巴基斯坦拉合爾市橙線無(wú)縫線路設(shè)計(jì)

徐彩彩

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津　300251)

1　概述

巴基斯坦鐵路運(yùn)營(yíng)里程7 791 km，電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程僅293 km，約占其鐵路運(yùn)營(yíng)里程的3.8%。巴基斯坦拉合爾市軌道交通橙線工程是中巴經(jīng)濟(jì)走廊第一個(gè)項(xiàng)目，是“一帶一路”倡議背景下中巴合作的示范項(xiàng)目，也是巴基斯坦第一條軌道交通工程。橙線線路大致為南北走向，主要以高架線形式敷設(shè)，橋梁結(jié)構(gòu)以U形簡(jiǎn)支梁為主。巴基斯坦大部分地區(qū)處于亞熱帶，氣候總體炎熱干燥，拉合爾地區(qū)歷年最高氣溫47.4 ℃，最低氣溫為2 ℃。與我國(guó)多數(shù)城市相比，拉合爾溫差相對(duì)較小，但整體溫度偏高。

拉合爾市的經(jīng)濟(jì)條件、鐵路發(fā)展現(xiàn)狀、獨(dú)特的氣候特點(diǎn)以及橙線主要為高架線的線路敷設(shè)方式，使得無(wú)縫線路設(shè)計(jì)成為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文主要分析研究拉合爾市橙線項(xiàng)目的無(wú)縫線路設(shè)計(jì)形式、鎖定軌溫及預(yù)留軌縫的合理設(shè)置等，為后續(xù)類似的相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

2　工程概況及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1　工程概況

巴基斯坦拉合爾市軌道交通橙線工程是巴基斯坦第一條軌道交通工程，正線全長(zhǎng)約25.578 km，共設(shè)置車站26座。其中地下線1.290 km，地下線路與高架線路過(guò)渡段0.722 km，高架線路23.566 km。該項(xiàng)目橋梁僅有一處為剛構(gòu)連續(xù)梁，其余均為U形簡(jiǎn)支梁。橙線項(xiàng)目設(shè)計(jì)全部采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，車輛采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)B1型車，5輛編組，最高運(yùn)行速度為80 km/h。

橙線項(xiàng)目軌道主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：采用60 kg/m、U75V熱軋鋼軌。地面線鋪設(shè)新Ⅱ型預(yù)應(yīng)力混凝土枕碎石道床。高架線鋪設(shè)鋼筋混凝土短軌枕縱向承軌臺(tái)式整體道床，采用WJ-2A型扣件。道岔采用60 kg/m鋼軌9號(hào)單開(kāi)道岔及5.0 m間距交叉渡線。

2.2　無(wú)縫線路形式選擇

國(guó)內(nèi)普遍采用普通溫度應(yīng)力式無(wú)縫線路，但按區(qū)段劃分不同，分普通區(qū)間無(wú)縫線路和跨區(qū)間無(wú)縫線路。

普通區(qū)間無(wú)縫線路在道岔兩端設(shè)置緩沖軌，便于維修部門更換道岔鋼軌件[1]。地鐵運(yùn)行速度相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的地鐵線路多數(shù)采用普通區(qū)間無(wú)縫線路，運(yùn)營(yíng)情況良好。

跨區(qū)間無(wú)縫線路是取消全線的鋼軌接頭，將道岔與區(qū)間無(wú)縫線路焊接或凍結(jié)[2]，從而徹底實(shí)現(xiàn)了線路的無(wú)縫化，提高線路的平順性和整體強(qiáng)度，改善了行車條件，延長(zhǎng)了軌道使用壽命和節(jié)約勞動(dòng)力；取消了伸縮區(qū)，提高了線路的穩(wěn)定性[3]。跨區(qū)間無(wú)縫線路在近些年新建的地鐵項(xiàng)目中逐漸被廣泛應(yīng)用。

巴基斯坦拉合爾市鐵路尚不發(fā)達(dá)，橙線建成后，中方還將承擔(dān)5年的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作。綜合考慮巴基斯坦鐵路發(fā)展水平及養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)水平較薄弱的現(xiàn)狀，本著滿足功能需求及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，力求經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)約的原則，橙線鋪設(shè)普通區(qū)間無(wú)縫線路，保留緩沖區(qū)的設(shè)置。

2.3　主要設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)

表1　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3　無(wú)縫線路設(shè)計(jì)

鎖定軌溫是決定鋼軌溫度應(yīng)力水平的基準(zhǔn)，正確合理地選擇鎖定軌溫是保證無(wú)縫線路安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。無(wú)縫線路設(shè)計(jì)鎖定軌溫應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)刈罡哕墱亍⒆畹蛙墱丶盁o(wú)縫線路的允許溫升、允許溫降計(jì)算確定，并考慮一定的修正量。拉合爾橙線主要鋪設(shè)無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)鎖定軌溫可初步按式(1)計(jì)算[4]

(1)

式中，ΔTk為設(shè)計(jì)鎖定軌溫修正值，可取0～5 ℃；Tmax為當(dāng)?shù)貧v年最高軌溫；Tmin為當(dāng)?shù)貧v年最低軌溫。

根據(jù)拉合爾市的軌溫及軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，地面及高架線設(shè)計(jì)鎖定軌溫暫取(35±5) ℃。則鋼軌溫升幅度為37.4 ℃，鋼軌溫降幅度為38 ℃。

隧道內(nèi)溫差相對(duì)較小，參比國(guó)內(nèi)地鐵隧道鎖定軌溫設(shè)計(jì)情況，橙線地下線設(shè)計(jì)鎖定軌溫取(30±5) ℃。

3.1　橋上無(wú)縫線路鋼軌附加力計(jì)算

高架線無(wú)縫線路與路基上不同，其鋼軌除了受溫度力作用之外，還受橋上附加縱向力作用。梁因溫度變化而產(chǎn)生伸縮，在列車荷載作用下梁因撓曲產(chǎn)生位移，橋梁的這種縱向變形，將通過(guò)梁、軌間的聯(lián)結(jié)約束，使鋼軌受到縱向力的作用，因梁伸縮而引起的鋼軌縱向附加力為伸縮力；因梁撓曲而引起的鋼軌縱向附加力為撓曲力。

3.1.1鋼軌附加力計(jì)算參數(shù)

(1)扣件參數(shù)：橙線項(xiàng)目高架線采用WJ-2A型扣件，固定區(qū)采用常阻力聚酯墊板，鋼軌縱向阻力為7 kN，伸縮區(qū)采用小阻力復(fù)合墊板，鋼軌縱向力為4 kN。

(2)列車活載

整列車長(zhǎng)約100 m，轉(zhuǎn)向架中心距12.6 m，固定軸距2.3 m；車輛的活載軸重≤14 t；5節(jié)編組。靜活載計(jì)算圖式見(jiàn)圖1。

圖1　列車靜活載計(jì)算圖式(單位：m)

(3)軌溫資料

拉合爾地區(qū)區(qū)間最低軌溫2 ℃，最高軌溫67.4 ℃；無(wú)砟混凝土梁溫差Δt=30 ℃。

(4)橋梁截面參數(shù)(表2)

表2　橋梁截面參數(shù)

該項(xiàng)目?jī)H有1聯(lián)(28+54+28) m剛構(gòu)連續(xù)梁，且位于半徑為350 m的曲線上。其余為U形簡(jiǎn)支梁，跨度以25 m和30 m為主。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)規(guī)定：高架線及地面線無(wú)砟道床的直線和曲線半徑不小于400 m地段鋪設(shè)無(wú)縫線路[5]，因此該剛構(gòu)連續(xù)梁地段鋪設(shè)普通有縫線路。因此僅對(duì)U形簡(jiǎn)支梁部分進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2鋼軌附加力計(jì)算(圖2、圖3)

圖2　撓曲力

圖3　伸縮力

經(jīng)計(jì)算，該項(xiàng)目U形簡(jiǎn)支梁最大鋼軌撓曲附加力為45 kN，最大鋼軌伸縮附加力為138 kN。

3.2　允許溫降

(1)鋼軌強(qiáng)度確定的容許溫降

鋼軌強(qiáng)度條件允許溫降按式(2)計(jì)算[6]。

(2)

式中[σ]——鋼軌容許應(yīng)力，MPa；

σd——鋼軌動(dòng)彎應(yīng)力，MPa；

σf——鋼軌最大附加應(yīng)力，MPa；

σz——鋼軌牽引(制動(dòng))應(yīng)力，MPa；

E——鋼軌彈性模量，MPa；

α——鋼軌線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5/℃。

鋼軌最大附加應(yīng)力取伸縮力和撓曲力兩者中的最大值18.1 MPa，鋼軌軌底動(dòng)彎應(yīng)力為88.2 MPa，制動(dòng)力取10 MPa，經(jīng)計(jì)算，高架線鋼軌強(qiáng)度條件確定的允許溫降為94.9 ℃。地面線碎石道床不考慮鋼軌附加力影響，鋼軌強(qiáng)度條件確定的允許溫降為102 ℃。

(2)鋼軌斷縫確定的容許溫降[7]

(3)

式中[λ]——鋼軌斷縫允許值，mm，一般情況取70 mm，困難條件下取90 mm；

F——鋼軌斷面面積，mm2；

E——鋼軌彈性模量，MPa；

α——鋼軌線膨脹系數(shù)，取1.18×10-5/℃；

r——線路縱向阻力，kN/(m·軌)。

鋼軌斷縫允許值取70 mm的情況下，由斷縫值確定的允許溫降為：高架線無(wú)砟軌道為59.9 ℃；地面線碎石道床為52.2 ℃。

因此，鋼軌容許溫降最終取為地面線52.2 ℃，高架線59.9 ℃。鋼軌溫降幅度為38 ℃，小于鋼軌容許溫降。

3.3　允許溫升

鋼軌的允許溫升主要受無(wú)縫線路穩(wěn)定性控制。容許溫升計(jì)算按式(4)計(jì)算[8]。

(4)

式中F——鋼軌橫截面面積；

P附——軌道縱向附加力；

PN——軌道變形矢度f(wàn)=2 mm時(shí)由統(tǒng)一公式計(jì)算出的溫度壓力；

K——安全系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計(jì)算，地面線碎石道床鋼軌容許溫升為46.9 ℃。鋼軌溫升幅度為37.4 ℃，小于鋼軌容許溫升值。實(shí)際工程中，高架線無(wú)砟軌道道床橫向阻力大，往往不需做穩(wěn)定性檢算。

因此通過(guò)對(duì)鋼軌強(qiáng)度、穩(wěn)定性及斷縫進(jìn)行檢算，橙線項(xiàng)目地面線及高架線設(shè)計(jì)鎖定軌溫取(35±5) ℃是合適的。

3.4　緩沖區(qū)軌縫

無(wú)縫線路應(yīng)計(jì)算緩沖區(qū)預(yù)留軌縫，長(zhǎng)軌條與緩沖區(qū)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼軌之間、緩沖區(qū)相鄰標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼軌之間的預(yù)留軌縫，應(yīng)滿足最高軌溫時(shí)軌縫不頂嚴(yán)，最低軌溫時(shí)軌縫不大于構(gòu)造軌縫18 mm的要求[7]。

經(jīng)計(jì)算，冬季降溫時(shí)，長(zhǎng)軌條一端的伸縮量為3.79 mm，標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度伸縮量為2.11 mm；夏季升溫時(shí)，長(zhǎng)軌條一端的伸縮量為3.53 mm，標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度伸縮量為2.02 mm。長(zhǎng)軌條與標(biāo)準(zhǔn)軌之間的預(yù)留軌縫值應(yīng)滿足5.5 mm≤α1≤12.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)軌與標(biāo)準(zhǔn)軌之間的預(yù)留軌縫值應(yīng)滿足4.0 mm≤α2≤13.7 mm，因此本工程預(yù)留軌縫值均取8 mm。

3.5　鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范條文解釋：根據(jù)各地區(qū)軌溫差的不同，在軌溫差較大的城市，高架線上未采用無(wú)縫道岔時(shí)，道岔兩端也應(yīng)設(shè)置單向伸縮調(diào)節(jié)器[1]，其基本軌與長(zhǎng)鋼軌焊接，尖軌應(yīng)與道岔基本軌凍結(jié)。天津地鐵1號(hào)線、北京地鐵大興線[1]、上海[9]、武漢[10]及南京[11]等地城軌交通項(xiàng)目的高架線上道岔前后均設(shè)置了伸縮調(diào)節(jié)器。為減小無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌縱向力向道岔傳遞及減小梁上鋼軌折斷時(shí)墩臺(tái)所受的斷軌力，橙線項(xiàng)目在有條件設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的道岔前后各設(shè)置1組單項(xiàng)伸縮調(diào)節(jié)器。

4　結(jié)論

巴基斯坦拉合爾市軌道交通橙線工程是巴基斯坦第一條軌道交通工程，線路主要以U形簡(jiǎn)支梁高架線形式敷設(shè)。針對(duì)拉合爾市的經(jīng)濟(jì)條件、鐵路發(fā)展現(xiàn)狀、整體氣溫偏高的氣候特點(diǎn)，研究了該項(xiàng)目的無(wú)縫線路設(shè)計(jì)方案，得出如下結(jié)論。

(1)城市軌道交通無(wú)縫線路設(shè)計(jì)形式應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)時(shí)速、線路及沿線建筑敏感點(diǎn)情況、養(yǎng)護(hù)維修水平等綜合考慮。橙線項(xiàng)目鋪設(shè)普通區(qū)間無(wú)縫線路，設(shè)置緩沖區(qū)，有利于無(wú)縫線路的安全及穩(wěn)定，便于后期養(yǎng)護(hù)維修。

(2)拉合爾市整體氣溫偏高，經(jīng)計(jì)算，高架線及地面線設(shè)計(jì)鎖定軌溫取(35±5) ℃，軌縫設(shè)8 mm是合適的；地下線設(shè)計(jì)鎖定軌溫取(30±5) ℃。

(3)伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置應(yīng)通過(guò)計(jì)算鋼軌及墩臺(tái)受力情況確定，且應(yīng)盡量少用。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2013)并借鑒相關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在高架線上有條件設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的道岔前后各設(shè)置了1組單項(xiàng)伸縮調(diào)節(jié)器，雖有利于減小無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌縱向力向道岔傳遞及減小梁上鋼軌折斷時(shí)墩臺(tái)所受的斷軌力，但是增加后期的養(yǎng)護(hù)維修工作量。城市軌道交通項(xiàng)目高架線道岔前后是否有必要全部設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，在以后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中有待于進(jìn)一步研究與探討。

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