Key Points of Track Structure Selection and Design of Urban Metro
吴乐① WU Le；刘鼎② LIU Ding
（①深圳市都市交通规划设计研究院有限公司，深圳 518055；②深圳市综合交通设计研究院有限公司，深圳 512800）
（①Shenzhen Institute of Urban Transportation Planning and Design，Shenzhen 518055，China；
②Shenzhen Transportation Design & Research Institute Co.，Ltd.，Shenzhen 512800，China）
摘要：当前，我国各大城市都在加快地铁等轨道交通的建设 ,但是地铁的轨道结构相关研究仍不够完善。本文以轨道结构的钢轨、扣件、轨枕、道床等组成构件为研究对象，对其选型与设计进行了分析。以深圳地铁九号线为例，对轨道结构选型与设计进行了案例分析。本文的研究成果可为地铁轨道等相关工程技术人员提供参考。
Abstract: At present, urban rail lines are under construction in many cities of China. However, the study on rail track structure is not sufficient. In this paper, the components of rail track structure, including steel rail, fastener, ballast and so on, are investigated. The type selection and design of above components are discussed. The Shenzhen rail line nine is used as an example for the type selection and design of these components. This paper offers a reference for the relative engineering and technical personnel.
关键词：城市轨道交通；地铁；轨道结构；选型与设计
Key words: urban rail transit；subway；track structure；selection and design
中图分类号：U231.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0126-04
1 发展概况
过去几十年，我国的轨道交通发展非常迅猛[1]。1971年，我国第一条地铁在北京开始试运营。如表1所示，截至2019年5月，我国共有38个城市（含香港和台湾）拥有轨道交通在运营，总里程5639.88公里，车站3613座，覆盖大约3亿左右的人口，每天运送7000多万的乘客。
轨道交通在各大城市居民的日常出行中，占据越来越重要的地位，因此，各大城市也在积极突进轨道交通的建设[2-6]。以深圳市为例，目前深圳运行的轨道交通线路共有9条，其中一条为有轨电车。但是，2019年目前在建的轨道线路（包括延长线）达到17条：12、13、14、16、6、6支线、6南延、8、10、20、2东延、3东延、3南延、4北延、5南延、9南海大道支线、9西延。
轨道交通的建设也是一个研究热点，受到许多专家和学者的重要。例如，祁帆（2015）以上海地铁为例，分析了地下车站排水系统的设计问题[7]。李平（2019）以广州市海珠区有轨电车为例，对其轨道工程施工的钢轨、钢轨护套、道岔以及平交道口轨道等设计要点进行了分析[8]。刘乃宗（2019）探讨了地铁车辆段的平面设计问题，并用价值工程理论进行了分析[9]。房爱民等（2019）以北京地铁为例，研究了车站冷却塔的设置问题[10]。
虽然地铁建设是个研究热点，但是较少研究关注地铁的轨道结构选型与设计问题。轨道结构由钢轨、扣件、轨枕、道床等组成。轨道结构的选型和设计应结合本线的客流、运量、轴重和运营条件等因素进行确定。本文分析轨道结构选型与设计要点，以丰富相关研究领域，为轨道交通有关从业者提供有益参考。
2 钢轨
钢轨类型选择主要从运量、城市轨道交通的要求等角度考虑，经技术经济综合比选后确定。根据的客流，换算成年通过总重，经计算年通过总重大于25Mt，符合选用60kg/m重型钢轨的标准。下面对常用的60kg/m钢轨与50kg/m钢轨进行技术经济指标分析。
2.1 使用寿命
轨道结构直接承受随机重复荷载，决定它安全使用寿命的是疲劳损伤和耐磨性能。根据铁道部对我国60kg/m钢轨和50kg/m钢轨无缝线路的使用周期的规定，60kg/m钢轨为50kg/m钢轨使用寿命的1.27倍。
对于小半径曲线，在R=400～800m的曲线上，60kg/m钢轨较50kg/m钢轨使用寿命延长约4%～10%。铁道科学研究院对曲线钢轨磨耗的仿真计算也认为，在小半径曲线上，60kg/m钢轨要优于50kg/m钢轨。
2.2 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。
2.3 噪音、供电
轨噪声与轨面平顺程度有关，材质强韧性差的钢轨经列车长期运营，其轨顶面将产生塑性流变而剥离掉块或出现波形磨耗，导致轨顶面的不平顺。一些工业发达国家把60kg/m钢轨作为主轨型，材料采用优质钢种，提高其强韧性，以减少运营过程中出现的轨面不平顺，列车通过轨道的动力坡度减少，相应地轮轨振动和冲击减少，因而采用重型钢轨对降低噪声有利。
50kg/m钢轨较60kg/m钢轨直流电阻大18%，由于钢轨是直流供电系统的回流通路，其电阻为供电回路电阻的一部分，铺设50kg/m钢轨较铺设60kg/m钢轨使整个供电回路的电阻增加7%～9%，这将直接影响机车的受电最低电压水平。在机车发送总对数相同的情况下，机车受电压水平降低，将导致机车电流增加，相应增加能耗，显然，采用60kg/m钢轨可降低运营成本。
2.4 技术效益
铺设60kg/m钢轨与50kg/m钢轨的无缝线路相比，轨底动弯应力及枕上压力分别减少30%和40%，道床压应变和基面应力分别降低44%和20%。目前来看，60kg/m钢轨在综合性能方面较优，今后将作为我国轨道交通建设的主流。
3 扣件
扣件的作用是固定钢轨正确位置，阻止钢轨的纵向和横向位移，防止钢轨倾翻，提供适量的弹性，并将钢轨所受的力传递给轨枕或道床承轨台。
3.1 扣件选择的主要原则
扣件应有足够的强度，以抵抗钢轨的纵向力和横向力。整体道床刚度大，轨道弹性主要依靠扣件及垫层提供，因此扣件应具有较好的弹性，以减少列车荷载的冲击，使钢轨承受的荷载能均匀地传递到道床上，扣件节点垂直静刚度一般在30~50kN/mm。
扣件应具有良好的扣压力，每组扣件的扣压力＞12kN。同时还应有满足实际需要的轨距和高低调整量。扣件应具有良好的绝缘性能，以减少杂散电流，其绝缘部件的工作电阻应大于108Ω。扣件应尽量标准化，结构简单易铺设及维修。扣件金属部件应做防腐处理。
3.2 扣件选型
如图1所示，该扣件为弹性分开式，无挡肩扣件，扣压件采用专为地铁研制的DⅠ弹条（Φ18mm）。这种扣件的特点是取消了T型螺栓，零部件少，降低了造价，同时也减少了维修工作量。扣件设计中采用防止弹条在运营使用中滑退的结构，安装拆卸弹条方便。在轨下和铁垫板下各设一层橡胶垫板，二次绝缘。与轨枕联结方式采用M30螺旋道钉和在轨枕内予埋尼龙套管。轨距调整量为+8～-12mm，调高量为30mm，能满足使用需要。该扣件经过室内试验并经现场通车动测，扣件性能和减振效果良好，通过了科学技术鉴定。
DTⅥ2型扣件的主要技术参数如下：
单个弹条扣压力为25kN；
扣件节点静刚度20～40kN/mm；
设计弹程为10.5mm；
轨距调整量为+8，-12mm；
水平调高量为0~30mm；
绝缘电阻：单组扣件绝缘电阻大于108Ω。
该扣件适用于隧道内一般减振地段，北京地铁复八线、北京城铁、天津地铁、南京地铁、深圳地铁5号线等均采用了这种扣件。
如图2所示，该扣件是一种无挡肩、有弹条螺栓的弹性分开式扣件。其扣压件采用Ⅱ型弹条，轨下和铁垫板下可同时设置调高垫板，并分别设橡胶和橡塑绝缘垫板。弹条与铁垫板之间用T型螺栓联结，通过改变螺栓扭矩来调整弹条的扣压力值。铁垫板与轨枕之间采用螺栓道钉联结。该扣件适用于地下线路轨道。
弹条Ⅱ型分开式扣件的主要技术参数如下：
单个弹条扣压力不小于9kN；
扣件节点静刚度35～50kN/mm；
设计弹程为13.0mm；
轨距调整量为+8，-12mm；
水平调高量为0～15mm；
绝缘电阻：单组扣件绝缘电阻大于108Ω。
如图3所示，DT-Ⅲ型常阻力扣件是一种无挡肩弹性分开式扣件。该扣件是在单趾弹簧扣件的基础上进行研制的，采用国铁标准Ⅲ型弹条代替单趾弹簧，实现了标准化，增加了扣压力，提高了轨道结构稳定性。扣件零部件数量少，结构简单，便于制造、施工、维护。另外，该扣件在铁垫板上增加弹条止退系统，能有效防止弹性扣压件的退出。在深圳地铁3 号线上已采用了这种扣件，目前为止使用效果良好。DT-Ⅲ型常阻力扣件主要技术性能指标如下：
初始扣压力： 20～25kN/组；
防爬阻力： ≥12kN/组；
节点垂向静刚度：30～40kN/mm；
工作电阻： ≥108Ω；
轨距调整量： +2mm、-10mm；
高低调整量： +20mm；
抵抗横向水平力的能力：通过300 万次疲劳试验。
该扣件零部件少，装卸方便，养护维修工作量少；除了弹条以外，其它零部件基本实现与单趾弹簧扣件的零部件互换；扣件扣压力有所增加，适合于在大坡度、小半径曲线上使用。
3.3 扣件的防锈处理措施
在深圳市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，广州地铁道钉、重庆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，该技术已在广州地铁4、5号线、深圳地铁5号线、昆明地铁、重庆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。
目前各种主要防锈措施的技术经济比较如表1。
4 道床及轨枕
地下线路一般地段的整体道床主要有以下二种型式。
4.1 短枕式整体道床
如图4所示，短枕式整体道床结构是将钢筋混凝土短枕埋入混凝土道床内，道床两侧设置纵向排水沟，道床顶面设横向排水坡，混凝土道床结构钢筋网兼起排除杂散电流的作用。普通短枕截面形式采取上小、下大结构，轨枕底部设伸出钢筋，用以加强短枕与混凝土道床之间的联结，短枕一般采取工厂预制的方式。短枕式整体道床有利于采取轨道减振降噪措施，如采用橡胶套靴及弹性垫板的减振结构。
短枕式整体道床在北京、天津、南京、广州和深圳地铁一、二期工程等项目中均得到应用。
4.2 长枕埋入式整体道床
如图5所示，长枕埋入式整体道床结构是将钢筋混凝土长轨枕埋入混凝土道床内，在道床两侧设置纵向排水沟，道床顶面设横向排水坡。长轨枕侧面预留圆孔，道床纵向结构钢筋从中穿过，以加强长轨枕与混凝土道床之间的联结，长轨枕由工厂预制，混凝土道床结构钢筋网兼起排除杂散电流的作用。长枕埋入式整体道床结构不利于采用双自由度的轨道减振降噪措施，一般只有依靠扣件提供减振功能。
4.3 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。
5 应用案例
以深圳市地铁九号线施工的轨道结构选型与设计为例，进行分析。结合上文，建议其正线及配线推荐采用60kg/m钢轨；建议扣件采用DT-Ⅲ型常阻力扣件；考虑到深圳地区受沿海性气候的影响，需要有较高的耐酸耐腐蚀的性能。建议提高防绣等级，铁垫板采用静电喷涂，弹条、螺栓及垫片采用锌镍渗层技术；推荐地下线采用桁架钢筋双块式轨枕整体道床，在钢弹簧等局部地段采用短轨枕。
6 结语
综上所述，本文分析了地铁线路轨道结构的选型与设计，并以深圳地铁九号线的轨道结构选择为例，进行了选型了设计，研究成果可为地铁相关工程技术人员提供参考。
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[10]房爱民，周炜，李嘉俊，张东.轨道交通车站冷却塔设置方案分析与评价[J].都市快轨交通，2019（03）：46-51. |
