工程實務

捷運部

工程師

黃仲宗

捷運部

工程師

張思

捷運部

工程師

詹宏義

目前世界各國因人口集中都會區及道路年增率遠不及車輛年增率，在陸運交通方面，形成都會區內及城際道路交通日益頻繁與擁塞，同時近年來降低環境污染及增加能源使用效能之呼聲下，陸運交通中鐵路運輸又再度成為最佳解決方案，此一現象在地狹人稠的台灣更加明顯。

本文即針對軌道工程基本設計作一廣泛性之探討，其中包含道碴道床及無道碴道床軌道，並依實際軌道基本設計經驗，作一整體歸類分析，其涵蓋內容為基本設計之目的及方向、基本設計流程、基本設計之內容及範圍，再以參與台中地鐵及台北捷運軌道基本設計的初步執行狀況為實例說明，最後做出建議與結論，希冀本文能對本司同仁對軌道運輸中軌道工程之實務執行規劃及設計時有所幫助。

世界各國區域陸運交通中因道路擁塞不堪，已有朝向軌道運輸系統發展的趨勢，目前台灣之鐵路系統，有處於更新、興建、營運及待興建等各階段，其中各等級軌道運輸系統中軌道工程基本設計之工作內容及範圍，仍未有明確之釐清。

軌道工程在規劃階段主要工作範圍著重於一般性系統特性及系統性基本原則之整合制定，其中針對軌道工程部分，則包含系統特性之分析評估（軌道運輸等級，如高鐵、傳統鐵路、重運量捷運、輕軌捷運）、軌距之決定、鋼軌之型號、軌道道床（道碴道床及無道碴道床）之選取與佈設（地面段、高架段、地下段）、道岔幾何及號數、基本設計準則、各子系統分界點（以軌道為本體之界面協調作業，包含輪軌、軌道/結構互制行為分析、供電及號誌分區及接頭…等）釐清等工作範圍，意即完成進行軌道基本設計，所需之原則與規定。

現就其中台北捷運系統及台中地鐵軌道工程基本設計之內容進行兩者整合後之說明，藉此兩案例得以釐清軌道基本設計的工作內容及其範疇，而未來相關鐵路系統進行軌道基本設計時，有一較明晰的工作分界。

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，所須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，自臺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，對於台灣地區的鐵路發展帶來了一個全新的視野。亦漸漸成為台灣軌道工程發展的趨勢。同時台灣鐵路系統亦有朝無道碴道床軌道發展的計畫。

故本文所談及之軌道基本設計將含括道碴軌道及無碴軌道等兩種型態軌道系統；並亦將針對無道碴道床軌道工程的基本設計，其設計之目的及方向、設計流程及設計的內容及範圍，作一廣泛的敘述及探討，並提出對無道碴道床軌道工程基本設計的看法及見解。

軌道基本設計分為兩大型態：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。

軌道基本設計之目的與方向，則是先依規劃階段所釐定的系統規劃（究為重運量捷運或傳統鐵路之軌道系統）及區域特性（台北都會區或台中都會區之差異性），進行評估分析，再將兩種道床型態作一佈設區段之整體性規劃，待確定後，再依實際狀況進行基本設計，主要以完成概念設計、制式規格及細部設計準則為其目的與方向。

現針對國內目前既有鐵路系統在道床型態佈設區段之整體性規劃狀況作一說明：

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。

以上即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。

1. 收集設計參數：收集列車軸重、輪型、輪背距、軌道空間佈設、預留管線路徑、線形資料、機電設備配置之尺寸與路徑及其他相關項目如法規等相關資料並加以分析評估，以為基本設計的參考依據。

2. 軌道道床之選取：收集結構空間尺寸、機電設備需求尺寸及路徑與環境因素等資料，依據該計畫之地理環境及工程特性進行無道碴道床之選取作業，宜由本土化所發展出之無道碴道床中，選擇一種型態或自行研發無道碴道床型態，對道床進行初步設計、配置及結構分析。

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。

3. 選擇鋼軌及扣件系統：依據列車車速、軸重、扣件彈性係數、扣件型式、道床型態等因素，評估選擇或設計適合該計畫所需要的鋼軌及扣件系統，其中特別在吸音減震方面，因無道碴道床為一整體剛性結構，列車行經此處時，較行經傳統道碴軌道所產生之噪音及振動量較大，因此在鋼軌扣件吸音減震之功能需求亦較傳統道碴軌道來得重要。

(1) 扣夾－直接固定鋼軌於整體扣件系統之上，提供鋼軌受三向力（垂直、縱向、側向）時，有足夠之扣壓力，得以阻擋鋼軌因三向力所造成之三向變位不致過大。扣夾型式依其使用及功能性之不同可分為：

a. 道釘－大都使用於木枕之上，其型式有鉤頭道釘、螺紋道釘及彈性道釘。

b. 螺栓及楔形扣夾－以扣夾固定鋼軌於鋼軌座上，再以螺栓貫穿扣夾本體，固定於預埋件或錨定螺紋座內。

c. 彈性扣夾－先行將錨座與鋼肩預鑄於基鈑或軌道承托系統之內，再以彈性鋼棒扣夾崁入錨座或鋼肩之上。

(2) 基鈑－扣件系統中，直接承載鋼軌及均勻將列車荷重及鋼軌自重往下傳遞至軌道承托系統之主要組件，亦有保護軌道承托系統並可配合吸音減震等環境污染防治特殊需求。依其形式可分為：

a. 單一基鈑或墊鈑，大都使用於枕木系統上，由單一鈑塊組成，介於鋼軌底部與枕木之間。

b. 雙層基鈑，因考慮單一基鈑之剛性過高，若需求較高彈性及吸震能力時，則另加設彈性材（包含天然橡膠或合成樹脂）於金屬鈑下，以其彈性係數之調整來配合不同軌道系統之要求，即為雙層基鈑。

c. 三層基鈑，在乘客舒適度要求提高及增加軌道使用壽年…等諸多因素考量下，發展出上下為金屬鈑以抵抗磨損，中夾彈性材以調整彈性係數提高乘客舒適度之三層基鈑。三層基鈑依金屬鈑與彈性材之膠結方式與錨碇螺栓貫穿方式之不同而有分離頂鈑貫穿式、分離底鈑錨碇式、膠結底鈑錨碇式與膠結外環鈑錨碇式等四種不同型式。

(3) 錨碇組件－承受經扣件吸收折減後荷重，並傳往軌道下部結構之固定組件，亦需具備絕緣功能，以避免雜散電流竄流造成金屬組件腐蝕。

4. 道岔：收集運轉需求、列車速限、幾何線形、佈設原則及位置等資料（將依區域特性及高鐵、傳統鐵路、重運量捷運、輕軌捷運不同等級軌道運輸而異），宜由本土化已使用之道岔中，選擇一套道岔或自行研發一套道岔型態。

5. 軌道附屬件：收集運轉需求、系統特性需求、佈設原則及位置等資料（將依區域特性及高鐵、傳統鐵路、重運量捷運、輕軌捷運不同等級軌道運輸而異），宜由已本土化使用之材料中，選擇一套或自行研發一套型態。

6. 界面協調：道床型態、鋼軌及扣件系統、道岔、軌道附屬件決定後，即已初步完成軌道工程之基本設計；然後必須將已完成之設計與其他相關界面，在技術性、施工程式及可行性各方面，彼此協調整合，尋找出一最佳之整合方案。相關界面有：

(1) 車輛系統：設定軌距（標準軌距或窄軌）、車輪內緣形狀與軌道傾斜度須相互配合、線形設計與車輛特性配合並兼顧安全與舒適性、淨空需求須符合車輛包絡線。

(2) 號誌系統：台北捷運號誌設計須配合道岔號數、轉彎半徑、列車速限與橫渡線之設計（自動列車運轉(ATO)及中央行車控制(CTC)）。台鐵系統則依循既有制式程序進行協調（目前台鐵號誌系統僅為自動列車警示(ATW)、自動列車煞車(ATS)兩大主要功能，將提昇為自動列車保護（ATP），尚無法達到自動列車運轉(ATO)）。

(3) 供電系統：台北捷運導電軌及電纜接頭之佈置、導電軌錨座與軌道版位置之設計及迴路電纜穿越軌道版之位置（目前列車運行需求電壓為750伏特直流電）。台鐵為架空電纜集電弓系統則依循既有制式程序進行協調（目前列車運行需求電壓為25KV二單相交流電）。

(4) 土建結構：以軌道中心線為基線，加入淨空需求之結構基本尺度及隧道車體偏移值(隧道段)，以訂出結構尺寸；另軌道組件設計須配合結構變位，避免與震動頻率相近及傳遞震動方向。

軌道基本設計有兩種型式，一為功能性基本設計，一為特定系統之基本設計；其主要區分在特定材料之設計程度（因其具有專利權問題）。

現就台北捷運功能性軌道基本設計之範圍主要為完成軌道初步設計、提供軌道細部設計之依據、釐清及制定系統一致性之規格及準則，基本設計之內容應包含有基本設計報告書、材料及施工規範、結構基本設計計算書、數量統計與單價分析及基本設計標準圖等項目；分別說明如後：

基本設計報告書內容應包含整個計畫之軌道工程之基本設計目的及服務範圍、基本設計之概念說明、基本設計標準及依據、道碴段軌道鋼軌及扣件之選擇評估及概略施工方式、無道碴道床段道床之選擇評估及概念設計與基本結構分析說明、無道碴道床鋼軌扣件系統之概念設計與其功能性需求條件，一般性軌道材料（如平交道、止衝擋、標誌等）功能定位及配置原則；另在細部設計時須注意之事項，亦須於基本設計報告中一併提出，以為細部設計之設計準則。

在軌道基本設計完成後，完成軌道標準斷面圖、路線圖、道岔區初步佈設圖、土建完成斷面圖、一般性圖說等五類圖說。

1. 軌道標準斷面圖包含道床標準斷面、軌道附屬件大樣圖、道岔相關大樣圖及導電軌標準圖等圖說，制定軌道設計標準圖說，以為細部設計時，軌道工程設計之依據。

2. 路線圖包含主線及機廠線形圖、軌道簡圖、導電軌初步佈設圖。

3. 道岔區初步佈設圖包含結構空間、導電軌、絕緣接頭、道岔軌道、機電設備等初步配置圖。

為確保軌道能符合設計原則、使用壽年及功能性需求，基本設計時必須針對軌道工程所使用的材料特性及施工所要求的方式及誤差，訂定出一套合理的規範，以供細部設計之參考及施工人員施工時之標準。

材料規範中應包含所使用之金屬、木材、級配料礫石及塑膠類等材料或母材之物理性質及化學性質之標準及檢驗方式，另對於工廠組裝完成運至工地使用之材料如鋼軌扣件、基鈑等材料，除母材之物性及化性檢驗外，應另將所需進行之功能性測試項目、標準及測試方法，一一列明於材料規範中；另材料規範中，對具有專利性之材料（如鋼軌扣件系統），則宜以功能性要求方式製作規範，台北捷運共計有24章材料規範章節，台中地鐵共計27章材料規範章節。

施工規範則針對軌道工程施工時，對於材料之運送及保護，施工中之尺寸誤差、施工方式及程序、檢驗方式及安衛環保等工作，訂立一套詳細且合理之規範，以為施工人員施工時之標準，台北捷運施工規範共計4章，台中地鐵共計2章材料規範章節。

台灣目前對於無道碴道床軌道工程，應尚屬起步階段，相對於所使用之材料及施工方面亦較無完整且廣泛之標準可供參考；因此在規範之建立上，可參考台灣鐵路管理局、CNS國家標準及臺北市捷運局等之材料及施工規範，另其他國家之規範如UIC(國際鐵路聯盟)及AREA（美國鐵路工程協會）等所訂立之規範亦可作為參考使用。

針對軌道工程所需使用之材料、機具及人工，依據該計畫所設計之軌道長度、軌床形式、扣件系統及其他附屬配合項目，進行數量之分析及統計，並依據分析統計之結果製作工料分析中之工程總表，工程數量詳細表及單價分析表等供業主參考。

對於基本設計之無道碴道床以結構計算檢核列車行經軌道上，對軌道產生載重、軌道/結構互制（側向力及縱向力）之情形；對無道碴道床斷面合理性及基本配筋量之評估及分析；以驗證所選取設計之道床能符合設計時假設之條件，其結果亦可作為細部設計時之道床設計，進行細部結構程式分析時計算其應力及應變之檢核或參考因素。

現以台中地鐵軌道基本設計案作一實例說明，台中地鐵因考量傳統道碴軌道養護維修成本及頻率過高，於民國88年「台中市區鐵路地下化」計畫中計劃以隧道內施作無道碴道床軌道，隧道外地面段仍採用道碴道床軌道，來取代目前現有之台中市區鐵路軌道，本司為參與本計畫軌道基本設計之工作小組；本實例探討即對於「台中市區鐵路地下化工程」軌道基本設計無道碴道床軌道部分，就規範訂定、結構計算、道床選取及鋼軌扣件設計等方面加以說明並探討。

材料方面之規範，主要以台灣鐵路管理局及地鐵處之材料規範為主要參考準則，於規範不足之部分再參照CNS（中國國家標準）、UIC（國際鐵路聯盟）及ASTM（美國試驗材料協會）等具公信力之規範，作一轉換修改作業。

施工規範由於台鐵並未針對無道碴道床軌道發展出一套制式之施工規範，因此本工作小組針對無道碴道床軌道之施工方式、施工尺寸誤差及檢驗標準，參照臺北捷運施工方式及最新版之UIC條款/規範、ASTM規範及AREA（美國工程協會）鐵路工作手冊，訂定出一套無道碴道床軌道施工之標準及規範。

為選取出最適合本案之無道碴道床，研擬以符合本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，其初選評估因數如後所述（評估分析表如附圖二）：

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。

初選決定較適合該計畫之幾種形式後，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。

以ABAQUS結構分析計算軟體模擬分析平版式道床、模式及幾何形狀如附圖三、附圖四所示。

以軌道縱向長度30 m作為分析長度，最小轉彎半徑R = 672 m（該案最小之平面半徑值）為現行分析條件。活載重以KS-18為標準，最大車速120km/hr，鋼軌扣件之彈性係數依台灣鐵路規範-無道碴道床設計規範之規定，設定為25,000kN/m，鋼軌以目前台鐵所採用之50kg-N型式為假設條件，來模擬並分析無道碴道床受力之情形。

分析結果如附圖五，平版式無道碴道床最大應力為987.5kN/m²，最大應變為9.5184×10^-5m，鋼軌最大位移量為8.2855×10^-5m，本初步結果可提供為未來無道碴道床軌道細部設計中道床結構設計之檢核及鋼筋配置的依據。

在考量本系統之特性、降低彈性材磨耗與施工養護維修之需求等因素後，初步評估較符合本計畫使用的鋼軌彈性基鈑型態有二種－分離頂鈑貫穿式及膠結外環鈑錨碇式。而軌道扣件一般皆由廠商自行研發設計及生產，因此工作小組對於鋼軌扣件之選擇評估，除建議採用上述二種形式以外，僅設定一般性設計條件及試驗規範，供應廠商須配合材料規範中關於無道碴道床鋼軌扣件所訂定之規定進行測試，試驗合格後，方可提供該計畫使用。該計畫軌道扣件之一般性設計條件如下：

a. 縱向負荷＞15.5kN時，扣件必須容許鋼軌滑動，縱向負荷＜10kN時，扣件必須固定住鋼軌不得滑動

由以上探討說明中應可概略瞭解軌道工程基本設計之執行過程、基本設計工作的範圍及內容，然而不同之鐵路系統或軌道基本設計案，針對軌道工程之定位與規劃或有不同，亦將造成軌道基本設計之不同成果需求。但因本文乃針對台北捷運及台中地鐵軌道基本設計作完整性說明及廣泛性探討，故國內軌道界仍可參考本文內容，配合己身需求，擬定軌道基本設計之工作範圍，或直接參酌進行軌道基本設計。

最後，本文將針對未來國內軌道基本設計案，提出數點建議如後：

1. 先行釐清系統定位及確定軌道等級（高鐵、捷運、傳統鐵路、輕軌），才進一步設定功能需求（依循車速、軸重等因素）。

2. 確實瞭解區域特性（現地地貌、環境腐蝕等級、軌道座落結構型態、地質狀況等因素），才可做出適當之設計。

3. 在不同時程及採購法與未來市場寬廣性考量因素下，則須針對整體系統互置能力進行規劃，審慎評估各軌道組件共容性之規定位階，才可進一步完成軌道基本設計。

4. 軌道運輸為高運量運具，安全需求高，實務性強，故宜參考國內外相關軌道規範及實作經驗，進行綜整歸納後，再配合系統特性展開基本設計。

本篇文章主要針對台北捷運及台中地鐵軌道基本設計實務經驗之分享，其中或有不完全之處，將待未來完成更多基本設計案後，再彙整經驗與心得，作進一步釐清說明，我們希望本篇文章能對國內軌道界有所幫助。

(3) 鄭國雄、張思，”軌道工程”，大中國圖書公司，中華民國88年11月二版一刷。

(4) 中華顧問工程司，”台中市區鐵路地下化工程－軌道基本設計報告書”

(5) Relon J.T. Chen, Tzu-Wei Wang, Kuan-Yung Chang and Sy Chang，”Taiwan Trackwork

Development –Nonballast Track System”，2000國際軌道運輸技術裝備學術研討會論文集，

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