南京地铁车辆段轨道技术综述
2011-05-19 17:25
南京地铁车辆段轨道技术综述
【摘 要】介绍南京地铁车辆段的轨道方案,从养护维修角度,分析车辆段内的扣件类型,推荐碎石道床采用ω型弹条扣件、整体道床采用е型弹条扣件。探讨培训线设置的目的和原则,以及不同类型库外平交道口、库内线车挡方案;针对车辆段物业开发需求,研究适宜的减振轨道结构。
【关键词】城市轨道交通 南京地铁 车辆段 轨道 扣件
1、工程概况
南京地铁目前的车辆段(停车场)有1号线一期工程的小行车辆段(已运营)、2号线一期工程的马群车辆段及油坊桥停车场(已竣工即将运营)、1号线南延线工程的小行车辆段(续建、已竣工即将运营)及大学城停车场(在建)。
上述车辆段(停车场)均采用出入线与正线连接,除大学城停车场为全高架形式外,其余均为地面形式。在马群及小行车辆段内设有试车线,前者为全地面线,后者有地面、地下线两种形式。马群车辆段在定、临修库北侧设置一组教学用60 kg/m钢轨9号单开道岔。上述工程均采用A型车,车辆最大轴重为16 t,最高运行速度为80 km/h,采用DC 1 500V架空接触网受电方式。
早期的小行车辆段轨道工程已历经3年多的运营检验,至今状态良好,为地铁列车运营提供了安全、平稳、少维修的走行基础。近期修建的车辆段(停车场)轨道工程,在继承既有成熟技术的基础上,通过吸收国内外先进技术,在轨道设备免维护化、标准化及系列化、环保等方面进行了诸多优化改进,很好地满足了南京地铁网络化发展的要求。
2、轨道结构及探讨
2.1 钢轨
钢轨方案执行GB 50157—2003《地铁设计规范》中的有关要求,即出入线及试车线均采用与正线一致的PD3、60 kg/m钢轨,其余库内、外线均采用U71Mn、50 kg/m钢轨, 60 kg/m与50 kg/m钢轨的连接采用60 50异形轨过渡。
2.2 扣件及道床
2.2.1 结构方案
南京地铁车辆段(停车场)各地段的扣件及道床类型见表1。
上述扣件方案中,库外线碎石道床采用有螺栓弹条扣件,轨面标高的调整可通过调高扣件实现,从而无需进行抬道作业,很好地满足了碎石道床的养护维修要求。为方便施工及养护维修、减少轨道结构类型,铺设60 kg/m钢轨的出入线、试车线地段,其扣件及道床类型均与正线一致。
2.2.2 库内线扣件比较
南京地铁车辆段库外线碎石道床采用有螺栓弹条扣件,从统一扣件类型、减少轨道备品备件种类的角度,库内线也采用有螺栓弹条扣件(或ω型弹条扣件,见图1),其弹条与库外线的一致。
根据小行车辆段的运营经验,由于库内线整体道床的稳定性好、扣件一般无需进行调高作业,因此建议库内线采用无螺栓弹条扣件(或е型弹条扣件,见图2)。
相对有螺栓扣件而言,无螺栓弹条扣件的优点是:扣压力均匀稳定,轨道弹性连续;零部件少、施工简便、造价低;结构简单可靠,无需定期涂油和人工紧固螺栓,基本“零”维护量。这也是地铁轨道低维护量的要求和发展趋势。另外,库内线扣件可采用与正线扣件一致的弹条,以减少备品备件的种类。
2.2.3 库外线扣件优化
由于道岔区外的地段长度较短,从轨道结构“弹性连续”的角度,同时为减少扣件及轨枕的频繁过渡,库外线扣件及轨枕的类型一般与库外道岔区一致。南京地铁车辆段库外线道岔,早期采用木岔枕结构,道岔区外普通地段的轨枕也采用木枕,但木枕扣件的稳定性相对较差、养护维修工作量也较大,因此,在后期的工程建设中,明确提出库外线轨枕应采用混凝土枕的设计要求。
设计单位在后期的工程设计中,将库外线50 kg/m钢轨7号道岔的岔枕优化为预应力混凝土岔枕结构,并在小行车辆段(续建)一次试铺成功,从而基本实现了库外线全部混凝土枕化的目标,优点是:与木枕相比,采用预应力混凝土枕可节约大量优质木材资源,体现环保和“绿色地铁”的理念。可延长轨枕的使用寿命,提高线路的稳定性,减少养护维修工作量。
2.3 道岔及优化
国内地铁库外线道岔一般采用50 kg/m钢轨7号单开道岔和50 kg/m钢轨7号道岔5m间距交叉渡线;试车线道岔采用与正线一致的60 kg/m钢轨9号单开道岔结构,以方便养护维修。国内库外线道岔早期未采用预应力混凝土枕道岔(如小行车辆段),主要是因为道岔结构不统一、批量小,岔枕生产模具费较高。
南京地铁同期建设工程多(2个车辆段和2个停车场)、道岔结构完全一致、岔枕使用批量较大,完全有条件实现批量生产,故将传统的木岔枕设计方案优化为预应力混凝土长岔枕:采用了国铁定型岔枕断面,可以直接利用国铁岔枕的现成钢模,从而降低了岔枕的造价;根据道岔平面布置图及南京地铁道岔群的布置特点,确定岔枕及长度模数配置;严格控制新产品研发程序及标准,预应力混凝土岔枕依次进行了试件试制、试验室静载及200万次疲劳试验、厂内组装试铺。
厂内试铺合格后,在小行车辆段(续建)进行了现场成组道岔的组装试铺,并且一次铺设成功,道岔各部位几何尺寸及状态完全满足设计要求。50 kg/m钢轨7号道岔预应力混凝土岔枕在国内首次成功铺设,不仅降低了车辆段道岔群的铺设难度,提高了施工质量和速度,同时极大地降低了养护维修工作量和难度,大大提高了南京地铁轨道技术水平。另外,混凝土岔枕道岔的结构和前期木枕道岔的基本一致,从而方便以后的维修更换。
2.4 车挡及优化
南京地铁库外线采用固定框架式车挡,试车线均采用与正线一致的缓冲滑动式车挡。对于库内线车挡,南京地铁早期的小行车辆段采用了国内地铁常用的月牙式车挡,见图3(a)。主要通过设置在线路尽端的月牙形结构阻挡车轮滑过钢轨端头,从而达到挡车的目的,适用于库内车速极低的情况。这种车挡结构简单,体积小巧,占用库内空间小,价格低。但南京地铁车辆车轮前部设有车载信号设备,一旦发生碰撞,月牙式车挡将首先撞击车载信号设备,最后才撞击车轮。因此,该类型车挡不宜在南京地铁后续工程中采用。
国外很多地铁采用图3(b)、(c)所示撞击车钩式的固定车挡或固定液压车挡,在库内低速情况下,即使发生意外撞击,对车辆的损坏程度也会很轻。但这两种车挡的体积都较大,排列在库内线路尽端的横通道上不太美观,且会妨碍车辆维修人员出入检查坑。
针对南京地铁工况,后续工程采用了国内开发的一种全新的摩擦式车挡,见图3(d)。这种车挡在轨面以上部分的高度为150mm,车轮挡在车辆车轮的冲击下可以向后滑移。
假设车轮轴重为Q,车轮受到的制动力F等于摩擦块滑移的阻力Fm,则当Fy<Qx时(其中y为车轮轴心与摩擦式车挡顶部的高差、x为车轮轴心与摩擦式车挡顶部的水平距离),车轮将不会越过车挡,并推动车挡滑移,直至停住。按行驶速度3 km/h的6辆空载编组列车计算,这种车挡的滑移距离约1.5m,需占用线路长度2~2.4m。
摩擦式车挡既具有月牙式车挡体积小巧等优点,又可避免在意外撞击时对车载设备造成损坏,彻底解决了库内线终端车挡的设置与车载信号设备或库内场地的合理利用之间的矛盾。
2.5 库外平交道口及优化
2.5.1 道口类型
目前,国内地铁车辆基地库外平交道口主要有以下3种类型:预制混凝土板道口、现浇混凝土整体道口、橡胶道口,见图4。
1)预制混凝土板道口。传统的预制混凝土板道口主要有甲、乙、丙3种,采用不同规格的预制混凝土板直接铺设在平交道口的碎石道床轨枕上部,顶部与轨面平齐,道口板与钢轨踏面之间设护轨轮缘槽。
2)现浇混凝土整体道口。该类型道口是采用钢筋混凝土或沥青混凝土铺设的平交道口。钢轨两侧的一定范围内可采用沥青混凝土填充,留出轮缘槽,与库门口内横通道连成一体。下部轨道结构采用与库内一致的整体道床,强度及稳定性较高,能够有效防止道口混凝土发生破坏,且耐久、实用。
3)橡胶道口。作为新型的道口类型,它采用橡胶道口板替代传统的钢筋混凝土道口板,可根据所采用的轨枕类型进行加工,具有重量轻、整体性好、美观耐用等特点。由于橡胶道口地段仍可采用碎石道床结构,因此对基础处理要求较低,特别适用于库前施工场地小、无法利用大型机械作业及地基基础处理较为困难的工况。
2.5.2 南京地铁道口方案
南京地铁早期的小行车辆段库外道口采用了甲式预制混凝土板道口,这种道口造价便宜,但混凝土道口板在车辆碾压下,容易发生碎裂、塌陷,从而影响使用,且美观效果较差。
根据小行车辆段预制混凝土板道口的使用经验,在后续新建的马群车辆段及油坊桥停车场采用了新型的橡胶道口。该类型道口结构简单、美观,虽然初期投资比混凝土道口板稍高,但其经久耐用,寿命长,基本免维护。在小行车辆段续建工程中,为了与一期工程道口协调统一,同时结合早期工程甲式预制混凝土板道口的使用经验,采用了稳定性较好的乙式预制混凝土板道口方案。而对于高架式大学城停车场的平交道口,由于其直接利用梁面作为基础面,无需进行特殊的加固处理,因此,采用了费用较低、自重较轻、整齐美观、耐用性好的现浇沥青混凝土平交道口。
2.5.3 道口选型原则
根据上述各类型道口的分析,道口的选型原则为:对于汽车往来频繁、基础处理较为困难的道口,采用橡胶道口;对于地基基础较好的道口,采用现浇混凝土整体道口,同时需做好道口的排水处理,以防止混凝土沉陷开裂;对于基本无汽车往来的道口,采用乙式预制混凝土板道口。
2.6 培训线设置
2.6.1 培训线设置的必要性
为帮助养护维修人员尽快熟悉各类设备、掌握并考核实际操作技能,宜结合实物进行现场技术教育和培训。
由于地铁晚间停运且停运时间短、安全性要求高,一般不允许在正线线路上进行相关的实际操作技能培训,因此宜在车辆基地设置培训线。
2.6.2 国内地铁培训线设置情况
现行GB 50157—2003《地铁设计规范》中没有明确培训线的设置及标准等有关要求。车辆基地内的培训中心,也仅是要求“培训中心应设教室、实验室、图书室、阅览室和教职员工办公和生活用房,以及必要的教学设备和配套设施”。由于上述原因,国内各城市地铁车辆基地培训线的设置情况不尽相同,目前国内地铁培训线的设置情况如下:
1)北京地铁。在回龙观车辆段单独铺设各类型道岔(不含信号联锁设备等),供工务员工培训及考核用。
2)苏州地铁。1号线天平车辆段吹扫线兼做练兵线,供工务、供电、信号等专业培训使用。该培训线全长269.3m,与车辆段内道岔相接,采用50 kg/m钢轨,其中在线路终点设置1组与正线一致的60 kg/m钢轨9号道岔,安装信号联锁设备,道岔用异型轨与50 kg/m钢轨线路连接,线路上配置培训用各种接触网悬挂结构。
3)深圳地铁。在1号线竹子林车辆段设置综合培训线,主要是供工务、信号等专业培训使用。该培训线全长79.345m,采用60 kg/m钢轨,采用与试车线一致的60 kg/m钢轨9号道岔。线路端部一端设乙式竖壁车挡,另一端设缓冲滑动式车挡。
4)上海地铁。上海地铁筹备在龙阳路停车场设置独立的综合培训基地,供各专业运营人员技术培训使用。
2.6.3 南京地铁培训线设置情况
南京地铁依据运营单位的培训需求,结合车辆段的站场工艺布置,采取了分散设置培训线的方式。
在马群车辆段单独设置一组教学道岔(道岔直接关系行车安全,单独设置可避免培训误操作对正常运营的不利影响),供信号、工务部门的日常培训;统筹安排车辆试车计划,将车辆段内与正线标准一致的试车线兼作为正线各类型轨道设备的培训场地,而将与试车线相连的回转线作为车辆段各类型轨道设备的培训场地。
通过采取上述方式,既满足了运营部门的培训需求,又最大限度地提高了既有场线的利用率,技术经济性最佳。
2.7 车辆段轨道减振措施
2.7.1 减振要求
为了合理高效地利用土地资源,借鉴香港地铁物业开发的成功经验(利用车辆段进行住宅等物业开发创造了较好的经济效益),国内除南京地铁大学城停车场外,深圳、杭州、上海、成都等城市地铁均利用车辆段进行上盖物业开发。上盖物业利用车辆段大库结构作为上层建筑(住宅及商业)的基础,为减少地铁运营所产生的振动和噪声对其影响,车辆段设计需要采取相应的减振降噪措施,以满足规范中的有关标准。
目前,国内尚无针对车辆段上盖物业的振动及噪声标准,按照以人为本的服务理念,根据“达标、经济”的原则,推荐采用如下振动及噪声标准:
1)噪声限值标准。参照现行GB 50157—2003《地铁设计规范》中的要求,地铁运营在物业平台上住宅楼处产生的噪声限值采用GB 3096—2008《声环境质量标准》中的2类声环境功能区(即指以商业金融、集市贸易为主要功能,或者居住、商业、工业混杂,需要维护住宅安静的区域)标准,昼夜噪声限值为60/50 dB(A)。
2)振动限值标准。参照JGJ/T170—2009《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》中相关规定,二次结构噪声限值推荐采用2类区(即“居住、商业混合区,商业中心区”)标准,昼夜振动限值为75/72 dB。
3)二次结构噪声限值标准。参照《城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准》中相关规定,二次结构噪声限值推荐采用2类区(即“居住、商业混合区,商业中心区”)标准,昼夜噪声限值为41/38 dB(A)。
2.7.2 减振降噪措施
要实现上述目标,需各专业共同采取措施进行综合治理。针对振动及噪声源、传播路径,采取减振、隔振及降噪处理,使列车在运行中产生的振动及噪声影响得到有效控制。
大学城停车场采取的轨道减振降噪措施是:库内线钢轨接头采用减振接头夹板,减少接头冲击,减少振动及噪声源;库外线采用减振效果良好的碎石道床结构,必要时采用道砟垫;库内线整体道床地段,采用减振性能良好的高弹性减振垫板;在库外线咽喉区及曲线两端设置钢轨涂油器,可有效降低轮轨噪声;运营期间对轨道进行经常性的养护维修,保持其良好状态;对轨顶进行打磨,使轨面平顺,轮轨接触良好,减少振动和噪声。另外,停车场大库结构设计也需采取措施控制振动的传播,如库内柱子不与库内硬化地面进行刚性连接,在柱四周设置宽约20mm的隔振缝,在缝隙内填充沥青等阻尼材料,以减少振动的传播。
3、结语
南京地铁车辆段(停车场)结合运营单位的反馈意见及需求,通过吸收国内外先进技术,在轨道技术方面进行了诸多优化改进,很好地满足了南京地铁网络化运营发展的要求。
本文同时根据南京地铁车辆段的建设及运营经验,提出了一系列的轨道结构建议方案,如库内整体道床采用无螺栓弹条扣件、根据运营培训需求灵活设置培训线、库外平交道口的选型原则、库内线车挡方案、物业开发车辆段的减振轨道结构。可为以后同类工程的设计施工提供可借鉴的经验。
参考文献
[1] GB 50299—1999地下铁道工程施工及验收规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[2] GB 50157—2003地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社,2003.
[3] JGJ/T170—2009城市轨道交通引起建筑物振动与二次辐射噪声限值及其测量方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[4] GB 3096—2008声环境质量标准[S].环境保护部国家质量监督检验检疫总局,2008.
[5] HJ 453—2008环境影响评价技术导则[S].环境保护部,2008.
[6]吴建忠,李腾万,李湘久.城市轨道交通钢轨扣件的研究与设计[J].都市快轨交通,2005,18(3):50 53.
