城市軌道交通快線軌道結構選型研究

張 鵬，鐘 杰

（鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東深圳 518100）

1 概述

城市軌道交通普線設計最高運行速度主要有80 km/h和100 km/h兩種，旅行速度在25～35 km/h[1]，而隨著國民經濟水平的提升，城市人口急劇膨脹，公民對公共交通出行的需求量增大、出行速度要求更高，目前國內部分城市如上海、廣州、深圳等已經建成并開通設計最高運行速度達120 km/h的快線，因而城市軌道交通快線的研究、建設已成為行業熱點[2]。

周虎利[3]根據城市軌道交通的運營特征，主要從減振降噪的角度分析比較各種類型軌道部件的特性，提出軌道結構選型的基本要求。張慧慧[4]針對各軌道部件的結構組成和技術特點，提出城市軌道交通軌道結構的設計原則。楊明華[5]以某市城市軌道交通線路為例，根據不同地質條件和工程特點對軌道結構進行選型分析。

GB 50157-2013《地鐵設計規范》[6]僅適用于速度目標值不大于100 km/h的線路，盡管國內不少學者所作的研究為城市軌道交通的軌道結構選型提供了參考，但針對設計速度在120 km/h的快線并不完全適用，且未從不同區間、考慮減振降噪要求進行綜合選型分析，因此有必要針對城市軌道交通快線的軌道結構選型進行研究。

2 城市軌道交通快線選型的基本要求

城市軌道交通快線相較普線而言具有線路長度長、車站平均站間距大、運行速度高、行車密度大的特征[7]，因而對運行平順性和旅客乘坐舒適度要求更高，要求快線軌道結構應盡量少維修或免維修，故應滿足以下基本要求。

（1）軌道結構應具有足夠的承載能力和強度儲備、適量的彈性、較高的平順性和穩定性，確保列車運行平穩、安全和乘坐舒適。

（2）軌道結構應具有良好的使用耐久性，在長期列車動荷載作用下能保持安全可靠的幾何狀態，盡可能減少養護維修工作量[8]。

（3）軌道結構設計應在結構安全、可靠的基礎上，盡量控制建設維修成本，提高綜合經濟效益。

（4）根據工程環境影響評估的要求，軌道結構應分不同減振地段采用相應的結構形式和減振降噪措施，使振動和噪聲控制在國家標準的允許范圍內并盡量滿足沿線建筑物對噪聲的要求。

3 軌道結構類型

軌道結構按照軌下基礎型式可分為有砟軌道和無砟軌道2類。

3.1 有砟軌道

有砟軌道具有結構簡單、彈性及減振效果好、鋪設及維修方便、初期建設投資較低等優點，但碎石道床在長期列車荷載作用下累積的殘余變形會導致軌道不平順的產生，需定期對道床進行搗固作業，且道床作業受人為因素影響較大，軌道剛度均勻性較差。然而，在城市軌道交通快線運營期間維修時間少、作業空間狹小的情況下，現場的養護維修工作難以開展，列車運行速度也受到極大限制，故有砟軌道已無法滿足城市軌道交通快線的運營要求[9]。

3.2 無砟軌道

無砟軌道結構具有整體性好、穩定性高、平順性高、耐久性強等優點，能大幅提高列車運行速度。城市軌道交通對行車安全和自動化程度要求高，行車密度大，不允許利用列車運行間隔進行維修作業，夜間的維修時間有限，無砟軌道相比有砟軌道能夠大幅減少運營期間的養護維修工作量，綜合經濟效益更好。目前，國內外城市軌道交通的地下線幾乎全部采用無砟軌道。

無砟軌道按道床板的制作方式又分為現澆式和預制式[10]，城市軌道交通地下線的現澆無砟道床型式主要有無枕式無砟道床、短軌枕式無砟道床、長枕埋入式無砟道床及雙塊式無砟道床幾種，預制式無砟道床以板式無砟道床為主。

3.2.1 無枕式無砟道床

無枕式無砟道床現場直接澆筑，軌底坡設在道床表面。該道床結構簡單、軌道高度低，由于現場施工作業多、進度慢、施工質量及精度低、可維修性差，目前僅用于個別土建結構變形、限界不足的地段，其他地段很少采用，如圖1所示。

圖1 無枕式無砟道床示意圖

3.2.2 短軌枕式無砟道床

短軌枕式無砟道床由短軌枕、混凝土道床及水溝組成，如圖2所示。該道床具有技術成熟、結構簡單、堅固耐用、造價較低、現場施工作業靈活等特點，其通用性較好、軌枕布置靈活，可適用于地下線、道岔區等比較復雜的道床結構。

圖2 短軌枕式無砟道床結構示意圖

短軌枕式無砟道床突出的問題是整體性不好，軌底坡不易保證，導致運營中易出現輪軌關系不良，從而影響列車的平穩性和舒適性，導致鋼軌打磨和扣件調整等養護維修工作量增加，目前國內較少采用。

3.2.3 長枕埋入式無砟道床

長枕埋入式無砟道床由預應力長枕、混凝土道床等組成，如圖3所示。該道床采用預應力混凝土長軌枕，軌枕預留圓孔用于穿道床縱向鋼筋，以增強道床與軌枕間的連接力[11]。長枕式埋入式道床的優點是采用軌排法施工方便，工廠預制的混凝土軌枕可確保軌底坡及軌距，施工進度快、精度高、結構穩定、整體性好。

圖3 長枕埋入式無砟道床

長枕埋入式無砟道床突出的問題是長軌枕與道床間新老混凝土結合不好。道床上的大量裂紋以及軌枕對道床板的分割影響結構的整體性和耐久性，增加運維階段的養護維修工作量。

3.2.4 雙塊式無砟道床

雙塊式無砟道床由鋼軌、彈性扣件、雙塊式軌枕及道床板組成，如圖4所示。該道床的雙塊軌枕便于鋪設，重量比長軌枕輕，鋼桁架也可保持與道床良好的整體性。

圖4 雙塊式無砟道床結構示意圖

雙塊式軌枕中部鋼桁架在運輸和安裝過程中，容易受到磕碰、產生變形且不易調整，影響軌道鋪設精度，增加后期維修工作量。此外，該道床為現澆結構，養護維修困難，且雙塊軌枕與道床板間存在新老混凝土結合問題。

前期城市軌道交通建設以現澆式無砟軌道為主，但在建設運營期間暴露出現場圬工量大、整體性不好、可維修性較差等問題，在結構耐久性方面不如預應力結構好。

3.2.5 板式無砟道床

板式無砟道床由鋼軌、彈性扣件、預制軌道板、隔離層、自密實混凝土層以及鋼筋混凝土底座等部分組成[12]，如圖5所示。

圖5 板式無砟道床結構組成圖

板式無砟道床為預應力結構，相較現澆式無砟道床更符合城市軌道交通軌道結構的發展要求，符合國家預制化、裝配式發展方向，具備以下優點。

（1）高質量、高可靠性。軌道板通過板廠預制、標準化生產，施工質量易于控制，工效高，技術先進成熟。

（2）高精度、高平順性。采用移動可調軌道板生產鋼模，小半徑曲線地段和緩和曲線地段軌道板的制造通過調整承軌臺，實現高精度的軌道空間幾何線型，實現軌道板承軌臺與平、豎曲線二維匹配。將盡可能多的精調工作放在廠內完成，減少現場調整工作量，提高現場施工效率。

（3）結構適應性強。采用單元結構，利于運營期間的養護維修，對沉降變形的適應性更強。

（4）具備可調整性。建設及運營期間均可通過在板上加吸音板、板下加減振墊，調整為減振降噪型軌道結構，環境適應性更強。

（5）可維修性好。通過在自密實混凝土和底座間設置隔離層，便于特殊情況下結構的維修[13]。

然而，板式無砟道床在特殊地段如過軌、人防門、防淹門等的適應性差，此類地段仍需采用現澆式無砟道床；受地鐵線路狹小空間的限制，板式無砟軌道施工效率較低，需要通過優化施工組織、施工工法、施工裝備，進一步提高施工效率。

4 道床選型

有砟軌道和無砟軌道各自技術特點鮮明，但從工程類比角度來看，對于城市軌道交通快線而言可優先考慮采用無砟軌道結構。面對多種無砟軌道結構，實際工程中必須結合具體地質條件、環境要求、養護維修條件、工程投資計劃等進行選型。

4.1 正線道床方案

城市軌道交通以地下敷設方式為主，綜合考慮限界、綜合誤差、預留加固空間以及空氣動力學等因素影響[14]，線路部分區間盾構隧道管片內徑采用6 m，部分采用5.5 m。板式道床對小盾構適應性差，對線下工程施工精度要求高，施工進度不如現澆道床快。雙塊式道床對小盾構適應性好，施工進度相對較快，對線下施工精度要求相對較低。因此，根據實際地質條件和工程特點，正線大盾構內徑區間宜采用板式無砟道床，小盾構內徑區間及在人防門、防淹門及需要道床過軌（考慮到設計及施工的靈活性）等特殊地段宜采用雙塊式無砟道床方案。

地下線受溫度影響較小，同時考慮預制軌道板生產和工程造價影響，板式無砟軌道宜采用普通混凝土軌道板。

4.2 岔區道床方案

道岔區存在諸多不平順，是地鐵線路的薄弱環節，列車經過道岔區時軌道結構將承受顯著的附加動力作用，岔區軌道狀態將直接影響行車的平穩性和舒適性，進而影響道岔結構的使用壽命。道岔號數（9號、12號）及道岔咽喉區功能（單開、單渡以及交叉渡線）相對復雜，采用預制道岔板結構不如現澆結構靈活，且道岔板種類繁多，不利于統一生產制造，因此岔區宜采用更加靈活的軌枕埋入式無砟道床。

根據軌枕類型不同，國內城市軌道交通線路道岔的軌下基礎主要分為混凝土短岔枕式整體道床、合成樹脂岔枕式整體道床以及鋼筋混凝土長岔枕式整體道床。考慮到混凝土短岔枕式整體道床施工精度低、整體性差，而合成樹脂岔枕式整體道床造價高、整體性不如長軌枕。鋼筋混凝土長岔枕式整體道床的道岔整體性強、使用壽命長，道岔的幾何尺寸保持能力強且施工精度高，可有效提高道岔的鋪設進度，同時可大幅減少線路開通后道岔的養護維修工作量。岔區可采用鋼筋混凝土長岔枕式整體道床。

4.3 車站道床方案

由于車站附近有大量敏感建筑，列車通過時，振動將通過軌道、隧道、土體向周圍建筑物傳播，對敏感建筑及儀器設備、人員產生不良影響。此外，噪聲在地下車站封閉環境中無法向外傳播，需經多次反射才能衰減，噪聲持續時間長，噪聲污染問題較為突出，對站臺候車乘客產生較大影響，尤其是長期在車站的工作人員，深受振動和噪聲的雙重影響。為減少地鐵運營對周邊環境的影響，為乘客提供舒適的公共候車乘車空間，為地鐵工作人員提供良好的工作環境，在車站范圍內宜采用減振降噪一體化軌道結構。

減振降噪一體化軌道結構由鋼軌、彈性扣件、吸音板、軌道板、自密實混凝土、減振墊、底座等部分組成。其中，軌道吸音板為分塊單元結構，鋪設在道床板頂面，通過螺栓與軌道板上預埋套筒進行連接，保證吸音板的穩定，同時軌道吸音板鋪設時繞避了承軌臺，并留出充足的鋼軌起道、扣件復擰等日常工務養護維修作業空間，不會對日常工務養護維修作業產生影響。此外，實際工程中當軌道吸音板底部軌道結構發生病害需要維修時，可將軌道吸音板拆除，軌道結構病害修復完成后，重新鋪裝。該結構利用設置在自密實混凝土下的減振墊進行減振，通過建立減振效果理論分析模型，初步計算結果表明，該結構的減振效果可達12～18 dB，降噪效果可達3 dB（A）以上。

5 結論

軌道結構選型是城市軌道交通快線建設的關鍵之一，合理的選擇軌道類型才能保證機車車輛運行穩定性、平順性、旅客舒適度以及合理安排維修周期。除滿足上述要求外，相應減振降噪設計還應符合國家相關部門環保要求。本文根據城市軌道交通快線選型的基本要求，結合有砟軌道與無砟軌道、各類無砟軌道的技術特點，對城市軌道交通快線的軌道結構選型進行了分析，得到如下結論。

（1）正線軌道結構應根據地質條件和工程特點靈活選用，大盾構內徑區間宜采用板式無砟道床，小盾構內徑區間及特殊地段宜采用雙塊式無砟道床。

（2）對于道岔號數及道岔咽喉區功能相對復雜的線路，岔區宜采用整體性強、使用壽命長且施工精度高的鋼筋混凝土長岔枕式整體道床。

（3）軌道結構應分不同減振地段采用相應的結構形式和減振降噪措施，使振動和噪聲控制在國家標準的允許范圍內并盡量滿足沿線建筑物對噪聲的要求。通過數值模擬，軌道減振降噪一體化結構的減振效果可達12 ～18 dB，降噪效果可達3 dB（A）以上，宜在車站范圍內應用。

現今城市軌道交通快線的建設規模正逐步加大，無砟道床的結構型式應根據線下工程、環境條件等具體情況，經技術經濟比較后合理靈活選擇，不應局限于單一結構類型，分區段選用軌道結構類型將是未來城市軌道交通快線建設的一種趨勢，研究內容可為城市軌道交通快線設計提供一定的參考。