地鐵運(yùn)營(yíng)條件下新型板式軌道設(shè)計(jì)研究

劉偉斌，劉海濤，趙 磊，施 成，李志偉

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

多年來(lái)，我國(guó)傳統(tǒng)的地鐵整體道床軌道施工主要采用人工精調(diào)軌道、現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土方式，存在施工進(jìn)度緩慢、混凝土現(xiàn)澆質(zhì)量控制難、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境惡劣等不足[1]。線路運(yùn)營(yíng)后混凝土道床易開(kāi)裂，在主體結(jié)構(gòu)變形、重復(fù)振動(dòng)及水的侵蝕等綜合作用下，道床混凝土裂縫易發(fā)展為病害，可能引起鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性，影響整體道床美觀及使用壽命[2-3]。北京地鐵1號(hào)線和上海軌道交通1號(hào)線軌道結(jié)構(gòu)大修表明，混凝土整體道床傷損治理難度大，維修成本高[4]。另外，隨著我國(guó)城市軌道交通大規(guī)模發(fā)展及運(yùn)營(yíng)需要，上海、深圳、北京、成都等城市正在建設(shè)或規(guī)劃中的一些地鐵線路列車最高運(yùn)行速度超過(guò)100km/h，突破了我國(guó)GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中列車最高運(yùn)行速度的限制。由于線路運(yùn)營(yíng)條件有較大變化，前期采用的現(xiàn)澆整體道床軌道的適應(yīng)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

我國(guó)高速鐵路板式無(wú)砟軌道的快速發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐為地鐵軌道工程的發(fā)展提供了一種新的思路和模式。但是地鐵軌道不同于高速鐵路，在設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、邊界條件、減振降噪需求等方面存在著較大差異。高速鐵路板式軌道相關(guān)技術(shù)需結(jié)合地鐵軌道工程的特點(diǎn)，在消化吸收基礎(chǔ)上形成適用于地鐵運(yùn)營(yíng)條件的板式軌道結(jié)構(gòu)。

從工程實(shí)體的施工質(zhì)量、建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期成本及后期的養(yǎng)護(hù)維修便利性等方面綜合考慮，預(yù)制板式軌道明顯優(yōu)于現(xiàn)澆整體道床軌道[6]。預(yù)制板式軌道不僅便于因下部結(jié)構(gòu)沉降需進(jìn)行的道床結(jié)構(gòu)的維修，而且對(duì)于地鐵隨著上部建筑及規(guī)劃的變化，原減振結(jié)構(gòu)升級(jí)改造等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，上海、深圳、北京地鐵積極研究板式軌道在地鐵中的應(yīng)用。上海地鐵在12號(hào)、16號(hào)線鋪設(shè)板式軌道試驗(yàn)段基礎(chǔ)上，9號(hào)線三期全線采用板式軌道結(jié)構(gòu)，并繼續(xù)推廣在其他線路的應(yīng)用。深圳地鐵7號(hào)線也鋪設(shè)了板式軌道。北京地鐵正在開(kāi)展地鐵板式軌道的研究及應(yīng)用工作，《北京市城市軌道交通建設(shè)工程推進(jìn)綠色安全建造指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，力爭(zhēng)到2019年，北京市城市軌道交通建設(shè)工程“通用設(shè)計(jì)模數(shù)化、現(xiàn)場(chǎng)施工工廠化、工序作業(yè)機(jī)械化、過(guò)程管理信息化、綠色施工常態(tài)化”取得階段性成果，推動(dòng)地鐵結(jié)構(gòu)構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)及裝配式施工，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工序。

1 設(shè)計(jì)方案

我國(guó)地鐵運(yùn)營(yíng)及在建線路中，正線軌道結(jié)構(gòu)大部分采用無(wú)砟軌道。一般在普通地段采用短枕式或長(zhǎng)枕埋入式現(xiàn)澆整體道床，減振地段根據(jù)需求不同，采用梯形軌枕式、隔振墊浮置板式、鋼彈簧浮置板式等減振型無(wú)砟軌道。減振地段與普通地段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式不統(tǒng)一，給施工及運(yùn)營(yíng)階段養(yǎng)護(hù)維修帶來(lái)較大不便。

基于我國(guó)高速鐵路板式軌道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合前期相關(guān)研究成果[7-10]及相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研究提出了適用于地鐵運(yùn)營(yíng)條件的板式軌道結(jié)構(gòu)方案，該結(jié)構(gòu)可統(tǒng)一減振地段與普通地段的軌道結(jié)構(gòu)形式，方便現(xiàn)場(chǎng)施工及后期養(yǎng)護(hù)維修。

普通地段板式軌道由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、隔離層、彈性緩沖墊層、自密實(shí)混凝土層、限位結(jié)構(gòu)等組成，如圖1(a)所示。其中隔離層及彈性緩沖墊層在軌道板預(yù)制工廠進(jìn)行裝配，自密實(shí)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑，一次形成具有底座及限位功能的結(jié)構(gòu)層。

減振地段板式軌道由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、條形減振墊、限位結(jié)構(gòu)及其周邊彈性緩沖墊層等組成，如圖1(b)所示。其中條形減振墊及彈性緩沖墊層在軌道板預(yù)制工廠進(jìn)行裝配。軌道板下減振墊板之間填充的隔離材料推薦采用珍珠棉泡沫板。

圖1 板式軌道結(jié)構(gòu)組成示意

預(yù)制軌道板為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，工廠化預(yù)制，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50。參考我國(guó)高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，隔離層采用4 mm厚度土工布，彈性緩沖墊層采用微孔三元乙丙橡膠。

條形減振墊采用工廠化生產(chǎn)的聚氨酯減振層，設(shè)計(jì)厚度為30 mm，在軌道板預(yù)制廠進(jìn)行粘貼，減振地段減振墊靜態(tài)模量為0.05 N/mm3。過(guò)渡段減振墊靜態(tài)模量為0.10，0.30 N/mm3。

2 軌道板設(shè)計(jì)

2.1 型式尺寸確定

軌道板的長(zhǎng)度綜合考慮受力性能、施工及制造便利性、制造成本、曲線地段適應(yīng)性等因素。從受力性能方面分析，我國(guó)高速鐵路常用軌道板長(zhǎng)度在3.6～6.5 m，通過(guò)配筋設(shè)計(jì)均可滿足承載性能要求。從控制軌道板制造成本角度出發(fā)，軌道板宜采用標(biāo)準(zhǔn)直線板，即在軌道板上不設(shè)置曲線超高、不進(jìn)行承軌臺(tái)部位橫向調(diào)整。采用該模式可減少軌道板模具類型，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)直線軌道板也方便現(xiàn)場(chǎng)軌道板鋪設(shè)，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

地鐵線路曲線半徑一般較小，根據(jù)GB 50157—2013規(guī)定，線路采用A型車時(shí)正線一般地段最小曲線半徑為350 m，困難地段為300 m；采用B型車時(shí)正線一般地段最小曲線半徑為300 m，困難地段為250 m。曲線地段軌道板基于“以直代曲”原則，采用半矢法進(jìn)行布板，即按軌道板第2組扣件中心線處線路中心線與軌道板中心線偏離值為0布置，其余扣件中心線處矢距通過(guò)扣件調(diào)整?；诎胧阜ú及宸绞?，長(zhǎng)度4.7 m 軌道板在不同曲線半徑條件下各節(jié)點(diǎn)處扣件橫向調(diào)整量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1；長(zhǎng)度3.5 m軌道板在不同曲線半徑條件下各節(jié)點(diǎn)處扣件橫向調(diào)整量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。目前地鐵扣件單股鋼軌左右位置調(diào)整量約±5 mm，設(shè)計(jì)時(shí)取2 mm作為小半徑曲線地段布板調(diào)整量限值，其余調(diào)整量作為施工及運(yùn)營(yíng)階段使用?；谠撛瓌t的計(jì)算結(jié)果，在直線及曲線半徑600 m以上地段軌道板長(zhǎng)度可采用4.7 m，曲線半徑600 m以下地段采用3.5 m。

表14.7m軌道板在不同曲線半徑各節(jié)點(diǎn)處扣件橫向調(diào)整量

曲線半徑/m軌道板不同節(jié)點(diǎn)處扣件橫向調(diào)整量/mm1#2#3#4#5#6#7#8#250-4.302.94.34.32.90-4.3300-3.602.43.63.62.40-3.6350-3.102.13.13.12.10-3.1400-2.701.82.72.71.80-2.7450-2.401.62.42.41.60-2.4500-2.201.42.22.21.40-2.2550-2.001.32.02.01.30-2.0600-1.801.21.81.81.20-1.8

表23.5m軌道板在不同曲線半徑各節(jié)點(diǎn)處扣件橫向調(diào)整量

曲線半徑/m軌道板不同節(jié)點(diǎn)處扣件橫向調(diào)整量/mm1#2#3#4#5#6#250-2.102.12.10-2.1300-1.801.81.80-1.8350-1.501.51.50-1.5

軌道板寬度及厚度綜合考慮地鐵隧道內(nèi)限界尺寸、軌道板受力情況、扣件預(yù)埋套管間距等因素。我國(guó)高速鐵路CRTSⅠ型板式軌道中軌道板厚度采用190 mm，寬度為2.40 m，CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式軌道中軌道板厚度采用200 mm，寬度分別為2.50,2.55 m?；诟咚勹F路板式軌道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，地鐵運(yùn)營(yíng)條件下普通地段軌道板厚度取190 mm、寬度不小于2.20 m。減振地段軌道板厚度按軌道結(jié)構(gòu)高度預(yù)留條件，宜盡量采用較厚的軌道板，本文暫取220 mm，寬度不小于2.20 m。

考慮限位結(jié)構(gòu)的可靠性、自密實(shí)混凝土灌注和抑制軌道板制造時(shí)收縮裂紋，在軌道板上設(shè)置2個(gè)圓形缺口?；谶\(yùn)輸和吊裝需求，在軌道板上設(shè)置4組起吊套管?？紤]地鐵雜散電流防護(hù)的要求，雜散電流的收集在軌道板內(nèi)實(shí)現(xiàn)，在軌道板的四角分別預(yù)埋雜散電流端子，與排流鋼筋可靠焊聯(lián)，且軌道板內(nèi)排流鋼筋截面積應(yīng)滿足相關(guān)要求。軌道板平面尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 4.7 m軌道板平面尺寸

2.2 軌道板力學(xué)性能分析

基于確定的軌道板型式尺寸，以4.7 m軌道板為研究對(duì)象，對(duì)列車荷載作用下軌道板受力情況進(jìn)行分析。本文計(jì)算按地鐵B型車考慮，列車靜軸重為14 t，計(jì)算軌道板彎矩時(shí)動(dòng)力系數(shù)按2.0取值[11]。加載時(shí)考慮相鄰車體2組轉(zhuǎn)向架(共4軸)共同作用，分別計(jì)算不同位置加載時(shí)軌道板受力情況。轉(zhuǎn)向架軸距取2.5 m，相鄰轉(zhuǎn)向架中心距離取6.4 m。

計(jì)算模型中鋼軌采用歐拉梁模擬，預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層采用實(shí)體單元模擬。鋼軌和軌道板之間的扣件采用垂向、橫向和縱向彈簧單元模擬。軌道板與自密實(shí)混凝土層間的減振墊層或土工布隔離層采用接觸單元模擬。自密實(shí)混凝土下部支承采用殼單元面支撐。為減小邊界效應(yīng)的影響，建立5塊軌道板的有限元模型進(jìn)行分析，取中間軌道板為研究對(duì)象，如圖3所示。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

基于建立的有限元模型對(duì)普通地段及減振地段軌道板受力進(jìn)行計(jì)算。在地鐵B型列車荷載作用下，普通地段軌道板橫截面最大彎矩為8.57 kN·m，軌道板縱截面最大彎矩為4.45 kN·m/m，軌道板縱橫截面彎矩量值均較小。減振地段軌道板橫截面最大彎矩出現(xiàn)在板中截面，其值為55.16 kN·m；限位孔處截面最大彎矩為36.56 kN·m，軌道板縱截面最大彎矩為3.97 kN·m/m。

2.3 軌道板配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)軌道板設(shè)計(jì)彎矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，并對(duì)鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度等參數(shù)進(jìn)行檢算。軌道板縱橫向均對(duì)稱配筋，兩端通過(guò)U形筋連接形成鋼筋骨架。

普通地段軌道板板中截面寬度2.2 m，厚190 mm，上下層各布置15根直徑12 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.52%；限位孔處截面寬度1.66 m，上下層各布置12根直徑12 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.55%。

減振地段軌道板板中截面寬度2.2 m，厚220 mm，上下層各布置15根直徑14 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.59%；限位孔處截面寬度1.66 m，上下層各布置12根直徑12 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.63%。

基于上述配筋設(shè)計(jì)，分別對(duì)軌道板板中截面及限位孔處截面進(jìn)行強(qiáng)度和裂縫檢算，結(jié)果見(jiàn)表3。檢算結(jié)果表明，軌道板承載強(qiáng)度及混凝土裂縫寬度均滿足相關(guān)規(guī)范要求[12]。

表3 軌道板強(qiáng)度及裂縫寬度檢算結(jié)果

3 自密實(shí)混凝土層

本文研究提出板式軌道結(jié)構(gòu)方案時(shí)遵循的主要原則之一是盡量減少現(xiàn)場(chǎng)施工工序，提高施工效率，將高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道中現(xiàn)澆混凝土底座及自密實(shí)混凝土層調(diào)整為同一層結(jié)構(gòu)。本方案中自密實(shí)混凝土層具有軌道高程調(diào)整、結(jié)構(gòu)縱橫向限位、曲線超高設(shè)置等功能。自密實(shí)混凝土通過(guò)軌道板預(yù)留圓形限位孔灌注后，形成了鋼筋混凝土底座，且自密實(shí)混凝土嵌入軌道板限位孔形成限位結(jié)構(gòu)。

考慮地鐵隧道內(nèi)限界尺寸、排水通道設(shè)置等因素，自密實(shí)混凝土層寬度與軌道板相同。參照既有現(xiàn)澆整體道床設(shè)計(jì)，考慮2種軌道板長(zhǎng)度配合使用條件，自密實(shí)混凝土層長(zhǎng)度按12～15 m間隔設(shè)置伸縮縫，自密實(shí)混凝土層內(nèi)按構(gòu)造要求配置鋼筋。自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，其技術(shù)要求參照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

4 工程實(shí)踐驗(yàn)證

2017年8月至11月，在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心路基地段鋪設(shè)了112 m試驗(yàn)段。普通地段板式軌道29.6 m，減振地段板式軌道52.4 m，兩端剛度過(guò)渡段各約15 m，并進(jìn)行了實(shí)車動(dòng)力性能測(cè)試(如圖4所示)，最高試驗(yàn)速度達(dá)到170 km/h。測(cè)試結(jié)果表明：普通地段脫軌系數(shù)、輪重減載率實(shí)測(cè)最大值分別為0.28和0.36；減振地段脫軌系數(shù)、輪重減載率實(shí)測(cè)最大值分別為0.29和0.21；試驗(yàn)段實(shí)測(cè)輪軸橫向力最大值為23.7 kN。列車運(yùn)行安全性指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驗(yàn)證了地鐵用板式軌道結(jié)構(gòu)方案的可行性。

圖4 國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心的試驗(yàn)段及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2018年1至5月，在北京地鐵6號(hào)線西延段金安橋—蘋果園區(qū)間馬蹄形隧道內(nèi)鋪設(shè)試驗(yàn)段約200 m(如圖5所示)。其中普通地段板式軌道62.4 m，軌道板13塊；減振地段板式軌道86.4 m，軌道板18塊；兩端剛度過(guò)渡段各24 m，軌道板10塊。結(jié)合6號(hào)線西延段總體調(diào)試安排，目前正在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)備工作。

圖5 北京地鐵6號(hào)線西延段鋪設(shè)的試驗(yàn)段

5 結(jié)論

本文在總結(jié)分析地鐵常用現(xiàn)澆整體道床式無(wú)砟軌道在建設(shè)及運(yùn)營(yíng)階段存在的不足基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)高速鐵路板式軌道實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、地鐵限界尺寸及列車荷載等具體條件，研究提出了適用于地鐵運(yùn)營(yíng)條件的新型板式軌道結(jié)構(gòu)方案。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段動(dòng)力測(cè)試評(píng)估，驗(yàn)證了板式軌道結(jié)構(gòu)方案的可行性，為該結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供了良好的技術(shù)支撐。獲得以下主要結(jié)論：

1)研究提出的板式軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、隔離層/條形減振墊、彈性緩沖墊層、自密實(shí)混凝土層、限位結(jié)構(gòu)等組成，隔離層/條形減振墊及彈性緩沖墊層在軌道板預(yù)制工廠進(jìn)行裝配，自密實(shí)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑后形成具有底座及限位功能的結(jié)構(gòu)層?？山y(tǒng)一減振地段與普通地段的軌道結(jié)構(gòu)形式，便于施工及后期養(yǎng)護(hù)維修，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

2)通過(guò)計(jì)算分析，推薦在直線地段及曲線半徑600 m以上地段軌道板長(zhǎng)度采用4.7 m，曲線半徑600 m 以下地段軌道板長(zhǎng)度采用3.5 m。

3)地鐵運(yùn)營(yíng)條件下普通地段軌道板厚度取190 mm，寬度不小于2.2 m。減振地段軌道板厚度宜盡量采用較厚的軌道板，寬度不小于2.2 m，以取得較好的減振效果。

4)軌道板受力計(jì)算及配筋檢算表明，軌道板承載性能及裂縫寬度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；自密實(shí)混凝土層宜按12～15 m長(zhǎng)度間隔設(shè)置伸縮縫，并按構(gòu)造要求配置鋼筋。

5)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心及北京地鐵6號(hào)線進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，提出的新型板式軌道結(jié)構(gòu)能夠滿足地鐵運(yùn)營(yíng)條件，具備工程化應(yīng)用的條件。