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650多萬人口的重要運輸網絡。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。香港地鐵系統共有六條行車線。除機場快線、東涌線和剛啟用的將軍澳線外，市區線系統由三條行車線組成，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”(觀塘至旺角)所批出的合約中訂明的設計及建造規定，中標的軌道安裝工程承辦商提出使用非道砟軌道承托設計，在每條鋼軌下鋪設連續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”及港島線的若干軌段已發現鋼軌基座呈損耗跡象。詳細調查隨即展開，發現該等損耗是由于施工建造時品質控制有參差，加上受到氯化物含量甚高的地下水侵蝕，導致原有混凝土路軌基座內的鋼筋呈現銹蝕現象。除有關路軌支承基座的剝蝕問題外，路軌上出現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軌腳泄漏至地面，令軌腳發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期大
3 路軌基座維修／重建歷史
早期，損耗路段由工人在現場做局部維修，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“保持原有設計”更換策略，保留原有設計外形，即用混凝土灌注把Pandrol墊肩和扣夾作為鋼軌扣件。1998年，公司采用經改良的支承安排，在混凝土連續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，適當調節鋼軌水平，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，一項采用分隔預制混凝土座件的創新意念遂于2001年誕生，并由地鐵公司基建維修部的土木工務組和路基組聯合研究及發展。經過詳細討論，兩組提出多項采用預制混凝土座件的設計方案，最終決定是基于預制件的尺寸要盡可能配合路軌負重量，預制件本身須盡量輕盈，以便安裝時容易搬運，并要切合現有軌床狀況，務使一旦在隧道內發生緊急情況時，也仍然可以使用四 信道作為緊急疏散。有關設計組合已于預選的隧道內試行，并于海外實驗室接受耐用程度及結構穩定測試。結果顯示，不論在建造進度、人手需求、現場管理、鋼軌更換靈活性、改良的軌腳絕緣以及環境、工業健康考慮等，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。這種軌道結構稱為“預制件分隔軌道支承”(PBDTS)，同時方便日后如需要時更換“修正早期系統”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，需要更換的次數也較為頻密，而且由于只有極少數生產商仍繼續生產此型號的鋼軌，長遠的供應可能出現問題。PBDTS系統可預留空間予將來更換BSll90A鋼軌至UIC60．
總括來說，路軌基座的重建曾經歷三個階段，演變進程簡述如下

4 設計準則
就市區線而言，軌道結構是以20噸車軸負重及最高時速80km的服務列車為設計基準。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。公司于市區線隧道內原先采用的軌道結構是在連續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垂直硬度可增至每毫米25000kN，司減低隧道四周樓宇內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節功能(橫向調節10mm，直向為10mm)。
5 建造程序
PBDTS軌道結構改建工程主要分三個階段進行：
5．1 拆除原有的連續基座
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，騰出空位安裝預制混凝土座件。
5．2 安裝混凝土座件
①固定預制座件的位置，并在軌床斷裂水平上預留空隙。
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經預制座件的孔隙，鉆挖4個深入軌床的孔洞。
④把樹脂灰漿注入鉆孔內，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，預制程序的質量控制更勝一籌。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，從而提高整個系統的可靠程度。此外，相對連續支承而言，使用預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聚的情況。
6．2 均勻的鋼軌夾緊力
鑲有彈性墊板的PBDTS系統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
車服務安全可靠。
6．3簡化建造程序
采用預制座件的方法無需架起重型模板來就地澆注混凝土，而傳統的人手密集工序也毋須在現場
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系統可提供更大的靈活性。
6．5 乘車旅程更見舒適
PBDTS軌道結構配備設有彈性設施的墊板，較傳統的“保持原有設計”重建方法為佳，為乘客提供更舒適的列車服務。
7 財務效益
PBDTS系統不僅簡化建造隉序，并因無需就地澆注混凝土而有效地節省勞工成本。除可提升鋼軌的可靠程度外，以設計壽命及鋼軌磨蝕程度而言，PBDTS軌道結構也視為具有長遠的成本效益。長遠而言，可有效節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，以六十年計算的整段路軌基座每公里可節省約的成本是很可觀的。
8 總 結
過去17年來，路軌基座的維修重建方法經歷多番變革，由被動的局部修補形式，漸發展為現今采用的預制座件分隔軌道支承系統。由連續鋼筋混凝土路軌基座改為采用PBDTS系統，不論在財務、建造、工程、營運及維修方面均見成效。PBDTS系統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，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揮完善策劃、設計、建造控制及場地管理的要素。