天津地鐵5號線區(qū)間無泵房軌道設(shè)計方案研究

王羽杰 董光輝

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 概述

城市軌道交通地下線區(qū)間排水設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的一項重要內(nèi)容，與軌道專業(yè)設(shè)計接口較多。通常情況下，排水專業(yè)設(shè)計會要求將區(qū)間廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道合建，在線路最低點處設(shè)置泵房，將上游軌道道床排水溝中的廢水收集到泵房集水井后進(jìn)而排出。但當(dāng)區(qū)間長度不大于600 m或聯(lián)絡(luò)通道處土建施工風(fēng)險較大等特殊情況下，會取消聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)置，同時取消泵房。北京、天津及寧波等城市地鐵在地下線個別區(qū)間取消了聯(lián)絡(luò)通道和泵房，規(guī)避了土建施工作業(yè)的高風(fēng)險，同時對軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計和排水方案提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，須做特殊方案設(shè)計，以滿足區(qū)間排水、消除水患的要求。

2 工程概況

天津地鐵5號線呈南北走向，北起北辰區(qū)雙街，南至西青區(qū)梨園頭，為中心城區(qū)東南半環(huán)的外部填充線。正線全長34.685 km，其中地下線為34.026 km，地面線為0.399 km，U型槽0.260 km。共設(shè)28座車站，其中地下站27座，地面站1座，在雙街和梨園頭分別設(shè)停車場和車輛段各1座。

天津賓館—腫瘤醫(yī)院區(qū)間位于市區(qū)繁華地段，起訖里程為K26+510～K27+440，長度0.930 km，與6號線并行。線路左、右線上下重疊，側(cè)穿育水南里、賓水里等居民小區(qū)。根據(jù)環(huán)評報告要求，該區(qū)間均采用了鋼彈簧浮置板減振道床。

區(qū)間線路縱坡呈“V”形設(shè)計，設(shè)最低點一處。左線區(qū)間最低點里程為K26+698，見圖1；右線區(qū)間最低點里程為K27+126。左線最低點兩側(cè)坡度為16.6‰，25.4‰ ，豎曲線半徑為5 000 m。右線最低點兩側(cè)坡度為25.0‰，15.8‰ ，豎曲線半徑為5 000 m。

天津賓館—腫瘤醫(yī)院區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，線路上下重疊，與6號線并行，聯(lián)絡(luò)通道和泵房施工風(fēng)險較高，且冷凍法施工工期較長。綜合考慮以上因素，并通過專家論證后，決定在線路最低點處取消聯(lián)絡(luò)通道和泵房的設(shè)置。

3 方案設(shè)計

3.1 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

天津賓館—腫瘤醫(yī)院區(qū)間根據(jù)環(huán)評報告要求，采用鋼彈簧浮置板減振道床，軌道結(jié)構(gòu)高度940 mm(至管片)，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如下：

鋼軌：60 kg/m，U75V材質(zhì)；

軌枕：預(yù)制薄型短軌枕；

扣件：ZX-2型扣件；

道床：固體阻尼鋼彈簧浮置板整體道床。

鋼彈簧浮置板道床采用C40混凝土、現(xiàn)澆單元板設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)板長度25 m、厚度340 mm，板縫寬度30 mm。采用內(nèi)置式剪力鉸聯(lián)接，內(nèi)置式隔振器采用2-3-2布置。浮置板軌道結(jié)構(gòu)固有頻率8.5 Hz，減振效果15 dB。

3.2 軌道特殊排水設(shè)計方案

3.2.1排水方案研究

區(qū)間最低點兩側(cè)為鋼彈簧浮置板整體道床，采用重力流、中心水溝排水設(shè)計，水溝深度740 mm(至軌面)、寬度350 mm。

左線最低點位于單元板Z8范圍，右線最低點位于單元板Y-25范圍。根據(jù)給排水專業(yè)設(shè)計提資要求：

1)軌道設(shè)計需預(yù)留排水泵安裝和檢修條件；

2)道床集水坑有效容積不小于排水泵15 min～20 min的抽水量[1]。

根據(jù)給排水設(shè)計接口要求及浮置板道床設(shè)計特點，同時采取板上和板下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。板上按照滿足排水泵安裝檢修條件，設(shè)長600 mm(縱向)×寬500 mm(橫向)的長孔7個，間距600 mm。板下基底道床按照抽水量，將最低點兩側(cè)16 m范圍的中心水溝寬度增加至700 mm、深度增加至840 mm(至軌面),作為道床集水坑使用,見圖2。

上述道床排水設(shè)計方案獲得給排水設(shè)計同意。

3.2.2道床受力檢算

由于該區(qū)間為特殊減振地段，軌道設(shè)計方案需同時滿足結(jié)構(gòu)安全和減振達(dá)標(biāo)兩個條件。首先計算結(jié)構(gòu)安全，分浮置板道床和基底道床兩部分。

1)浮置板道床開孔后受力檢算。

采用有限元建立模型(見圖3)，進(jìn)行浮置板應(yīng)力和裂縫計算。計算參數(shù)：B型車(6輛編組)軸重14 t；設(shè)計最高速度80 km/h；動荷載系數(shù)為2.0。浮置板道床：C40混凝土、HRB400鋼筋。

經(jīng)計算分析，車輛車輪行駛在開孔的兩端時，浮置板開孔部分受到的彎矩最大，最大值為161 kN·m ；車輛車輪行駛在開孔部分時，浮置板開孔部分受到的剪力最大，最大值為168 kN。

a.驗算應(yīng)力。

根據(jù)《橋規(guī)》5.1.3，C40混凝土?xí)r候n取8。

故x的二次方程式為：x2+193.27x-32 854.93=0?x=108.78 mm。

求內(nèi)力偶臂：

內(nèi)力偶臂長：

Z=h0-x+y=233.46 mm。

鋼筋受拉應(yīng)力：

混凝土中的最大壓應(yīng)力：

受壓鋼筋中的應(yīng)力：

經(jīng)過以上檢驗，鋼筋及混凝土受力均滿足要求。

b.中性軸處剪應(yīng)力計算。

c.計算裂縫寬度。

《橋規(guī)》中規(guī)定可以用下式檢驗鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)的開裂寬度：

其中，K1=0.8，K2=1.3，r=1.2。

受拉鋼筋的有效配筋率：

滿足要求。

2)基底道床受力檢算。

隧道壁C50彈性模量3.45×1010N/m2，浮置板和基底混凝土C40彈性模量3.25×1010N/m2，混凝土泊松比取0.2(取自規(guī)范GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范)。為減小因邊界產(chǎn)生的反射波的影響，隧道邊界采用彈簧模擬，剛度2×105N/m。

水溝下部混凝土厚度100 m，此時水溝深度224 mm(至軌面840 mm)。水溝底部，最大應(yīng)力為758 kPa，位于水溝底部兩側(cè)，見圖4。

理論計算結(jié)果0.758 MPa小于混凝土受拉強度1.7 MPa，且滿足規(guī)范CJJ8/T 191—2012浮置板軌道技術(shù)規(guī)范中條文解釋第34頁，條文3.3.4中“基底除受力要求外，還需考慮排水要求，通常的排水溝深度不宜小于100 mm，且溝底的混凝土厚度不應(yīng)小于100 mm”的要求。

3)減振性能計算。

分別建立浮置板—隧道模型和整體道床—隧道模型。施加列車荷載，分析在不同頻率時不同軌道結(jié)構(gòu)隧道壁振動加速度級。根據(jù)計權(quán)振動加速度計算公式(1)計算浮置板相對整體道床的Z振級減少量，如表1所示。

計權(quán)振動加速度計算公式：

(1)

其中，VL為振動計權(quán)加速度級，dB；Li為每個頻帶的振動加速度級，dB；ai為各個頻帶的計權(quán)因子，dB。

表1 各類區(qū)域Z振級標(biāo)準(zhǔn)值

由表1可知，在列車通過時理論計算情況下，所設(shè)計的鋼彈簧浮置板相對于普通整體道床振動加速度級減少量為19.97 dB，采用HJ 453—2008環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則[2]標(biāo)準(zhǔn)計權(quán)，Z振級理論減少量為15.7 dB，減振效果滿足設(shè)計和環(huán)評要求。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通工程的日益發(fā)展，地下線短區(qū)間和復(fù)雜地質(zhì)施工風(fēng)險大的情況也會逐漸增加，除天津地鐵外，北京、寧波等城市地鐵也在個別區(qū)間取消了聯(lián)絡(luò)通道和廢水泵房。本文中的道床排水設(shè)計特殊點在于區(qū)間最低點位于鋼彈簧浮置板減振道床，采用中心暗溝排水，方案既要保證列車通過時的軌道結(jié)構(gòu)安全性，又要保證浮置板開孔后的減振效果，同時還得滿足運營后的水泵檢修。其他城市地鐵地下線區(qū)間無泵房處道床排水設(shè)計可根據(jù)工程實際情況，綜合比選后參考設(shè)計。