深圳地铁建设集团有限公司 广东深圳 518000
摘要：深圳地铁20号线一期工程于2016年9月30日随着深圳国际会展中心同步开工建设，预计2021年底建成通车，线路正式开通后有利于空港新城片区的出行。20号线一期工程吸取国内外轨道交通设计的成熟经验，贯彻构建安全、可靠、便捷、精准、融合、协同、绿色、持续的智慧地铁理念，进行积极的设计创新，采用极限状态法对预制轨道板进行配筋设计，落实了道岔伤损监测系统，钢轨减磨数据采集分析系统，车挡智能报警系统等一系列轨道工程技术创新设计方案。
关键词：智慧地铁；预制轨道板；极限状态法；道岔伤损监测系统；数据采集分析系统；车挡智能报警系统
Track Engineering Technology of Shenzhen Metro Line 20 Phase I Summary of innovative design
ZhangGuangHua
（Shenzhen Metro Construction Group Co.，Ltd，Shenzhen Guangdong 518000，China）
Abstract：The first phase of the Shenzhen Metro Line 20 project started on September 30，2016 with the simultaneous construction of the Shenzhen International Convention and Exhibition Center. It is expected to be completed and open to traffic at the end of 2021. After the line is officially opened，it will be beneficial to travel in the Konggang New City area. The first-phase project of Line 20 draws on the mature experience of rail transit design at home and abroad，implements the concept of building a safe，reliable，convenient，accurate，integrated，collaborative，green，and sustainable smart subway，carries out active design innovation，and adopts the limit state method to prefabricate The rail slab is designed with reinforcement，and a series of track engineering technology innovation design schemes such as the turnout damage monitoring system，the rail wear data acquisition and analysis system，and the car block intelligent alarm system are implemented.
Key words：smart metro；Prefabricated track plate；Limit state method；Turnout damage monitoring system；Data acquisition and analysis system；Intelligent car alarm system
目前，深圳地铁负责运营里程达到374.72km，最高日客运量达635万乘次。未来五年内，每年至少开通两条线路，到2025年，深圳地铁将达到18条线567km。随着运营里程和客流量的持续增加，现有运维服务体系已经很难适应，需要探索基于5G、大数据、人工智能等技术的智慧运维[1，2，3]。
智慧运维的发展对地铁新建线路的设计提出了更高的要求，深圳地铁二十号线贯彻“安全、可靠、便捷、精准、融合、协同、绿色、持续”[4]的理念落地了一大批创新技术设备，对深圳新一轮地铁规划的设计具有重要借鉴意义。
1、深圳地铁二十号线一期工程概况
深圳市城市轨道交通20号线一期工程长约8.43km，采用8辆编组A型车，最高速度采用120km/h，DC1500V接触网供电，设5 座车站（机场北站、重庆路站、会展南站、会展北站、会议中心站），平均站间距2.02km，最大站间距4.38km（机场北站～重庆路站），最小站间距0.8km（会展南站～会展北站）。在机场以北，虾山涌南侧，11号线停车场西侧，设置机场北车辆段一座，该工程线路示意图如图1所示。
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图1 深圳市轨道交通20号线一期工程线路示意图
本工程于2016年9月30日随着深圳国际会展中心同步开工建设，与深圳地铁11号线、穗深城际铁路线换乘，并向北至深圳国际会展中心，是2019年深圳国际会展中心开展的配套市政项目，线路正式开通后有利于空港新城片区的出行。
2、预制轨道板配筋创新设计
预制轨道板不仅具有施工速度快、精度高、可维修性好等优点，还在节能减排效果，综合经济效益等方面优于现浇整体道床。结合铺轨分段情况，在会展南～会展北明挖区间铺设单线0.810km预制板减振垫道床，以及在机场北～重庆路区间铺设单线1.951km的预制板普通道床。如图5所示，预制轨道板标准尺寸为4100×2400×220mm，轨枕间距为600mm，混凝土强度等级为C60。
2.1 结构设计方法
城市轨道交通设计行业早期的结构设计方法主要采用容许应力法。容许应力法就是将材料视为理想弹性体，以弹性理论为基础，算出结构在设计荷载下的应力，并保证构件最大应力不大于材料的容许应力[5]。容许应力法设计应用简单，但由于采用单一安全系数，不能考虑结构的安全性，导致材料的性能无法充分发挥。随着城市轨道交通的快速发展，结构设计方法逐渐转变为国际主流的极限状态法，极限状态法以极限状态为结构的设计状态，采用概率论的处理方法，充分考虑影响结构的各种安全因素，以塑性理论为基础，使得材料的性能得以充分发挥[6]。
2.2 计算荷载
预制轨道板为单元式无砟轨道，其主要的荷载形式为列车荷载和温度荷载（高架线）。本工程预制轨道板铺设在隧道内仅考虑列车荷载作用下产生的弯矩。
列车荷载作用下的纵向模型如图2所示，将一股钢轨与半宽道床板作为双重弹性地基梁处理。
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图2 纵向模型
动轮载Pd的作用下，钢轨和道床板的挠曲微分方程组为：
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式中：E1I1为钢轨抗弯刚度；E2I2为道床抗弯刚度；y11、y12分别为l1、l2区段内钢轨的挠度；y21、y22分别为l1、l2区段内道床板的挠度；k1、k2分别为钢轨、道床板单位长度支承弹性系数。
由于混凝土道床板沿其横向具有一定宽度，在钢轨压力作用下，理应同时考虑其挠曲变形问题。但为计算简便起见，采取把道床板从钢轨扣件中间截出一条截梁并将其置于弹性地基上，此截梁在轨座上的位置承受钢轨的均布压力，应用弹性地基梁的温克尔解法，计算道床板沿轨道横向的变形及内力，其计算模型如图3所示。
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图3 横向模型
道床板的挠曲微分方程如下：
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式中：E2I3——道床板横向抗弯刚度；yi——道床板横向各截面挠度（区段l1、l3、l5）；yj——道床板横向各截面挠度（区段l2、l4）；k3——道床板横向单位长度支承弹性系数；r——钢轨压力强度。
2.3 配筋设计
预制轨道板的承载能力极限状态设计应符合下式要求：
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式中：γ0为结构重要性系数；M为预制板承受的弯矩设计值；MR为正截面受弯承载力。
预制轨道板的为普通钢筋混凝土结构，其正常使用极限状态下的计算应符合
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式中：wmin为最大裂缝限值；w为正常使用极限状态下计算的裂缝宽度。
根据结构设计原理，在正截面抗弯设计中，受弯构件正截面承载力计算属于承载能力的极限状态，规范采用了以下假定：
（1）构件平截面假定；
（2）截面受拉区混凝土不参与工作假定；
（3）混凝土受压应力与应变曲线采用曲线加直线段的形式。
单筋矩形截面梁正截面承载力计算简图，如图4所示。
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图4 单筋矩形截面梁正截面计算简图
由图3-1的计算简图，可建立静力和弯矩平衡公式
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式中：Md为弯矩组合设计值；γ0为结构重要性系数；fc为混凝土抗压强度设计值；fy、As分别为钢筋抗拉强度设计值和钢筋面积；x为受压区高度；h0为截面有效高度；b为截面宽度；对于C60混凝土；α1取0.98。
上述公式只适用于适筋梁，要避免超筋或少筋，受压区高度和配筋率必须满足以下要求：
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式中：εb为相对界限受压区高度；ρmin为最小配筋率，取0.2%或0.45ft/fy的较大值。
3、技术创新设计
3.1 道岔伤损监测系统
尖轨，心轨是道岔的关键部件，其结构存在断面变化大、边界条件复杂、使用寿命短等特点，且列车在通过道岔时会产生较大的横向冲击力，这就造成了道岔轨件容易产生变形、磨损、裂纹、甚至断裂等不同程度的损伤[7]。运营过程中及时发现这些轨件的伤损并排除，是对列车安全运行的保障。目前常见的钢轨检测方法有人工法、超声波探伤法等，人工法伤损检出率低，超声波探伤仪提升了检出率，但其作业效率较低[8]。
道岔监测系统结合了传感检测、数据处理、网络通信等相关技术。如图5所示，道岔伤损监测系统主要由传感器、监测分机、监测主机、各级用户终端、网络传输通道等部分组成（可根据具体监测规模配置相应的设备）。各传感器实时监测道岔状态数据，通过有线方式传至监测分机，由监测分机经过预处理后转发至监测主机，由监测主机中相应的处理模块对监测数据进行处理，并将处理后的结果及相关信息发送至监测平台并保存至数据库，且可将报警状态及时发送到专业人员的移动终端。道岔伤损监测系统实现了岔区钢轨裂纹伤损、岔区线路状态、岔区视频巡检等多项监测功能，能及时发现道岔伤损、预防事故危害，对保证列车安全运行具有重大意义。
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图5 道岔监测系统总体结构图
3.2 钢轨减磨数据采集分析系统
钢轨波浪型磨耗（简称波磨）[9]，是一种常见的轮轨异常磨损，是指钢轨在使用一段时间后，钢轨表面出现的具有一定规律的周期性波浪线不平顺，通常根据波长和波深对其进行描述。波磨不仅产生了严重的的噪音，影响乘客的乘车舒适性，同时会加剧车辆和轨道零部件的振动，严重时出现轨道零部件和车辆部件疲劳失效，危及行车安全。
通过涂覆减磨剂将轨顶的摩擦系数控制在合理的范围内，是目前控制波磨的一种有效方法[10]。但是该方法对涂覆装置的涂覆时机和减磨剂的涂覆量有着严格的要求。为此深圳地铁20号线一期工程在设计时采用钢轨减磨数据采集分析系统来指导具体的钢轨减磨涂覆方案。
如图6所示，钢轨减磨及数据采集分析系统包含了数据采集分析及设备远程控制系统、钢轨轨顶摩擦调节剂智能涂覆装置、钢轨轨侧智能润滑减磨降噪装置。通过监测分析钢轨的垂向、横向振动加速度，轨旁噪音，道床和隧道壁振动数据，将采集的数据根据软件算法和故障数据库，进行智能处理、识别，自动判断故障类型，最后根据故障类型将具体的涂覆方案下达到智能涂覆装置。该系统不仅能控制钢轨磨耗，消除行车隐患，同时还提高了作业效率，节省人力成本。
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图6 钢轨减磨数据采集分析系统
3.3 车挡智能报警系统
目前国内轨道交通采用的车挡主要有固定式和缓冲滑动式，新型车挡还有液压缓冲滑动式。本工程正线、配线、车场牵出线采用液压缓冲滑移式车挡，允许撞击速度 15km/h，占用线路长度为 15 m。试车线采用液压缓冲滑移式车挡，允许撞击速度 25km/h，占用线路长度为 25m，为提高安全储备，试车线的液压缓冲滑移式车挡后设一组固定车挡。未满足运营要求，正线车挡器需安装智能报警装置[11]。
如图7所示，车挡智能报警装置由速度传感器、位置传感器、液压面传感器、冲撞记录安装箱、轨行区报警装置，监控室报警装置组成。
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图7 车挡智能报警系统
车挡智能报警系统可以在可能发生的事故出现后（失控车辆冲撞车挡），及时对车挡进行修复和复位，并根据相关数据分析事故原因，避免车挡功能失效而影响行车安全，提升运营安全储备。
4、结语
目前深圳20号线一期工程已实现轨通，采用极限状态法设计的预制轨道板已成功铺设，轨道工程技术创新设计方案均得到落实，道岔伤损监测系统，钢轨减磨数据采集分析系统，车挡智能报警系统等一系列结合5G、大数据、人工智能技术的创新设计方案将进一步推动大湾区智慧城市轨道交通建设的有序实施，加快运维体系信息化、网络化，智能化高质量健康发展，为实现国家的“交通强国”战略而努力。
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作者简介：张光华，1981年出生，男，工程师。