北京市轨道交通大兴线无缝线路设计

田苗盛，吴 燕

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 工程概况

北京地铁大兴线是联系大兴新城与中心城区的快速轨道交通线,与地铁4号线共同构成北京市南北向的轨道交通主干线。线路正线全长21.756 km,其中地下线长度为17.427 km,过渡段长度为0.703 km,高架段长度为3.626 km,其中共有4座大桥,其余均为标准跨连续梁；全线曲线79个,最大曲线半径3 000 m,最小曲线半径300 m,全线半径小于800 m的曲线共有23个。大兴线运行车辆类型为B型车,最高运行速度80 km/h。

本工程轨道主要技术标准：钢轨采用60 kg/m U71Mn,扣件地下线采用DTⅥ2型扣件,高架线采用DTⅦ2型扣件。轨枕采用混凝土短轨枕,道床为短轨枕式整体道床。采用60 kg/m钢轨9号单开道岔,5.0 m间距交叉渡线。道岔为普通道岔,直向容许通过速度为90 km/h,侧向容许通过速度为30 km/h[1]。因此本工程在进行无缝线路设计时,按普通温度应力式无缝线路设计[2]。

2 锁定轨温设计

根据线路所处地区的最高、最低轨温,以及轨道强度和无缝线路稳定性要求计算得到无缝线路零应力时的轨温称为无缝线路设计锁定轨温；为施工方便,在设计锁定轨温基础上,给定一范围,称为设计锁定轨温范围(以下称锁定轨温)。锁定轨温是设计、铺设及养护无缝线路的重要技术资料[3]。

2.1 设计参数

根据1980年以来的北京地区气象记录,北京地区最高轨温为Tmax=62.6 ℃、最低轨温为Tmin=-22.8 ℃；半径小于等于800 m的曲线地段混凝土短轨枕配置为1 600对/km；地铁列车最高速度80 km/h。

钢轨钢线胀系数α=1.18×10-5/℃、钢轨钢弹性模量E=210 GPa、60 kg/m钢轨截面积A=77.45 cm2、钢轨焊接接头允许应力[σ]=338.5 MPa、轮重冲击速度系数取1,DTⅦ2型扣件纵向阻力根据其所处位置合理选用[4～5]。

2.2 按强度及稳定性条件确定锁定轨温

无缝线路钢轨应保证在动弯应力、温度应力及其他附加力共同作用下不被破坏,仍能正常工作。此时,要求轨温的变化幅度不允许超出按轨道稳定性及钢轨强度要求所计算出的允许温升[ΔTu]与允许温降[ΔTd]。锁定轨温Te按下式计算[4]

式中,Tmax为钢轨历年最高轨温；Tmin为钢轨历年最低轨温；[ΔTd]为允许温降；[ΔTu]为允许温升；ΔTk为考虑轨温环境的修正值,一般为0～5 ℃。

设计锁定轨温取(24±5)℃,可满足轨温的变化幅度不超过轨道稳定性允许的温升及轨道强度允许的温降。且从北京地铁8号线、13号线等多年的运营实践来看,(24±5)℃对于北京地铁是合适的。

3 高架线无缝线路设计

3.1 扣件计算参数

高架线无缝线路除受机车车辆荷载、轨温变化和列车制动等作用外,还受因桥跨结构受温度变化伸缩变形引起的伸缩附加力和受列车荷载作用挠曲变形引起的挠曲附加力[6]。与此同时,钢轨通过扣件对桥跨结构施加反作用力。为了减少附加纵向力,减小桥上扣件阻力是一种较好的措施,但过小的桥上扣件阻力会使焊接长钢轨断裂后产生过大的轨缝。因此在高架线上需采用扣压力适中的扣件,且在伸缩区也应该尽量减小钢轨的纵向力。本工程中高架线固定区选用的扣件是DTⅦ2型扣件,固定区采用常阻力垫板,伸缩区采用小阻力垫板。

3.2 设计列车荷载

大兴线运行车辆为6辆编组,列车重车轴重140 kN,轻车轴重85 kN,图1为静载计算图示。

图1 列车竖向静载计算图式(单位：m)

3.3 轨条布置

高架线在西红门站有一组单渡线,由2组普通60 kg/m钢轨9号单开道岔组成,因此在单渡线前后的位置均设置了单向钢轨伸缩调节器,调节器的基本轨与长轨条焊联,尖轨与道岔基本轨采用冻结接头。轨条最长约1.4 km,在(52+85+52)m大跨梁处设置了双向伸缩调节器。轨条布置详见图2。

图2 高架线轨条布置

3.4 伸缩力计算

钢轨位移受到桥梁两端线路纵向阻力的约束,活动端以外的线路纵向阻力阻止钢轨向桥外位移,使活动端附近钢轨产生压力；固定端以外的线路纵向阻力抵抗钢轨向活动端方向位移,使固定端附近钢轨产生拉力,从而形成钢轨伸缩力。多跨梁增温时伸缩力及梁轨位移如图3所示。

图3 多跨梁增温时伸缩力及梁轨位移

无缝线路钢轨平衡微分方程为[4]

(1)

Δδkj=Δkj-δj,j=1～n；

式中ωi——钢轨截面i以左的伸缩力图面积；

δi——墩台顶纵向位移；

Δδkj——桥梁的实际位移；

Δkj——桥梁的位移；

yki——钢轨位移；

E——钢轨的弹性模量；

F——钢轨的断面积；

T——作用于墩台的伸缩纵向力,单线墩台按桥跨两端钢轨伸缩力之差计算；

K——墩台水平线刚度。

通过式(1)便可以计算得到多跨连续梁的伸缩力。

3.5 挠曲力计算

列车通过桥梁时,桥梁发生挠曲变形,其上缘受压,下缘受拉；桥梁的挠曲变形通过扣件反作用于钢轨,钢轨所受的纵向力即为挠曲力。桥上无缝线路挠曲力的大小和性质,不仅随荷载种类和位置而改变,也与桥梁跨度、扣件扣压力有关。

本工程中为简化挠曲力的计算,作以下假定：(1)以梁跨满载为计算依据,对多梁跨,仅考虑其中满布列车荷载的一跨；(2)不考虑钢轨伸缩力的影响,挠曲附加力与伸缩力分别计算；(3)荷载作用下的桥上线路纵向阻力,按地铁列车荷载进行计算,且为常量[6]。标准跨梁以及大跨梁的计算结果详见表1。

3.6 断轨力计算及断缝检算

桥上无缝线路断轨力通过该梁跨及其扣件阻力传

表1 标准跨及大跨桥梁无缝线路附加力

递给桥墩,桥墩承受断轨力。固定区温度跨需要进行断缝检算,当轨缝大于一定范围时就需要设置伸缩调节器,本工程中断缝按[λ]=10 cm控制。断缝按式(2)计算[4]

(2)

式中E——钢轨钢弹性模量；

F——钢轨断面积；

α——钢轨钢线膨胀系数；

ΔT——钢轨温差。

大跨桥梁无缝线路附加力结果见表2。

表2 大跨桥梁无缝线路附加力

4 地下线无缝线路设计

地下线无缝线路设计的关键是锁定轨温的确定以及轨条布置。由于地下段的气温相对恒定,因此无缝线路附加力相对较小。另因无缝线路的附加力是通过扣件、道床直接传给隧道结构,且此附加力与隧道结构之间主要是靠摩擦传递,因此对结构影响较小,在本工程中忽略不计。

4.1 锁定轨温

地下线路区间隧道夏季的最高温度车厢设置空气调节而车站不设置安全门时,不得高于35 ℃,区间隧道冬季最低温度不应低于5 ℃。列车车厢设置空调而车站设置安全门时,列车周围空气温度不高于40 ℃[7]。

因此,地下线设计锁定轨温为24 ℃,铺设锁定轨温为(24±5)℃,即19～29 ℃。地下线与高架线采用一致的锁定轨温,也有利于运营后的养护维修。

4.2 轨条布置

本工程中由于道岔采用普通有缝道岔,因此在道岔前后不焊接,通过设置50 m缓冲区将道岔与长轨条连接。

地下线轨条布置主要是在道岔前后断开,在长轨条与道岔之间设置缓冲区,缓冲区长度为50 m。轨条布置如图4所示。

图4 大兴地铁地下线轨条布置

5 结语

北京市轨道交通大兴线,是一条位于北京南部,整体呈南北走向的线路。该线的建成运营,联通了丰台、大兴2个行政区,与地铁4号线共同构成北京市南北客运大动脉。为了减少钢轨接头、消除接头病害隐患,降低轨道振动与噪声污染,提高旅客舒适度,大兴线全线铺设无缝线路。高架桥上与隧道内的无缝线路铺设有着不同特点，根据其不同特点确定线路的设计参数、锁定温度,并进行稳定性检算后,开展无缝线路设计。

通过地铁大兴线无缝线路设计,总结以下设计要点：

(1)大兴线全线铺设无缝线路,提高了线路的平顺性、延长了轨道部件的使用寿命,增进了旅客舒适度；

(2)在高架线无缝线路中设置了缓冲区,保留了部分钢轨接头,虽然缩短了长轨条的长度,但是有利于无缝线路的安全及稳定,但同时在局部地段影响了线路的平顺性,需要在后继的设计中深入研究,尽量取消缓冲区的设置,减少钢轨接头；

(3)在高架桥无缝线路铺设小阻力扣件可减少钢轨纵向力,降低轨道对高架结构的附加力；

(4)锁定轨温的确定以及无缝线路区段划分是无缝线路设计计算的关键,应根据高架桥、隧道、U形槽不同地段轨温条件等设置；

(5)高架桥道岔前后分别设置两组单向钢轨伸缩调节器,并经检算后,在区间线路适当位置设双向钢轨伸缩调节器。地下线隧道内、U形槽地段均可不设。伸缩调节器的设置应通过计算确定,且在线路中应尽量少用；

(6)地下段无缝线路设计中,当采用普通道岔时,应在道岔前后各50 m范围内设置缓冲区。

参考文献：

[1]《常用道岔主要参数手册》编写组.常用道岔主要参数手册.2版[M].北京：中国铁道出版社，2007．

[2]建标104—2008，城市轨道交通工程项目建设标准[S]．

[3]TB/T2098—2007，无缝线路铺设及养护维修方法[S]．

[4]TB10082—2005，铁路轨道设计规范[S]．

[5]蒋金洲，卢耀荣.秦沈客运专线跨区间无缝线路[J].铁道建筑,2005(6)：93-95．

[6]广钟岩，等.铁路无缝线路[M].北京：中国铁道出版社,2005.

[7]GB50157—2003，地铁设计规范[S]．