特殊情況下地鐵軌道道床兼設(shè)廢水泵房的研究與思考

徐彩彩

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300251，天津∥工程師）

在常規(guī)的地鐵工程中，地下線區(qū)間一般采用將廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道合并建設(shè)的模式，即聯(lián)絡(luò)通道兼設(shè)廢水泵房。例如，某項(xiàng)目地質(zhì)軟弱，其中一區(qū)間左線與右線疊落布置，聯(lián)絡(luò)通道及泵房施工風(fēng)險(xiǎn)極高，且易引發(fā)地鐵內(nèi)涌水及結(jié)構(gòu)破壞，給運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)極大隱患。考慮到近些年來(lái)，聯(lián)絡(luò)通道和廢水泵房合建項(xiàng)目施工事故頻發(fā)。因此，該區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道被取消，改為在道床內(nèi)設(shè)置廢水泵房。

對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目中軌道道床兼設(shè)廢水泵房的設(shè)計(jì)情況及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)具體情況，分析研究了在軌道道床內(nèi)設(shè)置廢水泵房的方案及措施。

1 軌道道床兼設(shè)廢水泵房現(xiàn)狀的調(diào)研分析

取消區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，將廢水泵房設(shè)在軌道道床內(nèi)作為工程項(xiàng)目特殊情況下的一種處理措施，在天津、寧波及廣州等城市的地鐵項(xiàng)目中均有應(yīng)用。其中，天津地鐵5號(hào)線，道床內(nèi)開(kāi)了4個(gè)0.5 m×0.5 m的孔，鋼彈簧浮置板基底設(shè)置1處10.0 m（長(zhǎng)）×0.7 m（寬）×0.2 m（深）的集水坑。集水坑內(nèi)設(shè)置4臺(tái)額定流量為10 m3/h的潛污泵。天津地鐵6號(hào)線也有利用軌道道床設(shè)置廢水泵房的情況。其軌道道床內(nèi)設(shè)置約10.0 m（長(zhǎng)）×0.50 m（寬）×0.37 m（深）的集水坑，且在集水坑內(nèi)設(shè)置了潛污泵。寧波軌道交通1號(hào)線（東南路站—出入段線區(qū)間）軌道道床設(shè)置2處2.2 m（長(zhǎng)）×0.6 m（寬）×0.5 m（深）的集水坑，每處集水坑內(nèi)各設(shè)置2臺(tái)額定流量為10 m3/h的潛污泵。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，天津地鐵軌道道床內(nèi)泵房使用情況進(jìn)行調(diào)查，存在以下問(wèn)題：①由于潛污泵所在的軌道道床集水坑長(zhǎng)期積水，故鋼軌及扣件等部件銹蝕較嚴(yán)重，浮置板道床內(nèi)隔振器也被水浸泡。②潛污泵故障次數(shù)多，更換較頻繁。③道床表面出現(xiàn)破碎、掉塊等現(xiàn)象。

2 軌道道床內(nèi)廢水泵房集水坑尺寸計(jì)算

以某采用盾構(gòu)法施工的地鐵工程項(xiàng)目為例，分析軌道道床內(nèi)廢水泵房集水坑尺寸的計(jì)算方法。

2.1 軌道結(jié)構(gòu)高度

盾構(gòu)法施工地鐵隧道內(nèi)徑為5.9 m，外徑為6.6 m，管片為厚350 mm的C50鋼筋混凝土管片。為盡可能降低道床積水對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，在取消聯(lián)絡(luò)通道的特殊區(qū)間內(nèi)，鋼軌頂面至建筑限界的垂向距離加大至940 mm，鋼軌頂面至盾構(gòu)管片內(nèi)壁最大距離為1 090 mm。

2.2 道床內(nèi)廢水泵房集水坑容積

受限界與道床結(jié)構(gòu)的影響，廢水泵房設(shè)于道床內(nèi)時(shí)，集水坑的深度和寬度均受限制。因此，須選擇結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的潛污泵。經(jīng)核算，案例工程采用設(shè)計(jì)額定流量為10 m3/h的潛污泵。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，區(qū)間排水泵站的集水池有效容積不應(yīng)小于1臺(tái)最大排水泵15～20 min的出水量［1］。經(jīng)計(jì)算，道床內(nèi)集水坑的有效容積約為2.5 m3。

2.3 廢水泵房集水坑尺寸

綜合考慮道床斷面、軌距、軌枕尺寸、道床鋼筋布置、廢水泵房容積要求等因素，泵房集水坑深度取0.7 m，寬度取0.6 m。根據(jù)集水坑有效容積、寬度、深度及水泵啟泵水位高度等進(jìn)行計(jì)算，集水坑長(zhǎng)度取10 m。道床結(jié)構(gòu)及集水坑尺寸如圖1所示。

圖1 地鐵隧道軌道道床結(jié)構(gòu)示意圖

道床內(nèi)設(shè)置廢水泵房后，原來(lái)的整體道床幾乎被分割成2個(gè)近似三角形的承軌臺(tái)，道床與盾構(gòu)管片間的主要受力接觸面為沿盾構(gòu)壁的傾斜弧面。道床的整體性被削弱。列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，在垂向荷載和橫向荷載的作用下，道床與盾構(gòu)管片之間易產(chǎn)生相對(duì)位移，存在道床剝離、軌道穩(wěn)定性降低的風(fēng)險(xiǎn)。

為分析道床在列車(chē)荷載作用下的受力及位移變形情況，采用有限元法建立隧道與道床結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。在模型中，道床及盾構(gòu)隧道均采用實(shí)體單元模擬，混凝土道床與盾構(gòu)管片之間通過(guò)接觸單元聯(lián)系，盾構(gòu)管片外部進(jìn)行全約束。由于隧道內(nèi)溫差較小，因此不考慮溫度變化對(duì)道床的受力變形影響。主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

建立10 m長(zhǎng)的道床模型，并在道床中部施加1個(gè)轉(zhuǎn)向架（即2個(gè)輪對(duì)）產(chǎn)生的垂向荷載與橫向荷載，且左右2塊道床的橫向荷載方向相同。經(jīng)計(jì)算分析，輪對(duì)作用位置所在的道床斷面的應(yīng)力及位移較其他地段大。故圖2中僅列出了輪對(duì)作用位置所對(duì)應(yīng)的道床斷面的道床應(yīng)力及位移分析結(jié)果。

（1）從圖2 a）、圖2 b）可知，左側(cè)道床塊在列車(chē)垂向壓力和橫向拉力的作用下，道床與管片接觸處最大垂向位移為0.004 8 mm，最大橫向位移為0.004 5 mm，位移值均很小。從圖2 c）可知，道床最大拉應(yīng)力為0.81 MPa，在混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa允許范圍內(nèi)。

（2）從圖2 d）可以看出，隨著道床與盾構(gòu)管片之間摩擦系數(shù)的增大，與管片接觸位置處的道床橫向位移逐漸減小。因此，可通過(guò)采取在盾構(gòu)管片內(nèi)植筋等措施增大道床與盾構(gòu)管片之間的摩擦系數(shù)，進(jìn)而減小道床與管片接觸位置處的道床橫向變形。

綜上分析可知，道床內(nèi)設(shè)置廢水泵房后，軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能滿(mǎn)足列車(chē)安全運(yùn)行的需求。因此案例項(xiàng)目集水坑尺寸按10.0 m（長(zhǎng)）×0.6 m（寬）×0.7 m（深）設(shè)計(jì)，在理論上是可行的。

3 建議

綜合考慮國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)地鐵項(xiàng)目軌道道床廢水泵房存在的問(wèn)題，以及工程施工、列車(chē)運(yùn)行等可能存在的不確定性情況，為進(jìn)一步確保道床結(jié)構(gòu)安全可靠性，同時(shí)促進(jìn)廢水泵房排水功能正常發(fā)揮，提出以下幾方面建議：

圖2 軌道結(jié)構(gòu)受力分析圖

（1）借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，在廢水泵房?jī)蓚?cè)道床塊之間，沿縱向每隔1.5 m左右增設(shè)1道橫向鋼支撐，可進(jìn)一步提高道床抵抗橫向力的能力（如圖3所示）；同時(shí)通過(guò)在盾構(gòu)管片植筋的方式，加強(qiáng)道床與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)結(jié)，增加道床與盾構(gòu)管片之間的摩擦力，從而進(jìn)一步減小道床與盾構(gòu)管片之間的相對(duì)變形。

圖3 道床設(shè)橫向鋼支撐示意圖

（2）集水坑內(nèi)沉積的泥沙及大型污物易阻塞潛污泵的進(jìn)水口，使水泵無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。故道床內(nèi)廢水泵房集水坑的上游位置處，應(yīng)設(shè)置進(jìn)水篦子及塵沙池，以防止泥沙及雜物進(jìn)入集水坑內(nèi)。此外，應(yīng)選用具有自動(dòng)冷卻裝置的潛污泵，以防止水泵燒壞；合理設(shè)置啟泵水位，及時(shí)排除集水坑內(nèi)的廢水，避免道床積水浸泡、腐蝕軌道部件。

（3）沿泵房長(zhǎng)度范圍內(nèi)，道床表面與盾構(gòu)管片銜接界面處涂刷防水砂漿之類(lèi)的防水涂料，避免道床與盾構(gòu)管片剝離。泵房范圍排水用的各種管線應(yīng)采取在道床內(nèi)預(yù)留橫槽的方式進(jìn)行敷設(shè)，避免后期大量開(kāi)鑿，破壞道床結(jié)構(gòu)。

（4）列車(chē)運(yùn)行振動(dòng)易導(dǎo)致泵房?jī)?nèi)各設(shè)備螺栓脫落，北京、廣州地區(qū)均出現(xiàn)過(guò)螺栓脫落現(xiàn)象。因此平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)道床廢水泵房的日常巡檢。

（5）高等減振道床和特殊減振道床由于結(jié)構(gòu)形式需要，其減振元件浸水后容易失效，不宜設(shè)置廢水泵房。如必須設(shè)置，應(yīng)結(jié)合土建條件，在確保道床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，加大集水坑深度，同時(shí)水泵啟泵水位應(yīng)不超過(guò)基底水溝表面，避免因積水浸泡減振原件而影響軌道減振性能。

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵工程項(xiàng)目中因特殊情況取消區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，而使廢水泵房必須設(shè)置在軌道道床內(nèi)時(shí)，應(yīng)在確保軌道強(qiáng)度和穩(wěn)定性的前提下，根據(jù)限界、道床結(jié)構(gòu)及排水要求合理確定道床集水坑尺寸。經(jīng)理論計(jì)算與分析，本文研究的項(xiàng)目，集水坑尺寸采用10.0 m（長(zhǎng)）×0.6 m（寬）×0.7 m（深）是可行的。通過(guò)采取在廢水泵房?jī)蓚?cè)道床塊之間增設(shè)橫向鋼支撐，在盾構(gòu)管片植筋的方式，進(jìn)一步增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)安全可靠性。通過(guò)采取在道床廢水泵房集水坑的上游位置處設(shè)置進(jìn)水篦子及沉砂池、增強(qiáng)對(duì)泵房設(shè)備的巡檢維護(hù)等措施，促進(jìn)廢水泵房排水功能正常發(fā)揮。

除了對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外，還應(yīng)結(jié)合工程條件，盡可能地優(yōu)化限界設(shè)計(jì)，增加廢水泵房范圍內(nèi)的軌道上建高度；同時(shí)，應(yīng)采用具有自動(dòng)冷卻功能的水泵，并合理設(shè)置啟泵水位，及時(shí)排除廢水。

［1］ 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157—2013［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］ 孫雪兵.國(guó)內(nèi)地鐵首條越江區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2014（2）∶72.

［3］ 劉宗洲.軌道交通隧道區(qū)間排水泵房設(shè)計(jì)［J］.隧道建設(shè)，2011（5）：588.

［4］ 蔡煒，岳廣學(xué).地鐵工程聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房合并施工對(duì)隧道變形的影響［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：123.

［5］ 任志堅(jiān)，佘才高.南京地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)與施工［J］.都市快軌交通，2005（5）：50.

［6］ 金磊.軟土地區(qū)地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)與監(jiān)理對(duì)策［J］.城市軌道交通研究，2010，13（4）：29.