第五节　轨道及路基

一、轨道

轨道结构是地铁和轻轨交通的重要组成部分，是地铁运营行车的基础，它直接承受地铁列车荷载，并引导地铁列车运行。所以轨道结构应具备足够的强度、稳定性、耐久性和适量弹性，保证列车运行安全、平稳、快速和乘坐舒适。轨道设计应根据运行条件确定轨道整体结构的承载能力，并应符合质量均衡、弹性连续、结构等强、合理匹配的原则，还应采取减振降噪措施。轨道部件选型应在满足使用功能的前提下，有利于少维修、标准化、系列化，且全线轨道部件宜统一。

1.轨道组成

轨道结构一般由钢轨、扣件、轨枕、道床、道岔及其附属设备等组成。

（1）钢轨及选型

钢轨直接承受地铁列车荷载，并将荷载传递到扣件、轨枕、道床至结构底板，同时起到引导车轮运行方向的作用，此外钢轨还兼作轨道牵引电力回流之用。在列车荷载作用下，钢轨产生弹性挠曲和横向弹性变形，因此，钢轨应有足够的承载能力、抗弯刚度、断裂韧性及稳定性、耐磨性、耐腐蚀性。

目前我国尚无地铁和轻轨的钢轨选型标准，参考国家铁路钢轨选型标准“年通过总质量等于、接近25Mt时，应铺设60kg/m钢轨”来选用钢轨类型。

现在国内外地铁和轻轨设计中有选用重型钢轨的趋势，见表2-5-1。从技术性性能分析，60kg/m钢轨质量较50kg/m轨只增加17.7％，而允许通过的总质量可增加50％，重型钢轨不仅能增强轨道的稳定性，而且还能增大回流断面，减少杂散电流。有关资料介绍60kg/m比50kg/m钢轨抗弯强度增加34％，而弯曲应力减少28％；使用年限为50kg/m钢轨的1.5～3.0倍，由疲劳破坏造成的更换率为50kg/m钢轨的1/6；同样条件下，60kg/m钢轨较50kg/m钢轨的轨道维修工作减少40％；受列车冲击振动相对要小，较50kg/m钢轨振动约减小10％，有利于减振减噪。

所以，地铁正线在经济条件允许的情况下，宜选用重型钢轨；轻轨交通车辆的轴重较轻，如我国轻轨列车最大轴重为11t，但为了保证客运车辆的运行质量和钢轨的使用寿命以及适应铺设无缝线路的要求，在正线及配线宜选用60kg/m钢轨，在车场线宜选用50kg/m钢轨。

我国《地铁设计规范》规定，正线及配线钢轨宜采用60kg/m。车场线宜采用50kg/m钢轨。

正线有缝线路地段的钢轨接头应为对接，曲线内股应采用厂制短轨。辅助线和车场线半径不大于200m的曲线地段应采用错接，错接距不小于3m。不同类型的钢轨应用异型钢轨连接。

（2）轨枕与道床

轨枕是轨下基础的部件之一，是钢轨的支座，起着保持钢轨位置，固定轨距和方向，承受钢轨传来的压力并将其传给道床（基础）的作用。因此轨枕必须具有坚固性、弹性和耐久性。

轨枕按其使用部位可分为用于区间线路的普通轨枕、用于道岔上的岔枕及用于无砟桥上的桥枕。

轨枕按其材料可分为木枕、混凝土轨枕及钢枕等。钢枕在我国很少采用。木枕又称为枕木，是铁路上最早采用而且到目前为止依然被采用的一种轨枕。其主要的优点是弹性好，易加工，运输、铺设、养护维修方便，绝缘性能好。但其缺点是易于腐蚀和机械磨损，使用寿命短，且木材资源缺乏，价格比较昂贵，所以木枕已逐渐被混凝土枕所代替。

轨枕类型的选择随轨距、道床种类、适用场所不同而异。我国《地铁设计规范》规定，整体道床地段应采用混凝土强度等级为C50的预制轨枕；正线及辅助线、试车线的地面线碎石道床地段，应采用混凝土强度等级为C60的预应力混凝土枕；车场地面线碎石道床地段，宜采用预应力混凝土枕。高架轻轨线宜采用新型轨下基础，这种新型的轨枕结构不同于传统的道砟道床上铺设木枕或混凝土的轨下基础，而是以混凝土道床为主的构造形式。如上海明珠轻轨高架线，采用承轨台、支撑块整体式道床。因为轻轨车辆轴重小，可以直接采用常规铁路强度最低的预应力混凝土枕，如J-1型轨枕，其主要外形尺寸见图2-5-1，质量约为260kg。每公里直线段轨枕配置根数为1600根，在曲线半径300m以下的地段，每公里增加80根，地面线路为碎石道床时铺预应力混凝土轨枕。

每公里线路轨枕铺设数量应根据道床形式和正线、试车线、辅助线等线路性质和线路曲线半径和坡度等因素按《地铁设计规范》规定铺设。

预应力混凝土轨枕，简称PC（Prestressed Concrete）轨枕，已得到各国的广泛应用。按其制造方法不同可分为先张法和后张法PC枕。配筋材料可以是高强度钢丝，也可以是钢筋。钢筋混凝土轨枕按结构形式可分为整体式与组合式两种。整体式轨枕整体性强、稳定性好、制作简便，是目前广泛使用的一种类型。组合式轨枕由两个钢筋混凝土块使用1根钢杆连接而成，其整体性不如前者，但钢杆承受正负弯矩的能力比较强。这种轨枕使用的国家不多，但法国巴黎的RER中使用的RS型组合式轨枕却获得了较好的效果。

道床铺设在路基之上，轨枕之下。道床一般分为有砟（碎石）道床和无砟（整体）道床两种。其中有砟道床主要有以下功能：

①将轨道交通车辆的荷载通过钢轨、轨枕并经过道床的扩散作用，散布于路基上，起着保护路基的作用。

②提供抵抗轨排纵横向位移的阻力，保持轨道的正确几何形位，这对无缝线路尤为重要。

③由于道床材料的可透水性和道床便于排水的特点，提供了良好的排水性能。这对减轻轨道的冻害和提高路基的承载能力非常重要。

④道床具有一定的弹性和阻尼，起到了缓冲和减振的作用。

⑤便于轨道养护作业。轨道不平顺可以通过捣固轨下道砟加以找平，轨道方向错乱可以通过拨道予以纠正。

有砟道床的优点是结构简单，容易施工，减振、减噪声性能也较好，造价较低。但因轨道结构高度较大，增大了地铁隧道净空，增加结构投资，同时，轨道维修工作量也较大。所以新建地铁隧道内不宜采用碎石道床，应采用整体道床。整体道床的优点是整体性好、坚固稳定、耐久；轨道结构高度小，减小隧道净空，节省投资；轨道维修量小，适应地铁运营时间长，维修时间短的特点。

整体道床主要有无轨枕式整体道床和枕式整体道床两种形式。

无轨枕式整体道床亦称整体灌筑式，无枕式轨道结构高度较小，道床混凝土等级为C30，施工方法是自下而上进行，不铺设钢轨，而是用施工机具把联结扣件的玻璃钢套管按设计位置预埋在道床内，上面做成承轨台，其混凝土强度等级为C50，然后再安装钢轨和扣件。施工方法繁琐，机具复杂，速度又慢，承台抹面精度不易保证，很难达到设计要求。

枕式整体道床有短枕式和长枕式两种。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为C30，轨下道床厚度一般小于160mm，设中心排水沟，见图2-5-2。长枕式整体道床设侧向水沟，见图2-5-3；一般长轨枕预留圆孔，道床纵向筋穿过，加强了与道床的连接，使道床更坚固、稳定和整洁美观。这种道床适用于软土地基隧道，可采用轨排法施工，进度快，施工精度也容易得到保证。上海和新加坡地铁铺设了这种道床，使用状况良好。

此外还有浮置板式整体道床。这种道床是在浮置板下面及两侧设橡胶垫，减振效果明显，见图2-5-4。浮置板较重，需要较大的吊装机具，施工进度难以保证，更换底部橡胶垫困难，大修时要中断地铁正常运营，造价也高。根据新加坡地铁使用经验，浮置板式道床对隧道外减振、减噪声效果明显，但地铁车厢内振动和噪声较大，超过了环境保护标准。德国、新加坡等国家的地铁以及我国广州和香港部分地铁区段铺设了这种道床。针对浮置板式道床的缺点，国内研究了纵向浮置式整体道床，见图2-5-5。这种道床施工难度大，要求严格控制施工的精度。莫斯科、基辅地铁铺有这种道床，国内未正式使用。

隧道内道岔区可采用钢筋混凝土短枕式整体道床，车场线及地面线的道岔可采用木枕或钢筋混凝土轨枕碎石道床。混凝土整体道床与碎石道床相连时，衔接处应设弹性过渡段。

高架桥上的轨道结构常采用有砟轨道和无砟轨道。早期修建的高架线路上使用较多的是有砟轨道，如巴黎地铁6号、7号线。高架桥上无砟轨道结构是通过扣件直接把钢轨和钢筋混凝土桥面联结起来，见图2-5-6。目前多采用无轨枕式整体道床。

《地铁设计规范》规定，地下线、高架线宜采用轨枕式整体道床；地面车站宜采用整体道床；地面线、出入线、试车线宜采用碎石道床；正线及其辅助线上同一曲线地段宜采用一种道床结构形式；车场库内线应根据检修工艺要求采用检查坑整体道床或立柱式道床结构。

（3）扣件

扣件是钢轨与轨枕或其他轨下基础联结的重要连接件，它的作用是固定钢轨，阻止钢轨纵向和横向位移，防止钢轨倾斜，并提供适当的弹性，将钢轨承受的力传给轨枕或道床承轨台。扣件由钢轨扣压件和轨下垫层两部分做成。我国地铁线路使用的弹性扣件为DT系列，其中主要有DTⅠ、DTⅡ、DTⅢ、DTⅣ、DTⅥ、DTⅦ等型号。DTⅠ型扣件见图2-5-7。

（4）道岔

道岔是线路连接设备之一，起着将机车、车辆由一股道转入另一股道的调车作用。终始车站、中间站、行车线、检修线的附近，车辆需要折返、调动的部位均需设置道岔。道岔应设在直线地段，我国《地铁设计规范》规定，正线道岔与道岔间的插入短轨不应小于6.25m，困难条件下不得小于4.5m，车场不小于3m。一般地段采用普通单开道岔，见图2-5-8。正线与辅助线上宜选用9号道岔，车场线位置处采用不大于7号的道岔。

2.轨道的轨距

轨距是轨道上两根钢轨头部内侧间在线路中心线垂直方向的距离，应在轨顶下规定的部位量取。国内标准轨距是在钢轨内侧顶面下16mm处测量，为1435mm。各国地铁的轨距宽度不尽相同，但考虑到有条件时地铁线路与地面铁路或地面轻轨交通的线路接轨，所以，一般地铁的轨距与地面铁路和轻轨交通线路的轨距相同。

轮对上左右两车轮内侧之间的距离加上两个轮缘厚度，为轮对宽度，轮对宽度应略小于轨距，使轮缘与钢轨内侧保持必要的间隙。轨距的变化率不得大于3‰。当轮对的一个车轮轮缘与钢轨贴紧时，另一车轮轮缘与钢轨之间的距离称为游间δ，见图2-5-9，且：

δ=S-q　　　　　（2-5-1）

式中　S——轨距（mm）；

q——轮对宽度（mm）。

游间不能过大，否则会使车辆行驶时的蛇形运动幅度加大，横向加速度、轮缘对钢轨的冲角及作用于钢轨上的横向力也随之增加。行车速度越高，这种影响越严重。为了提高行车的平稳性和减少轮轨之间的动力作用，应对游间加以限制。目前，英国已把原来的标准轨距从1435mm减小为1433mm，德国减小为1432mm。我国目前的轨道几何尺寸容许误差见表2-5-2。

3.轨距加宽

在小半径曲线地段（半径≤250m），为使列车能顺利通过，轨距应按标准轨距加宽，地铁曲线上的轨距是按车辆在静力自由内接条件下所需轨距来进行计算的。其加宽计算公式为：

ΔS=f0-δmin=Sf-S0　　　　　（2-5-2）

式中　ΔS——轨距加宽量（mm）；

f0——外轨矢距（mm）；

a——固定轴距（mm）；

R——曲线半径（mm）；

δmin——最小游间（mm），δmin=S0-qmax；

Sf——自由内接所需轨距（mm）；

S0——直线轨道轨距（mm）；

qmax——最大轮对宽度（mm）。

目前，地铁车辆的固定轴距尚未统一，因此，用上述公式计算出的同一半径的加宽值会有出入，鉴于国内外对曲线轨距加宽有逐渐减少的趋势，轨距加宽计算值作适当修正是必要的，我国《地铁设计规范》规定，半径小于250m曲线地段的轨距加宽值，应符合表2-5-3的规定。

半径小于250m的曲线地段，直线和圆曲线间一般都用缓和曲线连接，轨距加宽值应在缓和曲线范围内递减，无缓和曲线时，应在直线地段递减。递减率不宜大于2‰，困难地段不应大于。

4.外轨超高

地铁车辆在平面圆曲线上行驶时，会对轨道产生离心力，使外轨承受较大的压力，为此须将外轨抬高，用车体向内倾斜产生的重力分力来平衡离心力。外轨超高的数值，称为超高值。

曲线上外轨超高值计算公式为

式中　h——外轨超高值（mm）；

v——列车通过速度（km/h）；

R——平面圆曲线半径（m）。

圆曲线的最大超高应为120mm，未被平衡超高允许值不宜大于61mm，困难时不应大于75mm。曲线超高值也应在缓和曲线内递减顺接，无缓和曲线时，在直线段递减顺接。超高顺坡率不宜大于2‰，困难地段不应大于3‰。对混凝土整体道床，采用外轨抬高超高值的一半和内轨降低超高值的一半的办法来设置其曲线超高。

二、路基

地铁路基是承受并传递轨道重力及列车动态作用的结构，是轨道的基础，是保证列车正常运行的重要构筑物。

路基由路基体和附属设施两部分组成。路基面、路肩和路基边坡构成路基体。路基附属设施是指为保证路肩强度和稳定性而设置的排水设施、防护设施、加固设施等，排水设施主要指排水沟等，防护设施主要是种树、种草等，加固设施主要有挡土墙、护壁支挡结构等。路基横断面形式有路堤型、半路堤型、路堑型、半路堑型、不填不挖型等。

路肩稳定性是指路基抵抗因列车动态作用及各种自然力影响而出现的道砟陷槽、翻浆冒泥、路基剪切滑动与挤起等现象的能力。主要考虑的因素包括路基的平面位置和形状、轨道类型及其列车动态作用、路基体所处的工程地质条件、各种自然应力的作用等。地铁设计中必须对路基的稳定性进行验算。

1.路基设计的基本要求

（1）地铁路基工程必须具有足够的强度、稳定性和耐久性。

（2）路基工程的地基应满足承载力和路基工后沉降的要求，有砟轨道线路不应大于20cm，路桥过渡段不应大于10cm，沉降速率均不应大于5cm/年；无砟轨道线路路基工后不均匀沉降量不应超过扣件允许的调高量，路桥或路隧交界处差异沉降不应大于10mm，过渡段沉降造成的路基和桥梁或隧道的折角不应大于1/1000。路基工程地基处理措施应根据线路设计标准、地质资料、路堤高度、填料、建设工期等通过检算确定。

（3）路基设计应符合环境保护的要求，重视沿线的绿化和美化设计，结构设计应与邻近的建筑物相协调。取、弃土场设置不应影响山体或边坡稳定，并应采取挡护措施，确保边坡稳定和符合环境保护要求。

（4）路基工程应做好防排水设计，保证排水通畅。

2.路基面及基床设计要求

（1）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，并应加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。若采取降低水位、设置毛细水隔断层等措施时，可不受此限制。路肩高程还应考虑与城市其他交通的衔接和相交等情况。

（2）路基面形状应设计为三角形路拱，由路基中心线向两侧设4％的人字排水坡。曲线加宽时，路基面仍应保持三角形。

（3）路基面宽度应根据线路数目、线间距、轨道结构尺寸、曲线加宽、路肩宽度等计算确定。当路肩埋有设备时，路堤及路堑的路肩宽度不得小于0.6m，无埋设设备时路肩宽度不得小于0.4m。区间曲线地段的路基面宽度，单线应在曲线外侧，双线应在外股曲线外侧按表2-5-4的数值加宽。加宽值在缓和曲线范围内线性递减。

（4）路基基床分表层和底层，表层厚度不应小于0.5m，底层厚度不应小于1.5m。基床厚度应以路肩施工高程为计算起点。表层填料应选用A、B组填料，基床底层填料可选用A、B、C组填料。使用C组填料时，在年平均降水量大于500mm地区，其塑性指数不应大于12，液限不应大于32％。填料分类按现行《铁路路基设计规范》（TB10001—2005）执行。填料不满足要求时应采取换填或土质改良等措施。

（5）路堑基床表层的压实度不应小于表2-5-5的规定值，否则应采取压实措施。基床底层厚度范围内天然地基的静力触探比贯入阻力Ps值不应小于1.2MPa，或天然地基容许承载力[σ]不应小于0.15MPa。

3.路堤设计要求

（1）路堤边坡坡度应根据填料或土质的物理力学性质、边坡高度、列车荷载和地基工程地质条件确定，当路堤高度在8m以内时路堤边坡坡度不应陡于1∶1.5；路堤坡脚外应设宽度不小于1.0m的天然护道。

（2）地基表层为人工杂填土时，必须清除换填；基底有地下水影响路堤稳定时，应采取拦截引排至基底范围以外，并在路堤底部填筑渗水土。

（3）路堤与桥台及路堤与硬质路堑连接处应设置过渡段，过渡段长度不应小于20m。

4.路堑设计要求

（1）路堑边坡高度不宜超过20m，否则应采用隧道或明洞。对严重风化、岩体破碎的石质路堑、特殊岩土和土质路堑的边坡高度应严格控制，并应采取可靠的支挡防护措施。

（2）路堑设计应减少对天然植被和山体的破坏，防止诱发地质灾害。

（3）路堑边坡形式及坡率应根据工程地质和水文地质条件、边坡高度、防排水措施、施工方法，并结合自然稳定山坡及力学分析等综合确定。

5.支挡结构设计要求

路基在陡坡或风化的路堑边坡地段，在避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段，在不良地质需加固地段，在为少占农田和城市用地地段，在为保护重要的既有建筑物及其他特殊条件和生态环境需要地段等应修筑支挡结构，支挡结构应满足如下要求：

（1）在各种设计荷载作用下，应满足稳定性、坚固性和耐久性要求。

（2）结构类型及其设置位置，应做到安全可靠、经济合理、技术先进和便于施工及养护，同时应与周围环境协调。

（3）支挡结构与桥台、地下结构、既有支挡结构连接时应平顺衔接。

（4）路堤或路肩挡土墙与路堤连接时可采用锥体填土坡面，挡土墙端部深入路堤内不应小于0.75m，路堤锥体顺线路方向的坡度，当锥体边坡高度在8m以内时不应陡于1∶1.25，在20m以内时不应陡于1∶1.5。

（5）挡土墙基础埋置深度不应小于1m，同时在最大冻结深度下不应小于0.25m；当冻结深度大于1.0m时，不应小于1.25m，还应将基底至冻结线下0.25m深度范围内的地基土换填为不冻胀土；受水流冲刷时，在冲刷线下不应小于1.0m。

6.路基排水及防护设计要求

路基应有完善的排水系统，并宜与市政排水设施相结合。排水设施应布置合理，当与桥涵、隧道、车站等排水设施衔接时，应保证排水畅通。

（1）排水设施应按下列原则布置：在路堤天然护道外设置单侧或双侧排水沟；路堑应于路肩两侧设置侧沟；路堑顶外应设置单侧或双侧天沟。

（2）路基排水纵坡不应小于2‰；地面平坦地段或反坡排水地段，仅在困难情况下可减少至1‰。

（3）对路基有危害的地下水，应根据地下水类型、含水层的埋藏深度、地层的渗透性等条件，设置暗沟（管）、渗沟、检查井等地下排水设施。地下排水设施的类型、位置及尺寸应根据工程地质和水文地质条件确定。

（4）对受自然因素作用易产生损坏的路基边坡坡面，应根据边坡的土质、岩性、水文地质条件、边坡坡度与高度以及周围景观等，选用适宜的防护措施。在适宜于植物生长的土质边坡上应优先选用植物防护措施。

（5）沿河地段路基应根据河流特性、水流性质、河道形状、地质条件等因素，结合路基位置，选用适宜的坡面防护、河水导流或改道等防护措施。