盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的影響分析

韓朝霞

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的影響分析

韓朝霞

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300251)

摘要：受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)空間狹小限制及施工誤差影響，盾構(gòu)中浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題在施工過程中普遍出現(xiàn)。為了研究此問題對浮置板受力和隔振效果的影響，本文針對目前此問題的常用處理措施，利用有限元軟件建模分析這些措施對浮置板受力和隔振效果的影響。最終得出降低道床板厚度、減小隔振器縱向間距會增大浮置板1階固有頻率、降低浮置板的低頻隔振效率，尤其道床板厚度的降低對浮置板隔振效果影響較大；隔振器縱橫向間距減小會減小道床板內(nèi)的拉、壓應(yīng)力，隔振器剛度增大會增大道床板內(nèi)的應(yīng)力。除此之外，目前的常用處理措施也會影響道床基底排水、浮置板施工及后期養(yǎng)護(hù)維修。

關(guān)鍵詞：地鐵；鋼彈簧浮置板；盾構(gòu)；軌道結(jié)構(gòu)高度

隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，地鐵極大地方便了人們的出行，但同時也帶來了振動、噪聲、景觀等一系列問題。鋼彈簧浮置板軌道是目前減振效果較好的軌道結(jié)構(gòu)，在線路距離振動敏感點較近及下穿敏感建筑時應(yīng)用較多[1-4]。同時在線路下穿或靠近建筑時，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)更加安全、快捷、環(huán)境影響小。因此，目前在地質(zhì)條件允許的條件下，多個城市地鐵采用了盾構(gòu)隧道鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)。

但由于盾構(gòu)施工存在一定的誤差，導(dǎo)致鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度往往不足，甚至調(diào)線調(diào)坡后仍存在鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的情況，因此針對盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題，以國內(nèi)某城市地鐵應(yīng)用的盾構(gòu)鋼彈簧浮置板為例進(jìn)行研究[5-9]。

1盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)

鋼彈簧浮置板軌道主要由鋼軌、扣件、軌枕、鋼筋混凝土道床、隔振器、排水溝、排水管、檢查孔、橡膠密封條、剪力鉸、鋼筋混凝土基底等組成，圖1所示為國內(nèi)某地鐵線路應(yīng)用的盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道。

圖1　盾構(gòu)鋼彈簧浮置板橫斷面(單位：mm)

2軌道結(jié)構(gòu)高度不足的影響

該城市盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板設(shè)計時預(yù)留軌道結(jié)構(gòu)高度為840 mm，但是由于盾構(gòu)施工誤差等原因，實際的軌道結(jié)構(gòu)高度往往不是840 mm。當(dāng)實際軌道結(jié)構(gòu)高度比設(shè)計大時，在滿足基底排水順暢條件下，加厚鋼筋混凝土基底。當(dāng)實際軌道結(jié)構(gòu)高度不足時，則會給鋼彈簧浮置板的設(shè)計、施工及運營維修帶來很大影響。

(1)影響基底厚度及排水。鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足時，須減小道床下基底的厚度，進(jìn)而影響基底鋼筋的布置及道床下中心水溝的設(shè)置。

(2)影響隔振器的安裝。軌道結(jié)構(gòu)高度不足進(jìn)一步加重時，須將隔振器向線路中心移動，減小隔振器的橫向間距，甚至降低隔振器的高度。進(jìn)而影響鋼彈簧浮置板的受力和隔振效果，給隔振器的安裝和維修帶來不便。

(3)降低道床板厚度。當(dāng)基底鋼筋混凝土厚度降低后軌道結(jié)構(gòu)高度仍不足時，須降低道床板的厚度，減小浮置板的參振質(zhì)量，增大浮置板的固有頻率，進(jìn)而影響浮置板的隔振效果。

3軌道結(jié)構(gòu)高度不足的常用處理措施

目前針對盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的常用處理措施如下。

(1)降低基底鋼筋混凝土厚度，但是需保證基底水溝排水通暢，如果水溝深度不夠，需研究上游排水順接。

(2)道床板厚度和隔振器橫向間距不變，降低隔振器高度。降低隔振器套筒時優(yōu)先保證隔振器剛度和阻尼不變，降低外套筒的高度。

(3)縮小隔振器橫向間距。將隔振器向線路中心線方向移動，縮小隔振器橫向間距，但是需考慮隔振器位于鋼軌下方時，會對隔振器的施工及維修帶來不便。

(4)降低道床板厚度。道床板厚度降低會影響鋼彈簧浮置板的隔振效果。

其次，在結(jié)構(gòu)侵限嚴(yán)重的情況下還可能取消短軌枕減小軌下凈空，以增大道床厚度，增加凸臺，改變隔振器的縱向布置間距等其他措施。

4模型計算

利用有限元模型分析軌道結(jié)構(gòu)高度不足時，采取降低道床板厚度、減小隔振器剛度和隔振器縱橫向布置間距對鋼彈簧浮置板的受力和隔振效果的影響。

4.1有限元模型的建立(圖2)

以某城市地鐵已鋪設(shè)的盾構(gòu)鋼彈簧浮置板整體道床為例，利用ANSYS有限元軟件建立盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道有限元模型。軌道長度取60 m，為消除邊界效應(yīng)兩端再延伸鋼軌長度各50 m。鋼軌采用Euler梁單元模擬，扣件和鋼彈簧采用線性彈簧單元，道床板采用實體單元模擬，相鄰浮置板通過耦合節(jié)點模擬剪力鉸相連。各部件參數(shù)見表1。

圖2　盾構(gòu)鋼彈簧浮置板有限元模型

鋼軌60kg/m扣件DTⅥ2型扣件浮置板長度/m厚度/mm25320鋼彈簧隔振器垂向剛度/(N/m)阻尼比6.3×1060.07

鋼彈簧浮置板隔振器的縱向按1.2 m+1.8 m的間隔布置，隔振器的中心橫向間距為1.9 m。

列車荷載采用地鐵B型車(軸重140 kN，固定軸距2.2 m)，取1個軸重荷載進(jìn)行加載。

4.2隔振器橫向間距減小的影響

盾構(gòu)內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道，在軌道結(jié)構(gòu)高度不足時，受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)斷面影響，常會縮小隔振器的橫向間距。在某城市地鐵的鋪設(shè)過程中，受結(jié)構(gòu)侵限影響，隔振器的橫向間距曾由1.9 m調(diào)整到最小1.6 m。

為研究隔振器橫向間距的影響，本節(jié)計算時控制道床板幾何尺寸為不變量。

從表2和圖3可以看出，隔振器橫向間距減小，道床板的最大拉壓應(yīng)力減小，板的受力更加集中，受力均勻性下降。從圖4隔振器間距分別為1.9 m、1.7 m、1.6 m時，浮置板的隔振效率基本相同可以得出，隔振器橫向間距減小不影響浮置板的隔振效果。

根據(jù)某城市盾構(gòu)內(nèi)浮置板隔振器的安裝情況，當(dāng)隔振器橫向間距小于1.86 m時，隔振器將進(jìn)入軌下位置，在隔振器安裝、浮置板頂升以及隔振器檢查維修時需先拆除鋼軌，給施工和運營帶來不便。

表2　不同隔振器橫向間距下道床板最大拉、壓應(yīng)力

圖3　不同隔振器橫向間距下道床板應(yīng)力云圖

圖4　不同隔振器橫向間距下浮置板的隔振效率

4.3道床板厚度降低的影響

當(dāng)減小盾構(gòu)內(nèi)鋼彈簧浮置板的基底厚度后，軌道結(jié)構(gòu)高度仍不足時，須適當(dāng)降低道床板的高度，某城市地鐵應(yīng)用的鋼彈簧浮置板道床板厚度由設(shè)計的320 mm最小降低為270 mm。

通過計算道床板厚度分別為320、290、270 mm時道床板的最大拉壓應(yīng)力(表3)，可以看出隨著板厚減小，道床板內(nèi)的最大拉應(yīng)力逐漸增大，而道床板內(nèi)的最大壓應(yīng)力則先減小后增大。

表3　不同道床板厚度時浮置板最大拉、壓應(yīng)力

從圖5板厚為320、290、270 mm時浮置板的隔振效率可以看出，隨著板厚減小，浮置板的1階固有頻率逐漸增大，板厚由320 mm減小為270 mm，浮置板1階固有頻率增大1 Hz。從圖6基底的振動加速度導(dǎo)納可以看出，在大于1階固有頻率的頻段，道床板厚度越小，傳遞到基底的振動加速度越大，通過計算振動加速度級得出板厚由320 mm降低到290 mm，基底的振動最大降低12 dB(頻率：68 Hz時)；由320 mm降低到270 mm，基底的振動最大降低14 dB(頻率為68 Hz)。

圖5　不同道床板厚度時浮置板的隔振效率

圖6　不同道床板厚度時基底的加速度

4.4隔振器剛度變化的影響

某城市鋪設(shè)的浮置板隔振器剛度共包含5.7×106N/m和6.3×106N/m兩種，現(xiàn)研究采用這兩種不同剛度的隔振器，對浮置板受力和隔振效果的影響。

從表4兩種隔振器剛度下道床板內(nèi)最大拉、壓應(yīng)力可以看出，隔振器剛度減小，道床板內(nèi)的最大拉應(yīng)力增大。從圖7可以看出，隔振器剛度為5.7×106N/m時，浮置板的1階固有頻率較剛度為6.3×106N/m時小，因此隔振效果更好；但由于隔振器剛度變化不大，浮置板的1階固有頻率變化幅值不足1 Hz，通過計算傳遞到基底的振動加速度得出，兩種隔振器剛度下，基底振動最大相差1.4 dB。

表4　不同隔振器剛度時道床板最大拉、壓應(yīng)力

圖7　鋼彈簧剛度不同時浮置板的隔振效率

4.5隔振器縱向間距減小的影響

盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足，導(dǎo)致道床板厚度減小時，為減小浮置板的縱向彎矩，隔振器縱向間距相應(yīng)也減小。目前鋼彈簧浮置板隔振器沿線路方向的縱向間距一般為1.2 m+1.8 m和1.2 m，下面研究兩種不同隔振器縱向間距下，浮置板受力和隔振效果。從表5和圖8中可以看出，隔振器按1.2 m間距布置較1.2 m+1.8 m布置，道床板內(nèi)的最大拉壓應(yīng)力減小，但浮置板1階固有頻率增大，隔振效率減低，根據(jù)振動加速度級計算基底的振動最大相差2.9 dB。

表5　不同隔振器縱向間距時道床板最大拉、壓應(yīng)力

圖8　不同隔振器縱向間距時浮置板的隔振效率

5結(jié)論

以某城市地鐵為例，就盾構(gòu)內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度的常用處理措施，建立有限元模型分析這些處理措施對浮置板受力和隔振效果的影響，得出以下結(jié)論。

(1)對浮置板隔振效果的影響：降低道床板厚度、減小隔振器縱向間距，則增大浮置板1階固有頻率、降低浮置板隔振效率；減小隔振器剛度，減小浮置板1階固有頻率；隔振器橫向間距減小不影響浮置板的隔振效果。綜上，由于工程實際中隔振器剛度變化幅值小，對浮置板的隔振效果影響不大；降低板厚對浮置板隔振效果的影響較大。

(2)對浮置板受力的影響：隔振器縱橫向間距減小會減小道床板內(nèi)的拉、壓應(yīng)力，隔振器剛度增大會增大道床板內(nèi)的應(yīng)力。當(dāng)浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足時需綜合考慮板厚、隔振器剛度及隔振器間距對浮置板內(nèi)應(yīng)力的影響，減小浮置板內(nèi)的拉壓應(yīng)力。

常用處理措施會改變浮置板內(nèi)部的受力及浮置板的隔振效果，工程應(yīng)用中須保證浮置板的使用壽命及其隔振效果滿足環(huán)評要求。目前解決盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題除采用上述常用處理措施，還須考慮浮置板道床基底排水、施工精度、隔振器安裝以及運營養(yǎng)護(hù)維修等一系列問題，在解決軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題的同時，也要保證鋼彈簧浮置板的應(yīng)用效果[10-15]。

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Impact Analysis of Insufficient Height of Steel-spring Floating-slab Track Structure in Shield

HAN Zhao-xia

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

Abstract：Influenced by the narrow space of shield and the error in shield construction， insufficient height of steel-spring floating-slab track structure in shield generally occurs during the construction. In order to study the influence on the floating slab stress and vibration isolation effect in this context， the finite element model is established to analyze the commonly used countermeasures. The results show that decreasing the height of slab and reducing the longitudinal spacing between isolators may increase the inherent frequency and reduce the vibration isolation efficiency in low frequency of floating slab especially the height of slab is lowered. Reducing the longitudinal and horizontal spacing between isolators will decrease the tensile stress and pressure stress of slab， while increasing isolator stiffness will increase the stress of slab. In addition， the current commonly used countermeasures may also affect the water drainage under the slab， the floating slab construction and the maintenance.

Key words：Subway; Steel-spring floating-slab; Shield; Height of track structure

中圖分類號：U213

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.005

文章編號：1004-2954(2016)04-0017-04

作者簡介：韓朝霞(1988—)，女，助理工程師，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)城市軌道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：11121376@bjtu.edu.cn。

收稿日期：2015-12-08； 修回日期：2015-12-15