香港地下鐵路的鋼軌基座重建工程

1引言
香港地鐵有限公司每天載客量逾230萬名人次，成為香港市區(qū)650多萬人口的重要運輸網(wǎng)絡(luò)。地鐵的主要宗旨乃為香港市民提供一個安全、可靠的鐵路運輸系統(tǒng)。香港地鐵系統(tǒng)共有六條行車線。除機場快線、東涌線和剛啟用的將軍澳線外，市區(qū)線系統(tǒng)由三條行車線組成，分別為荃灣線、觀塘線和
港島線，介乎1980年—1985年間陸續(xù)建成及啟用。三線共由38個車站組成，沿線鐵路全長43km，
其中35km位于地下。
2 背 景
為配合建造“修正早期系統(tǒng)”(觀塘至旺角)所批出的合約中訂明的設(shè)計及建造規(guī)定，中標的軌道安裝工程承辦商提出使用非道砟軌道承托設(shè)計，在每條鋼軌下鋪設(shè)連續(xù)式鋼筋混凝土路軌基座。此外，承辦商建議采用特制BSll 90A鋼軌，以節(jié)省資本性投資為原則。上述兩項建議均獲地鐵公司接納，而荃灣支線也采用同類型安排，惟架空行車段除外。
早于20世紀80年代中期，“修正早期系統(tǒng)”及港島線的若干軌段已發(fā)現(xiàn)鋼軌基座呈損耗跡象。詳細調(diào)查隨即展開，發(fā)現(xiàn)該等損耗是由于施工建造時品質(zhì)控制有參差，加上受到氯化物含量甚高的地下水侵蝕，導(dǎo)致原有混凝土路軌基座內(nèi)的鋼筋呈現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。除有關(guān)路軌支承基座的剝蝕問題外，路軌上出現(xiàn)的其他損壞主要是路軌扣件位置的軌腳受到侵蝕。此外，由l 500v雜散直流電牽引回流經(jīng)軌腳泄漏至地面，令軌腳發(fā)生電解腐蝕和斷面損耗。如果軌腳銹蝕不能實時探測到，軌腳位置尤其是較細小的BSll90A鋼軌的斷面損耗便會較預(yù)期大
3 路軌基座維修／重建歷史
早期，損耗路段由工人在現(xiàn)場做局部維修，基本上鑿出細小部分，然后更除去已腐蝕的鋼筋，就地灌注新混凝土。這種方法十分費時，遠遠趕不上路軌基座的損耗速度。20世紀90年代中期，公司采取了更積極的方法，制訂較全面的維修計劃。方法是“保持原有設(shè)計”更換策略，保留原有設(shè)計外形，即用混凝土灌注把Pandrol墊肩和扣夾作為鋼軌扣件。1998年，公司采用經(jīng)改良的支承安排，在混凝土連續(xù)路軌基座上安裝分隔鋼軌墊板。
這些墊板消除軌腳積水問題，雙重絕緣更令雜散牽引回流漏電的可能性減到最低。此外，墊板也有助提高安裝工序的靈活性，適當調(diào)節(jié)鋼軌水平，從而盡量減少因建筑容限而造成不平衡的鋼軌夾緊力情況。然而，采用就地灌注混凝土的方法仍不符合成本效益。此外，由于每班期的可施工時間甚短，只有三個半小時，加上須在局限范圍進行，令到施工的過程添加難度。有見及此，一項采用分隔預(yù)制混凝土座件的創(chuàng)新意念遂于2001年誕生，并由地鐵公司基建維修部的土木工務(wù)組和路基組聯(lián)合研究及發(fā)展。經(jīng)過詳細討論，兩組提出多項采用預(yù)制混凝土座件的設(shè)計方案，最終決定是基于預(yù)制件的尺寸要盡可能配合路軌負重量，預(yù)制件本身須盡量輕盈，以便安裝時容易搬運，并要切合現(xiàn)有軌床狀況，務(wù)使一旦在隧道內(nèi)發(fā)生緊急情況時，也仍然可以使用四 信道作為緊急疏散。有關(guān)設(shè)計組合已于預(yù)選的隧道內(nèi)試行，并于海外實驗室接受耐用程度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定測試。結(jié)果顯示，不論在建造進度、人手需求、現(xiàn)場管理、鋼軌更換靈活性、改良的軌腳絕緣以及環(huán)境、工業(yè)健康考慮等，均證實較以往采用的方法更勝一籌，絕不影響支承及鋼軌的耐用程度。這種軌道結(jié)構(gòu)稱為“預(yù)制件分隔軌道支承”(PBDTS)，同時方便日后如需要時更換“修正早期系統(tǒng)”使用的BSll90A鋼軌。BSll90A鋼軌較地鐵其他行車線采用的UIC60鋼軌為小，需要更換的次數(shù)也較為頻密，而且由于只有極少數(shù)生產(chǎn)商仍繼續(xù)生產(chǎn)此型號的鋼軌，長遠的供應(yīng)可能出現(xiàn)問題。PBDTS系統(tǒng)可預(yù)留空間予將來更換BSll90A鋼軌至UIC60．
總括來說，路軌基座的重建曾經(jīng)歷三個階段，演變進程簡述如下

4 設(shè)計準則
就市區(qū)線而言，軌道結(jié)構(gòu)是以20噸車軸負重及最高時速80km的服務(wù)列車為設(shè)計基準。而荃灣線、觀塘線及港島線使用的軌段分別為BSll90A及UIC60鋼軌。
鋼軌支承之間的表面間距為600mm。公司于市區(qū)線隧道內(nèi)原先采用的軌道結(jié)構(gòu)是在連續(xù)鋼筋混凝土路軌基座上注造Pandrol墊肩，使鋼軌支承(即軌墊)的硬度達每毫米60000kN。
使用彈性墊板支承后，整個墊板裝置的靜態(tài)垂直硬度可增至每毫米25000kN，司減低隧道四周樓宇內(nèi)的地面震動和再輻射噪音水平。此外，新墊板也具備鋼軌對準調(diào)節(jié)功能(橫向調(diào)節(jié)10mm，直向為10mm)。
5 建造程序
PBDTS軌道結(jié)構(gòu)改建工程主要分三個階段進行：
5．1 拆除原有的連續(xù)基座
①分拆除深入軌床以下的混凝土鋼軌基座至鋼筋外露。為使列車服務(wù)不會受阻，每5段間距650~750mm的軌段，只容許重建一段。

拆除原有的混凝土路軌基座
②拆除所有外露鋼筋，騰出空位安裝預(yù)制混凝土座件。
5．2 安裝混凝土座件
①固定預(yù)制座件的位置，并在軌床斷裂水平上預(yù)留空隙。
②灌注不收縮混凝土灰漿，填滿座件下與軌床斷裂水平間的空隙
③經(jīng)預(yù)制座件的孔隙，鉆挖4個深入軌床的孔洞。
④把樹脂灰漿注入鉆孔內(nèi)，并倒插一對u形鋼筋為固定支座。
⑤用混凝土灰漿填滿座件的孔隙。
5．3 固定及扣緊墊板
①在預(yù)制座件上放置混凝土墊片(僅適用于BSll 90A鋼軌)。
②用4枚方頭螺釘鎖緊彈性墊板。
③安裝Pandrol扣夾。
6工程程效益
相比就地澆注混凝土的力祛，預(yù)制程序的質(zhì)量控制更勝一籌。前者極為依賴場地狀況及手工水平，而后者有效提升支承裝置的整體耐用程度，從而提高整個系統(tǒng)的可靠程度。此外，相對連續(xù)支承而言，使用預(yù)制座件分隔軌道支承可大幅減少雜散牽引回流電泄漏至地面，從而減底造成軌腳出現(xiàn)電解腐蝕的可能性。這主要在于鋼軌與支承之間減少接觸，而分隔墊板提供雙重絕緣功效。此外，在鋼軌與支承路軌基座之間加闊垂直間隙，也可減少濕氣和塵埃結(jié)聚的情況。
6．2 均勻的鋼軌夾緊力
鑲有彈性墊板的PBDTS系統(tǒng)使鋼軌的夾緊力均勻，盡量減少路軌或鋼軌夾的損耗情況，確保列
車服務(wù)安全可靠。
6．3簡化建造程序
采用預(yù)制座件的方法無需架起重型模板來就地澆注混凝土，而傳統(tǒng)的人手密集工序也毋須在現(xiàn)場
進行。此外，泥工(灌注混凝土)工序也可盡量減少，因而大大提升場地的整潔程度。
6．4 更換鋼軌的靈活性
倘日后有需要改用UIC60鋼軌以取代目前的BSll90A鋼軌，PBDTS系統(tǒng)可提供更大的靈活性。
6．5 乘車旅程更見舒適
PBDTS軌道結(jié)構(gòu)配備設(shè)有彈性設(shè)施的墊板，較傳統(tǒng)的“保持原有設(shè)計”重建方法為佳，為乘客提供更舒適的列車服務(wù)。
7 財務(wù)效益
PBDTS系統(tǒng)不僅簡化建造隉序，并因無需就地澆注混凝土而有效地節(jié)省勞工成本。除可提升鋼軌的可靠程度外，以設(shè)計壽命及鋼軌磨蝕程度而言，PBDTS軌道結(jié)構(gòu)也視為具有長遠的成本效益。長遠而言，可有效節(jié)省日后的鋼軌維修成本，主要因減少積水及更妥善控制雜散回流電，從而減低軌腳腐蝕的可能性，使更換鋼軌的頻率也隨之下降。
以軌道支承基座可用年期為六十年來進行成本效益分析，若采用分隔支承系統(tǒng)，以六十年計算的整段路軌基座每公里可節(jié)省約的成本是很可觀的。
8 總 結(jié)
過去17年來，路軌基座的維修重建方法經(jīng)歷多番變革，由被動的局部修補形式，漸發(fā)展為現(xiàn)今采用的預(yù)制座件分隔軌道支承系統(tǒng)。由連續(xù)鋼筋混凝土路軌基座改為采用PBDTS系統(tǒng)，不論在財務(wù)、建造、工程、營運及維修方面均見成效。PBDTS系統(tǒng)不但改善了重建程序和路軌基座的耐用程度，也消除了軌面積水及改善雜散電流收集系統(tǒng)，從而把軌腳腐蝕情況減至最少。整體而言，此方法有助達致安全、可靠、成本效益及顧客滿意的目標。此方法在整項重建工程中均充分發(fā)揮完善策劃、設(shè)計、建造控制及場地管理的要素。