现代有轨电车系统轨道工程关键技术分析

丁静波

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

现代有轨电车系统轨道工程关键技术分析

丁静波

(中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院,北京 100055)

国内许多城市相继规划建设现代有轨电车系统项目,低地板技术的现代有轨电车造型新颖、舒适、转弯半径小的特点突出。轨道工程作为有轨电车中最重要组成系统之一,承受车辆的荷载,并引导车辆运行。针对有轨电车系统特点,阐述有轨电车主要技术标准差异性,结合目前国内外有轨电车轨道工程结构技术现状,重点分析轨道系统中钢轨形式、扣件、道岔、道床结构及减振降噪5个方面关键技术及相关问题,提出一些设计见解和建议。特别针对现代有轨电车维修困难和振动噪声问题,提出的轨道系统优化设计理念。

有轨电车；轨道工程；减振降噪

1 概述

有轨电车属于中等运量系统，在我国发展比较早，但大部分城市因与周边环境和规划不相协调而拆除，代之以无轨电车，截止2006年，国内仅剩长春、大连仍在运营。随着国内城市规模的不断扩大，低地板技术的现代有轨电车系统为更大运量的地铁网络添枝加叶，造型新颖、舒适、转弯半径小的特点也很突出[1]，国内北京、沈阳、苏州、珠海等城市相继规划建设。现代有轨电车与地铁、常规公交共同承担公交客流，具有道路交通和轨道交通双重特性，有效与城市自然人文环境、商业融合，以环保、人性化的形象又重新进入了公共视野，实现城市交通效益最大化[2]。

轨道结构是有轨电车系统中最重要组成部分之一，承受列车的动荷载，并引导列车运行。与地铁不同，轨道在建设投资中占比增加，但车站建筑结构土建资金减少。以苏州高新区有轨电车1号线工程为例，总长为17.8 km，第一部分建管工程费用为18.44亿元，轨道工程2.56亿元，不含道路绿化及铺装费用，占比13.9%，在所有设备系统投资最高[3]。

目前针对有轨电车相关的设计规范和标准仍不完善，部分技术仍在整套从国外引进，因此有必要针对现代有轨电车相关技术进行研究。重点介绍现代有轨电车系统轨道工程关键技术。

2 现代有轨电车工程特点

(1)混合路权。有轨电车以地面为主，采用人工驾驶模式，独立路权少于40%，在一定程度上是混行，槽形轨、扣件、道岔、道床等轨道结构特点突出。

(2)旅行速度低。现代有轨电车的特征之一就是采用70%或100%低地板车辆，其最高构造速度可达到70 km/h，结合不同的站间距布置，实际旅行速度仅为15～25 km/h，低于地铁旅行速度不低于35 km/h的标准。

(3)转弯半径小，爬坡能力强。现代有轨电车车辆通过最小曲线半径18 m，最大爬坡能力可达80‰。另外，采用独立轮或完全径向转向架，小半径曲线地段的轨距可不加宽。

3 主要的技术标准

(1)轨距

《铁路技术管理规程》规定标准轨距是钢轨头部踏面下16 mm范围内两股钢轨工作边之间的最小距离。有轨电车采用槽形轨，执行《铁路应用-轨道-特殊用途的钢轨-槽形轨及相关结构轨》(DIN EN 14811：2010)标准，标定轨距位置应在轨顶中心、轨头R13圆弧处、轨顶下14 mm范围。

(2)轨顶坡

国铁轨枕承轨槽或扣件铁垫板按1/20～1/40设置轨底坡。有轨电车槽形轨轨顶设置了1/40斜面，又称为“轨顶坡”，因此配套的轨枕或扣件应设计成平坡。

(3)曲线超高值

现代有轨电车采用低地板技术，车体重心更低，列车在曲线上的稳定条件n>5，属于稳定平衡，安全可靠。结合《公路路线设计规范》(JTG D20—2006)的规定，曲线超高的设置应根据设计速度、圆曲线半径、公路条件、自然条件等确定，一般地区最大超高率8%，积雪冰冻地区6%[4]。若按《地铁设计规范》(GB50157—2013)换算成曲线最大超高分别为120 mm和90 mm[6]。

(4)曲线加宽

现代有轨电车主要采用独立轮转向架，车轴要使用U型轴，左右两车轮解耦，运行时车轴不转动，车轮分别独立自由旋转运行，转速可以不同[5]。通过曲线时没有滑动和摩擦，且减少轮轨间的磨损和噪声，小半径曲线地段的轨距可不加宽。

4 现代有轨电车轨道工程关键技术

4.1 钢轨型式

国内现代有轨电车正线主要采用60R2或59R2槽形轨，车场线采用50 kg/m钢轨。除车场线外，全线均铺设跨区间无缝线路，焊接、应力放散、曲线半径R≤50 m预弯是技术难点[7]。槽形轨焊接有铝热焊和闪光焊二种型式，目前国内在TB/T1632《钢轨焊接》的基础上已开展了相关焊接的研究，成果已服务于苏州、南京、沈阳有轨电车项目，见图1。

图1 槽形轨铝热焊和移动闪光焊

由于槽形钢轨横向抗弯刚度比大，常规弯轨方法难以实现，需要二次以上预弯，操作不当容易造成应力不均，甚至回弹伤及轨道。以曲线半径R=25 m为例，圆曲线正矢计算公式：f=1 000C2/8R，其中，f为圆曲线正矢，C为弦长25 m，正矢f=3 125 mm，必须现场二次弯轨。

4.2 扣件结构

现有扣件选型基本是在国铁设计基础上改进的方案或全套引进，如福斯罗的T-tram扣件系统。由于现代有轨电车扣件被不同型式铺装材料填充，维护很困难，为控制投资，结构设计应简化，混行条件下，应适当提高扣件刚度，增强绝缘性能。

在频繁列车荷载作用下，过大的钢轨垂向和横向位移会对相邻路面结构造成开裂破坏。参照国外经验，在50 Hz的条件下，要求钢轨垂向位移控制在1.2～1.5 mm。采用有限元方法分析位移与扣件静刚度关系，为达到预期位移控制目标，扣件静刚度应在156 kN/mm及以上，结构设计方面采用弹片或扣板式最优，见图2[8]。例如潘德罗有轨电车用Nabla扣件，属于刚性扣件，其设计静刚度为35 MN/mm以上。

图2 有限元分析钢轨位移和扣件示意

按EN13146—5《铁路设施.路轨.紧固系统试验方法.第5部分:电阻测定》方法，测试钢轨对地电阻，要求不低于15 Ω·km，但目前扣件很难达到。采取全封闭的防护罩、高分子材料及柔性材料等措施，以Nabla扣件为例，其测试对地电阻可达到22 Ω·km以上。

早期有轨电车轨道结构全寿命基本在10年左右，低于与同期实施的路面寿命，维修更换也十分困难。为了解决此问题，用连续弹性材料全封闭包裹走行钢轨，与路面结构铺装层隔离，实现可维修性，也具有良好的绝缘性能，这样就可以少用或甚至不用扣件。该系统国外最早在20世纪90年代初期应用，运营至今状态良好，同时优化了包裹材料性能，预期使用年限可达到20～30年，此项技术将会是今后发展趋势之一，见图3。

图3 连续弹性全密封件结构

4.3 道岔结构

有轨电车旅行速度低，道岔以小号码道岔为主，国内常用3号、6号道岔。其中，6号系列道岔采用槽形轨，3号系列道岔采用50 kg/m钢轨，道岔全长L、前长a、后长b、导曲线半径R、直向通过速度V直、侧向通过速度V侧、辙叉角，详见表1。

表1 有轨电车主要道岔型式尺寸参数

我国铁路道岔设计实行标准化管理，实现通用化、系列化，以降低成本。国外有轨电车主要有4、6、7、9号4个道岔号数系列，均可与59R1、59R2、60R1、60R2槽形轨配套，可根据客户曲线半径、辙叉角灵活设计。有轨电车系统需结合既有城市道路周边环境，实现不同跨路口自由转换功能，常用的菱形交叉、三开道岔、直角交叉等特殊道岔，见图4[9]。车场线采用梯形道岔，其转辙器首尾相连，辙叉公用，可大大节约占地。

图4 菱形交叉、三开道岔、直角交叉道岔

国内最早大连现代有轨电车设计Ri60槽形轨6号道岔，其转辙器、辙叉均采用高锰钢整铸，尖轨设置1个牵引点，设计动程为50 mm，铺设弹条Ⅰ型扣件，适用于有缝线路。为提高列车的平顺性，以及道岔耐磨性，目前现代有轨电车轨道系统均铺设跨区间无缝线路，槽形轨配套道岔仍需国外引进。该道岔采用合金材质，设置一个牵引点，弹性可弯结构，道岔内均焊接，每隔1 500 mm左右设置1处拉连杆，以确保其几何形位，可不设置岔枕，见图5。

图5 道岔及道床支承结构

4.4 道床结构

道床结构设计承载力即要满足轮重≮12.5 t要求，又应达到《公路工程技术标准》(JTG B01—2003)中的二级标准。整体道床结构由下部基础，中间道床结构，上部铺装层3部分组成，其中基础及铺装按公路相关规范和标准设计，中间道床设计执行铁路相关规范。结合城市周边景观要求和路权不同，铺装材料有绿化、盆栽、沥青混凝土、砖铺面等形式。

有轨电车整体道床铺装层与槽形轨结合面，极易产生裂纹被破坏，维修十分困难，见图6。列车频繁冲击位移是原因之一，另外还与道床结构温度梯度效应相关。钢轨和混凝土材料的线膨胀系数非常接近，但路表面温度高于轨底温度，参照国外资料，表面温度可达270华氏度，轨底温度仅为86华氏度，这种温度梯度易造成温度翘曲疲劳伤损[10]。

图6 有轨电车道床结构破坏

为预防钢轨垂向和横向位移会对相邻路面结构造成开裂破坏，建议在槽形轨设置缓冲隔离，另外为便于维修更换，铺装层可采用预制结构，见图7。道床设计轨道结构高度为500 mm，槽形轨两侧均用柔性材料全封闭包裹，下部基础均按《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)设计，中间道床铺设整体道床，铺装层则采用预制结构。

图7 铺装整体道床结构横断面

4.5 减振降噪技术

早期的有轨电车被淘汰主要原因之一车辆振动噪声对周围环境影响较大，对路面破坏很严重。参照国外的经验，在槽形轨两侧包裹不同柔性材料是减振降噪有效方式之一，见图8。槽形轨包裹有阻尼损失系数的弹性体结构，可增大钢轨振动衰减率，缩短振动波沿钢轨的传播长度，减少钢轨振动，降低了噪声辐射能量，特别对400 Hz以上的中高频段效果更优[11]。

图8 槽形轨用不同柔性材料

5 结语

我国有轨电车发展很早，但技术发展比较缓慢，相关的规范和标准不完善。国铁或地铁设计规范和标准不能直接引用，还应参照一些公路规范的要求。轨道作为一个系统，具有系列化、标准化、通用化的特点。随着各城市现代有轨电车项目建设的发展和路网增多，标准化对规范设计、最大程度实现资源共享、提高综合效率、同时降低管理成本具有重要意义。因此，通过对国内外有轨电车关键技术分析，结合国内外设计理念，加快自主设计，推行标准化，以适应当今城市轨道交通发展的需求。

[1]沈景炎.对现代有轨电车建设与发展的思考[J].交通与运输，2013(5)：1-3.

[2]姚之浩.国外有轨电车交通的发展与启示[J].上海城市规划，2010(6)：69-72.

[3]上海城市建设设计研究院.苏州高新区有轨电车1号线工程可行性研究报告[R].上海：上海城市建设设计研究院，2011.

[4]郝晨琦.关于公路的超高及其过渡段的设计应用[J].科学之友，2010(6)：1-3.

[5]苗彦英.低地板有轨电车车辆技术特征[J].城市轨道交通研究，2013(4)：39-43.

[6]北京城建设计研究总院.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国计划出版社，2013.

[7]王宏伟，等.沈阳市浑南新区现代有轨电车工程特点[J].都市快轨交通，2013(5)：10-14.

[8]许绍辉，等.加载频率对高速铁路无砟轨道扣件弹性垫层刚度影响的试验研究[J].铁道建筑，2014(4)：115-116.

[9]蒋昕.城市轨道交通用60 kg/m钢轨9号对称三开道岔的设计[J].铁道标准设计，2013(8):41-42.

[10]王森荣.无砟轨道板温度测量与温度应力分析[J].铁道工程学报，2009(2)：52-54.

[11]曾钦娥，等.阻尼钢轨的降噪性能试验[J].声学技术，2012，31(1)：98-100.

收稿日期：2014-11-10； 修回日期：2014-12-02

Analysis of Key technologies in Modern Tram System Track Engineering

DING Jing-bo

(Rail Engineering Design & Research Institute, China Railway Engineering Consulting Group Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Many domestic cities plan to construct modern tram system project equipped with modern low floor vehicles characteristic of novelty, comfort and small turning radius. Track engineering is taken as the most important part of the tram system, which bears vehicle load and guides the vehicle operation. This paper focuses on tram system characteristics, addresses the differences in key main technical standards, and analyses the problems related to such key technologies as rails type, fastener, switch, track bed structure and vibration reduction with reference to current domestic and international tramway projects, and puts forward some design concepts and suggestions. Especially, the difficulties in modern tram maintenance and the problems of vibration and noise are discussed and optimization of design concepts is presented.

Modern tram; Track engineering; Vibration and noise reduction

2014-11-24；

2014-12-21

丁静波(1979—)，男，高级工程师，2002年毕业于西南交通

大学土木工程学院，工学学士，E-mail:dingjbo@163.com。

1004-2954(2015)08-0022-04

U239.5； U213.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.08.005