北京轨道交通新机场线轨道系统设计综述

张东风 王 进 刘 玮

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068)

1 概述

北京轨道交通新机场线一期工程(以下简称新机场线)已于2019年9月28日正式开通运营。新机场线一期线路全长41.36 km，其中地下线和U形结构段长23.65 km，高架线和路基段长17.71 km，是国内首条时速160 km的城市轨道交通线路，全线设草桥站、大兴新城站和大兴国际机场站，从草桥到大兴国际机场用时仅需19 min，被喻为“国门线”。新机场线是北京城市轨道交通重点工程，具有列车轴重大、速度高、通过地段地物复杂多样等特点。

新机场线设计速度为160 km/h，既有城市轨道交通中采用的轨道系统结构形式及技术标准[1]已无法满足新机场线高速行车的需求，设计中面临许多新问题，需借鉴城际铁路及高速铁路中的成熟经验。通过创新性设计，有针对性地提出了诸多新型结构，成功解决了高速度下的轨道结构稳定性、平顺性等设计问题，为今后城市轨道交通市域快线及市郊铁路轨道系统设计提供了新思路。

2 创新设计思路

新机场线设计速度为160 km/h，超越了地铁设计规范的速度范畴[2]。同时，本工程建设工期十分紧张，给轨道系统设计提出了新的挑战。为了缩短工程周期和结构设计时间，宜借鉴或考虑技术相对成熟的产品。其次，当列车高速运行时，必须使线下基础的变形量较以往更小，以降低基础变形引起的轨面不平顺。因此，在整体道床铺设前，需对路基、桥梁的工后沉降和变形以及其他道路交通引起的线下基础沉降变形[3]等进行评估。国内外大量研究成果表明，更高的运营速度对于周边环境及邻近建筑物也会造成更为不利的影响[4]，严重情况下甚至会引起邻近建筑物室内振动[5]及二次噪声超限[6]。通过设计思路创新，完成了新机场线轨道结构的全新设计，创新设计思路主要归纳为以下4个方面。

2.1 “城际+地铁”新标准

新机场线是国内首条时速160 km的城市轨道交通线路，采用市域车(轴重不大于17t)、8辆编组，采用AC25kV接触网供电，超越传统城市轨道交通设计的速度范畴，原有的城市轨道交通轨道系统设计体系及标准已不适应160 km/h的设计速度(160 km/h的设计速度对轨道系统的铺设精度、平顺性要求更高)。因此，结合自身特点对轨道系统进行了设计升级，积极引进、吸收高铁及城际铁路的成熟先进技术，创造性地采用了“城际+地铁”相结合的新标准。

2.2 特殊地段创新设计

新机场线的隧道、桥梁及路基结构断面与国铁不同，轨道道床结构设计不能照搬国铁的标准道床。因此，对道床结构进行了多样化设计，如新机场线高架段含共构区间，轨道结构高度受限，双线桥中心需要设置疏散平台，高架段道床需要特殊设计；针对新机场线工期紧张、沉降观测难以保证等困难，在沉降危险性区域设计了特殊板式整体道床，预留沉降调整量；因土建工期、降水、冻结施工风险等诸多因素，新机场线有6处联络通道处无法设置废水泵房，需要采用内置泵房技术。为此，在内置泵房地段设计了板式道床结构。

2.3 沉降观测与评估工作

国内普通城市轨道交通线路很少做基础沉降评估工作。新机场线线下基础多样，包含隧道、U形结构、路基、桥梁，且本工程南段路基及U形结构地段正好位于沉降危险区域。为保证本工程正线整体道床的铺设精度[7]，满足列车平稳、舒适的运行要求，减少运营期的养护维修工作量，从总体设计阶段就提出应参照国铁高速及城际铁路建设标准开展沉降变形观测与评估工作。

2.4 国铁技术消化吸收再创新

充分借鉴国内高铁、城际铁路的先进技术及工艺，将有挡肩扣件、双块式轨枕、隔离式减振垫浮置板等先进技术进行消化吸收并优化创新后，应用到本工程轨道设计中。

3 轨道系统设计概况及创新点

3.1 设计概况

新机场线正线为1 435 mm标准轨距，设置1：40轨底坡(或轨顶坡，含岔区)，一次性铺设跨区间无缝线路。正线采用60 kg/m U75V热轧钢轨，WJ-8B型有挡肩扣件及配套小阻力扣件，SK-Ⅱ型双块式轨枕，60 kg/m钢轨12号单开道岔及配套交叉渡线。一般地段采用双块式整体道床，沉降危险区域采用预制板式整体道床，有减振需求地段采用隔离式减振垫浮置板轨道。

车场线采用50 kg/m U71Mn钢轨，弹条Ⅰ型扣件，50 kg/m钢轨9号单开道岔及交叉渡线；试车线采用60 kg/m钢轨9号单开道岔。库外线采用碎石道床，有缝线路；库内线采用整体道床，无缝线路。

3.2 设计创新点

(1)特殊地段道床结构设计

在新机场线轨道结构设计过程中，主要面临以下三方面较为特殊的情况：

部分线路穿越沉降危险性较大的区域，对新机场线后期运营及维护造成不利影响。

受土建工期、降水、冻结施工等诸多因素的影响，新机场线需要采用内置泵房技术，对内置泵房地段的轨道结构设计提出了新挑战。

相较于高速及城际铁路，城市轨道交通桥梁结构刚度较小，需要对既有双块式轨道结构进行对应优化。

针对以上存在的三方面问题，分别提出了对应的设计方案。

①新型轨道板

新机场线南段路基段及U形结构地段正好位于地质沉降危险性区域，为应对日后调整，设计了新型预应力轨道板(如图1～图3所示)，一旦发生沉降致使结构破坏或轨道变形较大影响运行安全时，可以更方便地采取补救措施。该轨道板采用新型限位结构，适用性强，可满足不同地段的铺设要求；同时，该轨道板具有较大的调整量，特别适用于差异沉降地段，可维修性好。

图1 地下线用轨道板

图2 U形结构用轨道板

② 制板式整体道床

新机场线有6处联络通道采用内置泵房。结合宁波、天津等地类似工程设计经验，首次在本工程设计了预制板式整体道床(如图4所示)，既方便水泵的安装和管线的布设，又大大提高了轨道结构的整体性和耐久性，提高了轨道铺设精度和质量；在集水坑四周设置不锈钢防水钢槽，提高了防水处理效果，同时为水泵提供了安装基础，避免了水泵安装对轨道结构的损伤；在集水坑上方设置盖板，既可充当疏散通道，又将集水坑与钢轨、扣件等金属部件隔离开来，降低了水气对金属部件的腐蚀，减少了运营的养护维修工作量。

图3 路基段用轨道板

图4 预制板式内置泵房

③高架段双块式整体道床结构体系

新机场线的高架段全部采用双块式整体道床。按照高铁及城际铁路高架线的设计经验，应采用“道床层”+“底座层”的双层结构体系，该轨道结构高度为725 mm，二期恒载约为45 kN/m。然而，城市轨道交通高架线的桥梁结构承载能力较弱，照搬高铁及城际铁路的道床结构设计则会引起桥梁结构荷载超限，且本工程高架段含共构区间，轨道结构高度也受限。

借鉴城市轨道交通高架线纵向承轨台的设计理念，将双层结构体系优化为单层结构体系，取消了底座层，改为通过桥面植筋将单层道床板固定于桥梁之上。优化后的轨道结构高度仅为600 mm，二期恒载降低为25 kN/m，减少了施工工序，缩短了施工工期，降低了造价，更加符合城市轨道交通的建设特点(如图5、图6所示)。

图5 高架线共构段双块式轨枕

图6 高架线非共构段双块式轨枕

(2)新型道岔设计

道岔是制约列车运行速度的关键设备[8]，同时，在轨道建设初期，道岔投资占比较大，运营后的养护维修费用通常也远高于区间其他设备。因此，必须充分考虑新机场线的使用条件与特点，对道岔进行选型与设计。

①时速160 km新型12号道岔设计

为了满足新机场线工程建设的需要，设计了新型12号单开道岔(如图7所示)及5.3 m、6.7 m间距交叉渡线(如图8所示)，并首次在岔区全范围内设置了轨底坡或轨顶坡，实现了交叉渡线的刚度均匀化及整体低刚度，提高了列车经过岔区时的平稳性和旅客的乘座舒适度；首次将镶嵌翼轨式合金钢组合辙叉应用于城市轨道交通，提高了辙叉使用寿命，减小了养护维修量。

图7 60 kg/m钢轨12号单开道岔(时速160 km)

图8 60 kg/m钢轨12号道岔5.3 m间距交叉渡线(时速160 km)

②车场线用新型9号道岔的设计

新机场线车辆段建设标准参照国铁动车所，车场线采用了9号道岔。目前，国铁既有的9号道岔为活接头式结构，容易产生病害且难以整治，工务部门强烈反对采用活接头结构的道岔。为此，设计了车场线用新型50 kg/m钢轨9号单开道岔(如图9所示)。该道岔采用弹性可弯式尖轨，彻底解决了活接头病害问题。

图9 50 kg/m钢轨9号单开道岔(时速100 km)

(3)新型库内线高等级扣件设计

车辆段内一般行车速度较低，在以往设计中，车辆段内行车引起的上盖建筑物振动及噪声问题并未引起足够重视。在以往设计中，车辆段通常不设置轨道减振措施[9]。随着大批车辆段投入使用，车辆段引起的上盖建筑物室内振动及噪声超限问题日益严重，严重影响了上部物业开发[10]。因此，应采取结构减振降噪措施[11]或在建筑物中设置减振隔振结构[12]。新机场线的磁各庄车辆段日后要进行上盖物业开发，需要采取轨道减振措施。根据减振需求，设计了库内线轨道专用高等级减振扣件(如图10所示)，可有效降低列车进出库时的振动[16-17]，为后续上盖物业开发提供了有利条件。

图10 减振扣件

4 基于轨面平顺性控制的成套技术方案

随着列车运行速度的不断提高，轨面的平顺性对于列车运行的安全性、平稳性起着最为关键的作用[13]。对于高速铁路及城际铁路而言，轨面平顺性控制在设计阶段、施工阶段、运营阶段均有着明确的控制措施及控制精度指标，形成了较为完整的轨面平顺性控制技术体系[14]。对于城市轨道交通而言，受投资成本、施工作业方式等因素影响，其轨面平顺性通常很难达到高铁及城际铁路的控制精度及标准。

新机场线设计速度远高于传统城市轨道交通线路，必须结合新机场线的特点，在设计阶段就提出适用于更高速度的城市轨道交通轨面平顺性控制方法。在高精度整体道床设计基础上，进一步从轨道基础控制网(CPⅢ网)、钢轨预打磨及后期动态检测三个角度丰富轨面平顺性控制体系，完成了贯穿设计、施工铺设、开通、运营全阶段的轨面平顺性控制成套技术，大大提高了新机场线的轨面控制精度[15]，从而为保证新机场线运营的安全及平稳舒适奠定了坚实的基础。

4.1 轨道基础控制网

轨道基础控制网是高铁轨道精密定位的基础控制网，将轨道基础控制网(CPⅢ网)引入城市轨道交通建设中，并结合城市轨道交通的特点进行优化改进，实现城市轨道交通的精密施工定位，提高轨道的平顺性，进而改善地铁运营过程中的振动、噪声等问题，提高乘客乘坐的舒适度，延长设备使用寿命，为施工和运营维护提供高精度的统一控制基准。

新机场线设计速度高，这就对轨道的平顺性提出了更高的要求。通过多条城市轨道交通的实践检验，轨道基础控制网(CPⅢ)配合轨道检测仪的使用可以大幅度提高轨道的平顺性。为确保铺轨精度，施工单位必须依据轨道基础控制网进行铺轨作业，同时建议开展CPⅢ控制网的测量咨询评估(含抽检测量)工作。

4.2 钢轨预打磨

建议线路开通前就对钢轨进行预打磨，以改善轮轨接触关系，延长轮轨使用寿命。

4.3 动态综合检测

目前，我国高速、城际铁路正式开通前普遍采用动态检测，一方面验证相关系统的主要功能是否符合相关技术标准要求，另一方面测试列车的运行稳定性是否满足相应要求。

建议新机场线正式通车前进行动态综合检测。检测内容主要分为动态检测、理论分析等[18]。轨道系统涉及的内容包括轨道刚度、钢轨磨耗状态、轨道振动加速度、轨道动位移、轮轨力等测试工作。

基于轨面平顺性控制的成套技术方案得到业主的认可并已在本工程中实施。