膠融鋼制板式道床在城市軌道交通中的應(yīng)用

張夢楠 趙磊

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 100082)

引言

北京作為國內(nèi)最早進行地鐵建設(shè)的城市，由于建設(shè)時序的影響，后續(xù)建設(shè)的地鐵工程受到早期預(yù)留結(jié)構(gòu)制約，出現(xiàn)了預(yù)留結(jié)構(gòu)凈空不足的問題，通常采用的處理方法是減小軌道結(jié)構(gòu)高度。但常規(guī)的軌道結(jié)構(gòu)型式在軌道結(jié)構(gòu)高度不足較為嚴(yán)重時，運營期間出現(xiàn)了一些病害，影響了軌道結(jié)構(gòu)耐久性的需求，大大增加了運營期間的維護維修工作量。

北京某鐵路客運站在建設(shè)時預(yù)留的地鐵工程，凈空依據(jù)當(dāng)時規(guī)范考慮地鐵車高進行設(shè)計。而實際建設(shè)階段地鐵車高大于原預(yù)留車高，造成地下結(jié)構(gòu)預(yù)留高度不足的現(xiàn)象，需要減小軌道結(jié)構(gòu)高度。在軌道系統(tǒng)設(shè)計時，為盡可能減小軌道結(jié)構(gòu)高度，采用了無枕式道床。運營一段時間之后，原預(yù)留工程范圍陸續(xù)出現(xiàn)冒水、冒沙現(xiàn)象，部分地段進水淹沒鐵墊板及扣件，致使墊板扣件銹蝕。同時由于長時間冒水、冒沙，部分道床出現(xiàn)脫空情況。

1 滲漏水問題處理

隧道結(jié)構(gòu)滲水對結(jié)構(gòu)的危害不容忽視，上述工程原預(yù)留工程范圍已出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，長此以往，降低了混凝土的耐久性，影響了隧道內(nèi)各種設(shè)施的功能，惡化了隧道內(nèi)的環(huán)境。隨著時間的推移，預(yù)留工程的結(jié)構(gòu)滲漏水已導(dǎo)致軌道道床滲水，道床鋼筋、扣件彈條出現(xiàn)了銹蝕，道床混凝土耐久性降低。為保障車輛行車運營安全，滿足軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，首先需要防止軌道結(jié)構(gòu)受到滲漏水的損傷，對結(jié)構(gòu)滲漏水點進行治理。首先，對結(jié)構(gòu)滲漏水處進行封堵，不允許有水、泥沙等繼續(xù)滲漏，之后進行道床范圍的積水泥沙清理工作。

預(yù)留工程的結(jié)構(gòu)滲漏水有變形縫處滲漏水及隧道底板滲水兩種情況，治理主要以化學(xué)灌漿為主，選擇高滲透性環(huán)氧樹脂類、甲基丙烯酸酯類材料進行灌漿，來達到止水的目的。由于部分結(jié)構(gòu)滲漏點位置隱蔽，難以精確處理，隧道內(nèi)冒水、冒沙現(xiàn)象有所好轉(zhuǎn)，但仍然存在滲漏現(xiàn)象，個別地段出現(xiàn)了道床開裂。因此對道床改造后的結(jié)構(gòu)型式提出了一定的防水要求。

2 道床改造措施分析

為保證軌道結(jié)構(gòu)具有高平順和高穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)滲漏水治理完成后，將對現(xiàn)況道床進行改造加固。改造后的道床要求與既有隧道結(jié)構(gòu)連接牢固，兩者能夠共同受力，并且具有適當(dāng)?shù)挚顾畵p害的能力。結(jié)合地鐵整體道床病害養(yǎng)護維修經(jīng)驗，預(yù)留工程的軌道結(jié)構(gòu)根據(jù)道床開裂、扣件銹蝕等問題的發(fā)展規(guī)律和階段，優(yōu)先采取如下幾種措施進行處理：

(1)表面覆蓋法：道床結(jié)構(gòu)完整，沒有明顯病害時，對0.2mm 以下的微細(xì)裂縫采用彈性涂膜防水材料進行表面涂膜覆蓋。

(2)壓力注漿法：對于結(jié)構(gòu)基本完整但底部空隙較多的道床段，且裂縫寬度小于0.5mm 范圍的微細(xì)裂縫，利用液壓或者氣壓將水泥漿或化學(xué)漿液注入混凝土裂縫中。經(jīng)過一段時間的凝結(jié)，漿液與原有結(jié)構(gòu)膠結(jié)形成一個新的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

以上兩種方法為地鐵整體道床維修較常用的方法，適用于原有結(jié)構(gòu)較為完整的情況。對于本預(yù)留工程的部分軌道結(jié)構(gòu)，由于其裂縫較為嚴(yán)重，部分道床出現(xiàn)脫空，以上兩種方法已無法滿足維修要求，為從根本解決原有軌道結(jié)構(gòu)的問題，需要進行道床更換?？紤]本工程的特殊性，整體道床更換時如果道床型式不變，運營一段時間以后依然較大可能會產(chǎn)生相同病害。因此，需要一種新型的道床結(jié)構(gòu)，能夠在減小軌道結(jié)構(gòu)高度的條件下，最大程度地適用于本地鐵工程的現(xiàn)場潮濕環(huán)境。

3 膠融鋼制板式道床

地鐵的軌道結(jié)構(gòu)高度一般需要650mm，上述預(yù)留地鐵工程由于地下凈空預(yù)留不足，需要地鐵軌道結(jié)構(gòu)總高度控制在300mm 左右，除去鋼軌扣件的占用高度外，用于道床的厚度最小僅剩80mm。在這種厚度情況下，鋪設(shè)鋼筋混凝土道床不利于維持軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具備的強度和穩(wěn)定性。另一方面，通過減小隧道結(jié)構(gòu)混凝土保護層厚度來增加軌道結(jié)構(gòu)高度的方案經(jīng)過結(jié)構(gòu)專業(yè)核算，會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)耐久性降低。

在這種情況下，采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土道床的處理方案基本不能符合現(xiàn)場條件需求。而原有道床由于厚度較小，抗彎折能力較弱，因此對道床與基底的連接要求非常高。但由于現(xiàn)場存在滲漏水、收縮變形等因素，很難保證道床與基底的連接強度。通過借鑒鐵路鋼橋明橋面軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)用經(jīng)驗，將道床結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)完全分開，采用鋼板作為道床，并在表面采取膠融包裹措施，可以在較大程度上減少滲漏水對道床的影響。

3.1 軌道結(jié)構(gòu)

膠融鋼制板式道床軌道結(jié)構(gòu)從上至下依次為鋼軌、扣件、膠融鋼制板式道床、高性能自密實混凝土墊層。道床板兩側(cè)分別設(shè)置限位器，提供沿線路縱向及垂直于線路方向的限位。膠融鋼制板式道床采用無枕式且無承軌臺式設(shè)計。鋼軌采用60kg/m 鋼軌；扣件采用彈條Ⅱ型分開式扣件，軌底坡為1/40，直接在道床內(nèi)預(yù)留扣件螺栓安裝孔；道床板長550mm，寬度為2200mm，厚度為80mm。道床板采用橡膠及高強度質(zhì)量塊復(fù)合而成，上層橡膠層厚10mm，中層鋼制質(zhì)量塊厚50mm，下層橡膠層厚20mm。道床板下部采用C40 自密實混凝土填充。設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 膠融鋼制板式道床Fig.1 Rubber and steel track

3.2 膠融鋼制板式道床力學(xué)分析

為了更好地了解膠融鋼制板式道床的受力及變形情況，本文根據(jù)膠融鋼制板式道床軌道結(jié)構(gòu)，利用ANSYS 有限元軟件，建立了軌道結(jié)構(gòu)三維模型進行計算。依據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范施加列車荷載，包括垂向集中力和橫向集中力，分別取1.5 倍靜輪載和0.8 倍靜輪載。鋼軌、第一層橡膠層及鋼板層的最大位移見表1。

表1 膠融鋼制板式道床位移計算值Tab.1 Displacement calculation value of rubber and steel track

列車荷載下鋼板層應(yīng)力分布云圖如圖2所示?？梢钥闯鲣摪鍖拥淖畲髴?yīng)力為12.4MPa，小于鋼板的承載力限制。

圖2 鋼板層應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution in steel plate layer

3.3 試驗段測試

依據(jù)《輪軌橫向力和垂向力地面測試方法》(TB/T 2489—2016)，選取本地鐵站合理位置進行膠融鋼制板式道床試驗段的鋪設(shè)，施工完成后由鐵科院對試驗段進行了現(xiàn)場測試。地鐵正常運營車輛通過時，測得鋼軌位移及道床位移分別見表2、表3。由表可知，軌道結(jié)構(gòu)位移指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范要求，道床結(jié)構(gòu)位移能夠保證運營安全。

表2 鋼軌位移測試值Tab.2 Displacement test value of rail

表3 膠融鋼制板式道床位移測試值Tab.3 Displacement test value of rubber and steel track

4 施工特點

本文研究的背景主要為正在運營的地鐵線路，地鐵維修改造工程一般在夜間天窗期進行。同時為滿足日?？土餍枨螅€停運進行道床改造難以實現(xiàn)，因此與一般新建線路相比，本項目對施工有更高的要求。目前為止，我國暫沒有比較成熟的既有道床在不停運條件下改造施工先例，本次施工要求保護地鐵線路既有設(shè)施和主體結(jié)構(gòu)在施工中不受損壞，基礎(chǔ)施工材料在短時間內(nèi)達到強度要求，減少施工對市民日常生活的影響，避免二次噪聲對居民的影響等。本項目的道床改造工程施工工藝同時滿足了施工時間短、施工組織難、盡量減小對市政交通影響的復(fù)雜要求，并且進行了混凝土切割、道床鋪設(shè)等施工設(shè)備和工裝的配套研發(fā)及逐步改進。

5 結(jié)語

本文以實際工程作為研究背景，針對北京地鐵因軌道結(jié)構(gòu)預(yù)留高度不足產(chǎn)生的問題進行實地調(diào)查分析，提出新型的膠融鋼制板式道床結(jié)構(gòu)，其具有適用性和可行性。遇到類似情況時，建議根據(jù)現(xiàn)狀條件進行膠融鋼制板式道床的可行性分析，并結(jié)合實際條件安排施工。