋼軌件設軌底坡或軌頂坡

地鐵速度低、軸重輕，常用道岔一般均不設軌底坡，國鐵也是在12號以上提速道岔設軌底坡。本線曲線尖軌9號道岔用于折返線，使用頻率高，在尖軌及轍叉部位設置了1∶40軌頂坡，其余部位則設置了1∶40軌底坡，使得車輛通過岔區時的輪軌接觸關系與非道岔區一致，從而提高了過岔的平穩性，同時也可降低輪軌磨耗和病害，對道岔區的減振十分有利。

2.2.3 尖軌、基本軌及轍叉硬化加強處理

尖軌、基本軌及轍叉等鋼軌件均為道岔中的易損件，傳統道岔的鋼軌件強度及硬度都與普通鋼軌件相同，如通常所用的U75 V熱軋AT軌硬度一般在280～320 HBW，高錳鋼轍叉硬度不超過229 HBW，長期使用易產生病害，從而影響到軌道平順性。傳統尖軌及轍叉病害見圖6。

圖6 傳統尖軌及轍叉病害Fig.6 Defects of traditional point rail and frog centre

本線9號道岔將尖軌、基本軌進行在線熱處理，使其表面硬度提高至375 HBW，將轍叉進行爆炸硬化處理，表面硬度提高至250～300 HBW。表面處理后的鋼軌成為外硬內韌的復合結構，可提高其耐磨性，延長使用壽命，從而對軌道平順性有利。

2.2.4 轉轍器采用輥輪滑床板系統

為降低道岔尖軌的扳動力，提高地鐵道岔轉換系統中工、電雙方的安全系數，本線正線曲尖軌9號道岔轉轍器采用了輥輪滑床板系統。

根據測試，與涂有潤滑油的傳統滑床板，采用了輥輪滑床板系統的道岔扳動力降低7%～10%；與未涂潤滑油的傳統滑床板相比，扳動力最大降低約30%。輥輪滑床板系統降低了尖軌扳動力，改善了尖軌的密貼狀態，提高了列車過岔的平順性(見圖7、8)。

圖7 傳統地鐵滑床板Fig.7 Traditional turnouts plate

2.3 應用高精度預制鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板應用于特殊減振地段(見圖9)，通過增大配重來降低系統的固有頻率，以滿足減振需求(大于15 dB)。浮置板鋼筋構造較為復雜，目前一般均采用鋼筋籠現澆法進行施工，施工速度相對較慢，尤其是在工期較緊時，不僅軌道幾何尺寸精度很難保證，而且容易導致軌道零部件或隔振部件的組裝狀態異常，影響減振效果及軌道平順性，嚴重時還可能帶來軌道部件的損壞、浮置板開裂、積水等一系列軌道病害。

圖9 高精度預制鋼彈簧浮置板軌道Fig.9 Highprecision prefabricated steel spring floating plate

參考高鐵客專預制軌道板的設計理念，設計采用預制浮置板，浮置板上的扣件及隔振元件安裝預埋件完全由高精度的鋼模來保證，有望改善鋼彈簧浮置板的鋪設精度并提高施工速度，從而確保軌道平順性。鋼筋籠現澆浮置板與預制浮置板對比見表2。

表2 鋼筋籠現澆浮置板和預制浮置板的對比

本線首次鋪設了長645 m的預制鋼彈簧浮置板試驗段，包含礦山、明挖、盾構3種類型隧道斷面。

2.4 采用軌道控制網建設(CPⅢ)測量技術

軌道控制測量一般利用土建施工單位移交的施工控制點測設鋪軌基標。

傳統鋪軌基標測設采用常規的附合導線測量方法，首先測設控制基標，而后在控制基標間測設加密基標,導線條件和平差方式較單一，其多級控制測量易造成測量過程中誤差不易檢核和誤差積累，對軌道平順性不利。

本線鋪軌借鑒客專高鐵技術，采用了軌道控制網(CPⅢ)測量方法，它是一種沿線路布設的三維控制網，采用自由設站進行邊角交會測量，測站和測點均強制對中。控制點通常成對設置在隧道側墻，直線段按60 m間距布設，曲線地段根據曲線半徑大小布設，最大加密至30 m間距布設。CPⅢ測量標志通常由永久性的預埋件、測量桿和精密棱鏡組成(見圖10、11)，應用軌道控制網(CPⅢ)進行鋪軌時，采用專用檢測裝備——軌道幾何狀態測量儀(軌檢小車)對整體道床混凝土澆筑前的軌排進行調整，從而實現軌道精度的檢測與控制，為良好的輪軌工作狀態提供了重要基礎條件，可大大提高軌道的平順性。CPⅢ與傳統基標測設的精度對比見表3。

圖10 CPⅢ測量技術鋪軌Fig.10 Laying tracks with CPⅢ

圖11 預埋件、測量桿及棱鏡Fig.11 Embedded parts、measuring rod and prism

表3 CPⅢ與傳統基標測設精度對比

隧道內沉降量大，沉降無規律，已布設的控制點易發生變化。本線在實施過程中盡量選擇堅固不易變形的位置埋設控制點，且在軌道鋪設前，采用全站儀對鋪軌區間已建控制網的控制點全部搭接設站一次，觀察設站精度，如無法滿足設站精度需及時復測控制點，并對數據進行重新平差。

本線竣工后，CPⅢ控制網中控制點的測量數據將全部移交給運營部門，可提高后續軌道幾何尺寸檢測工作的效率。

3 結語

本文系統總結了深圳地鐵9號線全面提高軌道平順性所研究采取的技術創新方案，借鑒客專高鐵技術的單桁架雙塊式軌枕既可以提高施工精度，減少新老混凝土的分界面，且造價適中，屬于國內城市軌道交通中首次應用創新；采用了高平順新型地鐵9號道岔可有效提高列車過岔平順性，同時降低養護維修量；研究并試鋪了高精度預制鋼彈簧浮置板，為地鐵軌道系統解決傳統現澆鋼彈簧浮置板的種種問題和不足，提供了技術儲備；借鑒了客專高鐵技術的軌道基礎控制網建設測量技術(CPⅢ)，可大大提高軌道鋪設精度和平順性、降低后期運營部門養護維修量。

除以上措施外，本線也從其他方面綜合考慮了提高軌道平順性的技術措施(見表4)。

表4 提高軌道平順性的技術措施

隨著我國城市軌道交通工程建設規模的持續擴大，深圳地鐵9號線軌道系統全面提升軌道平順性的技術創新，對于深圳及國內其他城市未來的新線建設具有積極的參考價值。

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(編輯：郝京紅)

Technical Innovations in Track Smoothness Improvement for Shenzhen Metro Line 9

LIU Wenwu

(Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510010)

This paper systematically summarizes the technical innovations in upgrading track smoothness of Shenzhen Metro Line 9 as follows: laying a double block sleeper with a truss, using new smooth railroad turnouts and roller sliding plate system, laying prefabricated floating slabs, using rail-based control network measurement techniques (CPIII), etc. They can solve the problems and deficiencies that the traditional cast steel spring floating slabs brought to the subway system so to provide sufficient technical reserves, greatly improve the track laying accuracy and smoothness, and reduce the maintenance work during the operation.

Shenzhen metro; track; high smoothness; double-block sleeper with a truss; turnout; roller sliding plate; prefabricated floating slab; CPIII measurement

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.016

2016-02-25

2016-11-28

劉文武，男，工程師，從事城市軌道交通軌道工程設計工作，liuwenwu@dtsjy.com

U231

A

1672-6073(2017)01-0077-05