不同速度等級(jí)裝配式軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及檢算

張魯順

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，城市軌道交通軌道結(jié)構(gòu)一般采用軌枕埋入式整體道床，現(xiàn)場(chǎng)澆筑。除軌排在鋪軌基地組裝，其余大部分施工作業(yè)均在現(xiàn)場(chǎng)完成，然而，地下線施工空間受限，易導(dǎo)致施工進(jìn)度慢、軌道鋪設(shè)精度低、不能開展多作業(yè)面施工等弊端[1-2]。為減少現(xiàn)場(chǎng)澆筑作業(yè)，提高地下線道床施工進(jìn)度及鋪設(shè)精度，部分城市引進(jìn)高速鐵路裝配式軌道先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合城市軌道交通特點(diǎn)進(jìn)行再創(chuàng)新，并在軌道交通中逐漸推廣采用[3-4]。

裝配式軌道是一種新型軌道形式，將工廠預(yù)制好的軌道板直接裝配在混凝土底座或下部基礎(chǔ)上，采用CPⅢ控制網(wǎng)對(duì)預(yù)制板進(jìn)行精調(diào)[5-6]，然后在軌道板下方采用自填充混凝土進(jìn)行填充。實(shí)踐表明，裝配式無砟軌道具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)質(zhì)量好、耐久性高、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量少等優(yōu)點(diǎn)[7]。已有許多學(xué)者對(duì)其開展相關(guān)研究，葉軍等研究一種適用于時(shí)速160 km線路高架段、具有新型限位結(jié)構(gòu)的裝配式雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板整體道床結(jié)構(gòu)[8]；王占生在總結(jié)城市軌道交通板式軌道應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，闡述裝配式軌道的核心技術(shù)理念，以及在蘇州地鐵5號(hào)線典型工況條件下的優(yōu)化應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)[9]；楊秀仁等研究裝配式減振軌道自動(dòng)鋪裝的測(cè)量控制方法，認(rèn)為該方法能大幅提高軌道工程安裝精度和安裝效率[10]。

然而，裝配式軌道在工程應(yīng)用中仍存在一些問題。如建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)軌道板、底座裂紋，自密實(shí)混凝土離縫等病害[11-13]；軌道對(duì)地電阻值降低快，絕緣保持能力弱[14-15]；自密實(shí)混凝土調(diào)整層施工配比要求高，技術(shù)指標(biāo)過于嚴(yán)格[16]；城市軌道交通裝配式軌道類型過多等。因此，研究時(shí)速80～250 km軌道交通裝配式軌道技術(shù)，并對(duì)其速度等級(jí)進(jìn)行劃分很有必要。

2 裝配式軌道板結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

為使裝配式軌道其既能滿足不同條件下工程建設(shè)的需要及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。綜合考慮規(guī)范規(guī)定、軌道功能要求、外部輸入條件等因素，將裝配式無砟軌道速度等級(jí)分為3級(jí)：①Ⅰ級(jí)：80 km/h≤V≤120 km/h；②Ⅱ級(jí)：120 km/h

2.1 模型及參數(shù)

利用有限元方法建立裝配式無砟軌道精細(xì)化分析模型，采用控制變量法進(jìn)行影響因素分析，計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軌道板受力的影響規(guī)律[17-18]。軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、軌道板、微彈性隔離層、自填充混凝土等組成。鋼軌、軌道板、自填充混凝土采用實(shí)體單元模擬；扣件采用三向彈簧單元模擬，靜剛度為30 kN/mm。為消除邊界效應(yīng)，取3塊軌道板建模。列車荷載加載方式為單軸雙輪，取2倍的靜輪載(170 kN)[19]，加載位置在軌道板中部。模型底部采用彈性基礎(chǔ)。軌道結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1，裝配式無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 裝配式無砟軌道有限元模型

表1 裝配式無砟軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 列車荷載因素

(1)軌道板板長(zhǎng)

根據(jù)扣件數(shù)量及間距，軌道板長(zhǎng)度分別為3.5 m、4.1 m、4.7 m、5.3 m、5.9 m時(shí)，軌道板受力情況見圖2。由圖2可以看出，軌道板長(zhǎng)度對(duì)軌道板受力影響較小。

圖2 不同軌道板長(zhǎng)度下軌道板應(yīng)力變化規(guī)律

(2)軌道板板寬

軌道板寬度對(duì)軌道板受力的影響規(guī)律見圖3。由圖3可以看出，軌道板寬度由2 000 mm增加到2 500 mm，軌道板頂部橫向拉應(yīng)力減少約30%，軌道板底部橫向應(yīng)力減少約55%。由此可見，軌道板寬度對(duì)軌道板受力的影響整體上表現(xiàn)出板寬越寬，受力越小的趨勢(shì)。

圖3 不同軌道板寬度下軌道板應(yīng)力變化規(guī)律

(3)軌道板板厚

當(dāng)軌道板厚度范圍為180～220 mm時(shí)，軌道板厚度對(duì)軌道板受力的影響規(guī)律見圖4。由圖4可以看出，軌道板厚度對(duì)軌道板受力的影響表現(xiàn)出板厚越大，受力越小的規(guī)律。軌道板厚度由180 mm增加到220 mm，軌道板頂部縱向應(yīng)力減小40%，橫向應(yīng)力減小20%，軌道板底部縱向應(yīng)力減小18%，橫向應(yīng)力減小37%。

圖4 不同軌道板厚度下軌道板應(yīng)力變化規(guī)律

(4)扣件間距

扣件間距對(duì)軌道板受力的影響規(guī)律見圖5?？奂g距分別為575 mm(對(duì)應(yīng)鋪設(shè)密度1 740組/km)、600 mm(對(duì)應(yīng)鋪設(shè)密度1 667組/km)、625 mm(對(duì)應(yīng)鋪設(shè)密度1 600組/km)時(shí)，道床板頂部、底部縱向應(yīng)力隨扣件鋪設(shè)密度的增大而減小，但減小幅度較??；軌道板頂部及底部橫向應(yīng)力基本不受扣件鋪設(shè)密度變化的影響?？傮w上看，扣件間距對(duì)軌道板受力的影響較小。

圖5 不同扣件鋪設(shè)密度下軌道板應(yīng)力變化規(guī)律

地鐵扣件鋪設(shè)密度一般地段采用1 680對(duì)/km，R≤400 m或坡度i≥20‰地段加密至1 760對(duì)/km。另外，根據(jù)國內(nèi)城市軌道交通既有軌道板設(shè)置經(jīng)驗(yàn)，扣件間距一般取600 mm。結(jié)合上述扣件間距計(jì)算結(jié)論，軌道板的扣件間距建議統(tǒng)一為600 mm。

2.3 土建因素

軌道板寬2.2 m、2.3 m、2.4 m時(shí)，裝配式軌道均能滿足隧道限界的布置要求，但軌道板寬度越寬，軌道板的四個(gè)角距離限界越近(尤其在曲線地段內(nèi)側(cè))，軌道板距離限界分別為78 mm、56 mm、32 mm。當(dāng)管片偏移至限界位置處，軌道板越寬，軌道板下混凝土邊緣的厚度隨薄，不利于軌道結(jié)構(gòu)受力，在列車動(dòng)荷載往復(fù)作用下，將發(fā)生裂縫、破損等病害，影響行車安全。另外，軌道板越寬，水溝寬度越小，不利于排水。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)速度較低、盾構(gòu)內(nèi)徑較小時(shí)，軌道板寬度尺寸不宜過大。

隨著設(shè)計(jì)速度的提高，隧道內(nèi)徑也逐漸增大，設(shè)計(jì)速度160 km/h的市域鐵路盾構(gòu)內(nèi)徑通常為7.7～8 m。以7.9 m的盾構(gòu)內(nèi)徑為例，允許的軌道結(jié)構(gòu)高度增大至900 mm(至限界)，軌道板尺寸也可適當(dāng)提高，當(dāng)軌道板寬度增大到2.5 m時(shí)，軌道布置可以滿足限界的要求。

當(dāng)設(shè)計(jì)速度提高到200 km/h以上時(shí)，線路敷設(shè)方式將以橋梁和路基為主，隧道斷面多與山嶺隧道相同。因此，可借鑒CRTSⅢ型板式無砟軌道成熟方案，采用軌道板、自密實(shí)混凝土、底座3層結(jié)構(gòu)，線路兩側(cè)設(shè)置電纜槽，排水通過在隧道回填層設(shè)置水溝實(shí)現(xiàn)，軌道結(jié)構(gòu)無需考慮排水。軌道板寬度沒有限制，建議采用國鐵上廣泛使用的2.5 m寬度。

綜上，為滿足5.4 m盾構(gòu)內(nèi)徑時(shí)軌道板的安裝需求，建議軌道板寬度取2.2 m；160 km/h

2.4 曲線段軌道板矢距調(diào)整因素

軌道板長(zhǎng)度需考慮曲線地段正矢的調(diào)整。軌道板矢距調(diào)整采用半矢距方法，即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(見圖6)。

圖6 半矢距偏移調(diào)整方法示意

經(jīng)計(jì)算，板長(zhǎng)3.5 m軌道板最大矢距調(diào)整量為2.9 mm；板長(zhǎng)4.7 m軌道板最大矢距調(diào)整量為4.3 mm；板長(zhǎng)5.9 m軌道板最大矢距調(diào)整量為8.6 mm。由此可見，隨著軌道板長(zhǎng)度的增加，軌道板的矢距調(diào)整量也逐漸增加。

軌道板矢距及超高調(diào)整采用有限制的無級(jí)調(diào)整方法，即按曲線半徑和順坡率將曲線劃分為不同等級(jí)，同一等級(jí)采用一種曲線板，承軌臺(tái)未偏移到位的部分再用扣件調(diào)整。根據(jù)扣件調(diào)整量，結(jié)合運(yùn)營(yíng)需求，建設(shè)期占用扣件的調(diào)整量宜控制在3 mm之內(nèi)，則3.5 m軌道板無需設(shè)計(jì)曲線板，4.7 m軌道板需要設(shè)計(jì)1種曲線板，5.9 m軌道板需要設(shè)計(jì)2種曲線板。結(jié)合緩和曲線的超高順坡調(diào)整，實(shí)際軌道板種類將會(huì)更多。

因此，為減少軌道板種類，降低設(shè)計(jì)、制造及鋪設(shè)的管理難度，降低造價(jià)，軌道板長(zhǎng)度宜控制在4.7 m以內(nèi)。

2.5 施工因素

為施工便利，首先應(yīng)考慮軌道板輕量化。當(dāng)軌道板厚0.2 m時(shí)，一塊3.5 m長(zhǎng)軌道板質(zhì)量約6 t，4.7 m軌道板質(zhì)量約8 t，5.9 m軌道板質(zhì)量約10 t。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，軌道板吊裝質(zhì)量超過10 t后，需采用2臺(tái)鋪軌門吊，10 t以內(nèi)可采用一臺(tái)鋪軌門吊，較小的軌道板尺寸和重量更加方便施工。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，每塊軌道板的架設(shè)和精調(diào)時(shí)間約20 min。軌道板越長(zhǎng)，則軌道板數(shù)量越少，有利于節(jié)省軌道板架設(shè)及精調(diào)時(shí)間。每塊軌道板自填充混凝土灌注時(shí)間約20 min，軌道板越長(zhǎng)，軌道板數(shù)量越少，灌板次數(shù)越少，有利于節(jié)省灌注總時(shí)間。采用長(zhǎng)5.9 m的軌道板，施工速度較3.5 m的軌道板提高約1.6倍。

因此，綜合考慮方便運(yùn)輸?shù)跹b和提高架設(shè)速度兩個(gè)方面，推薦采用4.7 m軌道板。

2.6 軌道板主要技術(shù)參數(shù)匯總

綜合考慮列車荷載因素、土建因素、曲線段軌道板失距調(diào)整因素和施工因素，推薦各速度級(jí)的軌道板主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 軌道板主要技術(shù)參數(shù) m

3 軌道板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)對(duì)比

高速鐵路CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟軌道軌道板均采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；市域鐵路、城軌快線(如北京大興機(jī)場(chǎng)線、廣州18號(hào)線、22號(hào)線)均采用預(yù)應(yīng)力鋼筋結(jié)構(gòu)；普通城市軌道(上海地鐵、廣州直線電機(jī)線路高架段)采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，深圳、天津等城市采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

考慮到預(yù)應(yīng)力鋼筋軌道板的承載能力大、裂紋控制效果好、耐久性高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)勢(shì)，推薦各速度等級(jí)的軌道板均采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2 限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)凹槽和凸臺(tái)限位對(duì)比

既有裝配式軌道限位結(jié)構(gòu)主要有兩種：凹槽限位和凸臺(tái)限位。凹槽限位以國鐵CTRSⅢ型板式無砟軌道為代表，上海地鐵裝配式軌道基于CTRSⅢ型板結(jié)構(gòu)優(yōu)化而來。凸臺(tái)限位以深圳地鐵和廣州18號(hào)線、22號(hào)線裝配式軌道為代表。

凹槽限位的特點(diǎn)為軌道板與自填充混凝土形成復(fù)合板，底座設(shè)凹槽，隔離層設(shè)在自填充混凝土與底座之間，自填充混凝土與底座之間形成限位；凸臺(tái)限位的特點(diǎn)為軌道板上開設(shè)限位孔，自填充混凝土灌注于其中，隔離層設(shè)在軌道板與自填充之間，軌道板與自填充之間形成限位。

限位凹槽施工時(shí)容易積水且不易排出，軌道板架設(shè)前需單獨(dú)清理，降低了施工效率。另外，凹槽型限位位于結(jié)構(gòu)內(nèi)部，出現(xiàn)問題不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)和維修。而凸臺(tái)限位不易積水，且限位結(jié)構(gòu)外露，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和養(yǎng)護(hù)維修。因此，推薦采用凸臺(tái)限位。

(2)圓形和方形限位孔對(duì)比

限位孔形式主要有圓形孔和方形孔。對(duì)其分別進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)圓形限位有利于減小軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中，且半徑越大，應(yīng)力越小。計(jì)算不同圓孔直徑(300～500 mm變化)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。通過計(jì)算，直徑為500 mm時(shí)，軌道板拉應(yīng)力較直徑300 mm時(shí)減小23%，自填充混凝土應(yīng)力減小48%。因此，無論普通地段還是減振地段，圓孔直徑越大，軌道板和自填充混凝土的應(yīng)力越小。

綜上，結(jié)合承軌臺(tái)橫向間距，推薦限位孔采用φ500 mm的圓孔。

3.3 結(jié)構(gòu)組成對(duì)比

國內(nèi)城市軌道交通既有裝配式軌道典型結(jié)構(gòu)型式通?；趪FCTRSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合盾構(gòu)隧道斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)。軌道板結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、限位結(jié)構(gòu)、中間隔離層和鋼筋混凝土基底組成，見圖7。

圖7 既有裝配式軌道結(jié)構(gòu)組成(單位：mm)

軌道板采用單元分塊式結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)軌道板長(zhǎng)度一般為4 700 mm。軌道板與基底間設(shè)置砂漿調(diào)整層，通常采用自密實(shí)混凝土，厚90 mm，采用單層鋼筋網(wǎng)配筋，砂漿調(diào)整層與基底間設(shè)置中間隔離層，采用4 mm聚丙烯無紡?fù)凉げ?，底座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，軌道板下設(shè)門形筋，基底設(shè)有雙凹槽。

既有CTRSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要特征為：預(yù)制軌道板與現(xiàn)澆砂漿調(diào)整層形成復(fù)合板；沿線路縱向，復(fù)合板與混凝土底座為單元結(jié)構(gòu)；復(fù)合板與設(shè)置凹槽、頂面設(shè)隔離層的混凝土底座形成凹凸結(jié)構(gòu)，為軌道提供水平限位和特殊情況下的修復(fù)便捷性。

根據(jù)限位結(jié)構(gòu)的比選，推薦板中凸臺(tái)限位，即軌道板板底及限位孔內(nèi)灌注自填充混凝土，軌道板下設(shè)置隔離層，從而形成軌道板與下部結(jié)構(gòu)可分離的結(jié)構(gòu)，這與CTRSⅢ型板式無砟軌道復(fù)合板的結(jié)構(gòu)組成有所不同。除了軌道板采用雙孔限位板和采用板中凸臺(tái)限位外，在軌道板下采用微彈性絕緣隔離層，以改善結(jié)構(gòu)層受力、提高軌道絕緣性能，并具有一定的減振效果。采用自填充混凝土，在不降低填充層技術(shù)性能的前提下降低了造價(jià)。裝配式軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、相應(yīng)速度等級(jí)雙孔限位板、微彈性隔離層、自填充混凝土、底座等組成，見圖8。

圖8 裝配式軌道結(jié)構(gòu)組成(單位：mm)

軌道板采用單元分塊式結(jié)構(gòu)，為C60預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)軌道板長(zhǎng)4 700 mm。軌道板板下粘貼微彈性絕緣隔離層，厚8 mm。軌道板下及限位孔內(nèi)灌注砂漿調(diào)整層，形成凸臺(tái)限位結(jié)構(gòu)。砂漿層采用新型自填充混凝土，度100 mm。砂漿層內(nèi)設(shè)單層鋼筋網(wǎng)，底座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

相較于既有基于CTRSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，裝配式軌道相關(guān)優(yōu)化內(nèi)容見表3。

表3 裝配式軌道優(yōu)化內(nèi)容

目前，個(gè)別城市的裝配式軌道采用軌道板下一次性灌注砂漿層的方案，即軌道結(jié)構(gòu)僅由軌道板和砂漿調(diào)整層組成。優(yōu)點(diǎn)：取消鋼筋混凝土底座，現(xiàn)場(chǎng)僅需澆筑自填充混凝土，加快施工速度。問題：自填充混凝土用量增多，導(dǎo)致軌道整體造價(jià)增高；直接在盾構(gòu)管片上不便立模，需要先施工一層找平層；自填充混凝土灌注質(zhì)量不易控制。

對(duì)既有三層方案、優(yōu)化后的三層方案和二層方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 3種方案比選

由表4可知，優(yōu)化后的三層方案結(jié)構(gòu)組成合理，施工便捷，便于養(yǎng)護(hù)維修，造價(jià)適宜，故予以推薦。

4 裝配式軌道結(jié)構(gòu)檢算

采用裝配式無砟軌道精細(xì)化分析模型，對(duì)各速度級(jí)下、不同地段的裝配式軌道的受力狀態(tài)進(jìn)行檢算。表5為各速度級(jí)不同地段裝配式軌道力學(xué)檢算結(jié)果，由表5可以看出，各速度級(jí)不同地段裝配式軌道的位移和受力均在規(guī)范的允許范圍內(nèi)，裝配式軌道的強(qiáng)度滿足不同工況使用需要，裝配式軌道安全、可靠。

表5 各速度級(jí)不同地段裝配式軌道力學(xué)檢算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

根據(jù)不同速度級(jí)下軌道交通的特點(diǎn)，綜合考慮軌道受力、土建限界、施工便利、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素，合理確定不同速度級(jí)下軌道板和裝配式軌道的技術(shù)方案，主要結(jié)論如下。

(1)軌道板長(zhǎng)度、扣件間距對(duì)軌道板受力影響較小，軌道板寬度和厚度增大，軌道板受力減小。

(2)綜合考慮列車荷載、土建因素、曲線段軌道板矢距調(diào)整和施工因素，3個(gè)速度級(jí)軌道板長(zhǎng)度為4.7 m，厚度統(tǒng)一為0.2 m，扣件間距統(tǒng)一為0.6 m；速度Ⅰ板寬為2.2 m，速度Ⅱ、Ⅲ板寬為2.5 m；軌道板均采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，采用在板中開設(shè)圓孔的方式限位。

(3)檢算不同速度級(jí)不同地段裝配式軌道的位移和應(yīng)力，均在規(guī)范的允許范圍之內(nèi)，裝配式軌道的強(qiáng)度滿足不同工況使用需要，裝配式軌道安全、可靠。