地鐵不均勻沉降地段的軌道類型比選分析

井 恒 法

(中鐵三局集團線橋公司，河北 廊坊 065201)

地鐵不均勻沉降地段的軌道類型比選分析

井 恒 法

(中鐵三局集團線橋公司，河北 廊坊 065201)

簡要總結了地鐵不均勻沉降易發(fā)生的地段、原因及不利影響，對有砟軌道、普通無砟軌道、鋼彈簧浮置板、隔振墊浮置板及梯形軌枕軌道等常用軌道類型對不均勻沉降的適應性和相關技術特點進行了全面分析，梯形軌枕在自身抗彎能力、空吊的檢測和整治方便性、排水、施工速度、鋪設精度等方面均具有優(yōu)勢，對不均勻沉降的適應性最好。

地鐵，沉降，軌道，浮置板，梯形軌枕

0 引言

地鐵隧道是一種狹長形構造物，沿線路方向不僅自身柔度較大，而且受不同地段結構外形、施工工法及地質水文條件和鄰近構筑物等多種因素的變化影響，使不同地段的受力狀態(tài)相異，導致不均勻變形，主要體現(xiàn)為不均勻沉降，在不良地質條件地區(qū)如天津、長三角、珠三角等地區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。

地鐵軌道平順性的要求較高，而地鐵線路平面及縱斷面本身比較復雜，隧道內限界緊湊，軌旁設備及管線又多，夜間停運時間又短，調整困難。一旦產生不均勻沉降，會對結構耐久性、軌道狀態(tài)、管線設備等各方面均帶來不利影響。

因此，結構不均勻沉降引起了各相關部門的重視。各地采取了很多技術措施，如盡量推遲鋪軌時間、預留隧道注漿孔待運營期間進行注漿、研究采用大斷面盾構等，但目前該問題尚未得到根本解決。已有多個因不均勻沉降嚴重而對結構和軌道進行徹底整治改造的案例出現(xiàn)。

1 地鐵不均勻沉降的主要特征和影響

1.1 易發(fā)地段及原因

根據(jù)各地地鐵建設及運營中的經(jīng)驗總結，不均勻沉降主要發(fā)生于以下幾種部位，其中前兩種情形最為常見：

1)路橋、路隧過渡段及U形槽。主要原因在于不同結構的沉降控制標準不同：高架橋墩臺均勻沉降控制值50 mm，有砟軌道路基過渡段工后沉降控制值一般150 mm，U形槽在基底承載能力足夠的情況下，一般不考慮沉降控制。

2)隧道結構斷面變化處如地下車站兩端、區(qū)間聯(lián)絡通道、泵房、盾構井等。主要原因在于：不同體量的結構物沉降有差異，或采用冷凍法施工結束后產生較大變形。

3)地質條件突變或受鄰近其他施工擾動影響的部位。

4)也包括預設拱度與實際徐變產生偏差的大跨度橋梁。

1.2 相關不利影響

較大的不均勻沉降帶來諸多不利影響，如：

1)引起隧道防水層破壞，形成滲漏水病害，嚴重時致結構局部破壞。

2)引起軌道不平順、扣件彈條斷裂、套管失效、道床開裂或脫空。

3)嚴重時可能超出軌道或限界允許調整范圍，不得不暫停運營加以徹底整治改造。

2 各種軌道類型對不均勻沉降的適應性

目前國內地鐵地下線及高架線通常采用普通無砟軌道，地面線采用有砟軌道，減振地段采用減振扣件、浮置板、梯形軌枕等軌道類型。

對于不均勻沉降，梯形軌枕軌道的適應性以及綜合技術優(yōu)勢比較強，隔振墊浮置板的適應性較差，其余幾種軌道類型具有一定的適應性，但是多少會受到某些工程條件的制約。其具體分析見下。

2.1 有砟軌道

有砟軌道最大的優(yōu)點是方便隨時進行抬道調整，像西安地鐵2號線會展中心站以南受地裂縫影響的矩形隧道道岔區(qū)以及大沉降槽暗挖大斷面隧道采用了有砟軌道，南京、上海等等地鐵U形槽采用了有砟軌道，或者因較大不均勻沉降而將無砟軌道改造為有砟軌道。

但在圓形隧道內受限界凈空制約，道砟振搗、長枕抽換、排水、雜散電流排流網(wǎng)設置等均存在困難，有砟軌道基本不可行。圖1為圓形隧道采用有砟軌道的斷面示意圖。

2.2 普通無砟軌道

普通無砟軌道的軌道幾何尺寸只能通過扣件來調整，扣件的調高量非常有限，一般不大于30 mm，通過特殊設計可達到70 mm，但扣件調高量過大時對穩(wěn)定性影響較大，成段采用存在安全隱患，僅可作為臨時應急措施(見圖2)。

此外，扣件調整的精度以及均勻性也相對比較差，容易造成鋼軌支承不均勻，進而影響行車的平穩(wěn)性，并導致輪軌受力和磨耗異常。

2.3 浮置板軌道

浮置板軌道即是在普通無砟軌道上設置鋼彈簧或者隔振墊，將上部軌道結構浮置起來，使其參與振動，吸收輪軌沖擊振動能量。

由于地鐵減振要求越來越高，浮置板軌道的應用也越來越多，因此不可避免有用于不均勻沉降地段的情況。

2.3.1 鋼彈簧浮置板

理論上鋼彈簧浮置板對不均勻沉降的適應性優(yōu)于普通無砟軌道。鋼彈簧浮置板的浮起是通過隔振器與套筒之間所設調高墊來實現(xiàn)的，這一方式同樣可應對不均勻沉降，可實現(xiàn)約100 mm或更大的調整量。每個隔振器還可設置不均勻沉降監(jiān)測指示桿，方便及時準確掌握相關情況(見圖3)。

但運營期間發(fā)生不均勻沉降時，一般的做法不是將軌面調至設計標高，而是在其前后作順坡處理。但鋼彈簧浮置板分段長一般(20～30)m，不僅同一塊浮置板上難以實現(xiàn)變坡處理，其基底排水暗溝還會產生水和泥沙雜物淤積等病害。

此外，不良地質條件往往使隧道施工誤差也較大，誤差較大時不得不將隔振器挪至鋼軌下部，則隔振器的檢查和調整需切開無縫線路并拆除鋼軌進行操作，非常困難。

2.3.2 隔振墊浮置板

這種浮置板對不均勻沉降的適應性相對較差。因為不均勻沉降使其底部隔振墊部位局部空吊，而隔振墊又無法調整，也無法實施注漿填充，使浮置板縱向支承變得不均勻，對軌道穩(wěn)定性和隔振墊使用壽命的影響難以消除(見圖4)。

其次，與鋼彈簧浮置板類似，不均勻沉降較大時必然導致基底排水暗溝產生水和泥沙雜物淤積等病害。

此外，隔振墊的阻隔也使得隧道外注漿整治十分困難。

2.4 梯形軌枕軌道

2.4.1 構造型式和主要功能

梯形軌枕最早起源于1830年的Leeds and Selby Railway，法國、前蘇聯(lián)、美國等國都有研究以及應用；在新干線板式軌道的基礎上經(jīng)過不斷發(fā)展，形成目前的“預制預應力混凝土縱梁+鋼橫梁”梯子形結構。既具有板式軌道增大軌道抗彎剛度、均勻分散輪軌力、保持高精度軌距以及軌底坡等等特點，又取消了橫向預應力、消除了枕中負彎矩，并簡化結構方便安裝、使用和維修。梯形軌枕分散輪軌力的作用及所具有的參振質量，使其減振效果優(yōu)良，在國內地鐵地下線及高架線高等減振降噪地段應用廣泛(如圖5所示)。

2.4.2 對不均勻沉降的適應性

梯形軌枕每塊長一般6 m，底部等間距設置聚氨酯彈性墊，若下部基礎產生不均勻沉降，將直接體現(xiàn)為彈性墊空吊(見圖6)。無論梯形軌枕自身的強度、穩(wěn)定性或空吊的修復能力均可很好地適應較大的不均勻沉降。

首先，縱梁為預應力混凝土結構，抗彎能力比較強。分析表明，長6 m梯形軌枕若有4塊彈性墊空吊，空吊值6 mm以內均不影響縱梁結構的安全性和整體框架穩(wěn)定性。實際現(xiàn)場很難產生6 mm空吊，或發(fā)展到這種程度前通過添乘或軌檢發(fā)現(xiàn)異常而得到及時整治。

其次，彈性墊空吊后，可在其底部采用墊片或者澆筑型彈性材料來進行填補，理論上只要限界允許，彈性墊可無限墊高，恢復線路狀態(tài)。像西安主城區(qū)分布有10余條地裂縫，地裂縫段不均勻沉降設防值達到500 mm，地鐵隧道采用了大斷面暗挖結構，因為沒有減振功能要求，經(jīng)研究采用了類似梯形軌枕的預制框架軌枕板。

2.4.3 其他綜合技術優(yōu)勢

與其他軌道類型相比，梯形軌枕用于不均勻沉降地段，還有以下綜合技術優(yōu)勢：

1)與易造成鋼軌支承剛度不均和“碎彎”的扣件連續(xù)墊高方式相比，枕下墊高方式對軌道平順性的影響很小。

2)與浮置板相比，梯形軌枕長6 m左右，不會產生類似長25 m浮置板的局部調坡困難；梯形軌枕對軌道結構高度的要求較低，對隧道施工誤差的適應性較強，可容許隧道垂向180 mm、橫向300 mm左右的偏差。

3)梯形軌枕鋪設段可同時設置中心排水明溝和兩側排水溝，既可與普通無砟軌道的兩側溝順接，也方便與浮置板的中心暗溝過渡。不均勻沉降較嚴重時，明溝排水的方式方便進行檢查、清理、整治改造，不會產生積水病害。

4)梯形軌枕鋪軌工法和速度與普通無砟軌道一致，可達到120 m/d/工作面，而且軌距及軌底坡鋪設精度高，能很好地適應國內地鐵的建設規(guī)模、工期、運營等方面的條件和要求。

梯形軌枕軌道斷面見圖7。

3 不均勻沉降的檢測和整治方法

從以上分析可知，梯形軌枕軌道是比較適合不均勻沉降地段鋪設的軌道類型。通過較為簡便的方法即可對軌道不均勻沉降進行檢測和整治。

3.1 不均勻沉降的檢測

3.1.1 隧道監(jiān)測確定沉降活躍區(qū)段

不均勻沉降是由隧道結構產生的，不均勻沉降對隧道的影響甚于軌道，故首先需對隧道進行監(jiān)測，如上海地鐵建立了完整的隧道沉降監(jiān)測系統(tǒng)，整個線網(wǎng)設置了數(shù)十萬個監(jiān)測點。

因此，軌道不均勻沉降的檢測首先需充分利用隧道沉降監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)。根據(jù)隧道監(jiān)測情況，對于沉降活躍地段采取加密監(jiān)測間距和頻率的措施進行重點跟蹤。

3.1.2 軌道動態(tài)添乘或軌檢定位準確部位

通過隧道監(jiān)測只能大致確定不均勻沉降的區(qū)段，還需要進一步對沉降活躍地段的軌道進行檢測。根據(jù)運營經(jīng)驗，當軌道動態(tài)平順性差異達到約3 mm/10 m時，即可能產生一定的晃車現(xiàn)象，導致軌檢垂向振動加速度超標，從而可以確定不均勻沉降的準確部位。

3.1.3 高差檢查法確定具體空吊值

動態(tài)軌檢只能確定較準確的不均勻沉降地段，準確的沉降空吊值還需人工檢測。

由于梯形軌枕軌道鋪設段的不均勻沉降通常會表現(xiàn)為梯形軌枕彈性墊空吊，即梯形軌枕與其下部的道床高差增大，因此可在夜間停運時段，用簡單的檢查工具如靜態(tài)卡尺或紅外線檢測儀等對梯形軌枕鋼橫梁與道床中心溝之間的高差進行測量，并與先前的測試記錄進行對比，即可確定具體每塊梯形軌枕各彈性墊的空吊值(見圖8)。

3.2 不均勻沉降引起空吊的填充材料和方法

3.2.1 方案一：彈性墊下增設調高墊板

一般情況下可根據(jù)梯形軌枕彈性墊的空吊值，通過簡單工裝將梯形軌枕抬升5 mm～10 mm，將相應厚度的調高墊板塞入彈性墊下部并將梯形軌枕落槽即可。調高墊板可采取嵌套式構造，即使墊的塊數(shù)較多，也可保證自身的穩(wěn)定性。

調高墊板有1 mm～2 mm的級差，但是梯形軌枕自身具有比較好的分散輪軌力的作用，因此不會影響軌道動態(tài)平順性和行車平穩(wěn)性。

3.2.2 方案二：灌注型彈性體填充法

之前在軌道交通中較多應用灌注型材料為自流平砂漿或其他錨固劑等，這類材料強度高，但韌性低，梯形軌枕彈性墊承受輪軌動態(tài)荷載作用，而空吊厚度又很小，這類材料很難保證長期可靠使用，不推薦使用。

澆筑型彈性體隨著國內高速鐵路的大規(guī)模建設和運營而在軌

道交通領域得到較多的研究和應用，根據(jù)部位和功能的不同，高鐵澆筑型彈性體材料有不同的種類，如高鐵Ⅰ型軌道板的凸形擋臺與軌道板之間緩沖用TT型A，B雙組分聚氨酯樹脂、軌道板離縫修補LF-Ⅰ型A，B雙組分樹脂等，見圖9。

這些澆筑型彈性體的共同特點是：強度高、韌性好、收縮性小、剛度軟硬及可工作時間調整范圍大、性能穩(wěn)定性耐久性好，特別適合地鐵不均勻沉降地段彈性墊空吊的整治。

4 結語

不均勻沉降是軟弱地質區(qū)域的地鐵工程所遇到的主要病害之一，不均勻沉降很難從根本上加以避免，只能采取綜合技術措施以盡量降低其影響。

從目前地鐵所用軌道類型的分析來看，普通有砟軌道、無砟軌道、鋼彈簧浮置板以及隔振墊浮置板在地下線尤其是圓形隧道較大不均勻沉降的適應性方面，均存在很大或一定的局限性，很多運營線上所暴露出來的隱患或問題也印證了這一點。

相比之下，梯形軌枕軌道的適應性好，主要體現(xiàn)在預應力混凝土結構自身較強的抗彎能力、不均勻沉降引起的空吊方便檢測和整治、排水及排水過渡通暢、施工速度快、軌距和軌底坡鋪設精度高等多方面。此外，對于無減振需求的不均勻沉降地段，可適當合理地降低梯形軌枕底部彈性墊的技術性能指標要求，從而降低造價。

“建設為運營服務”，建議今后地鐵新線建設中，對不均勻沉降地段的軌道類型應加以特別考慮以及選擇，以減少運營病害和風險。

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Analysis on track selection for subway section of uneven settlement

JING Heng-fa

(Track&BridgeEngineeringCo.,LtdofChinaRailwayNo.3EngineeringGroup,Langfang065201,China)

The paper roundly summarizes the sections, causations and negative effects of uneven settlement in subway, fully analyses the adaptability and related technology features for ballast track, ordinary slab track, steel spring floating slab, damping pad floating slab, ladder sleeper track. Ladder sleeper has the advantages in the aspect of resistance to bending, convenience of check and repair for gap, drainage, construction speed and track precision accuracy, it is the best adaptability for uneven settlement.

subway, settlement, track, floating slab, ladder sleeper

1009-6825(2014)11-0142-03

2014-02-18

井恒法(1964- )，男，高級工程師

U459.1

A