二、轨道
轨道是城市轨道交通系统的重要组成部分，它凸显了城市轨道交通的特色。轨道作为一个整体结构铺设在路基之上，直接承受列车车辆及其荷载的巨大压力，对列车运行起着导向作用。因此，轨道的各个组成部分必须具有足够的强度和稳定性，能够承受来自列车纵向和横向的位移推力，保证列车按照规定的速度、方向不间断地运行。轨道需具有耐久性及适量的弹性，以确保列车安全、平稳、快速运行，并保证乘客的乘车舒适度。城市轨道交通均采用电力牵引，故要求轨道具有良好的绝缘性，以减少杂散电流。同时轨道应采用相应的结构来达到减震、降噪的要求。
轨道由钢轨、轨枕、联结零件、道床、道岔、防爬设备及其他附属设备构成，如图3-18所示。
图3-18 轨道的构成
1.钢轨
钢轨是轨道结构的重要组成部分，是轨道的基本承重结构，它直接承受列车及其荷载的压力，依靠钢轨头部内侧面和机车车辆轮缘的相互作用引导列车运行，并将所承受的列车荷载分散开来，传递给轨枕、道床及路基，也为车轮滚动提供最小的接触面。另外，钢轨还有为供电、信号电路提供回路的作用。
图3-19 钢轨的断面
（1）钢轨的外形。钢轨要求有足够的承载能力、抗弯强度、断裂韧性、稳定性及耐腐蚀性，因此，钢轨断面的形状多为“工”字形。钢轨由轨头、轨腰、轨底组成，如图3-19所示。
根据“工”字形的差异，可将钢轨分为槽形钢轨、双头钢轨和平底钢轨，如图3-20所示。槽形钢轨多用于街道轨道，即路面与钢轨轨面在同一平面的场合；双头钢轨上下呈对称形式，在19世纪应用广泛，现在很少采用；平底钢轨指的就是“工”字形钢轨，目前这种钢轨在国内外被广泛采用。
（2）钢轨的类型。按照钢轨强度的不同，城市轨道交通所使用的钢轨可分为43 kg/m、50 kg/m、60 kg/m和75 kg/m这4种类型。钢轨的强度越大，表明其所能承受的重量越大，同时能够增加轨道的稳定性，减少养护维修工作量，还能增加回流断面，减少杂散电流。为了提高城市轨道交通线路的运输能力，在经济条件允许的情况下，无论是地面线路、地下线路还是高架线路，运营正线均宜选用重型钢轨，城市轨道交通正线通常采用50 kg/m，60 kg/m的钢轨。对车场线来说，由于其主要是供空车运行，车速较低，考虑到经济性，宜选用50 kg/m或43 kg/m的钢轨。
（3）钢轨的连接。我国标准钢轨的长度有12.5 m、25 m两种，另外，还有比标准长度短40 mm、80 mm、120 mm、160 mm的缩短轨，主要用于铺设曲线线路轨道。因此，铺设轨道时需将钢轨连接起来。钢轨与钢轨之间的连接方法一般有以下两种：
图3-20 钢轨的分类
①将标准长度的钢轨固定在轨枕上，各节钢轨之间使用钢轨接头夹板（鱼尾板）、螺栓固定，并留有一定的轨缝，如图3-21所示。用这种方法铺设的轨道，在列车运行时会产生较大的震动及噪声，乘车的舒适性较差，同时由于钢轨接头是轨道结构的薄弱环节，会使养护维修工作量增加。
图3-21 钢轨连接
②为减少钢轨接头数量，降低接头带来的病害，提高乘客的舒适度，将标准长度的轨端无螺栓孔的钢轨通过一定的工艺焊接起来，形成长度达数千米或数十千米的无缝线路。目前，在技术上已能实现全路段的超长无缝线路。使用这种方法连接的钢轨，其轨缝大大减少，消除了列车通过钢轨连接处产生的冲击力，减小了震动及噪声，列车行驶更加平稳和高速，轨道的维修工作量也有所减少。目前，城市轨道交通的正线普遍采用此种方法，如图3-22、图3-23所示。
由于在数千米长的钢轨内不存在轨缝，因而当温度升高或降低时钢轨内部就会产生巨大的温度压力或拉力，这是无缝线路的一个显著特点。应在一定的温度下，将钢轨锁定在轨枕上，尽可能降低这种拉应力和压应力，以防止胀轨。隧道内温度变化幅度较小，由温度变化产生的拉应力和压应力也较小，因此在隧道内铺设无缝线路十分有利。如在地面线路铺设无缝线路，则需要加强养护与监控，并适时进行应力放散工作，以防止线路胀轨跑道。
（4）轨距。城市轨道交通轨距指的是轨道两条钢轨之间的距离（以钢轨的内距为准），如图3-24所示。国际铁路协会在1937年制定的标准轨距为1435 mm。我国地铁和轻轨都选用轨距为1435 mm的国际标准双轨作为列车轨道，与国家铁路列车选用的轨道规格相同。
图3-22 钢轨焊接
图3-23 焊接后的钢轨
图3-24 轨距
钢轨在使用过程中不可避免地会产生各种伤损，如折断、出现裂纹及磨耗等，为保证行车安全，钢轨出现伤损时应及时更换。
2.轨枕
轨枕是轨道的基础部件之一，承垫于钢轨之下，它将钢轨所承受的压力分散传递到道床上，同时能有效地保持钢轨位置和轨距。因此，轨枕应具有一定的坚固性、弹性和耐久性。轨枕应按照《地铁设计规范》（GB 50157—2013）中的相关规定进行铺设。
从不同的角度来划分，轨枕可以分为不同的种类。
（1）按制造材料划分。按制造材料来划分，轨枕可分为木枕、钢筋混凝土枕和钢枕。
①木枕。木枕采用木材制作，制造木枕的木材需要经过特殊的加工和防腐处理，如图3-25和图3-26所示。木枕的弹性和绝缘性较好，结构最简单，受周围介质温度变化的影响小，质量轻，加工和在线路上进行更换都比较简便，并且有足够的位移阻力；木枕比其他轨枕更容易吸收列车行驶所产生的压力，从而不易发生断裂；其使用寿命一般在15年左右。但由于木枕上的道钉孔会因使用日久而松弛，而且木枕的强度及寿命远不及钢筋混凝土轨枕，再加上木材资源有限，所以我国除了在桥上和道岔上使用木枕外，在其他地方很少使用。
图3-25 油浸木枕
图3-26 木枕
②钢筋混凝土枕。钢筋混凝土枕是使用钢筋和混凝土浇筑而成的，如图3-27所示。按其结构形式可分为整体式轨枕、组合式轨枕和短枕式轨枕3种，如图3-28所示。整体式轨枕整体性强、稳定性好、制作简便，是线路上广泛使用的一种形式；组合式轨枕由两个钢筋混凝土块用一根钢杆连接而成，整体性不如整体式轨枕强，但钢杆承受正负弯矩的能力比较强；短枕式轨枕又称为半枕式轨枕，主要用在整体道床上。
图3-27 钢筋混凝土枕
图3-28 钢筋混凝土枕分类
钢筋混凝土枕使用寿命长，稳定性高，养护工作量小，损伤率和报废率比木枕要低得多。在无缝线路上，它比木枕的稳定性高、自重大，更能有效地防止钢轨爬行，增加了轨道的稳定性，更适用于高速行驶线路。因此，钢筋混凝土枕在城市轨道交通线路上得到了广泛的应用。但由于钢筋混凝土枕造价高昂，而且笨重、不易加工、搬运不便、弹性没有木枕好，因而在桥梁、道岔等特殊地带的轨道还只能采用木枕。
③钢枕。钢枕是由钢材做成的，如图3-29所示。钢枕对钢材的消耗量较大，造价很高，所以没有得到广泛应用。
（2）按使用目的划分。按使用目的来划分，轨枕可分为普通轨枕、岔枕、桥枕。普通轨枕主要是指钢筋混凝土枕；岔枕主要用于道岔区段，岔枕一般较长，弹性相对较好，多用木枕，如图3-30（a）所示；桥枕主要是使用在高架桥上的一种轨枕，如图3-30（b）所示。
（3）按构造及铺设方法划分。按构造及铺设方法划分，轨枕可分为横向轨枕、纵向轨枕、短枕等。横向轨枕与钢轨垂直间隔铺设，是一种最常用的轨枕；纵向轨枕与钢轨同向铺设，是特殊的铺设方法，需要用其他方法保持轨距一致，如图3-31所示；短枕是在左右两股钢轨下分开铺设的轨枕，常用于混凝土整体道床。
3.联结零件
联结零件分为接头联结零件和中间联结零件。
（1）接头联结零件。钢轨接头联结零件主要由接头夹板，接头螺栓、螺母和垫圈等组成，如图3-32和图3-33所示。接头夹板又称为鱼尾板，是钢轨接头处连接钢轨用的夹板，标准形式为优质钢轧制的六孔双头式板。联结零件把钢轨连接起来，使钢轨接头部分具有和钢轨一样的整体性，以抵抗弯曲和移位，并满足热胀冷缩的要求。导电钢轨接头零件还有轨道导电接续线、绝缘钢轨接头、胶结钢轨接头及相应的绝缘配件或材料。此外，不同的钢轨接头，其联结零件的规格也略有差异。
图3-29 钢枕
图3-30 岔枕和桥枕
图3-31 纵向轨枕
图3-32 接头联结零件
图3-33 接头联结实物图
城市轨道交通系统的轨道基本上都采用无缝线路结构，钢轨接头联结零件数量大大减少。但在无缝线路的缓冲区、轨道电路的绝缘区、有道岔的线路区段中，接头联结零件还是不能少的。
（2）中间联结零件。钢轨与轨枕的联结是通过中间联结零件实现的。这种联结零件称为扣件，其作用是固定钢轨，保持轨距，阻止钢轨发生相对于轨枕的纵、横向位移，防止钢轨倾斜，并提供适当的弹性将钢轨承受的载荷传递给轨枕或道床。扣件必须具有足够的强度、耐久性和一定的弹性，以有效地保持钢轨与轨枕的可靠联结。此外，扣件应尽量简单，以便安装和拆卸。
扣件由钢轨扣压件和轨下垫层两部分组成，主要包括弹性扣件、承托物和弹性垫板等部分。弹性扣件用于把钢轨紧扣在轨枕上；承托物用于把扣件固定于轨枕上；弹性垫板使钢轨与轨枕间互相绝缘，防止钢轨漏电，减少了杂散电流，并增加了轨道弹性。扣件的主要组成部分如图3-34所示。
由于线路的环境条件要求不同，扣件的种类也有所不同。我国城市轨道交通线路中使用的扣件有以下几种：
①传统扣件。传统扣件沿用了铁路上的常用扣件，主要分木枕用扣件和混凝土枕用扣件。木枕用扣件主要有分开式扣件和混合式扣件，混凝土枕用扣件主要有扣板式扣件、弹片式扣件和弹条式扣件。除弹片式扣件外，其余4种扣件常用于城市轨道交通碎石道床线路。
a.木枕分开式扣件。木枕分开式扣件是将固定钢轨和固定铁垫板的螺栓或道钉分开的扣件，如图3-35所示。一般用道钉将铁垫板固定在枕木上（铁垫板上有承轨槽），将固定钢轨的螺栓安装在铁垫板上，然后用弹条或扣板将钢轨固定。
图3-34 扣件的主要组成部分
图3-35 木枕分开式扣件
b.木枕混合式扣件。木枕混合式扣件由铁垫板和道钉组成，如图3-36所示。用勾头道钉（方形）直接将钢轨、铁垫板及枕木连接在一起。木枕混合式扣件扣压力较小，为防止钢轨纵向爬行，需要较多的防爬设备。
c.混凝土枕扣板式扣件。混凝土枕扣板式扣件主要由扣板、螺纹道钉、弹簧垫圈、铁座及绝缘缓冲垫片等组成，为刚性扣件，如图3-37所示。混凝土枕扣板式扣件的优点是零件少，构造简单，调整轨距比较方便；缺点是用弹簧圈作为弹性元件，弹性不足，扣压力较低，在使用过程中容易松动。目前，扣板式扣件已逐渐被弹条式扣件替代。
d.混凝土枕弹片式扣件。混凝土枕弹片式扣件主要由螺纹道钉、螺母、平垫圈、弹片、轨距挡板、弹性垫板等零件组成，为弹性扣件，如图3-38所示。弹片式扣件采用拱形弹片扣压钢轨，用轨距挡板代替铁座以调整轨距，并将横向推力传递给轨枕挡肩。拱形弹片用弹簧钢制成，弹片的一端扣压在轨底顶面，另一端则支承在轨距挡板上。由于拱形弹片的强度不足，容易产生残余变形甚至折断，目前这类扣件已不多见。
图3-36 木枕混合式扣件
图3-37 混凝土枕扣板式扣件
e.混凝土枕弹条式扣件。混凝土枕弹条式扣件主要由螺纹道钉、螺母、平垫圈、弹条、轨距挡板、挡板座、弹性垫板等零件组成，为弹性扣件，如图3-39所示。混凝土枕弹条式扣件采用弹条作为钢轨扣压件，既利用了材料的弯曲变形及扭转变形性能，又不存在断面的削弱问题，结构形式比较合理，故具有压力大、弹性好、加压力损失较小、能较好地保持轨道几何形位等优点，现已成为我国城市轨道交通线路建设中的主型扣件。
图3-38 混凝土枕弹片式扣件
图3-39 混凝土枕弹条式扣件
②DT系列扣件。DT系列扣件是专门为城市轨道交通地下线路设计的扣件，如图3-40所示。DT系列扣件在城市轨道交通地下整体道床中被大量使用。
③WJ系列扣件。WJ系列扣件是一种无挡肩扣件，如图3-41所示。它主要用于城市轨道交通高架线路，是一种小阻力的扣件。
4.道床
道床是轨道的重要组成部分，是轨道框架的基础，如图3-42所示。道床通常是指铺设在路基之上、轨枕之下的石砟、钢筋混凝土结构层。它能支承轨枕，把来自轨枕上部的巨大载荷均匀地分散到路基面上，减少路基的变形；可以依靠本身和轨枕间的摩擦来固定轨枕位置，阻止轨枕产生纵向或横向位移。
道床一般分为碎石道床、沥青道床、整体道床（又称为混凝土整体道床或无砟道床）等。城市轨道交通地面线路多采用碎石道床，地下线路和高架线路多采用混凝土整体道床。
图3-40 DT系列扣件
图3-41 WJ系列扣件
图3-42 道床的结构
（1）碎石道床。碎石道床又称为有砟道床，是一种比较常用的道床形式。它一般是在轨枕下面、路基上面铺设石砟垫层。碎石道床分为木枕碎石道床和钢筋混凝土枕碎石道床，如图3-43所示。
碎石道床结构简单，弹性好，容易施工，方便更换，减震、减噪性能较好。但这种道床容易因行车压力而产生移位，轨道几何形位不易保持，碎石上容易滋生杂草，养护工作频繁，养护成本较高。
（2）沥青道床。沥青道床是为了改善普通碎石道床的散体特性而加入乳化沥青或沥青砂浆，使其保持稳定的一种道床轨道结构形式。沥青道床大致可分为沥青灌注式道床、沥青混凝土面层式道床和沥青混凝土垫层式道床3类。
（3）整体道床。整体道床是现代城市轨道交通中常用的道床形式。整体道床是指在坚实基底上直接浇筑混凝土以取代传统道砟层的轨下基础。整体道床分为无枕式整体道床和轨枕式整体道床两种。道床内可预埋木枕、混凝土枕或混凝土短枕，也可在混凝土整体道床上直接安装扣件、弹性垫层和钢轨。
①无枕式整体道床。无枕式整体道床也称为整体灌注式道床，如图3-44所示。道床的建筑高度较低，主要采用就地连续灌注混凝土基床或纵向承轨台。这种道床结构简单，减震性能较好，但冲击振动要比轨枕式整体道床大，且施工烦琐，机具复杂，施工进度较慢，承轨台抹面精度不易保证，难以达到设计精度要求。
图3-43 碎石道床
图3-44 无枕式整体道床
②轨枕式整体道床。轨枕式整体道床又分为短枕式整体道床和长枕式整体道床两种类型，如图3-45所示。短枕式整体道床性能稳定，耐久性好，结构简单，施工方法简便，施工进度较快，一般设中心排水沟；长枕式整体道床设侧向水沟，一般长轨枕预留圆孔，让道床纵筋穿过，加强了与道床的联结，它适用于软土地基隧道，可采用排轨法施工，施工进度较快。
图3-45 轨枕式整体道床
轨枕式整体道床的特点是整体性好，坚固、稳定、耐久；轨道建筑高度低，隧道净空减少，轨道维修量小。整体道床能适应城市轨道交通运营时间长、维修时间短的特点，但其弹性差，列车运行引起的振动、噪声比较大，造价比较高，施工时间长。
总之，整体道床的整体性强，纵向、横向稳定性好，具有较高的可靠性；其高平顺性和弹性较好，让旅客乘车更加舒适；坚固稳定、耐久，使用寿命长；表面整洁，需要较少的维修工作量和较低的维修成本；建筑高度较低，可减少隧道净空，节省投资，综合经济效益好。此外，无砟轨道上的无缝线路不会发生胀轨跑道，高速行车时不会有石砟飞溅起来，可避免由此造成的伤害；发生紧急事件时救援车辆可以直接上道等，都是其不可忽视的优点。整体道床的缺点是造价较高，且要求较高的施工精度和使用特殊的施工方法；在运营过程中一旦出现病害，整治非常困难，一旦基底发生沉陷，修补极为困难。
5.道岔
道岔是线路上供列车车辆安全转线的设备，它使列车车辆从一股道转向或越过另一股道。道岔是轨道的重要组成部分之一，一般在车站、车辆段、停车场使用较多。
（1）道岔的组成。城市轨道交通中使用较多的是普通单开道岔，占全部道岔总数的95%以上。单开道岔结构最为简单，它将一条线路分为两条，主线为直线，侧线由主线的左侧或右侧岔出。站在道岔前部面向尖轨尖端，凡侧线由主线左侧岔出的称为左开道岔，侧线由右侧岔出的称为右开道岔。一组普通单开道岔由转辙器、连接部分、辙叉及护轨组成，其结构如图3-46所示。
图3-46 普通单开道岔的结构
①转辙器。转辙器由两根基本轨、两根尖轨、转辙机械构成。基本轨是道岔中接触尖轨和靠近护轨的钢轨，位于尖轨外侧；尖轨是转辙器的主要部件，引导车辆进出道岔，为使转辙器能正确引导列车的行驶方向，尖轨尖端必须与基本轨紧密相贴；转辙机械用于将尖轨扳动到不同的位置，使道岔能准确地开通直线或侧线。
②连接部分。连接部分是指连接转辙器部分和辙叉部分的轨道。它包括四股钢轨，即两股直线钢轨和两股曲线（道岔曲股连接部分为导曲线）钢轨。目前，线路上铺设的道岔导曲线均为圆曲线，其半径的大小取决于道岔的号数及列车过岔的速度。由于长度及界限的限制，导曲线一般不设超高和轨底坡。为防止导曲线钢轨在动荷载作用下的外倾和轨距扩张，可设置一定数量的轨撑或轨距拉杆，也可以在导曲线范围内设置一定数量的防爬器及防爬支撑，以减小钢轨的爬行。
③辙叉及护轨部分。辙叉及护轨部分主要由辙叉心、两根翼轨、两根护轨构成。辙叉是道岔中两股线路相交处的设备，它能够使列车按确定的行驶方向跨越线路，正常地通过道岔。辙叉一般分为固定式辙叉和可动式辙叉两类，以固定辙叉最为常用。
a.辙叉心。辙叉心又称为岔心，用来连接两边轨道的钢轨。
b.翼轨。翼轨是在内侧轮轨紧邻岔心处设置的钢轨，翼轨与岔心间形成必要的轮缘槽，引导车轮行驶。翼轨最窄处与辙叉心尖端之间存在一段钢轨中断的间隙，此处叫作辙叉的有害空间。当机车车辆通过辙叉的有害空间时，轮缘有走错辙叉槽而发生脱轨的危险，因此必须设置护轨，对车轮的运行方向实行强制性引导。
c.护轨。护轨是防止车轮在岔心处因轮缘有可能走错辙叉槽而发生脱轨或进错路线，而在固定辙叉两侧设置的钢轨。
（2）道岔的分类。道岔的种类繁多，常用的有单开道岔、双开道岔、三开道岔、渡线、交分道岔等。
①单开道岔。普通单开道岔是城市轨道交通中使用最多的道岔，普通单开道岔又分为左开道岔与右开道岔，如图3-47所示。
图3-47 普通单开道岔
②双开道岔。双开道岔又称为对称道岔，一般指单式对称道岔。双开道岔由主线向两侧分为两条线路，道岔各部位均按辙叉角平分线对称排列，两条连接线路的曲线半径相同，且无主线和侧线之分，两侧线的运行条件相同，如图3-48所示。
③三开道岔。三开道岔又称为复式异侧对称道岔，是复式道岔中较常用的一种道岔。它相当于两组异侧顺接的单开道岔，由两组转辙机械操纵两套尖轨组成，如图3-49所示。
④渡线。渡线是指利用道岔或固定交叉连接两条相邻线路的设备，渡线可分为单渡线和交叉渡线两种类型。单渡线是由两组类型和号数相同的单开道岔通过相同的钢轨连接两条线路的过渡线路。交叉渡线是由四组类型和号数相同的单开道岔和一组菱形交叉设备，以及连接钢轨组成，用于平行股道之间的连接。
⑤交分道岔。交分道岔是指两条线路相互交叉，列车不仅能够沿着直线方向运行，而且能够由一条线路转入另一条线路。交分道岔分为单式交分道岔和复式交分道岔。
a.单式交分道岔。单式交分道岔是指两条线路相交，中间增添两副转辙器和一副连接曲线，列车可沿某一侧由一条线路转入另一条线路的结构道岔，如图3-50所示。
b.复式交分道岔。复式交分道岔是指两条线路相交，中间增添四副转辙器和两副连接曲线，列车能沿任何一侧由一条线路转入另一条线路的结构道岔，如图3-51和图3-52所示。这种道岔既能达到线路交叉的目的，又能起到连接线路的作用。一组复式交分道岔能起到四组单式道岔的作用，与普通道岔相比，不仅能节省用地面积，也能节省调车作业时间。
图3-48 对称道岔
图3-49 三开道岔
图3-50 单式交分道岔示意图
图3-51 复式交分道岔示意图
图3-52 实际复式交分道岔
（3）道岔的号数。道岔的号数可用道岔辙叉角的余切来表示，也就是辙叉心部直角三角形两条直角边FE和AE的比值，如图3-53所示。道岔号数的计算式为
式中，N为道岔号数；FE为辙叉跟端长；AE为辙叉跟端之距。
道岔号数N与辙叉角a成反比。N越大，导曲线半径越大，列车通过道岔时越平稳，允许的过岔速度就越高。所以，采用大号道岔对于列车运行是有利的，但大号道岔较长，占地多，工程造价高。
图3-53 道岔叉号计算示意
常用的道岔辙叉角如表3-1所示。
表3-1 常用的道岔辙叉角
6.防爬设备
列车运行时常常产生作用在钢轨上的纵向力，使钢轨做纵向移动，有时甚至带动轨枕一起移动，这种纵向移动叫作爬行。列车速度越高，轴重越大，爬行就越严重。
线路爬行往往会引起接缝不匀、轨枕歪斜，对轨道造成极大破坏，危及行车安全。因此，必须采取有效措施来防止线路爬行。目前，除了采用加强轨道的其他有关组成部分的方法以外，还采取了用防爬器和防爬撑来防止线路爬行的措施，如图3-54所示。
防爬器用穿销固定于钢轨底部，用挡板顶住枕木侧面，协助扣件限制钢轨与枕木间的纵向位移。但单根枕木下的道床阻力十分有限，不能承担钢轨通过防爬器传来的纵向力，因此采用防爬撑将4～5根枕木连成一体，以达到共同抵抗钢轨纵向力的目的。防爬撑沿线路纵向连续在4～5个枕木间顶紧，防止轨道爬行，以尽可能减少轨缝不匀、轨枕歪斜等线路病害。
图3-54 防爬器和防爬撑