城市軌道交通地下線預(yù)制板式軌道研究及應(yīng)用

鄭 強(qiáng)

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 200070， 上?！胃呒?jí)工程師)

城市軌道交通無(wú)減振要求地段一般采用現(xiàn)澆無(wú)砟道床。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)軌道交通的迅猛發(fā)展，城市軌道交通無(wú)砟道床的施工工藝已形成較為完備的施工作業(yè)體系。由于施工配套方案仍基于90年代的軌道鋪設(shè)工藝及精度要求，且受到軌道交通隧道內(nèi)、高架橋等施工作業(yè)空間的限制，因此存在鋪軌測(cè)設(shè)精度不高、以小型機(jī)械為主、大量依靠人力施工、施工精度較難保證、運(yùn)營(yíng)后養(yǎng)護(hù)維修量較大等不足。目前，高鐵軌道的新技術(shù)已應(yīng)用在板式軌道的設(shè)計(jì)和施工上，主要體現(xiàn)在精密測(cè)量、制作質(zhì)量、先進(jìn)的成套設(shè)備、軌道精調(diào)等方面，其無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)形式主要包括了CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ三類(lèi)。其中，CRTSⅠ、CRTSⅡ板采用CA砂漿層進(jìn)行調(diào)整，施工要求較高，且耐久性不足；CRTSⅢ板采用自密實(shí)混凝土，便于施工，且環(huán)境適應(yīng)性及耐久性較好。本項(xiàng)目在高鐵CRTSⅢ型板的基礎(chǔ)上研發(fā)適用于城市軌道交通的預(yù)制板式軌道，以提高城市軌道交通的鋪設(shè)質(zhì)量[1-3]。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

城市軌道交通預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土調(diào)整層、限位結(jié)構(gòu)(門(mén)型筋+凹槽)、中間隔離層和鋼筋混凝土基底組成。軌道板采用單元分塊式結(jié)構(gòu)，為無(wú)擋肩鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。根據(jù)限界及軌道板的特點(diǎn)，本文針對(duì)表1中的尺寸進(jìn)行研究。

表1 軌道板尺寸比選方案 m

通過(guò)如圖1所示的靜力學(xué)分析得出結(jié)論：軌道板長(zhǎng)度較大，扣件間距較小時(shí)受力情況較好；寬度增加時(shí)應(yīng)力及彎矩均變?。浑S著厚度的增加，軌道板所受應(yīng)力減小，彎矩增大。通過(guò)限界分析，軌道板寬度取2.3 m時(shí)滿足限界要求，取2.4 m時(shí)軌道板可能碰到隧道壁，處于臨界值，如圖2所示。

圖1 單塊軌道板受力圖

圖2 限界分析

考慮曲線地段矢距變化的影響，采用半矢距方法(見(jiàn)圖3)進(jìn)行軌道板定位，按其第二組扣件和倒數(shù)第二組扣件中心線與線路中心線重合布置。選擇長(zhǎng)度3.5、4.7、5.9 m軌道板進(jìn)行計(jì)算，其中，5.9 m軌道板扣件矢距變化量較大，需要設(shè)計(jì)兩種曲線板，3.5 m和4.7 m只需要設(shè)計(jì)一種曲線板。

圖3 曲線地段矢距變化分析(采用半矢距法)

綜上，選擇標(biāo)準(zhǔn)軌道板長(zhǎng)度為4 700 mm，寬度為2 300 mm，厚度為200 mm。軌道板與基底間設(shè)置自密實(shí)混凝土，即自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)調(diào)整層強(qiáng)度等級(jí)為C35，厚度為80 mm，采用單層鋼筋網(wǎng)配筋設(shè)置。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示：自密實(shí)混凝土與基底間設(shè)置中間隔離層，采用4 mm聚丙烯無(wú)紡?fù)凉げ?；基底為C35混凝土結(jié)構(gòu)；軌道板下設(shè)門(mén)型筋，基底采用雙凹槽方案，凹槽長(zhǎng)寬深尺寸為700 mm×400 mm×80 mm[4]。

圖4 城市軌道交通預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 計(jì)算分析研究

2.1 靜力仿真計(jì)算

2.1.1 計(jì)算參數(shù)

采用地鐵A型車(chē)參數(shù)，相鄰兩車(chē)兩個(gè)轉(zhuǎn)向架位于相鄰兩塊軌道板時(shí)的最不利工況；車(chē)輛轉(zhuǎn)向架軸距為2.5 m，轉(zhuǎn)向架中心距為15.7 m，相鄰兩車(chē)轉(zhuǎn)向架軸距為3.9 m；當(dāng)速度v=120 km/h時(shí)，單個(gè)動(dòng)輪載F=14 t；ANSYS有限元模型的軌道長(zhǎng)度L=50 m，鋼軌兩端自由[5]。

建立梁-板-體模型，鋼軌采用彈性點(diǎn)支撐無(wú)限長(zhǎng)Euler梁，扣件采用線性點(diǎn)支撐彈簧單元，軌道板采用板殼單元，自密實(shí)混凝土采用線性彈簧單元，基底采用三維實(shí)體模型。其中，扣件剛度K=4×107N/m，軌道板及基底彈性模量E=34.5 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3，自密實(shí)混凝土剛度K=15.6×107N/m，基底全約束。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

位移：在軌道板自重、車(chē)輛荷載作用下，鋼軌最大位移為1.466 mm，軌道板最大位移為0.020 mm。

應(yīng)力：鋼軌承受最大應(yīng)力為218 MPa，軌道板承受最大應(yīng)力為0.87 MPa。

彎矩：沿線路縱向軌道板最大彎矩為9.194 (kN·m)/m，沿線路橫向軌道板最大彎矩為5.936 (kN·m)/m。

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼軌位移、軌道板受力均在合理范圍內(nèi)(見(jiàn)圖5)。

2.2 軌道板強(qiáng)度檢算

軌道板按C50混凝土參數(shù)計(jì)算，軌道板縱向上下層各配16根直徑為14 mm的HRB400鋼筋，橫向上下層各配32根直徑為14 mm的HRB400鋼筋。

圖5 靜力仿真分析位移、應(yīng)力、彎矩結(jié)果

1) 軌道板縱向強(qiáng)度檢算。

45.757 (kN·m)/m>9.194 (kN·m)/m

式中各符號(hào)含義參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2) 軌道板橫向強(qiáng)度檢算。

37.712 (kN·m)/m>5.936 (kN·m)/m

3) 軌道板縱向裂縫檢算。

0.051 mm<0.200 mm

式中各符號(hào)含義見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

4) 軌道板橫向裂縫檢算。

0.069 mm<0.200 mm

經(jīng)檢算，軌道板強(qiáng)度及裂縫均符合要求。

此外，進(jìn)行了小半徑曲線地段溫度荷載作用下的強(qiáng)度檢算，分多種工況進(jìn)行有限元分析。第一種工況，軌道板體系自重+列車(chē)動(dòng)荷載；第二種工況，施加溫度荷載，鋪軌溫度20 ℃，環(huán)境溫度升溫至40 ℃，即軌道板體系自重+整體升溫20 ℃；第三種工況，組合第一、第二種工況，即軌道板體系自重+列車(chē)動(dòng)荷載+整體升溫20 ℃，如圖6所示。

圖6 小半徑曲線地段溫度荷載作用下的強(qiáng)度檢算

在第三種工況下，軌道板上表面板端中部變形最大為0.25 mm，自密實(shí)混凝土表面變形為0.12～0.17 mm，下層變形為0.020～0.095 mm，凸臺(tái)變形為0.095 mm，變形均較單純升溫工況小。軌道板最大等效應(yīng)力在套管處約為14.000 MPa，板中為6.430 MPa，板端為2.144 MPa；自密實(shí)混凝土上表面應(yīng)力為4.28～8.57 MPa，自密實(shí)混凝土下表面應(yīng)力為4.28～15.00 MPa，凸臺(tái)局部最大為12.8 MPa，基底為4.28～15.00 MPa，彈性墊板為2.15 MPa。綜上，考慮隧道內(nèi)溫差不會(huì)超過(guò)20 ℃，本次軌道板體系應(yīng)用于地下小半徑曲線地段時(shí)，強(qiáng)度滿足安全性要求。

2.3 基底凹槽強(qiáng)度檢算

自密實(shí)混凝土與基底按C35混凝土參數(shù)計(jì)算，基底混凝土凹槽周?chē)捎煤穸葹? mm、彈性模量為6 MPa的橡膠材料，凹槽受到的溫度力Ft由以下方程解出：

式中：

EC——混凝土彈性模量；

αC——混凝土線膨脹系數(shù)；

ΔT——軌道板與基底的溫差；

B——軌道板寬度；

h——軌道板及自密實(shí)混凝土厚度；

t——凹槽周?chē)鹉z材料厚度；

Ex——凹槽周?chē)鹉z彈性模量；

Ax——凹槽周?chē)鹉z材料面積；

ΔL——兩凹槽間距離[7]。

經(jīng)計(jì)算，溫度力Ft為

Ft=20.027 kN

縱向力Fz為

Fz=nf

式中：

N——單塊板扣件個(gè)數(shù)；

f——單個(gè)扣件縱向阻力。

凹槽混凝土縱向應(yīng)力σz為

由計(jì)算結(jié)果可知，雙凹槽結(jié)構(gòu)+橡膠墊層滿足混凝土受力及結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。

2.4 計(jì)算結(jié)論

本文對(duì)預(yù)制軌道板的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：① 在上海A型車(chē)輛荷載作用下，鋼軌最大位移為1.466 mm，預(yù)制軌道板最大位移為0.020 mm，鋼軌承受最大應(yīng)力為218 MPa，軌道板承受最大應(yīng)力為0.87 MPa，沿線路縱向軌道板最大彎矩為9.194 (kN·m)/m，沿線路橫向軌道板最大彎矩為5.936 (kN·m)/m，各項(xiàng)指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。② 預(yù)制軌道板的縱向裂縫為0.051 mm，橫向裂縫為0.069 mm，裂縫檢算合格。③ 預(yù)制軌道板的雙凹槽結(jié)構(gòu)+橡膠墊層可滿足混凝土受力及結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)及螺栓抗拔力試驗(yàn)

對(duì)軌道板進(jìn)行了雙軸靜載試驗(yàn)和單軸靜載試驗(yàn)，分析軌道板應(yīng)力強(qiáng)度和軌道板垂向位移。

3.1.1 雙軸靜載試驗(yàn)

加載方式：試驗(yàn)前，板底預(yù)先灌注自密實(shí)混凝土，當(dāng)形成設(shè)計(jì)需要的復(fù)合板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)，用砂漿把軌道板和試驗(yàn)平臺(tái)找平。

荷載分級(jí)：320 kN,480 kN,640 kN,800 kN,960 kN。

測(cè)點(diǎn)布置：在板長(zhǎng)的1/2位置(板中)和兩端頂面貼縱向應(yīng)變片(共6點(diǎn))，在板兩側(cè)盡量靠近板底線處貼縱向應(yīng)變片(共6點(diǎn))，在板兩側(cè)1/2高度處貼壓應(yīng)變片(共6點(diǎn))，共18個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。

試驗(yàn)結(jié)果如下：① 各級(jí)荷載作用下，混凝土壓應(yīng)力最大值為0.24 MPa，出現(xiàn)在960 kN荷載作用下的2′測(cè)點(diǎn)處，遠(yuǎn)小于混凝土極限抗壓強(qiáng)度33.5 MPa。② 軌道板垂向位移隨著荷載的增大而增大，當(dāng)荷載加載至960 kN時(shí)，垂向最大位移為0.2 mm左右。不同荷載級(jí)差，位移級(jí)差的值也不相同，也即荷載和位移曲線并非線性關(guān)系。

a) 加載位置

b) 測(cè)點(diǎn)布置

3.1.2 單軸靜載試驗(yàn)

加載方式：加載點(diǎn)與雙軸靜載試驗(yàn)不同，其余相同。荷載分級(jí)和測(cè)點(diǎn)布置同雙軸試驗(yàn)，如圖8和圖9所示。

圖8 單軸靜載試驗(yàn)加載位置

圖9 單軸靜載試驗(yàn)測(cè)試照片

試驗(yàn)結(jié)果如下：① 各級(jí)荷載作用下，混凝土壓應(yīng)力最大值為0.59 MPa，出現(xiàn)在480 kN荷載作用下的2測(cè)點(diǎn)處，遠(yuǎn)小于混凝土極限抗壓強(qiáng)度33.5 MPa，故僅對(duì)混凝土拉應(yīng)力進(jìn)行分析?；炷翍?yīng)力基本都隨荷載的增大而增大。在各級(jí)荷載作用下，混凝土縱向拉應(yīng)力均小于極限抗拉強(qiáng)度(3.1 MPa)，都處于較低的應(yīng)力水平。② 軌道板垂向位移隨著荷載的增大而增大，當(dāng)荷載加載至960 kN時(shí)，垂向最大位移為0.2 mm左右。不同荷載級(jí)差，位移級(jí)差的值也不相同，也即荷載和位移曲線并非線性關(guān)系。

3.1.3 板面裂紋狀態(tài)觀察

雙軸靜載試驗(yàn)和單軸靜載試驗(yàn)，在整個(gè)加載試驗(yàn)過(guò)程中，軌道板均未出現(xiàn)裂紋。

3.1.4 螺栓抗拔力試驗(yàn)

本次試驗(yàn)隨機(jī)測(cè)試3個(gè)螺栓套管(見(jiàn)圖10)，施加荷載至60 kN時(shí)，套管周?chē)炷帘砻嫖匆?jiàn)裂紋及剝離現(xiàn)象；繼續(xù)施加荷載至70 kN時(shí)，混凝土表面仍未出現(xiàn)裂紋和剝離現(xiàn)象。

圖10 螺栓抗拔力測(cè)試照片

3.2 疲勞試驗(yàn)

加載方式：室內(nèi)模擬單軸加載工況，在最不利情況下(板中截面受力20～160 kN)進(jìn)行300萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)，檢驗(yàn)軌道板是否開(kāi)裂以及測(cè)試軌道板位移，如圖11所示。

圖11 疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

試驗(yàn)結(jié)果如下：① 軌道板垂向位移最大值為0.15 mm，認(rèn)為是由于板底不平和基底鋪設(shè)土工布所產(chǎn)生的特殊值。② 隨著加載次數(shù)的增加，不同測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)不盡相同，但變化幅度均較小。③ 疲勞荷載20～160 kN，經(jīng)過(guò)300萬(wàn)次作用，軌道板上無(wú)裂紋出現(xiàn)。

4 制造工藝

軌道板主要制造工藝：鋼筋骨架制作，按照設(shè)計(jì)圖紙尺寸制作鋼筋綁扎模具，確保鋼筋籠的組裝精度；模型清理、合模，噴隔離劑；安裝預(yù)埋套管，起吊套管、螺旋筋，觀察孔埋件；骨架入模，用專(zhuān)用軟索吊具將綁扎好的鋼筋骨架吊入模型；混凝土灌注、振動(dòng)，混凝土靜停；軌道板的蒸汽養(yǎng)護(hù)，軌道板脫模，軌道板養(yǎng)護(hù)，軌道板外觀質(zhì)量檢測(cè)[8]。

5 施工工藝

5.1 主要施工工藝流程

軌道板為專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)定型產(chǎn)品，采用工廠化預(yù)制，加工成型的成品軌道板通過(guò)汽車(chē)運(yùn)輸至鋪軌基地并存儲(chǔ)；在鋪軌基地內(nèi)采用桁車(chē)將預(yù)制軌道板吊裝至軌道平板車(chē)上，軌道車(chē)運(yùn)輸至施工作業(yè)面，隧道內(nèi)施工作業(yè)面采用軌道式鋪軌門(mén)吊進(jìn)行軌道板吊運(yùn)、鋪設(shè)及初步就位作業(yè)；采用軌道基礎(chǔ)控制網(wǎng)、配套測(cè)量系統(tǒng)及工裝設(shè)備進(jìn)行軌道板幾何位置調(diào)整；固定軌道板位置，在鋪軌基地設(shè)置小型自密實(shí)混凝土拌合站，采用輪軌式攪拌車(chē)運(yùn)輸自密實(shí)混凝土作業(yè)面，進(jìn)行自密實(shí)混凝土層灌注施工，安裝線路鋼軌扣件等作業(yè)，預(yù)制板基底混凝土施工(即隧道仰拱回填)提前于軌道板鋪設(shè)前完成[9]。

5.2 主要分項(xiàng)工序

5.2.1 板式軌道基底施工(隧道仰拱回填)

板式軌道基底施工測(cè)量，基底清理，板式軌道基底鋼筋綁扎，基底結(jié)構(gòu)縫模板安裝，基底限位凹槽模板的安裝，基底混凝土施工，基底整修及清理。

5.2.2 軌道板鋪設(shè)前的施工

軌道板位置的測(cè)量放線，曲線地段軌道板的布板方案，土工布隔離層的鋪設(shè)，彈性墊層的粘貼施工，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片。

5.2.3 軌道板存儲(chǔ)、運(yùn)輸及鋪設(shè)

軌道板的鋪軌基地存儲(chǔ)，軌道板的運(yùn)輸，軌道板的鋪設(shè)及初步就位[10]。

5.2.4 軌道板的精調(diào)及固定

全站儀設(shè)站定向，軌道板調(diào)節(jié)器的安裝及精調(diào)，測(cè)量位移百分表的安裝，封邊模板與扣壓支架(反力架)的安裝，防上浮支架(反力架)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。

5.2.5 自密實(shí)混凝土灌注

自密實(shí)混凝土灌注準(zhǔn)備及檢查，自密實(shí)混凝土拌制及運(yùn)輸，自密實(shí)混凝土灌注工裝設(shè)備的拆除及自密實(shí)混凝土養(yǎng)護(hù)。隨著預(yù)制軌道板的應(yīng)用推廣，推動(dòng)了配套施工裝備的逐步更新，出現(xiàn)了輪胎式鋪板機(jī)等新型設(shè)備。

6 結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)、全面地介紹了上海軌道交通預(yù)制軌道板的總體設(shè)計(jì)方案、主要計(jì)算指標(biāo)、室內(nèi)試驗(yàn)、軌道板制造工藝及施工工藝，得出以下結(jié)論：① 在地鐵A型車(chē)輛荷載作用下，預(yù)制軌道板系統(tǒng)的鋼軌位移、軌道板位移和應(yīng)力各項(xiàng)指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。② 預(yù)制軌道板雙凹槽+橡膠墊層結(jié)構(gòu)滿足混凝土受力及結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求，軌道板裂縫檢算合格。③ 預(yù)制軌道板雙軸靜載試驗(yàn)、單軸靜載試驗(yàn)、螺栓抗拔力試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)結(jié)論顯示，軌道板位移和應(yīng)力各項(xiàng)指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。④ 預(yù)制軌道板的制造工藝、施工工藝成熟可靠。⑤ 預(yù)制軌道板的應(yīng)用將顯著提高軌道施工質(zhì)量，改善施工條件，給城市軌道交通帶來(lái)巨大的促進(jìn)作用。通過(guò)鋪設(shè)高精度軌道，可減小軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量和延長(zhǎng)軌道的使用壽命，具有較為明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。