地铁轨道系统设计经济化探讨

2010-01-16吴建忠曾向荣

城市轨道交通研究 2010年4期

关键词：轨枕扣件经济性

吴建忠曾向荣

(1.北京交通大学,100044,北京;2.北京城建设计研究总院,100037,北京∥第一作者,高级工程师)

1 地铁轨道系统的技术经济特征

轨道系统是城市轨道交通工程中非常重要的组成部分,它直接支承和引导列车车轮,承受动载作用,故轨道系统最基本的特性要求是高安全可靠性。

随着轨道技术的发展及国内各个城市地铁建设规模的不断扩大,轨道系统的经济性也越来越被关注。轨道系统的技术经济性特征主要表现在设备部件和结构的固化性以及设备的可维修更换性两方面。

1.设备部件和结构的固化：轨道系统设备和结构的固化性明显。一条线路不论长10 km或50 km,或一个城市总长500 km的地铁线网,乃至全国各地地铁,其钢轨类型一般只有1～2种,即以60 kg/m钢轨为主、50 kg/m钢轨为辅;扣件、轨枕及道岔类型也较为有限,如北京、南京、天津等城市的地铁,地下线的扣件均相同。这一特性使得轨道设备选型及系统设计的经济性对工程造价具有放大效应。如果一套扣件成本降低10元,可使一条线的造价节省数百万元,整个线网造价节省数千万元。

2.设备的可维修更换性：轨道系统是土建与设备的结合体,除整体道床一般不可更换之外,其余如钢轨、扣件、道岔、减振设备等在运营期间均可且必须按一定的技术规则进行养护、维修与更换。故设备的种类越少、设备部件的维修量越小、更换周期越长、投入的养护维修费用越低,则其运营经济性越好。

基于上述两方面的特性,轨道设备选型及系统设计时,应将经济性分析作为重要的设计研究内容之一。本文从四个不同的角度探讨如何更好地提高轨道系统设计的综合技术经济性。

2 标准化设计与针对性设计相结合

2.1 标准化设计

标准化设计可分为3个层面：行业领域层面、城市线网层面以及具体工程层面。其中,行业领域层面及城市线网层面的标准化侧重于轨道设备方面,具体工程层面的标准化则侧重于轨道结构方面。

2.1.1 地铁行业层面的标准化

地铁行业层面的标准化应成为将来的发展趋势,但由于种种原因,目前几乎空白。国铁轨道的标准化程度很高,为其规模化建设创造了有利条件,可为地铁行业提供参考。但整个国铁行业即为一个大线网,故其行业层面的标准化实质上相当于一个大线网层面的标准化,系统内部较易实现。

2.1.2 地铁线网层面的标准化

地铁线网层面的标准化方面,线网建设较成熟的北京、上海、广州等在轨道标准化上有所发展。如北京地铁在5号线建设时即着手编制的“京建线”系列轨道通用图,经过不断完善,大大提高了新线轨道设计、招标及建设管理的效率。

根据轨道系统不同设备的用量、重复性及维修更换概率等技术经济特征,线网层面的轨道标准化可划分为完全标准化、尽量标准化及有限标准化等3级。具体分析见表1。

表1 线网层面的轨道设备及部件标准化等级划分

2.1.3 地铁工程层面的标准化

工程层面标准化的重点在于：同一工程不同地段的设备类型力求统一,部件种类尽量通用,轨道结构型式及设计技术标准尽量一致。

首都机场线轨道系统在工程层面进行了标准化的尝试：全线地下线、地面线及高架线均采用了相同的无螺栓e型弹条弹性分开式扣件及长枕式整体道床(见图1),最大限度地减少了轨道以及与轨道一体化安装的轨旁设备的种类,加快了工程建设速度,降低了运营维修工作量。

图1 首都机场线全线统一的轨道设备及结构

标准化设计很重要的前提是,纳入标准化范畴的设备及结构应经过充分的技术优化与改进,功能完善、技术成熟,方能作为标准化成果——通用图,加以推广。此外,标准化设计还应解决知识产权及技术权威性确认、技术归口管理等方面的问题。

2.2 针对性设计

在满足系统的综合技术经济性方面,针对性设计与标准化设计是相辅相成的。应尽量推行标准化设计,但针对工程特殊之处,不能硬套通用图。如北京地铁“京建线”中60 kg/m钢轨9号单开道岔原来仅有直尖轨(直尖轨耐磨性好,只需一台转辙机,即可满足直向90 km/h、侧向30 km/h通过速度要求),但从6号线开始,部分线路设计速度提高至100 km/h或以上,则应选择直向通过速度更高的弹性可弯曲尖轨道岔。“京建线”的扩编也已将曲尖轨道岔收纳其中。

又如：首都机场线全线扣件及轨枕类型实现了统一,其前提之一是地面线经论证采用了无砟轨道。原因包括：地面线总长较短且被分为多段;无砟轨道路基占地比有砟轨道约窄2 m,可减少城市土地资源占用;直线电机系统对轨道平顺性要求高;轨旁设备(感应板、接触轨、波导管及信标等)多,采用有砟轨道时养护维修很困难等。若无以上综合因素,地面线仍采用传统有砟轨道,则不必刻意追求全线扣件及轨枕的统一。

此外,随着城市轨道交通的快速发展,其制式已从单一的传统地铁向多样化(轻轨、直线电机、导轨式胶轮、独轨、有轨电车等)发展,设计速度也由80 km/h演变为70～120 km/h之间,故根据不同工程的情况开展针对性设计,也是设备选型及系统设计经济化的必经途径之一。

此前,由于规范与标准体系不完善,一些并不适用《地铁设计规范》的工程亦采用了该规范进行设计,针对性不足。这一情况有望在不远的将来得到改善。目前,除《地铁设计规范》正在总结近几年大量工程经验的基础上进行修编之外,同期在编的还有《直线电机轨道交通设计规范》、《跨坐式单轨交通设计规范》、《轻轨设计规范》、《有轨电车设计规范》、《市域快速轨道交通设计规范》等。这些规范将城市轨道交通进行了细化划分,可系统地、有效地提高工程设计的针对性,从而实现更好的综合技术经济性。

3 开展集约化、精细化设计

集约化、精细化设计的着重点在于深入研究并充分利用设备及结构的材料特性,在确保安全可靠的前提下,实现更好的技术性能或节省更多的材料。它是实现系统经济性的重要环节。

3.1 国铁轨道的部分精细化设计经验

国铁轨道在集约化、精细化设计方面一直走在前列。如国铁Ⅲ型弹条的设计最大复合应力 1 400 MPa,超过了材料(60Si2Mn)的屈服强度(1 200 MPa),目的在于充分利用材料的屈服硬化特性,使材料用量更节省。

又如：京津城际客运专线所用Vossloh300扣件铁垫板厚度由传统的18 mm减至16 mm,宽度由传统的170 mm减至160 mm,WJ-7扣件非承轨部位的宽度更是减至125 mm;武广客运专线所用的WG-Ⅲ型轨枕打破传统设计思维,将尼龙套管设计凸出轨枕底部,轨枕厚度减至135 mm。如图2所示。

图2 部分高速客运专线用轨道设备

3.2 地铁轨道集约化设计的部分探索与实践

在最近的地铁轨道设计中,进行了一些集约化设计的探索与尝试,以下为两个实例。

3.2.1 地下线及高架线通用型扣件的研制

以往地铁设计中,地下线扣件扣压力较大,因此在高架线上为降低无缝线路梁轨作用力,一般采用小阻力扣件,地下线与高架线扣件类型不统一。

实际运营表明,小阻力扣件可保证高架线无缝线路稳定。而地下线温差、结构变形等条件均比高架线好,故小阻力扣件完全可用于地下线。基于这一思路,在成熟的地下线采用DTⅥ2型扣件(见图3)的基础上,研制了地下线及高架线通用的DTⅥ2-3型扣件(见图4)。这样,不仅全线扣件统一,且使高架线不再局限于有螺栓弹条扣件,符合少维护的需求趋势。新、老扣件的技术指标对比见表2。

图3 DTⅥ2型扣件

图4 DTⅥ2-3型扣件

表2 DTⅥ2-3型扣件与DTⅥ2型扣件的技术指标对比

由表2可知：

◆新扣件自身的结构高度有所降低,可实现更大的调高量,调距量也比老扣件有所加大,可适应高架线铺设要求。

◆新扣件弹条直径采用16 mm,同等弹程条件下,弹条最大应力水平较低,弹条在弹性变形范围内工作时对表面瑕疵及异常受力情况的包容性加大,残余变形小,性能更稳定,材料用量也更少。

◆经优化设计,DTⅥ2-3型扣件的铁垫板质量较老扣件减轻20%,仅此一项可降低成本约14元/块。

◆轨枕厚度由170 mm优化至135 mm,加上扣件高度所节省的10 mm,则轨道结构高度可降低45 mm,使道床混凝土节省约10%,压缩了隧道断面尺寸并减轻桥梁的荷载,具有综合技术经济效益。

3.2.2 整体道床钢筋规格及布置的优化

地下线及高架线一般采用整体道床。整体道床主要是为轨枕提供各向约束,并将列车动荷载分散传递至下部基础。其受力主要表现为受压,采用素混凝土即可满足要求。但由于工期紧张及很多情况下沿线输送预拌混凝土困难,使道床浇注质量参差不齐,易产生收缩裂缝,在运营列车动荷载作用下易产生开裂。

为此,新线设计中已将防迷流要求设置的底部单层钢筋改为上下两层。典型的配筋设计为：纵向设14×φ 14钢筋(≥2 000 mm2),横向每一轨枕空档设2×φ 10钢筋,如图 5所示。

为更好地防止道床开裂,可采用更细的钢筋和更小的布置间距。例如,将纵向筋优化为20×φ 12,横向筋优化为每个轨枕空档3×φ 8。其与原方案钢筋总量基本一致,但道床的整体性与耐久性却得到了改善。

图5 整体道床钢筋的优化

4 注重全寿命周期成本分析

轨道设备的可维修更换性决定了选型时必须考虑全寿命周期成本。但在很多实际的轨道设计中,往往对其仅作粗略的、定性的分析,而缺乏细致的、定量的论证。

例如,在钢轨选型设计时通常仅作定性论述。但文献[1]采用成本折现法对50 kg/m钢轨与60 kg/m钢轨的电能消耗进行了分析,认为60 kg/m钢轨在20年内所节省的电能消耗折现值与50 kg/m钢轨的初期投资节省额持平,从而量化了两种钢轨在此方面的技术经济性。

又如,近年来开始推广应用的扣件用聚酯弹性体垫板,虽性能较普通橡胶垫板优越,如强度更高、疲劳性能更好、动静比更低、使用寿命更长等(见表3),但因造价较高,使其推广受阻。

表3 聚酯弹性体与普通橡胶垫板的主要技术指标对比

本文采用全寿命周期成本分析方法,将两种弹性垫板的初期投资及使用更换成本进行折现计算与对比(见表4)。成本折现值的计算公式为：

式中：

P——成本折现值,元;

F——未来某一时间发生的成本值,元;

i——未来成本值的折现率,取10%;

n——成本发生时距现今的时间,年。

由表4可知,聚酯弹性体初期成本超过普通橡胶垫板近1倍,但40年运营期的综合成本折现值基本持平。考虑聚酯弹性体垫板具有更优越的性能,且随着社会经济的发展,设备采购及运营期间的维修更换成本往往呈递增趋势,故从长远考虑,聚酯弹性体的技术经济性更好。

当然,业主对设备选型的特定要求与愿望也可越过全寿命周期成本分析。如一些工程为尽量降低初期投资,明确要求采用50 kg/m钢轨,则不必强求采用60 kg/m钢轨。

表4 聚酯弹性体与普通橡胶垫板的全寿命周期成本对比

5 提高轨道减振设备的国产化程度

国内地铁对轨道减振设备的需求随着建设规模的扩大而增加,对地铁运营振动与噪声的控制要求也越来越严。目前,应用最多的高等级轨道减振设备与技术均来自国外,如英国的Vanguard扣件、日本的梯形轨枕以及德国的钢弹簧浮置板等。这些国外的轨道减振设备虽已部分实现国产化,但价格仍居高不下,对轨道系统经济性的影响越来越大。

在一些城市的地铁建设主管部门及管理单位的大力支持下,国内也正开展高等级轨道减振设备的国产化应用与研究,并已取得了一些进展,但在设备国产化的研制、应用、评定及推广的规范化等方面,还需开展大量的工作。