無道碴道床軌道研究介紹 土博三蔡俊鐿 d93521017 摘要無道碴道床軌道以軌道使用生命週期的觀點, 在後續營運維修具有省力化最大優勢, 為未來軌道運輸工程計畫採用之趨勢 本文旨在整理國內相關文獻, 針對其型式 價值工程及軌道力學分析等予以介紹, 並以高鐵工程為例, 探討其軌道力學之行為 關鍵詞 : 軌道 無道碴道床軌道 高速鐵路 一 前言 1 軌道運輸系統三大工程技術包括土建 軌道及機電, 軌道為土木與車輛之間重要的媒介, 關係軌道系統安全, 為達到安全要求, 軌道之定線 基鈑與鋼軌間之構建 基座與基盤及接合構件間之結構及應力 橋軌互制等須有精準的分析 模擬與計算 軌道工程之設計工作, 在台北 高雄捷運系統或台灣高鐵系統係分別由政府直接或由 BOT 廠商間接以統包方式發包給軌道施工廠商設計兼施工 ; 但在台鐵方面因自己擁有軌道施工人力及技術, 係以發設計標方式委由民間工程顧問公司設計再交還台鐵自行施工 至今, 國內僅少數工程顧問業者擁有該項工程設計技術能力, 而軌道之製造則全仰賴外商之協助 軌道基本分為兩大型態 : 一為道碴道床軌道及一般制式軌道材料作業 ; 一為無道碴道床軌道及其關聯性組件及設備與施工作業 針對國內目前既有軌道運輸系統在道床型態佈設區段之整體性規劃狀況說明如下 : 1. 台灣鐵路管理局之系統, 早期多半採行道碴軌道, 但自 1993 年起於南港溪橋上展開無道碴軌道之舖設及試驗, 目前已完成苗南隧道 東改局和平段隧道及追分彰化地面段等地之不同型態的無道碴軌道施作 2. 捷運系統, 以目前營運中之台北捷運而言, 地面段採傳統道碴軌道, 隧道及高架段則採無道碴軌道, 主要因為軌道以下結構型態之勁度掌握及其成本考量, 作為道床採用評估因子 而目前正施工中之高雄捷運, 亦為地面段採傳統道碴軌道, 隧道及高架段亦採無道碴軌道 3. 高鐵系統則考量部份隧道及高架段採用無道碴軌道, 地面段及部份高架段則考量採用道碴軌道 上述為台灣目前現有之三大軌道運輸系統道床型態分布情形, 於地面段之軌道大都採用道碴道床軌道型態, 於隧道段及高架段則因施工空間及養護維修等問題, 則以無道碴道床軌道型態較適合 但其中追分彰化地面段則採無道碴混凝土基座道版之特殊地面軌道型態
目前世界各鐵路系統因道碴道床軌道養護維修工作量逐年增加, 所需之人工及機具成本亦日益提高, 且道碴軌道所須之道碴 ( 級配料 ) 及枕木等物料亦日益匱乏 ; 故世界鐵路系統之發展多有朝向無道碴道床軌道形式之方向, 進行研發之趨勢 而台灣地區之軌道工程發展, 自台北捷運開始於高架及隧道段舖設無道碴道床軌道以來, 因無道碴道床施作所需結構主體空間較小 整體重量較輕及養護維修工作量較少的優點, 適合興建軌道於都會區的特性, 對於台灣地區的軌道運輸發展帶來了一個全新的視野, 朝無道碴道床軌道發展的計畫, 亦漸漸成為台灣軌道工程發展的趨勢 二 無道碴軌道道床 1 目前無道碴軌道道床因其與結構結合之形式不同, 可概分為下列三種 : (1) 直接固定式 將鋼軌及鋼軌扣件直接固定於軌道道床之上, 再將道床直接固定於橋面版 隧道仰拱或道碴之上 ; 依形式不同又可分為直座結構道床 平版式道床 非連續性混凝土基座道床及連續性混凝土基座道床等四種形態 (2) 埋入式 將鋼軌及其扣件直接座落於預鑄軌枕之上, 施工時吊至定位後, 再澆注混凝土將預鑄軌枕與下部結構體結合成一體 ; 此型依其形式又可分為木枕埋入式 混凝土枕埋入式 STEDEF 枕埋入式及彈性兩混凝土塊埋入式等四種 (3) 彈性支承墊 本型道床原則上先行預鑄軌道版, 再至現場以彈性材襯墊於軌道版及結構體之間, 藉以增加軌道彈性係數, 達到吸音減震之功效 ; 本型道床依發展形式不同可分為, 浮動式道床 日本版式道床及日本縱枕式道床三種形式 ( 圖一 二 ) 圖一無道碴軌道 - 台灣高鐵版式道床
圖二無道碴軌道 - 浮動式道床 參考 TRELLEBORG SYSTEM 此外, 針對無道碴軌道不同型式對降低噪音振動之比較, 以浮動式道床最佳, 玆將其比較結果列舉如圖三, 而其一般設計流程如圖四所示 圖三無道碴軌道型式與降低噪音振動之比較 參考 Delkor Pty Limited
圖四無道碴軌道設計流程圖 2 三 無道碴軌道選取及價值工程 1 軌道設計有兩種型式, 一為功能性設計, 一為特定系統之設計 ; 其主要區分在特定材料之設計程度 ( 因其具有專利權問題 ) 依價值工程研析觀點, 為選取出最適合之無道碴道床, 研擬以符合業主要求系統最佳利益之評估因數, 就世界上廣泛使用之 11 種軌道道床型式予以評估比較, 其初選評估因數如下 : 1. 軌道養護維修工作量之多寡 2. 考量軌道結構重量及土木結構尺寸 3. 軌道線形 高程與軌距可長久維持的時間及精準性 4. 軌床本身針對水排放及水滲入難易程度, 軌床各式材料對浸水後材質之變異性 5. 軌道排水系統之排水容量及排水系統養護維修難易程度 6. 軌道養護維修工作可於短暫非營運時間之內完成量 7. 軌道初期建造及養護維修總體成本 8. 國內技術純熟度及未來國家整體發展 9. 安全可靠度 10. 功能前瞻性 11. 市場寬廣性, 12. 環境保護,
經上述初選決定較適合計畫之幾種形式後, 再依照所選擇之各型道床, 針 對較細部之優劣點進行第二階段之分析比較 ; 並依據分析結果決定所採用之軌 道道床型式進行結構分析 價值工程分析針對成本之檢討, 需包含初期建造成本及後續營運階段之養 護費用, 參考文獻 3 之研究成果, 雖然無道碴軌道在初期興建成本較高, 可 是在後期養護費用具有較佳優勢, 以整體設計建造生命週期成本的觀念來考量, 採用無道碴軌道是未來的趨勢, 玆將其費用比較表列如下 :( 表一 ) 項目 道碴軌道 無道碴軌道 ( 元 /m) ( 元 /m) 版式軌道 彈性基鈑軌道 彈性 PC 直結式枕軌道 建造成本 11,237 17,735 19,661 14,977 養護費用 2,115,300 42,340 經費比較 ( 年值法 ) 2,116,497 867,904 957,606 739,519 價工評估名次 4 2 3 1 表一道碴軌道與無道碴軌道價格比較 四 軌道工程力學分析軌道工程力學分析主要包含車輛行車動力及舒適性分析 軌道及結構互制分析, 玆以台灣高鐵為例, 在採用無道碴軌道之條件下, 其設計準則及分析之結果如下 : ( 一 ) 設計準則 4 1. 地震載重以高鐵 C270 標為例, 該標位處彰化至嘉義路段 (0.34g 震區 ), 設計載重須考慮 Type I 地震 (PGA=0.34g) 其設計要求為可修復, 承受 950 年回歸期地震 ( 100 年破壞機率不超過 10%),Type II 地震 ( 1/3 Type I) 情況應維持安全通車, 施工階段則考慮 1/4 的 TYPE I 地震加速度 2. 車輛行車動力及舒適性分析 ( 1) 簡支大梁振動頻率 :2.87~6.63Hz( 35m),3.14~7.44Hz( 30m) ( 2 ) 車輛動力分析 : 垂直加速度 0.35g, 橋面版扭曲角 1.2mm/3m, 梁端轉角和 θ 1 +θ2 8 10-3 /h radians( h: 軌道頂至梁底高 ) 3. 軌道及結構互制分析 ( 1) 變位 : 正常載重 7mm( 橋面版間 ),4mm( 橋面版及鋼軌間 ),Type II 地震載重變位 :25mm( 橋面版間 ) (2) 鋼軌應力 : 正常載重 +7.3/-9.4 t/mm2 (+72/-92 N/mm2),Type II 地震 +17.0/-15.0 t/mm2 (+167/-147 N/mm2) (3) 大梁轉角限制 (40m~30m 跨徑 ): 水平轉角 :1.3/1000~1.5/1000, 垂直轉角 :1.3/1000~1.7/1000
( 二 ) 應力分析結果 5 1. 車輛動力分析高速鐵路車輛進行動力分析可以確保行車安全及維持乘客舒適度, 避免列車高速行駛產生共振問題, 以設計準則之高鐵車輛載重檢核行車速度在 220~350km/hr 範圍 C270 標工程制式橋 35m 及 30m 大梁採用 4.25m 梁深 ( 圖五 ), 將高架橋梁柱以梁元素進行動力分析, 其自然振動頻率分別為 4.36Hz( 35m) 及 6.11Hz( 30m), 均在設計準則要求範圍內 ; 車輛動力分析結果以 35m 大梁為例, 共振車速分別在 296km/hr( 第一模態 ) 及 234km/hr( 第三模態 ), 最大垂直加速度 0.13g 橋面版扭曲角 0.16mm/m 及梁端轉角 0.0005radian 均符合準則之規定 列車通過橋梁衍生動力問題, 移動載重及移動質量系統模擬, 為常用之分析方法 6, 文獻 7 則以工程顧問公司觀點, 推導單一移動載重作用於具阻尼簡支梁理論解, 再以疊加法求取多個移動載重之動力行為, 針對全世界現有三種高速鐵路系統日本新幹線 SKS 德國 ICE 及法國 TGV, 因為列車軸重及軸距差距, 分別求得各列車系統在不同行駛速度下所激發之模態及相關之共振速度, 可見在其第一模態共振速時速分別發生在 209km/hr (SKS) 220km/hr (ICE) 及 312km/hr (TGV) ( 圖六 ) 圖五台灣高鐵 C270 標高架橋
圖六車輛動力分析結果 SKS ( 上 ),ICE 及 TGV( 下 ) 2. 軌道及結構互制分析 ( 1) 分析說明 C270 標制式橋梁系統主要為簡支梁, 支承系統採用 4 個活動支承搭配 1 個固定 1 個單向活動剪力榫, 力量傳遞原則為活動支承僅承受垂直載重, 剪力榫則承受所有的水平載重 在正常載重或 TYPE II 地震載重組合下, 軌道及結構分析互制分析須分別建立至少 25 跨橋梁或 10 跨橋梁之結構模式, 除 3D 梁元素外, 軌道構件以雙線性元素模擬 ( 圖七 圖八 ), 每股道有載重之勁度為 6.1t/m( 60kN/m) 及無載重為 2.0t/m( 20kN/m),
兩端邊界鋼軌並加上 15,295 t/m( 150,000 kn/m) 之束制彈簧, 以 LUSAS 程式採用歷時分析法進行非線性分析 根據台灣高鐵設計準則, 列車載重配置依橋梁高度變化, 將影響軌道及結構互制分析之結果, 可大概區分為四種工址狀況 ( 圖九 ) ( 2) 分析結果分析結果發現相鄰大梁在 TYPE II 地震載重組合之相對變位 25mm 為主要的設計控制條件, 鋼軌之張壓應力條件並不會控制設計 本路段地形變化小, 當相鄰結構型式及地形變化接近時, 制式橋墩柱尺寸差異不大, 唯在鄰接剛度大結構 ( 非制式橋 ) 或局部地形變化大 ( 河川河槽變化區 ), 應調整墩柱尺寸或以設置 STU, 來滿足設計準則之規定 ( 圖十 ) 文獻 2 另針對高架橋上不同支承型式配置, 因軌道及結構互制之影響, 其長軌軸力之變化如圖十一所示 圖七道版軌道勁度 圖八軌道及結構互制分析模式 Rectangular Valley V shaped Valley
Sloped Step Abutment 圖九軌道及結構互制載重情况 圖十高鐵 C270 標 STU 圖十一不同支承配置組合之橋上長軌軸力圖 五 結語台灣鐵路史至今已有百年歷史, 軌道運輸涵蓋傳統窄軌及捷運標準軌, 道床型式亦包含有道碴及無道碴, 無道碴道床軌道為將來之趨勢, 其中捷運更考量降低環境衝擊採用浮動式道床 目前高速鐵路即將開始營運, 然而對於軌道力學分析如列車動力行為 結構互制行為及行車舒適性等, 除台北捷運於規劃階段曾由總顧問進行過相關研究外, 主要為進行高鐵規劃設計, 納為規範之需求 然自台鐵善化 花蓮及南港溪橋接連發生意外, 突顯此一課題之迫切與嚴重性 近年來歐陸 美國或日本均投入大量人力物力進行相關研究, 台灣亦進入三鐵時代, 實應提高軌道研究之規格, 以提昇本土軌道技術 8
參考文獻 1. 黃仲宗 張思 詹宏義 國內不同軌道系統基本設計實務探討 - 捷運與傳統鐵路, 中華技術第 62 期 2. 楊漢生 張正欣 邱宇彰 鐵路橋梁與無道碴軌道基本設計 ", 中華技術第 72 期 3. 徐秋菊 陳俶季 無道碴軌道工程永續經營之探討 ( 以北迴無道碴軌道為例 ), 國立海洋大學河海工程學系 93 學年度碩士專班成果發表會 4. Taiwan High Speed Rail Corporation, Design Specifications", Volume 9 5. 蔡俊鐿 高速鐵路 C270 標全跨預鑄橋梁工程設計及施工 ", 結構工程第 84 期 6. 姚忠達 楊永斌 高速鐵路車橋互制理論 ", 圖文技術服務有限公司 7. 鄭書恆 李一聖 高速鐵路橋梁車輛動力及乘客舒適度分析 ", 中興工程第 59 期 8. 馬坤祥 趙振宇 狄彥均 高雄捷運 CR7 標高架段軌道結構互制分析 ", 中華技術第 62 期