香港機場自動旅客運輸系統(tǒng)軌道設(shè)計創(chuàng)新

劉聰靈 王嘉鑫 張 倩

(1. 中車浦鎮(zhèn)龐巴迪運輸系統(tǒng)有限公司，241060,蕪湖； 2. 中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，210014,南京//第一作者，工程師)

香港國際機場自動旅客運輸(APM)系統(tǒng)1998年7月起投用，連接T1航站樓西端、T1航站樓東端和T2航站樓，經(jīng)過兩次擴建后，東面延伸至海天碼頭、西面延伸至中場客運廊。2016年8月，為與新建的機場第三跑道及其客運大廳(TRC)配套,APM系統(tǒng)進行了第三次擴建。該工程內(nèi)容含AIS站和TRC-E站2個車站及站間線路、1個車輛段。新建段在AIS站與既有APM系統(tǒng)進行換乘接駁。按照建設(shè)規(guī)劃，新建段在近期為正線“3線并行、2用1備”運行方式，長度約3 km；在遠期，APM系統(tǒng)還將進一步延伸至TRC-W車站，并采用“4線并行、3用1備”運行方式。

1 香港機場APM系統(tǒng)擴建的特點與挑戰(zhàn)

本次擴建的工程條件復(fù)雜，技術(shù)難度高。如圖1所示，其線路需要跨越既有的航站樓、停機坪、地面車道、新填海隧道、高架道路匝道等建筑物，且在局部區(qū)段與行李系統(tǒng)地下隧道并行。線路建設(shè)的內(nèi)外部環(huán)境復(fù)雜，控制條件多。

圖1 香港機場新建APM線路的周邊示意圖

APM系統(tǒng)需滿足隧道因不均勻沉降引起的線路縱坡差值最大為1/317[1]的變化(在12 m范圍內(nèi))。但經(jīng)設(shè)計測算，在填海段隧道區(qū)間風(fēng)井和TRC-E站附近共5處線路的縱坡變化將超過1/317，對系統(tǒng)運營安全、可靠性及乘坐舒適度產(chǎn)生重大影響。為此，需對該區(qū)段的行車面和導(dǎo)向軌進行特殊設(shè)計，以實現(xiàn)后期對軌道高度的調(diào)節(jié)，適應(yīng)隧道不均勻沉降的變化。

在設(shè)計標準上，本項目在香港當?shù)氐摹鹅o載及附加荷載應(yīng)用規(guī)程》、《混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用規(guī)程》、《鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用規(guī)程》指導(dǎo)下開展其工程設(shè)計，并結(jié)合APM系統(tǒng)的特點進一步細化適合本工程的技術(shù)標準。

2 軌道設(shè)計標準

2. 1 香港標準和內(nèi)地標準的對比

本項目的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)上文所述的香港當?shù)氐幕炷痢摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。與GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》相比，二者的差異主要包括以下方面：

1) 荷載分項系數(shù)不同：根據(jù)香港混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，極限承載力設(shè)計所采用的永久荷載分項系數(shù)為1.4，可變荷載分項系數(shù)為1.6，其取值大于GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。據(jù)此分項系數(shù)確定本項目行車面和導(dǎo)向軌基座的混凝土強度等級為C45。

2) 混凝土保護層厚度要求：混凝土保護層的厚度隨混凝土等級的提高而減小。香港混凝土設(shè)計規(guī)范規(guī)定的取值略大于相似條件下GB 50010—2010的規(guī)定。在本項目的執(zhí)行過程中，根據(jù)防火的要求，混凝土保護層厚度采用55 mm，大于國內(nèi)同類工程設(shè)計要求的35 mm。

2. 2 本項目的主要技術(shù)要求

結(jié)合APM系統(tǒng)和工程特點，擬定本項目主要技術(shù)要求包括[2]：車輛最高運行速度80 km/h、車輛軸重≤14 t、軸距7.58 m、車場及道岔曲線半徑22 m、允許的不平衡離心加速度0.5 m/s2、最大縱坡60‰、軌道曲線采用半超高(以軌道中線為旋轉(zhuǎn)軸，外軌抬高、內(nèi)軌降低)且不超過6%、超高順坡率不大于4.2‰。

3 APM系統(tǒng)的軌道典型設(shè)計

3. 1 行車面設(shè)計

行車面為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，標號C45。本工程的正線和出入線主要采用雙基面混凝土結(jié)構(gòu)，單條行車面寬度為500 mm，軌距為2 050 mm，高度為350～550 mm，如圖2所示；在車輛基地采用單基面結(jié)構(gòu)，便于運維人員通行；局部設(shè)置檢修地溝，滿足車底檢查需求。

行車面與隧道底板通過預(yù)埋鋼筋連接。行車面設(shè)置伸縮量不大于25 mm的垂縫，以及伸縮量介于25～127 mm的45°斜交縫。同時，為減少混凝土固化時水化熱引起的混凝土表面裂紋，在行車面表面每隔3 m設(shè)置一條切縫，并在保護層內(nèi)設(shè)置鋼絲網(wǎng)片。

圖2 軌道結(jié)構(gòu)典型斷面圖(正線雙基面)

除道岔區(qū)外，APM線路的小曲線共設(shè)置3種超高規(guī)格，相關(guān)的技術(shù)指標如表1所示。由于采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的行車面超高段施工難度較大，且與導(dǎo)向軌的匹配精度要求高，因此，結(jié)合以往APM項目經(jīng)驗，在欠超高小于5%的地段不再設(shè)置超高，允許適當欠超高。

3. 2 導(dǎo)向軌典型設(shè)計

APM車輛采用中間導(dǎo)向，每輛車設(shè)2個轉(zhuǎn)向架，每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置4個導(dǎo)向輪，導(dǎo)向輪橫抱導(dǎo)向梁完成車輛的導(dǎo)向。導(dǎo)向軌的腹板與鋼支架使用4組M20高強螺栓連接，鋼支架利用底部焊接的剪力釘錨固在混凝土基座上，將車輛導(dǎo)向輪的荷載傳遞到結(jié)構(gòu)底板。導(dǎo)向軌腹板的2個支架之間均勻布置φ15 mm圓孔，間距為152 mm，是供電軌安裝的基礎(chǔ)。

表1 軌道超高設(shè)計的部分技術(shù)指標

標準導(dǎo)向軌的長度為12.5 m，每根導(dǎo)向軌在直線段設(shè)5組支架、在曲線段設(shè)6組支架，支架間距分布均勻，軌端懸挑長度不超過0.6 m。導(dǎo)向軌混凝土基座的材料規(guī)格與行車面相同，基座長×寬的規(guī)格為550 mm×500 mm，同樣采用預(yù)埋鋼筋與結(jié)構(gòu)底板連接，每個基座含4對φ16 mm的帶肋鋼筋。導(dǎo)向軌伸縮縫與行車面伸縮縫相似，設(shè)置斜交縫或垂縫。

3. 3 道岔

道岔由控制裝置、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向裝置、鎖定裝置、指示燈、滾動板等構(gòu)成，如圖3所示。其中，導(dǎo)向裝置分為道岔固定梁、道岔曲梁和道岔直梁，利用驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)動傳動機構(gòu)帶動活動梁(曲梁和直梁)旋轉(zhuǎn)，在道岔梁端部和中部設(shè)鎖定裝置，并設(shè)道岔梁位置及狀態(tài)信息采集裝置。滾動板表面有粗糙度比較高的耐磨層防護涂料，保證通過車輛的橡膠輪胎有足夠的摩擦力[3]。

圖3 APM系統(tǒng)道岔構(gòu)造示意圖

4 APM系統(tǒng)的軌道設(shè)計創(chuàng)新

4. 1 行車面沉降設(shè)計

在以往APM項目的應(yīng)用中，大多采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。當發(fā)生不均勻沉降時，該走行面無法調(diào)節(jié)，可能會產(chǎn)生錯臺，進而影響乘坐舒適度和靴軌運行的穩(wěn)定性。本項目的設(shè)計在一般區(qū)段采用常規(guī)做法，而在局部沉降地段采用鋼結(jié)構(gòu)行車面，采用特制扣件、墊板、化學(xué)錨栓，與混凝土基座錨固，通過可拆卸錨固方式和墊板的調(diào)整可預(yù)留出軌道垂直50 mm的調(diào)節(jié)空間(見圖4)，從而抵消因差異沉降對行車面平整度的影響。

圖4 鋼行車面大樣圖

1) 鋼行車面。整體為箱型鋼梁結(jié)構(gòu)，材質(zhì)采用S355J0，頂板和底板設(shè)計厚度均為20 mm，豎板厚度為10 mm，接口采用全熔透坡口對接焊工藝。鋼行車面寬度為500 mm，單根鋼行車面的長度為12.5 m，表面進行耐磨、防滑、防腐涂裝。鋼行車面上表面摩擦系數(shù)應(yīng)不低于0.5。

2) 錨栓和扣件。鋼行車面在每個混凝土基座上利用2套化學(xué)錨栓和扣件進行錨固。化學(xué)錨栓規(guī)格為M27，長度為440 mm，在隧道底板內(nèi)錨入深度為140 mm，錨栓上部外露絲扣長度為63 mm，滿足預(yù)設(shè)最大50 mm的調(diào)節(jié)空間。扣件與底面緊貼，在錨栓緊固后與底板進行角焊連接。

3) 混凝土基座。基座混凝土標號為C45，其長×寬為750 mm×500 mm，在直線段的間距為3 m，在曲線段的間距2.4 m。基座從下到上包含混凝土結(jié)構(gòu)、高強水泥漿找平層和支撐墊板3部分。其中：基座的混凝土結(jié)構(gòu)與隧道底板通過預(yù)留鋼筋連接；找平層的設(shè)計厚度為20 mm，可以吸收混凝土結(jié)構(gòu)表面施工誤差；頂部支撐墊板的長×寬為650 mm×300 mm，厚度為20 mm，在混凝土基座澆筑前預(yù)埋；墊板下部設(shè)計了剪力板，與混凝土結(jié)構(gòu)連為一體，避免支撐鋼板受力時發(fā)生滑移。

4) 調(diào)節(jié)墊板與橡膠板。鋼行車面的高度調(diào)節(jié)通過在扣件和混凝土基座之間增減墊板及橡膠板實現(xiàn)，最大調(diào)節(jié)量為50 mm。當高度調(diào)節(jié)量不大于5 mm時，可完全采用橡膠板；當調(diào)節(jié)量大于5 mm時，應(yīng)采用“橡膠板+鋼墊板+橡膠板”的組合，此時橡膠板的厚度為2 mm。橡膠板可提高界面間的摩擦力，防止鋼墊板與支撐鋼板滑移，同時起到隔振作用。隧道發(fā)生不均勻沉降時，變形縫會上翹或下凹。根據(jù)隧道沉降分析報告，在上翹點行車面初始安裝時預(yù)先安裝一定厚度的墊板，在不均勻沉降發(fā)生時逐步用較薄的墊板替代；而在下凹點行車面，初始安裝不設(shè)置墊板，在發(fā)生不均勻沉降后，逐步加入較厚的墊板予以調(diào)節(jié)。表2列出了隧道不均勻沉降發(fā)生的時間和軌道調(diào)節(jié)量。為了保障車輛正常通行，需要對關(guān)鍵點進行監(jiān)測，及時調(diào)整墊板的厚度。墊板宜按照2 mm為一個梯度進行調(diào)整。

表2 預(yù)期的軌道維護計劃

5) 伸縮縫。鋼結(jié)構(gòu)行車面的膨脹系數(shù)比混凝土結(jié)構(gòu)的膨脹系數(shù)稍大。為解決鋼行車面熱脹冷縮問題，對于一般區(qū)段相鄰的2個鋼行車面采用垂縫形式，設(shè)縫寬為10 mm；在結(jié)構(gòu)變形縫處設(shè)置45°斜交伸縮縫，使車輪平順過渡，縫寬設(shè)置為35 mm。在行車面鋼結(jié)構(gòu)與混凝土交界的界面同樣設(shè)置10 mm寬度的接縫，用瀝青麻絲填充且表面密封。

4. 2 導(dǎo)向軌沉降設(shè)計

一般導(dǎo)向軌與可調(diào)節(jié)導(dǎo)向軌的區(qū)別在于鋼支架與混凝土基座的連接方式不同，前者鋼支架利用底部的剪力釘錨固到混凝土基座中，使鋼支架與基座成為整體；后者使用4組化學(xué)錨栓將鋼支架固定在基座上，保持鋼支架在豎向高度可調(diào)。

與鋼行車面的構(gòu)造和調(diào)節(jié)原理相似，導(dǎo)向軌和鋼支撐技術(shù)規(guī)格與常規(guī)非差異沉降區(qū)段相同，混凝土基座的間距在直線段為2.95 m，在曲線段為2.4 m，每個基座包含4套M27化學(xué)錨栓。沉降調(diào)節(jié)所用的鋼墊板和橡膠板規(guī)格，以及高度調(diào)整時間均與鋼行車面相同，如圖5所示。

圖5 可調(diào)節(jié)導(dǎo)向軌大樣圖

4. 3 導(dǎo)向軌支撐設(shè)計優(yōu)化

以往項目的導(dǎo)向軌支撐結(jié)構(gòu)采用2個非標T型板通過螺栓加焊接的方式固定。當采用焊接結(jié)構(gòu)T型板時，焊縫質(zhì)量較難控制，且面臨現(xiàn)場焊接作業(yè)時空間狹小問題，施焊難度大，探傷檢測困難。同時，在焊接過程中，易破壞支架焊縫以外區(qū)域的防腐涂層，從而影響支架使用壽命。除焊接問題外，在支架2側(cè)肩部易形成應(yīng)力集中，在運營中存在應(yīng)力釋放、螺栓松動的風(fēng)險，增加了軌道檢查和維修工作負荷。

本項目對導(dǎo)向軌的支撐結(jié)構(gòu)進行了改進設(shè)計，選取國標熱軋H型鋼(244 mm×252 mm×11 mm×11 mm)切割成型，優(yōu)化前后的對比方案如圖6所示。新方案結(jié)構(gòu)簡單、力學(xué)性能較好，與原設(shè)計采用相同的支架間隔，能夠滿足強度的要求。

對以上2種方案進行應(yīng)力分析。如圖7所示，與原設(shè)計相比，新方案的支架應(yīng)力分布更加均勻，肩部最大應(yīng)力值由原方案的63 MPa降低到55 MPa。新方案中，豎板沒有螺栓孔，減少了應(yīng)力集中點；豎板和底板的圓角應(yīng)力降低，且該圓角由原焊縫改為熱軋，有利于延長支架的疲勞壽命。

另外，鋼支架加工工藝簡單，切割、開孔、表面清理及防腐等工藝全部在工廠完成，現(xiàn)場只需組裝即可，可有效地提高支架生產(chǎn)和安裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量，極大降低了生產(chǎn)成本，縮短制造工期。

圖6 導(dǎo)向軌支架設(shè)計方案對比

圖7 導(dǎo)向軌支架應(yīng)力云圖對比

本項目在車輛段重修線設(shè)計了可拆卸導(dǎo)向軌，用以新車卸車上線。可拆卸導(dǎo)向軌采用鋁合金6063-T6材質(zhì)，以減輕質(zhì)量；采用插銷式結(jié)構(gòu)，方便快速拆裝。此外，在架車區(qū)域設(shè)計了異形導(dǎo)向軌，適當縮小導(dǎo)向軌的寬度，便于架車時可對準落車。

5 結(jié)語

APM系統(tǒng)在國內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的設(shè)計標準，本文對PBTS膠輪路軌APM系統(tǒng)軌道工程設(shè)計進行了總結(jié)，闡述了其軌道的主要設(shè)計標準和典型設(shè)計。針對本項目隧道工程在填海后建造引起的不均勻沉降問題，提出采用混凝土和鋼結(jié)構(gòu)多種形式的軌道結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對差異沉降區(qū)段軌道高度的調(diào)節(jié)。另外，對導(dǎo)向軌鋼支架結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，從用戶需求角度改進了車場重修區(qū)的導(dǎo)向軌斷面和安裝方式。

目前，項目處于詳細設(shè)計階段。這種新型軌道結(jié)構(gòu)還有待進行樣品試制，對其結(jié)構(gòu)強度、疲勞、耐久性及調(diào)節(jié)性能等進行試驗驗證。