城市轨道交通轨道系统可持续发展设计理念探讨

江万红，姚 力，庞 玲

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031 )

城市轨道交通轨道系统可持续发展设计理念探讨

江万红，姚 力，庞 玲

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031 )

轨道系统是城市轨道交通系统的一个重要组成部分。通过归纳与总结，概括出了轨道系统的可持续发展设计理念：设法延长轨道部件寿命，努力提高行车舒适性，合理开展轨道减振降噪设计，尽量提高列车运行速度。同时，从轨道系统的设计现状出发，探讨了实现城市轨道交通轨道系统可持续发展的思路和措施。

轨道系统； 可持续发展； 设计理念； 思路； 措施

作为城市轨道交通系统的一个重要组成部分，轨道系统设计应该满足可持续发展的相关要求。本文基于轨道系统的可持续发展设计理念，通过归纳和总结近年来国家高速与重载铁路轨道结构采用的新技术、新工艺，探讨将其应用于城市轨道交通建设的可行性。

1 轨道系统的可持续发展设计理念

从结构组成来讲，轨道系统包括钢轨、扣件、轨枕、道床、道岔以及无缝线路与减振降噪设计。

轨道系统的可持续发展设计理念应着眼于节约资源与保护环境，同时注重“以人为本”。概括起来，轨道系统的可持续发展设计理念为：设法延长轨道部件寿命，努力提高行车舒适性，合理开展轨道减振降噪设计，尽量提高列车运行速度。

2 延长轨道部件寿命

轨道部件种类繁多，纵观近年来城市轨道交通轨道系统暴露的问题，主要还是集中在钢轨波磨以及道岔尖轨与辙叉剥离掉块上。针对上述问题，通过归纳与总结，本文提出了以下解决思路。

2.1 铺设U75V热轧钢轨

钢轨材质选型需考虑线路条件、磨耗特性及养护维修等诸多因素。目前国内可供选择的常用钢轨材质主要有U71Mn和U75V两种。U71Mn钢轨与U75V钢轨主要技术性能[1]比较见表1。

表1 U71Mn钢轨与U75V钢轨主要性能比较

研究表明，钢轨与车轮的硬度比宜控制在1.1～1.2之间。由表1可知，铺设U75V热轧钢轨是合适方案。从国内地铁运营现状来看，铺设U75V热轧钢轨的思路是正确的，达到相等磨耗时，铺设U75V热轧钢轨较铺设U71Mn热轧钢轨晚2～3年。

2.2 强化道岔尖轨

目前，城市轨道交通道岔尖轨一般采用轧制的矮型特种断面珠光体钢轨，由道岔生产厂经锻、铣、削、热处理等工序加工而成。由于尖轨断面不对称导致热处理困难，强度和硬度都不能满足需要，造成出现不耐磨、剥离掉块等伤损。

国内外为改善尖轨的耐磨性能，主要采用以下两种方式。

2.2.1 改善尖轨材质

轧制贝氏体尖轨替代珠光体尖轨。

2.2.2 改善热处理方式

激光相变处理技术：采用激光相变处理技术对钢轨表面进行强韧化处理。

层流等离子体强化技术：采用层流等离子技术[2]使得轨面加热区形成较宽较深的超细针状马氏体组织，达到仅强化钢轨表层的目的。

由于贝氏体尖轨制造成本高昂，同时激光相变处理所需的激光器成本高、一次性投资大，并不适应大批量生产，因此，本文建议采用层流等离子体技术强化道岔尖轨。

2.3 铺设合金钢组合辙叉

目前，道岔中的辙叉一般采用高锰钢整铸辙叉，由于高锰钢整铸辙叉机械性能较差，同时容易存在铸造缺陷，造成高锰钢整铸辙叉出现疲劳裂纹、心轨磨耗到限和剥离掉块等现象。

为解决辙叉失效问题，可采用合金材料制造心轨。合金钢辙叉[3]心轨采用奥贝氏体耐磨合金材料，抗拉强度≥1240 MPa，延伸率≥8%，室温冲击韧性≥60 J/cm2,硬度HRC37-42，可经锻造成形后机械加工为组合辙叉心轨。翼轨及叉跟轨同样需要采用奥贝氏体耐磨合金材料制作，辙叉心轨与叉跟轨之间采用栓接。

合金钢组合辙叉通过总重可以达到2×108t以上，是普通高锰钢整铸辙叉3-4倍。针对城市轨道交通轨道系统的特点，建议推广使用。

3 提高行车舒适性

提高行车舒适性是城市轨道交通轨道系统设计注重“以人为本”的直接体现，通过借鉴高速铁路的成功建设经验，本文提出了以下解决思路。

3.1 铺设跨区间无缝线路

目前，城市轨道交通基于道岔尖轨更换频繁、高锰钢整铸辙叉可焊性差等因素，基本都是采用区间无缝线路，造成列车过岔时振动强烈，引起旅客评价不高。强化尖轨以及采用高锰钢组合辙叉后，给铺设无缝道岔创造了条件。采用无缝道岔后，轨道系统将实现跨区间无缝线路[4]，对列车振动及噪声将有很大程度的缓解，同时为道岔的寿命延长也是促进。

3.2 道岔刚度均匀化

区间轨道的刚度沿线路纵向呈均匀分布。岔区轨道相对区间线路而言，其结构要复杂得多，使岔区轨道刚度与区间轨道刚度、岔区自身轨道刚度沿线路纵向不再均匀分布，呈现很强的突变性。

道岔刚度均匀化[5]就是针对道岔内部不同部位采用不同扣件刚度使其达到与区间轨道相当的整体刚度。通过优化道岔区刚度设计，并推广铺设，可达到提高车辆过岔舒适性，延长道岔部件的使用寿命，大幅度减少道岔区工务养护维修的目的。

3.3 引入轨道控制网(CPⅢ)

通过分析城市轨道交通轨道施工技术特点，传统基标法轨道测量体系存在诸多不足，如导线测量易造成误差积累、对中误差大等。

为提高轨道结构的平顺性及建成后的养护维修水平，建议将高速铁路无砟轨道建设的轨道控制网(CPⅢ)[6]测量与无砟轨道精调的相关技术引入城市轨道交通，对轨道的几何状态进行精密检测和精确调整。

采用轨道精密测量体系(CPⅢ测量)，可大大提高轨道的初始平顺性，提供更稳定的走行轨道，对减振降噪、减少轮轨磨耗以及提高乘车舒适性效果显著。

4 合理开展轨道减振降噪设计

轨道减振降噪是处理城市轨道交通与环境和谐发展的重要手段之一。合理开展轨道减振降噪设计应包含合理确定减振降噪需求与合理开展减振降噪结构设计。

4.1 合理确定减振降噪需求

关于减振需求，目前一般采用模式法预测工程运营后的环境振动值。关于降噪需求，主要针对高架及地面线路开展预测，很少对地下线轮轨噪声进行预测。本文建议引入振动地图与噪声地图合理确定减振降噪需求。

4.1.1 振动地图

建立综合考虑车辆、轨道、隧道、地基、地面结构物的系统模型进行动力学分析，最终形成沿线条带振动预测图，即振动地图。可计算得出结构物动力学响应，与二次结构噪声。

4.1.2 噪声地图

建立反映某特定区域噪声的地图(噪声地图)意义重大。轮轨噪声通过车辆、轨道、隧道或桥梁耦合模型计算得出，然后通过边界元可计算出声场处某点的声压值。最后叠加上集电系统噪声，空气动力噪声即可形成沿线条带状噪声地图。

通过振动与噪声地图可以给新建铁路的选线、轨道选型以及减振降噪措施的决策等提供指导。

4.2 合理开展轨道减振降噪结构设计

4.2.1 严格控制减振分级

目前，国内城市轨道交通的轨道减振分级无统一规定。减振分级较少时，便于运营管理，但经济性不强。减振分级较多时，减振产品种类繁多，运营管理难度加大。建议严格控制轨道减振分级为三级，即中等、高等及特殊。

4.2.2 合理确定减振系统整体刚度

对于减振效果与轮轨安全在减振系统整体刚度上是一对矛盾体，国内某些轨道交通线路出现了钢轨严重波磨[7]与轨道整体刚度肯定存在必然联系。轨道系统进行减振结构设计时应进行车辆、轨道耦合动力学分析，减振系统刚度确定应避开共振区。除重视减振系统竖向整体刚度外还应强化减振系统横向刚度，横向刚度不足将会导致轨道结构轨距不稳，在小半径地段出现钢轨外翻，严重时引起弹条断裂。

4.2.3 重视轨道降噪处理措施

目前，在城市轨道交通轨道系统的设计过程中对减振的重视程度远远大于降噪，尤其是地下线基本很少考虑噪声污染。由于大量采用低刚度轨道减振措施，造成轮轨下沉量偏大，列车运行于减振地段时，轮轨噪声放大明显。

振动衰减率[8]是一个整体性概念，反映的是振动波在轨道中的传递衰减情况，如果衰减率小，表明振动衰减慢，传递得远，钢轨辐射噪声将会明显。本文建议将轨道振动衰减率的测试引入城市轨道交通的减振降噪设计，以全面评价轨道减振降噪设计是否合理，避免走向仅重视减振需求的极端。

5 尽量提高列车运行速度

目前，国内地铁普遍采用ATC信号系统，具有ATP/ATO功能。当列车在运行过程中触发了紧急制动触发曲线时，列车可能达到的最高速度一般在紧急制动触发速度上会增加约5 km/h，即达到列车最大运行速度为VNE。针对轨道系统，VNE不能大于要求的土建限速。提高轨道系统土建限速主要包含提高曲线限速与道岔侧向限速两方面的内容。

5.1 提高轨道系统曲线限速

5.1.1 建议执行“宁过不欠”的超高设置思路

曲线超高设置过程中，轨道专业首先需要根据行车专业开放的速度时分曲线计算出每个曲线的最大速度与最小速度，二者取平均得到平均速度。建议在平均速度的基础上提高一定的幅值后作为曲线的最终条件计算超高，即执行“宁过不欠”的超高设置，提高幅值可按5～10 mm超高值考虑，针对半径R=400 m曲线，列车运行速度可提高约2 km/h。

5.1.2 合理确定最大容许欠超高值

轨道最大容许欠超高的确定涉及轨道结构安全、行车舒适度及行车稳定性三方面的内容。由轨道结构安全、行车稳定性控制的最大容许欠超高一般较大，考虑到地铁为人性化的载客系统，一般按照舒适度来控制最大容许欠超高(表2)。

表2 相关规范对容许欠超高值的规定 mm

最大容许欠超高分别取61 mm、75 mm、90 mm时，针对半径R=400 m曲线，曲线土建限速分别为78 km/h、81 km/h、84 km/h。目前，轨道系统的土建限速一般都是按照欠超高61 mm取值计算，显得较保守，若采用75 mm取值将提高土建限速3 km/h。

地铁列车车内环境稳定因素应重点考虑，本文建议最大欠超高值采用75 mm较合适。

5.2 提高道岔侧向限速

为保证列车平稳通过道岔，我国建议将离心加速度的容许限度值取为0.5～0.65 m/s2。这一指标建立了速度与道岔导曲线半径的联系。通过总结分析我国道岔的侧向限速情况，9号及以下的道岔一般按照欠超高75 mm确定限速，12号及以上道岔大致按照欠超高90 mm确定限速(表3)。

表3 常用道岔限速情况 km/h

通过上述分析得知，通过改变道岔结构提高侧向过岔速度是有限的，最有效的办法是将有能力需求的道岔采用大号码道岔，当然大号码道岔长度将会增长，但总的折返时间是节省的。

6 结论

本文通过归纳与总结，概括出了轨道系统的可持续发展设计理念。针对延长轨道部件寿命问题，提出了全线铺设U75V热轧钢轨、采用层流等离子体强化尖轨、铺设奥贝氏体合金钢组合辙叉三种建议措施。针对提高行车舒适性问题，提出了全线铺设跨区间无缝线路、进行道岔刚度均匀化处理、引入高精度轨道控制网(CPⅢ)三种建议措施。针对合理开展轨道减振降噪设计问题，提出了运用振动与噪声地图合理确定需求，同时严格控制减振分级与减振系统整体刚度的建议，最后建议引进通过测定振动衰减率的方法以评价减振降噪的合理性。针对尽量提高列车运行速度问题，提出了“宁过不欠”进行超高设置、最大容许欠超高取值75 mm以及折返道岔采用大号码道岔三项建议。

[1] TB/T 2344-2012 43 kg/m～75 kg/m钢轨订货技术条件[S]

[2] 马维，李小存．层流等离子体材料表面改性工艺研究[J] ．金属热处理，2007，32(1)

[3] 赵伟华，曹洋，王平．合金钢组合辙叉合理受力优化方案研究[J] ．CHINESE RAILWAYS，2012，(1)

[4] 广钟岩，高慧安．铁路无缝线路[M]．第4版.北京：中国铁道出版社，2005

[5] 陈小平，王平．无碴道岔轨道分布规律及均匀化[J] ．西南交通大学学报，2006,41(4)

[6] 卢建康，刘华．高速铁路精密工程测量技术体系的建立及特点[J]． 铁道标准设计，2010,( Z1) : 70-73

[7] 曾向荣．城市轨道交通钢轨波磨的探讨[J] ．都市快轨交通，2011，24(3)

[8] C.J.C. Jones, D.J. Thompson, R.J. Diehl．The use of decay rates to analyse the performance of railway track in rolling noise generation[J] ．Journal of Sound and Vibration 293 (2006):485-495

江万红(1982～)，男，硕士，工程师；姚力(1971～)，男，硕士，教授级高工；庞玲(1980～)，男，学士，工程师。

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[定稿日期]2015-01-28