第三节--轨道与路基工程设计

第三节轨道与路基工程设计,轨道是由钢轨、连接零件(扣件)、轨枕、道床、道岔及其他附属设施等组成。城市轨道交通对轨道结构的基本要求如下：结构简单、整体性强，具有坚固性、稳定性、耐久性和适量弹性等特点，确保行车安全、平稳、舒适；具有足够的强度、刚度；便于施工，易于管理，可靠性高，使用寿命长，可以少维修或者避免维修，并有利于日常的清洁养护，降低运营的成本；,对于扣件，要求强度高、韧性好；采用成熟的新工艺、新技术、新材料，满足绝缘、减振降噪和减轻轨道结构自重的需要，尽可能符合城市景观和美观要求。路基是地铁工程的重要组成部分直接随轨道和车辆的荷载。路基工程作为土工结构物，必须具备足够的强度，稳定性和耐久性。,一、钢轨二、扣件三、轨枕四、道床五、路基六、轨距加宽、超高七、线路标志,一、钢轨,基本要求：在列车静荷载和冲击动力荷载作用下，钢轨产生弹性挠曲和横向弹性变形，钢轨应有足够承载能力，抗弯强度、断裂韧性、稳定性、耐磨性、耐腐蚀性。选型我国地铁和轻轨均选用60kg/m的重型钢轨，车场线选用43kg/m或50kg/m的轻型钢轨。,图2-1843kg/m级钢轨(尺寸单位：mm),损伤分析及材质选择损伤分析主要是磨耗和疲劳损伤材质分析在顶面最大接触应力条件下，满足列车运行的强度、稳定性、疲劳破损方面的要求下，进行允许应力对比分析。,钢轨铺设正线地段和半径为250m及以上的曲线地段，应铺设长轨节，即无缝线路高架线上的无缝线路需做特殊设计钢轨焊接方法有三种：接触焊，气压焊，铝热焊,二、扣件,作用:固定钢轨，阻止钢轨纵向和横向位移，防止钢轨倾斜，提供适当的弹性，并将钢轨承受的力传递给轨枕或道床承轨台。组成：由钢轨扣压件和轨下垫层两部分组成,扣件设计原则具有足够的强度、扣压力和耐久性在高架桥无砟、无枕的轨道上，扣件还必须有一定的弹性结构力求简单，尽量标准化，通用性好，造价低对于扣件的铁部件应作防腐处理,扣件的技术性能调整量地铁整体道床上的扣件，轨距调整量+8mm、-12mm，高低调整量+10mm能满足使用要求。轻轨高架线路，轨距调整量适当加大，参考国家铁路预应力梁整体道床的扣件调整量，轨距调整量为+14mm，-22mm，高低调整量为+30mm。,抗横向力根据北京地下铁道轨道动测资料，曲线半径为200m,车道行车速度为50km/h，扣件受到最大横向力37kN，所以抗横向力定为大于等于40kN。扣压力根据北京地铁现场防爬试验和多年运营经验，一组扣件的扣压力大于12kN就能制止钢轨爬行，故对高架桥无缝线路上扣件的压力，可适当减少或间隔上紧扣件。,绝缘性能扣件的绝缘部件工作电阻应大于108。垂向和横向静刚度在确保列车安全运行的条件下，根据地铁和轻轨交通车辆轴重及减振的要求，一般扣件垂向静止刚度为200290kN/cm，静止横向刚度应为220600kN/cm。扣件强度扣件垂向受力55kN，横向受力40kN。经过200300万次疲劳试验，其零件无损坏及磨耗。,地铁线路扣件DTI型扣件这种扣件为全弹性分开式，见图2-20。DTIII、DTIV型扣件a.这两种扣件均为全弹性分开式，二阶减振，结构形式相同。如图2-21所示。b.主要零部件为：扣压件轨距垫铁垫板橡胶垫板螺旋道钉玻璃钢套管。,图2-20DT型扣件,图2-21DT型扣件,DTVI型扣件a.扣件为全弹性分开式，如图2-22所示。b.做减振对比试验，相当于两层100mm厚橡胶垫板的减振效果。DTVII型扣件a.为半弹性分开式，如图2-23所示。b.适用于54kg/m钢轨和整体式道床，一般减振地段。轨道减震器扣件a.全弹性分开式、三阶减振。b.适合于枕式整体道床，较高减振地段，如图2-24所示。,图2-22DTVI型扣件,图2-23DT型扣件,图2-24轨道减震器,检查坑扣件检查坑宽1200mm，要求扣件较短，一般均为无挡肩式半弹性扣件。分为I型、II型和III型三种检查坑扣件。I型检查坑扣件：为半弹性不分开式。II型检查坑扣件：弹性不分开式，如图2-25所示。北京地铁二期工程太平湖车辆段和古城车辆段扩建采用此扣件。III型检查坑扣件：半弹性分开式，见图2-26所示。上海地铁2号线采用此扣件。,图2-25II型检查坑扣件图,图2-26型检查坑扣件图,轻轨线路常用扣件轻轨I型扣件：如图2-27所示通过B型弹条4和T形螺栓1等紧固钢轨；结构简单、使用安装方便，通用性好，而且造价较低。其技术性能如下：a.抗横向力400N；b.轨顶标高调整量10mm；轨距调整量：有备件时为-8+4mm，无备件时-40mm。,图2-27轻轨I型扣件(尺寸单位：mm),1-T型螺栓；2-螺母；3-平垫圈；4-B型弹系；5-T型螺栓插入座；6-绝缘轨距块；7-橡胶垫板；8-调高垫板,轻轨II型扣件:如图2-28所示弹性大，不容易松驰；构造较复杂，造价高，非环境要求极高的地段，一般不轻易使用；主要技术指标为：a.垂直静刚度8.46kN/m；b.结构设计合理，30kN横压疲劳荷载；c.减振效果好，加速度幅值衰减97.7%，加速度自振频率谱衰减99.3%；d.绝缘性能好。,图2-28轻轨型扣件(尺寸单位：mm),1-T型螺栓；2-弹系；3-上垫板；4-硫化橡胶；5-轨下衬垫；6-下铁垫板；7-垫板螺栓；8-垫板衬垫,wj-1型扣件弹性分开式使用中出现的一些毛病，如T型螺栓容易歪斜、紧固的螺母易松动、抗扭距不稳定、部分弹条断裂等问题wj-2型扣件如图2-29所示。,图2-29wj-2型弹性小阻力扣件,减震垫层减振垫层为压缩型橡胶垫板，放在钢轨与承轨台之间；使用减振垫层的无碴轨道，其振动衰减的性能相当或优于有碴轨道；减振垫层的静刚度应为1350KN/mm。,图2-3016-B型橡胶垫板(尺寸单位：mm),图2-3112-B型橡胶垫板(尺寸单位：mm),1-螺栓；2-螺母；3-平垫圈；4-弹条；5-轨距挡板；6-挡板座；7-橡胶垫圈,图2-32弹条I型扣件(尺寸单位：mm),三、轨枕,地铁轨枕地铁正线隧道内一般采用短轨枕或无轨枕的整体钢筋混凝土道床；车场线采用普通钢筋预应力混凝土轨枕，在道岔范围内少数区段采用木枕。,高架线轨枕高架轻轨线宜采用新型轨下基础以混凝土道床为主的构造型式，采用常规铁路强度最低的预应力混凝土枕，如9-1型或J-1型轨枕。高架轻轨线每公里直线段轨枕配置根数1600根，在曲线半径300m以下地段，每公里增加80根。,图2-33J1型轨枕(尺寸单位：mm),地面线轨枕地面线路为碎石道床，上铺预应力钢筋混凝土轨枕。地面碎石道床上铺轨枕数：直线段和半径大于等于400m的曲线段，每公里铺设短轨枕数为1680对；半径为400m以下曲线地段和大坡道上，每公里铺设轨枕数为1760对。,四、道床,碎石轨枕道床优点：结构简单，容易施工，减振、减噪性能较好，造价低；缺点：排水设施复杂，养护工作频繁，更换轨枕困难。捣固时，粉尘飞扬，危害工作人员健康；适用：地面线及车场线道岔。,碎石道床的厚度应符合表2-16所示。,碎石道床厚度表2-16,地面线的直线段碎石道床顶面宽度为3m，车场线为2.9m,半径等于或小于400m的曲线地段外侧应加宽0.1m。铺设无缝线路及安装接触轨一侧也应加宽。为增加横向稳定性，道床的肩宽不应小于300m，在R600m的曲线段，曲线外侧道床肩部加宽100m，道床边坡均为1:75，碎石道床的最小厚度，在直线段轨枕下应为300mm，车场线轨枕下应为250mm。,图2-35地面曲线段道床断面,图2-34地面直线段道床断面(尺寸单位：mm),地面直线和曲线段碎石道床断面分别如图2-34图2-35所示。,为了尽量减少用地，路肩宽可选为0.4m。由于双线路基宽度较大，为方便排水，路基中部应设置路拱。图2-34图2-35中C是根据与车辆界线确定的最小间距。对于新研制的轻轨车，当两线间无电柱或其他设施时C为3.2m；当两线间设0.4m电柱时C为3.8m。在曲线段还要计入线路间距的加宽W。,整体式道床优点：a.整体性好，坚固稳定、耐久；b.轨道建筑高度小，减少隧道净空，节省投资；c.轨道维修量小，适应地铁和轻轨交通运营时间长，维修时间短的特点。长度大于100m的隧道内和隧道外U形结构地段及高架桥和大于50m的单体桥地段宜用短枕式和长枕式整体道床。,无枕式整体道床也称为整体灌注式道床，强度等级C30，施工方法繁锁，机具复杂，进度又慢，承轨台抹面精度不易保证，难以达到设计要求的精度。北京地铁一期工程采用过此形式，香港加拿大等地铁也有使用。,轨枕式整体道床短枕式整体道床短枕式整体道床轨道建筑高度一般为550mm左右。道床混凝土强度等级C30，轨下道床厚度一般小于160mm，一般设中心排水沟,如图2-36。,图2-36短枕式整体道床图(尺寸单位：mm),长枕式整体道床设侧向水沟，一般长轨枕预留圆孔，道床纵向筋穿过，如图2-37。适用于软土地基隧道，可采用轨排法施工。,图2-37长枕式整体道床(尺寸单位：mm),浮置板式道床浮置板式道床对隧道外减振、减噪效果明显，但地铁车厢内振动和噪声较大。更换底部橡胶垫困难，造价高。如图2-38所示。,图2-38浮置板式整体道床,纵向浮置板式整体道床由浮置板、橡胶垫、道床承台和联结挡板等组成，浮置板长（沿钢轨方向）为2200mm，宽为60mm，高为240mm，板重约730kg，一块浮置板上设置4组扣件。如图239。,图2-39纵向浮置板整体道床(尺寸单位：mm),优点：浮置板较轻，制造和铺设较为简便；高低调整量较大，可达+50mm，12mm；可以维修，不影响地铁正常运营；减振效果显著，尤其是对低频域振动。缺点：较轨枕式道床施工难度大，要求严格控制施工的精度。,弹性整体式道床第一种、在整体道床与结构底板之间铺设一层3cm弹性绝缘材料塑料油膏的混合物或橡胶沥青混凝土，减振效果显著,但造价很高,国内没有。第二种、双块式轨枕支承块支承在泡沫橡胶上，用橡胶套把泡沫橡胶套在轨枕上，用水泥砂浆把轨枕连同橡胶套与基底混凝土粘牢。具有很好降低噪声及减振性能，如图2-40。,图2-40弹性支承轨道结构,弹性过渡道床整体道床和碎石道床弹性不同，衔接处需设置弹性过渡道床。上海、北京地铁效果很好。高架桥轨道结构有咋轨道结构在混凝土桥梁上铺设道咋轨枕，结构简单，施工方便防振性能好，铺设无枕线路也比较容易处理。,无碴整体轨道道床结构通过扣件把钢轨与混凝土桥面联结起来。应用较广泛的是混凝土梁上二次灌注混凝土纵向承轨台。图2-41、2-42为我国设计的轨道交通用的高架桥轨道结构，纵向承轨台高150mm分段断开，以利排水，两纵向支撑间设防脱轨矮墙。,图2-41高架混凝土桥无碴轨道结构(尺寸单位：mm),图2-42轻轨曲线桥双线无碴轨道结构(尺寸单位：mm),上海明珠轻轨线高架线路采用支撑块承轨台式新型整体道床结构，如图2-34所示。支撑块为钢筋混凝土预制短枕块，每隔一定间距设置，强度为C50；承轨台为现浇钢筋混凝土块体，强度为C40。,图2-43上海明珠轻轨线高架桥上的钢筋混凝土承轨台式新型整体道床,承轨台式整体道床与其他整体道床施工工艺相比，要求严，难度大。进行高架桥面梁体施工时，预留好与承轨台相联的预埋钢筋，位置准确，以免施工承轨台时有较大的偏差；每一个支承块通过扣件固定在钢轨底部，相信支承块不宜直接相联，各自自由度大；在桥面上进行承轨台作业时，必须采取有效措施，以防止轨道上部构架在施工中横向移动；支承块承轨台和梁体之间，必须按施工工艺要求，对接触面严格处理，以确保二次浇灌施工缝的结合强度。,1)桥上无碴轨道减振降噪措施在承轨台下铺设泡沫橡胶或其他聚硫和聚氨脂合成衬垫材料，也有的在承轨台上设置弹性聚合物砂浆层等措施。2)桥上无碴轨道结构防止迷流措施采用高绝缘扣件；在钢轨和基础之间设置绝缘性能良好的聚合物砂浆层；采取排除防迷流措施；采用绝缘性能良好的桥梁支座。,3)桥上无碴轨道结构无缝线路的铺设当温度变化或桥梁随车辆荷载产生挠曲时，桥面与铺设于其上的长钢轨产生相对位移而产生附加相互作用力。这些作用力与桥跨大小、温度跨度、温度约束条件、钢轨断面、扣件和伸缩调节器性能、车辆荷载、墩台形式等因素有关。高架桥上无缝线路应在适当位置设置钢轨伸缩调节器。,五、路基,1.路基设计地下水影响容易引起基床翻浆冒泥等病害，因此路基路肩高程应高出线路通过地段的最高地下水位和最高地面积水水位，应另加上毛细水强烈上升高度和有害冻胀深度或蒸发强烈影响深度，再加0.5m。若采取降低地下水位、设毛细水隔断层等措施，路肩高程可不受上述限制。,路基宽度区间路基宽度应根据正线数目、线间距、轨道结构尺寸、路基面形状、路肩宽度计算确定。当路肩埋有设备时，路堤及路堑的路肩宽度均不得小于0.6m，无埋设设备时路肩宽度不得小于0.4m。,以双线非渗水路基面宽度为例，如图2-44，其计算公式如2-22。,图2-44双线非渗水土路基面示意,式中：=c+2m(0.2+h1+h2)；N=m(0.4D+0.8c-0.6)；B路基面宽度；双线的线间距；道床顶面宽度；c路肩宽度；m道床边坡坡率；h1路基中心的钢轨处轨枕下的道床宽度；h2轨枕埋入道床深度。,计算公式为：,(2-22),区间曲线地段的路基面宽度，应在曲线外侧加宽。单线应在曲线外侧，双线应在外股线的外侧。其加宽值由最高行车速度计算轨面超高值引起的路面加宽确定。双线曲线地段路基面加宽应按表217的数值加宽。,曲线地段路基面加宽值表2-17,如图2-45，曲线地段路基面加宽的计算公式如式2-23：,图2-45曲线地段路基面示意,式中：曲线地段路基面加宽值；道床顶面加宽值，无缝线路R800m、非无缝线路R600m时，=0.1m,否则；x=m(h1+h2+h4)；h1钢轨处轨枕下道床厚度；h2外侧道碴肩至内股钢轨下轨枕底的道碴厚度；h4外侧碴脚至钢轨下路拱高度。,(2-23),基床填料的选择基床表层填料应优先选用A、B组填料，基床的底层选用A、B、C组填料。路堤用同一种填料填筑，以免产生不均匀沉降。当不得不采用不同的填料填筑时，应防止接触面形成滑动面或在路堤内形成水囊。特别是渗水土填筑在非渗水土上时，非渗水层顶面应向两侧设4%的人字横坡，以利排水。,路基基床各层压实度按表2-19要求。基床底层厚度范围内天然地基为冲积细粒土时，其静力触探比贯入阻力Ps值不得小于1MPa。,基床土的压实度表2-19,路堑基床表层的压实度达不到表220规定值，则应采取压实措施。基床底层为软弱土层时，其静力触探比贯入阻力值不得小于1MPa。,基床以下部分填料的压实度表2-20,路基支撑结构物路基在下列情况下修筑支挡结构物：路基位于陡坡地段或风化的路堑边坡地段；为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段；为了节约用地，少占农用和城市用地的地段；为了保护重要的既有建筑物及其他特殊条件和态环境等重要的地段。,支挡结构物设计作用在挡土墙上荷载包括主力、附加力和特殊力在各种荷载作用下，支挡结构物应满足稳定性、坚固性和耐久性的要求,构造要求与桥台、地下结构、既有支挡结构物连接时应平顺衔接；与路堤的连接要保证路堤边坡坡面平顺，采用锥体填土坡面；挡土墙端部深入路堤内应不小于0.75m；锥体护坡高度在8m以内时，顺线路方向锥体边坡的坡度为1:1.25，垂直线路方向的边坡坡度与路堤边坡相同。,六、轨距加宽、超高,轨距加宽有固定轴距的车辆，为了平顺圆滑通过曲线线路部分，轨距应有一定扩大，这种扩大称为轨距加宽。一般轨距加宽是内侧轨向曲线里侧移动。如图2-46所示。,图2-46地下铁道轨距加宽图,式中：S轨距加宽量(mm)；f0外轨矢量(mm)；R曲线半径(m)；a固定轴距(m)；最小半径(mm)。,一般曲线半径小于等于200m时，才进行按标准轨距的加宽,其计算公式如下。,(2-24),辅助线的曲线轨距加宽应在缓和曲线范围内或在直线段递减。车场线的轨距加宽应在直线段递减。,曲线地段轨距加宽值表2-21,辅助线和车场线曲线轨距加宽值，可依照规范，按表2-21