現(xiàn)代有軌電車路基優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

徐文龍

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京　210017)

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現(xiàn)代有軌電車路基優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

徐文龍

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京210017)

摘要：通過國內(nèi)現(xiàn)代有軌電車建設(shè)、運(yùn)營、設(shè)計(jì)、科研等單位的調(diào)研和分析，采取比較和設(shè)計(jì)歸納總結(jié)等方法，就基床坡率設(shè)計(jì)、路面高低覆蓋綠化率、安全防護(hù)范圍、排水設(shè)計(jì)以及與道路搭接5個(gè)方面進(jìn)行探討及優(yōu)化，推薦路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖；分析鐵路A、B組填料直接應(yīng)用到路基工程中的弊端，提出基床底層A、B組填料宜選擇小于6cm的碎石類、砂類土的建議；剖析既有路橋過渡段設(shè)計(jì)現(xiàn)狀且考慮其不均勻沉降及剛度過渡的問題并提出優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代有軌電車；路基； 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面； 設(shè)計(jì)

1問題的提出

作為多層次軌道交通體系中的現(xiàn)代有軌電車近年來發(fā)展迅猛，運(yùn)營里程從2012年的41 km，到目前的274 km，建設(shè)修建的城市越來越多，建設(shè)速度越來越快，目前規(guī)劃里程近5 000 km，總投資約6 000億元。通過國內(nèi)沈陽、南京、淮安、珠海、蘇州等城市的現(xiàn)代有軌電車調(diào)研發(fā)現(xiàn)其規(guī)劃建設(shè)缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)依據(jù)不明確等問題，造成設(shè)計(jì)過程中隨意性較大或照搬硬套規(guī)范，工程人為浪費(fèi)以及列車運(yùn)營存在安全隱患。有軌電車路基設(shè)計(jì)主要參考市政設(shè)計(jì)規(guī)范、地鐵規(guī)范、鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，但其與現(xiàn)有規(guī)范有明顯的區(qū)別，應(yīng)考慮其特殊性，進(jìn)行專門優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面形式確定

2.1優(yōu)化基床邊坡坡率

常規(guī)路堤考慮到邊坡的穩(wěn)定性，一般設(shè)置坡率1∶1.5～1.75。有軌電車路基為埋入式路塹，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范要求，故基床坡率可適當(dāng)放寬要求，僅考慮列車荷載的傳遞以及與道路的銜接。規(guī)范對坡率設(shè)置有1∶0.3～1.25[2]，壓力擴(kuò)散角為20°～30°[3]或6°～30°[4]幾種形式。有的設(shè)計(jì)院過于強(qiáng)調(diào)保護(hù)市政道路的情況下出現(xiàn)垂直下挖的設(shè)計(jì)方案，其不符合力學(xué)原理且填筑后與市政道路無法相互銜接，形成縱向裂縫，日積月累后反映到道路表層，破壞路基基床結(jié)構(gòu)。鑒于滿足力學(xué)傳遞原理同時(shí)方便與兩側(cè)道路的搭接以及簡化設(shè)計(jì)前提下，建議在整體道床墊層邊緣設(shè)置坡率1∶0.6(相當(dāng)于擴(kuò)散角30.96°)作為路基基床結(jié)構(gòu)邊坡保護(hù)線。

2.2有軌電車兩側(cè)限界應(yīng)增設(shè)安全帶

地鐵限界分為車輛限界、設(shè)備限界和建筑限界，其設(shè)置的前提為獨(dú)立路權(quán)，敷設(shè)方式為地下或高架形式[5]。有軌電車設(shè)計(jì)以地面敷設(shè)為主，獨(dú)立路權(quán)路段也是簡單采用路緣石隔斷，兩側(cè)建筑限界僅有1 800 mm[6]。列車高速運(yùn)行的情況下，與列車相鄰的人行道一側(cè)未設(shè)置安全防護(hù)，存在安全隱患。故在劃定有軌電車用地范圍時(shí)不僅需考慮地鐵的限界要求，還需利用列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬數(shù)據(jù)，在與人行道和機(jī)動(dòng)車道相鄰一側(cè)設(shè)置安全保護(hù)帶。如沒有列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)的情況下，建議參考市政道路做法，在地鐵建筑限界兩側(cè)增加500 mm作為安全防護(hù)帶。

2.3路面高、低覆蓋綠化率分析

現(xiàn)代有軌電車為了與周邊市政道路相互協(xié)調(diào)，道床結(jié)構(gòu)采用埋入式形式敷設(shè)，同時(shí)為滿足城市綠化要求，需進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)。路面綠化分高、低覆蓋綠化2種形式。

高覆蓋綠化路面：鋼軌采取高分子材料包裹，兩側(cè)均進(jìn)行填土綠化，施工完畢與軌面保持平齊，將鋼軌、扣件全部覆蓋。其鋼軌及扣件維修較為方便，綠化面積大，景觀效果最好，但鋼軌長期處于潮濕環(huán)境下腐蝕嚴(yán)重、雜散電流防護(hù)也較為困難，列車運(yùn)營存在安全隱患，見圖1。

圖1　高覆蓋綠化路面

低覆蓋綠化路面：鋼軌采取混凝土包裹后進(jìn)行填土綠化，與軌頂面平齊，可防止鋼軌、扣件銹蝕、方便雜散電流防護(hù)設(shè)置，但鋼軌、扣件更換不易，且路面景觀效果略差，見圖2。

圖2　低覆蓋綠化路面

通過分析高、低覆蓋綠化措施的優(yōu)缺點(diǎn)，低覆蓋綠化在城市景觀效果方面可通過涂料渲染或彩色混凝土解決，在雜散電流保護(hù)和防止鋼軌銹蝕方面優(yōu)勢明顯，建議有軌電車路面采用低覆蓋綠化。

2.4路基防排水

路基排水設(shè)計(jì)主要解決的是毛細(xì)水、降雨產(chǎn)生的地表徑流、高水位造成路基內(nèi)部產(chǎn)生滲流3部分。有軌電車敷設(shè)在市政道路中央或一側(cè)，軌面與市政道路高程基本一致，橫向占地范圍約8 m，匯集水量較少，同時(shí)市政道路設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到這部分匯水面積，不宜單獨(dú)設(shè)計(jì)排水管網(wǎng)，應(yīng)與市政管網(wǎng)同時(shí)考慮，節(jié)省費(fèi)用。

線路縱向表層每隔50 m設(shè)置專用排水箱體，收集區(qū)間地表徑流雨水及軌槽內(nèi)積水，排入周邊管網(wǎng)或水體，減少水體在路基本體逗留時(shí)間[7-8]。優(yōu)化方案：①上部混凝土墊層進(jìn)行全封閉，防止地表水殘留下滲對路基本體的破壞；②路基本體周圍設(shè)置復(fù)合土工膜對底部毛細(xì)水以及兩側(cè)高水位地下水進(jìn)行隔斷，防止毛細(xì)水上升對路基本體造成破壞。

2.5道路銜接

防止有軌電車與市政道路之間出現(xiàn)不均勻沉降，其結(jié)構(gòu)層必須采用挖臺階形式搭接，臺階高寬比采用1∶2搭接，搭接材料采用土工格柵或土工布[9]。兩側(cè)回填料應(yīng)根據(jù)市政道路機(jī)動(dòng)車道、人行道或綠化帶等不同部位采用不同搭接材料，其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與既有道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。

綜上所述，為使路基設(shè)計(jì)符合安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的要求，同時(shí)考慮減小對既有道路的破壞，防止出現(xiàn)搭接不協(xié)調(diào)，影響不均勻沉降等因素，提出路基橫斷面優(yōu)化圖，如圖3、圖4所示。

圖3　路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

圖4　路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面優(yōu)化(單位：mm)

3路基基床底層填料粒徑選擇

目前有軌電車基床底層填料采用改良土或A、B組填料，改良土與周邊市政道路銜接較為良好，同時(shí)A、B組填料的孔隙率、壓實(shí)度滿足規(guī)范即可，故本次主要討論A、B組填料粒徑選擇的問題。A、B組填料劃分主要根據(jù)顆粒組成、顆粒形狀、細(xì)粒級配、抗風(fēng)化能力等，填料粒徑分為0.075、0.25、0.5、2、20、60、200 mm不等[10]。有軌電車設(shè)計(jì)在基床底層只提到A、B組填料的選擇，未對其粒徑大小進(jìn)行規(guī)定，致使施工單位在填料粒徑的選擇較為任性，施工現(xiàn)場甚至出現(xiàn)粒徑大于200 mm的大石塊，填料壓實(shí)不易，存在較大孔隙，有充盈潛水的安全隱患。

鐵路系統(tǒng)根據(jù)軌道類型、設(shè)計(jì)速度不同選擇A、B組填料最大粒徑有200、100、60 mm三種限制，其主要考慮基床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、級配優(yōu)良以及不均勻系數(shù)，未考慮路基施工完畢是否有存在較大孔隙[11，12]。鐵路基床一般都高出地面，同時(shí)兩側(cè)設(shè)置排水系統(tǒng)，即使有少量地表水進(jìn)入填料也會(huì)滲出，不會(huì)對路基基床造成損害。有軌電車軌面與周邊道路高程基本一致且為埋入式路塹，填料中一旦存在積水，將無法排除。路基在列車動(dòng)荷載的作用下，將出現(xiàn)翻漿、冒泥等病害。

根據(jù)基床表層采用級配碎石粒徑小于3 cm的含量在90%～100%，同時(shí)根據(jù)填料上下層粒徑大小限制D15<4d85，故粒徑盡可能小于12 cm，結(jié)合塊石類、碎石類、礫石類、砂類土的劃分，借鑒城際無砟軌道基床底層粒徑填料不大于6 cm的要求，建議有軌電車路基基床底層A、B組填料宜選擇小于6 cm的碎石類、砂類土。

4路橋過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代有軌電車新建橋梁路橋過渡段可采取倒梯形設(shè)置，本文討論的是利用既有橋梁的路橋過渡段的問題[13]。市政道路規(guī)范未有明確路橋過渡段設(shè)置措施，機(jī)動(dòng)車輛行駛過程普遍存在跳車現(xiàn)象。主要原因是未考慮路橋兩者沉降及剛度的不同設(shè)計(jì)理念以及施工壓實(shí)不嚴(yán)?，F(xiàn)代有軌電車橋路、涵交界處的差異沉降不大于10 mm；過渡段沉降造成的路橋(涵)的折角不應(yīng)大于1/1 000[14]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)有軌電車路橋過渡段依據(jù)鐵路過渡段設(shè)計(jì)開挖較深、兩側(cè)道路有大量車流通行，邊坡支擋防護(hù)費(fèi)用較高且有積水現(xiàn)象，同時(shí)由于施工操作空間較小，填料壓實(shí)不易，具體見圖5。

圖5　路橋過渡段施工現(xiàn)場

市政道路路面為半剛性基層，設(shè)置的搭板與面層材料底部銜接不夠，更容易發(fā)生裂縫、坑槽、松散、沉陷、橋頭涵頂跳車等病害；有軌電車基床表層處設(shè)置鋼筋混凝土搭板與上部整體道床板作為一個(gè)整體，能有效減小路橋差異沉降。

既有橋梁路橋過渡段經(jīng)機(jī)動(dòng)車輛常年的碾壓，過渡段填料基本壓實(shí)，工后沉降基本完成，需考慮的問題是有軌電車路橋剛度過渡以及可能存在差異沉降[15]，建議市區(qū)路橋過渡段設(shè)計(jì)盡量簡化，基床表層采用0.4 m厚鋼筋混凝土搭板，長L=2(H-h)+5 000 mm，同時(shí)結(jié)合實(shí)際地層情況選擇恰當(dāng)?shù)牡鼗幚矸绞絹碚{(diào)節(jié)路橋過渡段的剛度和工后沉降，如圖6所示。

圖6　路橋過渡段優(yōu)化設(shè)計(jì)(單位：mm)

5結(jié)語

現(xiàn)代有軌路基工程與鐵路系統(tǒng)既有相似性，又在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)理念上多有不同，通過對已開通運(yùn)營的現(xiàn)代有軌電車調(diào)研、施工單位的反饋以及設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)過程中的困惑進(jìn)行總結(jié)，就路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面設(shè)計(jì)、基床底層填料粒徑的選擇以及橋路過渡段設(shè)計(jì)3個(gè)方面提出優(yōu)化方案，希望總結(jié)過去設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)并克服弊端，統(tǒng)一路基工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)現(xiàn)代有軌電車路基設(shè)計(jì)規(guī)范盡快出臺。

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收稿日期：2015-11-27； 修回日期：2015-12-10

作者簡介：徐文龍(1982—)，男，工程師，E-mail:xwl45@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0034-04

中圖分類號：U213.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.008

Optimal Design Analysis of Subgrade of Modern trams

XU Wen-long

(JSTI Group， Nanjing 210017， China)

Abstract：Through research and analysis conducted by the participants in the construction， operation， design and scientific research of domestic modern trams and the comparison， summary and design， five aspects such as the bedding slope rate design， pavement， safety protection of high and low coverage scope， drainage design and road lap are discussed and optimized， and roadbed standardized cross-sections are recommend. Analysis of railway A， B group of filler applied directly indicates their disadvantages in subgrade engineering and the bed bottom packing with A， B group of gravel， sand soil less than 6 cm should be selected. With a view to the present condition in the design of the existing bridge transition section design， the uneven settlement and the stiffness transition problems， the optimization scheme is put forward

Key words：Modern tram; Subgrade; Standard cross-section; Design