杭紹城際鐵路內(nèi)置式泵房預(yù)制板式軌道力學(xué)性能分析

何 峰，馬晨雨，陳葉豐，時(shí) 瑾

(1.紹興市柯橋區(qū)軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江紹興 312030； 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 概述

在城市軌道交通建設(shè)中，常規(guī)地鐵工程的聯(lián)絡(luò)通道一般與廢水泵房合并建設(shè)，施工通常采用凍結(jié)法[1-2]、礦山法等。對(duì)于部分軟土地區(qū)、濕陷性黃土地區(qū)等特殊地段，此種建設(shè)方案具有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，且易引發(fā)地鐵內(nèi)涌水及結(jié)構(gòu)破壞等諸多負(fù)面影響，帶來(lái)極大的運(yùn)營(yíng)安全隱患[3-4]。近年來(lái)，為減少隧道內(nèi)開(kāi)挖土方量，天津、寧波及廣州等城市的地鐵項(xiàng)目中取消了聯(lián)絡(luò)通道，將廢水泵房改設(shè)于盾構(gòu)區(qū)間的軌道下方，左右線隧道設(shè)立獨(dú)立泵房。在道床內(nèi)設(shè)置廢水泵房的研究與應(yīng)用實(shí)例逐漸增多，拓展了區(qū)間廢水泵房的適用性。

徐彩彩[5]依據(jù)既有地鐵項(xiàng)目中道床兼設(shè)廢水泵房的實(shí)際應(yīng)用情況，計(jì)算分析了內(nèi)置式泵房軌道結(jié)構(gòu)道床的位移變形及應(yīng)力；朱瑤宏[6]結(jié)合寧波市軌道交通工程，計(jì)算分析了盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)置式泵房的尺寸，并詳細(xì)介紹了泵房的總體布置和設(shè)計(jì)方案；楊松等[7]研究了時(shí)速160 km下內(nèi)置式泵房軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。由于內(nèi)置式泵房軌道結(jié)構(gòu)需在道床內(nèi)部開(kāi)孔挖槽放置水泵，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性有很大削弱，目前，對(duì)于在內(nèi)置式泵房區(qū)間鋪設(shè)的預(yù)制板式軌道力學(xué)性能研究還比較匱乏。通過(guò)對(duì)城市軌道交通內(nèi)置式泵房的尺寸計(jì)算，并研究分析內(nèi)置式泵房預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以確保軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，為軌道板的配筋設(shè)計(jì)與相關(guān)研究提供依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算參數(shù)

2.1 工程概況

杭紹城際鐵路連接杭州市蕭山區(qū)與紹興市柯橋區(qū)，與紹興軌道交通1號(hào)線貫通運(yùn)營(yíng)融入紹興主城區(qū)。杭紹城際線路全長(zhǎng)20.3 km，其中，高架線7.34 km，地下線10.53 km，過(guò)渡段0.40 km，山嶺隧道2.03 km。設(shè)站9座，6座地下車(chē)站，3座高架車(chē)站，線路平面方案如圖1所示。地下區(qū)間5處，分別為香—衙區(qū)間、衙—楊區(qū)間、湖—稽區(qū)間、稽—柯區(qū)間和柯—笛區(qū)間，地下區(qū)間線路最低點(diǎn)可采用內(nèi)置式泵房軌道，實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)通道和泵房分離，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。其中，以杭紹線衙—楊區(qū)間為例計(jì)算區(qū)間泵房尺寸，該區(qū)間長(zhǎng)度約2.045 km。

圖1 杭紹城際鐵路線路平面方案示意

杭紹城際鐵路盾構(gòu)穿越地區(qū)淤泥質(zhì)土最為深厚，為減少后期沉降對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)影響，并為后期軌道提供更大的可調(diào)空間，隧道單洞內(nèi)徑從常見(jiàn)的5.5 m加大到5.9 m。建筑限界仍為5 200 mm，考慮徑向150 mm施工誤差，得到結(jié)構(gòu)施工控制圓直徑為5 600 mm。軌道結(jié)構(gòu)高800 mm，考慮軌道下方留有一定的結(jié)構(gòu)加固空間，因此，軌面至結(jié)構(gòu)底距離為950 mm，盾構(gòu)隧道斷面如圖2所示。

圖2 內(nèi)徑5.9 m盾構(gòu)隧道斷面(單位：mm)

2.2 集水池設(shè)計(jì)

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)排水量應(yīng)為隧道消防排水量與隧道結(jié)構(gòu)滲漏水量之和。地鐵隧道消防設(shè)計(jì)排水流量為36 m3/h，考慮安全量按1 L/m2·d的排水量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，得到最高時(shí)水量為1.58 m3/h[8]，綜合考慮，杭紹線衙—楊區(qū)間排水量約為40 m3/h。

在地下區(qū)間排水設(shè)計(jì)中，區(qū)間排水泵站的集水池有效容積不應(yīng)小于最大一臺(tái)排水泵15～20 min的出水量?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，區(qū)間排水泵站應(yīng)設(shè)2臺(tái)排水泵，平時(shí)應(yīng)1臺(tái)工作，必要時(shí)應(yīng)2臺(tái)同時(shí)工作。相對(duì)應(yīng)排水量的揚(yáng)水管通常選用DN100 mm～DN150 mm的內(nèi)外涂塑鋼管，在區(qū)間廢水泵房正常工況下，單泵啟動(dòng)足以滿足排水要求[8]。選用水泵數(shù)量所對(duì)應(yīng)的集水池有效容積與干管流速情況如表1所示。

表1 區(qū)間排水泵數(shù)量對(duì)應(yīng)集水池有效容積與不同壓力干管流速

由表1可以看出，所需集水池有效容積隨選用水泵臺(tái)數(shù)的增加而減小，二者呈負(fù)相關(guān)性，對(duì)土建而言有利，但帶來(lái)的不利影響是干管流速會(huì)減小，水力條件較差，無(wú)法滿足水泵的沖淤流速，影響水泵的使用壽命[9]。綜合考慮，建議區(qū)間廢水泵房選用2臺(tái)排水泵，單泵流量20 m3/h，集水池有效容積5.0 m3。

根據(jù)給排水專業(yè)需求[10-13]，一般地段道床兼廢水泵房的集水池最大寬度為0.8 m，最大高度為0.6 m。集水池有效容積為：二泵啟泵水位與停泵水位差(0.45 m)×集水池長(zhǎng)×集水池寬(0.8 m)?？紤]部分管道安裝空間及軌道橫梁占用空間，建議集水池長(zhǎng)14.3 m，內(nèi)置式泵房集水池橫斷面如圖3所示。

圖3 內(nèi)置式泵房板式道床橫斷面(單位：mm)

2.3 計(jì)算參數(shù)與荷載取值

計(jì)算所得盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)置式泵房長(zhǎng)14.3m，為滿足內(nèi)置式泵房的結(jié)構(gòu)安全性需要，采用軌道預(yù)制板整體道床結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土道床，可以增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性，提高鋪設(shè)精度[14-16]。軌道自上而下由鋼軌、扣件、軌道板、自密實(shí)混凝土、基底及隧道基礎(chǔ)構(gòu)成。內(nèi)置式泵房板式道床采用4塊軌道預(yù)制板，道床兩側(cè)為雙塊式整體道床。預(yù)制板采用8字框架式軌道板，外形尺寸為3 500 mm×2 200 mm×200 mm，軌道板之間設(shè)置100 mm寬板縫，框架式軌道板平面示意見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)制軌道板平面(單位：mm)

鋼軌采用60 kg/m，扣件采用TSD1型扣件，軌枕間距0.6 m，隧道基礎(chǔ)厚0.35 m，采用C50混凝土，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。利用有限元計(jì)算軟件建立地鐵盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)置式泵房軌道模型，其中，鋼軌采用梁?jiǎn)卧M，扣件采用彈簧單元模擬，軌道板和自密實(shí)混凝土層等均采用實(shí)體單元模擬，有限元模型如圖5所示。

表2 軌道計(jì)算參數(shù)

圖5 盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)置式泵房軌道結(jié)構(gòu)模型

荷載采用地鐵B型車(chē)，軸重14 t，車(chē)輛定距12.6 m，轉(zhuǎn)向架軸距2.2 m，車(chē)體長(zhǎng)19 m，車(chē)箱間距0.45 m，由此計(jì)算兩節(jié)車(chē)中間最近的兩個(gè)車(chē)軸間距離為4.65 m，垂向荷載如圖6所示。

圖6 B型車(chē)垂向荷載分布(單位：m)

為充分保證內(nèi)置式泵房預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，研究在靜力荷載組合作用下軌道板的彎矩與列車(chē)作用下軌道動(dòng)力響應(yīng)。計(jì)算軌道板彎矩時(shí)，采用集中力的形式模擬列車(chē)荷載，以0.1 m的荷載間隔計(jì)算，只需考慮中間兩個(gè)轉(zhuǎn)向架荷載即可滿足要求。設(shè)計(jì)中采用的主力為列車(chē)荷載，考慮到內(nèi)置式泵房為特殊設(shè)計(jì)的軌道結(jié)構(gòu)，為提高軌道安全性及增加預(yù)制板配筋依據(jù)，將列車(chē)豎向設(shè)計(jì)荷載分為工況1(2倍靜輪重)、工況2(3倍靜輪重)計(jì)算，橫向設(shè)計(jì)荷載為0.8倍靜輪重。不考慮溫度及疲勞荷載的影響，根據(jù)不同設(shè)計(jì)工況確定荷載組合如表3所示。

表3 荷載組合

3 軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 軌道板的彎矩

按表3所示荷載組合，沿泵房方向逐漸加載至2個(gè)轉(zhuǎn)向架荷載完全經(jīng)過(guò)泵房[17]，得到軌道板縱向彎矩、橫向彎矩包絡(luò)圖(彎矩包絡(luò)圖反映了移動(dòng)荷載通過(guò)這塊板時(shí)，板的各個(gè)位置所受的最大或最小彎矩，正彎矩表示板下側(cè)受拉，負(fù)彎矩表示板上側(cè)受拉)，如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，只受到垂向荷載時(shí)，縱向正彎矩在軌道板邊緣最大，軌道板下側(cè)受拉，逐漸向軌道板中部減小，軌道板中部下側(cè)受拉值比較小，可適當(dāng)減少配筋；縱向負(fù)彎矩在軌道板中部最小，軌下彎矩值比較大，軌道板在鋼軌位置處上側(cè)受拉，可適當(dāng)增加配筋。施加列車(chē)橫向荷載后對(duì)軌道板的縱向彎矩影響不大。只受到垂向荷載時(shí)，橫向彎矩在軌下與軌道板邊緣處變大，軌道板下側(cè)受拉。當(dāng)施加橫向荷載后，軌道板在靠近左軌處正彎矩值較高，軌道板下側(cè)受拉情況明顯；同理，軌道板在靠近右軌處負(fù)彎矩值較高，軌道板上側(cè)受拉情況明顯。故可在軌下位置適當(dāng)增加配筋，增強(qiáng)軌道板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖7 主力組合1彎矩包絡(luò)圖

圖8 主力組合2彎矩包絡(luò)圖

綜上，軌道板縱向和橫向所受最大和最小彎矩匯總?cè)绫?所示。

表4 軌道板彎矩值 N·m

3.2 軌道動(dòng)力響應(yīng)分析

杭紹城際鐵路設(shè)計(jì)速度為100 km/h，車(chē)軌動(dòng)力計(jì)算中采用美國(guó)五級(jí)譜作為激勵(lì)，采用垂向加速度及垂向位移作為軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)強(qiáng)弱指標(biāo)。DB11/T 1714—2020《城市軌道交通工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，預(yù)制板式軌道在列車(chē)動(dòng)力作用下鋼軌的最大垂向位移不應(yīng)大于3 mm，垂向加速度不應(yīng)大于2 500 m/s2；軌道板的最大垂向位移不應(yīng)大于2 mm，垂向加速度不應(yīng)大于200 m/s2[18]。

其中，鋼軌與軌道板的垂向位移及垂向加速度時(shí)程曲線分別如圖9、圖10所示，提取軌道各結(jié)構(gòu)的垂向加速度及垂向位移最大值匯總，如表5所示。由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，鋼軌垂向位移最大值為規(guī)范限值的13%；軌道板垂向位移最大值僅為規(guī)范限值的7.6%；鋼軌垂向加速度最大值僅為規(guī)范限值的6.9%；軌道板垂向加速度最大值僅為規(guī)范限值的4.13%。鋼軌及軌道板的垂向位移及加速度均未超過(guò)規(guī)范限值，且具有較大的安全余量，說(shuō)明內(nèi)置式泵房預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

圖9 垂向位移時(shí)程曲線

圖10 垂向加速度時(shí)程曲線

表5 軌道結(jié)構(gòu)振動(dòng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

采用縱向應(yīng)力與橫向應(yīng)力作為軌道強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，由GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015版)》可知，軌道預(yù)制板混凝土強(qiáng)度與強(qiáng)度等級(jí)C55混凝土相當(dāng)，拉應(yīng)力允許值取1.96 MPa；自密實(shí)混凝土強(qiáng)度與強(qiáng)度等級(jí)C40混凝土相當(dāng)，拉應(yīng)力允許值取1.71 MPa；基底混凝土強(qiáng)度與強(qiáng)度等級(jí)C25混凝土相當(dāng)，拉應(yīng)力允許值取1.27 MPa[19]。

其中，軌道板的縱、橫向應(yīng)力時(shí)程曲線分別如圖11、圖12所示，提取軌道板、自密實(shí)層和基底的縱向應(yīng)力及橫向應(yīng)力最大值匯總，如表6所示。由計(jì)算數(shù)據(jù)可知，應(yīng)力最大值由軌道板到基底逐漸減小，軌道結(jié)構(gòu)各部分應(yīng)力均未超過(guò)限值，且軌道板應(yīng)力最大值僅為允許值的0.24%，安全余量較大，說(shuō)明內(nèi)置式泵房結(jié)構(gòu)形式滿足軌道強(qiáng)度要求。

圖11 軌道板縱向應(yīng)力時(shí)程曲線

圖12 軌道板橫向應(yīng)力時(shí)程曲線

表6 軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì) MPa

3.3 行車(chē)性能指標(biāo)分析

采用車(chē)體垂向、橫向加速度作為車(chē)體運(yùn)行平穩(wěn)性的指標(biāo)，采用輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數(shù)與輪重減載率作為行車(chē)運(yùn)行安全性指標(biāo)。

參考《城市軌道交通工程動(dòng)態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》可知，車(chē)體垂向加速度限值為1.0 m/s2，車(chē)體橫向加速度限值為0.6 m/s2。德國(guó)聯(lián)邦鐵路(DB)規(guī)定，就線路負(fù)荷而言，非沖擊性的中低頻輪軌垂向力的限值為 170 kN。參考國(guó)內(nèi)外鐵路標(biāo)準(zhǔn)，輪軌垂向力限值取170 kN；對(duì)于輪軸橫向力，參考GB/T 5599—2019《機(jī)車(chē)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》[20]及相關(guān)研究成果，輪軸橫向力限值選取為，H≤0.85(15+Pw/3)，即52 kN；對(duì)于脫軌系數(shù)與輪重減載率，GB/T14894—2005《城市軌道交通車(chē)輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》[21]中規(guī)定，脫軌系數(shù)≤0.8，輪重減載率≤0.6。

仿真計(jì)算得到內(nèi)置式泵房軌道系統(tǒng)的行車(chē)性能計(jì)算結(jié)果，其中輪軌垂向力、輪軌橫向力時(shí)程曲線分別如圖13、圖14所示，各行車(chē)性能指標(biāo)與規(guī)范限值如表7所示。由計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)置式泵房軌道的車(chē)體運(yùn)行平穩(wěn)性與安全性指標(biāo)峰值均滿足規(guī)范限值且余量較大。

圖13 輪軌垂向力時(shí)程曲線

圖14 輪軌橫向力時(shí)程曲線

表7 行車(chē)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

以杭紹城際鐵路為背景，結(jié)合排水專業(yè)要求，確定了內(nèi)置式泵房預(yù)制板式軌道的尺寸和型式，建立三維內(nèi)置式泵房軌道有限元模型，進(jìn)行了彎矩計(jì)算及動(dòng)力響應(yīng)分析。隨著工程實(shí)際的需要，內(nèi)置式泵房軌道結(jié)構(gòu)的運(yùn)用必將更為廣泛，本文的研究結(jié)果可為內(nèi)置式泵房預(yù)制板式軌道的選型和設(shè)計(jì)提供參考，相關(guān)研究結(jié)論如下。

(1)當(dāng)只施加列車(chē)豎向荷載時(shí)，軌道板縱向最大彎矩為2.501 kN·m，最小彎矩為-1.214 kN·m；施加橫向荷載后對(duì)縱向彎矩影響不大，軌道板橫向最大彎矩為2.654 kN·m，最小彎矩為-3.013 kN·m。其中，軌道板邊緣與軌下位置彎矩值較大，可配置適量鋼筋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，計(jì)算數(shù)據(jù)可為后續(xù)配筋及裂縫驗(yàn)算等研究提供依據(jù)。

(2)在列車(chē)動(dòng)力荷載作用下，鋼軌最大垂向位移為0.4 mm，最大垂向加速度為180 m/s2，軌道板最大垂向位移為0.152 mm，最大垂向加速度為8.47 m/s2，軌道板最大縱向應(yīng)力為0.475 MPa，最大橫向應(yīng)力為0.331 MPa。結(jié)果表明，軌道結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)，且安全余量較大，可滿足杭紹城際鐵路的工程需求。

(3)列車(chē)運(yùn)行的車(chē)體垂向加速度最大值為0.235 m/s2，車(chē)體橫向加速度最大值為0.204 m/s2，均滿足車(chē)體運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)規(guī)范限值；輪軌垂向力最大值為97.314 kN，輪軌橫向力最大值為7.915 kN，脫軌系數(shù)最大值為0.116，輪重減載率最大值為0.176，均滿足行車(chē)運(yùn)行安全性指標(biāo)規(guī)范限值。結(jié)果表明，軌道結(jié)構(gòu)的行車(chē)性能指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)，可滿足列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性與安全性需要。