基于速度分級的粵港澳大灣區(qū)裝配式軌道關(guān)鍵技術(shù)研究

林志元 楊 松

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510330； 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 概述

2019年，國務(wù)院發(fā)布了《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，粵港澳大灣區(qū)建設(shè)成為國家戰(zhàn)略[1-3]。建立不同功能定位、不同速度等級互聯(lián)互通的軌道交通是支撐和促進(jìn)粵港澳大灣區(qū)發(fā)展的重要舉措。根據(jù)粵港澳大灣區(qū)軌道交通規(guī)劃，到2035年，將建成線路總長超過2 000 km的“市域高速軌道+地鐵快線+地鐵普線”的多層次軌道交通網(wǎng)絡(luò)[4]。

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，道床混凝土采用現(xiàn)場澆筑，現(xiàn)場施工作業(yè)量大，施工質(zhì)量不易控制，軌道鋪設(shè)精度低，不符合粵港澳大灣區(qū)軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的需要。而裝配式軌道具有工程質(zhì)量高、現(xiàn)場作業(yè)量小等優(yōu)點，符合國家預(yù)制化、裝配化的政策要求，是軌道交通軌道工程技術(shù)的發(fā)展趨勢[5-7]。

鑒于不同設(shè)計速度、不同類型的軌道交通從功能定位、服務(wù)范圍、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運營組織等方面存在較大差異，裝配式軌道技術(shù)方案既不能照搬高速鐵路的經(jīng)驗，也不能完全按照地鐵的既有經(jīng)驗。因此，開展適應(yīng)于粵港澳大灣區(qū)速度80～250 km/h軌道交通的裝配式軌道技術(shù)體系研究很有必要。

2 裝配式軌道應(yīng)用現(xiàn)狀

軌道交通裝配式軌道應(yīng)用較多的城市有上海、深圳、廣州等，雖然各地的裝配式軌道在結(jié)構(gòu)組成、尺寸、材料上略有差別，但歸納起來，其基本結(jié)構(gòu)均是基于高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道，再結(jié)合各地工程特點和功能需求改進(jìn)而來[8-11]。根據(jù)限位結(jié)構(gòu)的不同，既有裝配式軌道的結(jié)構(gòu)型式可分為凹槽型限位和凸臺型限位，橫剖面見圖1。

圖1 既有裝配式軌道橫剖面

兩種裝配式軌道均由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、土工布隔離層、砂漿調(diào)整層、底座等組成，不同的是，凹槽型限位是在底座上開設(shè)凹槽，凸臺型限位是在軌道板上開設(shè)圓孔，砂漿層分別灌注于其中，從而形成限位結(jié)構(gòu)，以約束軌道的縱向和橫向位移。由于凸臺型限位為外露結(jié)構(gòu)，方便觀察限位結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并且避免了施工時限位凹槽積水等問題，有利于施工及養(yǎng)護(hù)維護(hù)，故凸臺型限位結(jié)構(gòu)近年來應(yīng)用較多。

對既有裝配式軌道應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)其在工程應(yīng)用中存在的問題，詳見下述。

(1)80～250 km/h速度范圍的裝配式軌道技術(shù)目前仍不成體系

目前，各地裝配式軌道的應(yīng)用通常局限于地鐵普速線，如上海和深圳均在各自的地鐵線網(wǎng)中推廣使用裝配式軌道，但對市域線、城際線等高速線的應(yīng)用嘗試較少。因此，從涵蓋不同速度等級、不同類型制式的綜合性軌道交通線網(wǎng)來看，裝配式軌道的應(yīng)用還缺乏統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)建設(shè)及運營期間病害較多

圖2 既有裝配式軌道結(jié)構(gòu)傷損

軌道板、砂漿層、底座常常發(fā)生裂紋、破損、掉塊等傷損，見圖2[12-13]。其主要原因除施工質(zhì)量控制不良外，也有如下因素：軌道板與下部結(jié)構(gòu)之間起隔離作用的土工布缺乏彈性，上下結(jié)構(gòu)層之間為剛性接觸，并且土工布的隔離效果較差，在下部基礎(chǔ)變形和溫度作用下，上下結(jié)構(gòu)層之間的位移不能及時釋放，從而造成應(yīng)力集中。

(3)對地電阻值降低快，絕緣保持能力弱

某城市運營線路鋼軌對地電阻測試結(jié)果見表1，可以看出，運營后軌道對地電阻值降低快、保持能力弱，并且開通時間越長，軌道對地電阻值越小，造成雜散電流泄露[14-15]。

表1 某城市運營線軌道對地電阻測試結(jié)果

(4)扣件調(diào)節(jié)余量不足

既有曲線地段的線形調(diào)整多采用“以直代曲”的調(diào)整方式(見圖3)，包含圓曲線的矢距偏移和緩和曲線地段超高順坡的高差調(diào)整(緩和曲線地段也需要調(diào)整矢距偏移)，均通過扣件調(diào)整消除，這種調(diào)整方法導(dǎo)致建設(shè)期就占用較大的扣件調(diào)整量，留給運營期的調(diào)整量較小，不利于養(yǎng)護(hù)維修，且軌道鋪設(shè)精度也較低。

圖3 既有“以直代曲”的線形調(diào)整方式

(5)自密實混凝土指標(biāo)要求高

既有調(diào)整層采用自密實混凝土，流動性指標(biāo)要求較高，施工調(diào)配不便，且價格偏高[16-17]。

3 速度等級劃分

粵港澳大灣區(qū)規(guī)劃建設(shè)的軌道交通設(shè)計速度涵蓋80～250 km/h。鑒于不同設(shè)計速度下的軌道交通在車輛軸重、速度系數(shù)、線路條件、供電制式、土建條件等軌道設(shè)計接口內(nèi)容存在較大差異，對裝配式軌道的要求也隨之不同。為便于裝配式軌道設(shè)計和研究，使其既能滿足不同條件下工程建設(shè)的需要，又能達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，有必要對設(shè)計速度80～250 km/h進(jìn)行速度等級劃分。

速度等級劃分考慮不同速度級下裝配式軌道的設(shè)計荷載、土建輪廓、供電制式、信號制式、線路條件等影響因素，按照影響因素較為接近的原則進(jìn)行速度等級劃分。對廣州都市圈軌道交通各典型線路的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行歸納統(tǒng)計，見表2。

表2 廣州都市圈軌道交通典型線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計

由表2可以看出，以廣州地鐵3號線、7號線、13號線、21號線等為代表的普速地鐵線路，設(shè)計速度為80～120 km/h，車輛采用地鐵A型車或B型車，供電制式采用直流供電，盾構(gòu)管片也采用相同的內(nèi)徑，信號系統(tǒng)采用計軸，最小曲線半徑250～350 m。鑒于該速度范圍內(nèi)影響裝配式軌道的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本一致，故將設(shè)計速度80 km/h

設(shè)計速度160 km/h的線路以廣州地鐵18號線和22號線為代表，車輛采用市域D型車，供電制式采用交流供電，盾構(gòu)內(nèi)徑增大至7.7 m，信號系統(tǒng)采用計軸，不限速情況下最小曲線半徑1 300 m。廣州地區(qū)尚無設(shè)計速度140 km/h的線路，參照成都地鐵18號線等相關(guān)案例，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)與160 km/h較為接近。故將設(shè)計速度120 km/h

設(shè)計速度200 km/h的線路以莞惠、廣清等珠三角城際鐵路為代表。車輛采用CRH6型城際動車組，供電制式采用交流供電，隧道類型為大斷面的山嶺隧道，信號采用軌道電路，不限速情況下最小曲線半徑2 000 m。設(shè)計速度250 km/h已屬于高速鐵路范疇，工程主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按高速鐵路設(shè)計，動載系數(shù)、軌道接口條件等均與設(shè)計速度200 km/h較為接近。故將設(shè)計速度160 km/h

綜上，速度等級劃分及各速度級下主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 速度等級劃分及主要技術(shù)參數(shù)

4 裝配式軌道關(guān)鍵技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于凸臺型限位裝配式軌道結(jié)構(gòu)，針對既有應(yīng)用中存在的問題，提出一種高平順、高絕緣、環(huán)保型的新型裝配式軌道技術(shù)方案，以解決既有問題，提高建設(shè)品質(zhì)。主要通過在軌道板下設(shè)置微彈性層、改進(jìn)線形調(diào)整方法、研發(fā)新型自填充混凝土配合比3個方面對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，形成速度80～250 km/h三個速度等級的裝配式軌道結(jié)構(gòu)體系。

4.1 板下微彈性層

在軌道板下粘貼微彈性隔離層代替既有土工布，起到3個作用：增加軌道彈性，緩沖結(jié)構(gòu)受力，降低軌道結(jié)構(gòu)傷損。微彈性層采用高分子材料制造，提高軌道絕緣性，減少雜散電流泄露；可實現(xiàn)2 dB的減振效果。

要實現(xiàn)微彈性層的功能，微彈性墊層的剛度選取至關(guān)重要。剛度太小則軌道變形過大，影響軌道平順性，并增加彈性層的生產(chǎn)成本；彈性太大則起不到受力緩沖的作用。對不同彈性層剛度(速度160 km/h，市域D型車)的鋼軌垂向位移和砂漿層受力進(jìn)行計算，結(jié)果見表4。

表4 不同彈性層剛度下軌道結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果

由表4可知，隨著墊層剛度的提高，鋼軌的垂向位移逐漸減小，砂漿層的垂向位移略有增大，砂漿層的受力逐漸增大。減小墊層剛度能降低砂漿層受力，但增加鋼軌垂向位移，降低軌道平順性。因此，彈性墊層剛度應(yīng)在保證軌道平順性的前提下，盡量減小砂漿層應(yīng)力，在二者之間取一個平衡值。

以一般整體道床為基準(zhǔn)，對不同彈性層剛度下裝配式軌道的減振效果(插入損失)進(jìn)行計算，計算速度為160 km/h，采用市域D型車，計算結(jié)果見圖4。

圖4 不同彈性墊層剛度隧道壁Z振級

當(dāng)彈性墊層剛度為0.08～0.09 N/mm3時，裝配式軌道具有2 dB的減振效果，在該剛度取值下結(jié)構(gòu)受力及軌道平順性也均較好。因此，推薦彈性墊層剛度取0.08～0.09 N/mm3，由于這種彈性層的彈性較減振型軌道所采用的減振墊(剛度為0.019～0.03 N/mm3)的彈性較小[18-20]，故命名為微彈性層。

4.2 新型曲線段線形調(diào)整方法

圖5 圓曲線地段橫向矢距調(diào)整

裝配式軌道在曲線地段需要進(jìn)行線形調(diào)整，主要包含兩方面，一個是圓曲線地段的橫向矢距調(diào)整，一個是緩和曲線地段的垂向高低調(diào)整(緩和曲線地段也需要調(diào)整矢距偏移)。圓曲線地段的橫向矢距調(diào)整是指以軌道板端部第二組承軌臺按設(shè)計線形定位，其余承軌臺位置與設(shè)計線形的橫向偏差，見圖5。緩和曲線地段垂向高低調(diào)整是指由于緩和曲線外股鋼軌相較內(nèi)股鋼軌隨超高逐漸抬升，同一塊軌道板上每個承軌臺處的鋼軌垂向高程均不相同，需進(jìn)行垂向高低調(diào)整。

傳統(tǒng)的軌道板線形調(diào)整方法采用“以直代曲”，即軌道板與直線段參數(shù)一致，通過扣件的左右偏移和高低調(diào)整來實現(xiàn)鋼軌頂面與設(shè)計線形一致。該方法的優(yōu)點是軌道板種類少，不需要專門設(shè)計、制造曲線段軌道板，缺點是線形全部通過扣件調(diào)整，扣件調(diào)整量大，軌道鋪設(shè)精度低，且提前占用了扣件的水平及高低調(diào)整量，運營后若軌道需要調(diào)整，可能面臨調(diào)整量不足的風(fēng)險。

提出一種新的曲線地段線形調(diào)整方法，將曲線調(diào)整量通過承軌臺和扣件共同承擔(dān)，首先根據(jù)線路參數(shù)計算橫向矢距偏移量和垂向高低調(diào)整量，然后按曲線半徑和順坡率將曲線劃分為不同等級，同一等級采用一種曲線板，在工廠制造時對承軌臺進(jìn)行預(yù)先偏移和抬高，承軌臺未調(diào)整到位的部分再用扣件調(diào)整。這種調(diào)整方法既能提高鋪軌平順度、減小施工占用的扣件調(diào)整量，又不會增加太多軌道板類型，施工組織和管理難度沒有明顯增加。

以第Ⅰ速度級(速度80

4.3 自填充混凝土

作為砂漿調(diào)整層的混凝土灌漿料，既要保證較好的流動性，還不能發(fā)生泌水和離析，因而砂漿配合比控制十分關(guān)鍵。既有自密實混凝土流動性要求坍落擴(kuò)展度為650～680 mm，配置及灌注時易發(fā)生離析、泌水等現(xiàn)象，不符合要求的混凝土需要重新拌制，易造成混凝土大量浪費。

基于上述問題，研發(fā)一種新型自填充混凝土，并將混凝土由目前從中間小孔(直徑180 mm)灌注調(diào)整為從兩側(cè)限位孔(直徑500 mm)灌注，增大灌注壓力，從而將坍落擴(kuò)展度適當(dāng)降低為550～600 mm，基本性能指標(biāo)見表5。

表5 自填充混凝土基本性能指標(biāo)

4.4 各速度級裝配式軌道結(jié)構(gòu)

裝配式軌道結(jié)構(gòu)方案主要受設(shè)計速度、車輛軸重、超高、供電制式、線路線形、土建輪廓、信號制式等因素影響，主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表6 各速度級裝配式軌道主要技術(shù)參數(shù)

基于各速度等級軌道功能需求和外部接口條件，確定各速度級裝配式軌道主要技術(shù)參數(shù)，見表7。

表7 各速度級裝配式軌道主要技術(shù)參數(shù)

3個速度級裝配式軌道基本組成相同，各速度級不同，其軌道技術(shù)參數(shù)也略有不同，從而形成覆蓋3個速度等級的裝配式軌道結(jié)構(gòu)體系。由上而下依次由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、微彈性隔離層、自填充混凝土、底座等組成，平面見圖6，橫剖面見圖7～圖9。

圖6 裝配式軌道平面

圖7 第Ⅰ速度級裝配式軌道結(jié)構(gòu)組成(單位：mm)

圖8 第Ⅱ速度級裝配式軌道結(jié)構(gòu)組成(單位：mm)

圖9 第Ⅲ速度級裝配式軌道結(jié)構(gòu)組成(單位：mm)

(1)軌道板在工廠預(yù)制，為雙向先張預(yù)應(yīng)力軌道板，每塊軌道板兩側(cè)設(shè)置2個限位孔，兼做灌注孔使用，相鄰板之間一般設(shè)100 mm寬的板縫。

(2)軌道板板下粘貼微彈性隔離層，微彈性層由兩層結(jié)構(gòu)復(fù)合而來，厚8 mm，靠近軌道板一側(cè)為彈性結(jié)構(gòu)，采用聚氨酯材料制作，靠近砂漿層一側(cè)為毛氈層，目的是灌注砂漿時可以吸收氣泡，改善砂漿層表面質(zhì)量。微彈性層組成見圖10。

圖10 微彈性層(單位：mm)

(3)軌道板板下及限位孔內(nèi)灌注自填充混凝土，厚90～120 mm，長度和寬度與軌道板對齊。砂漿調(diào)整層灌注于軌道板的限位孔內(nèi)，從而形成凸臺限位結(jié)構(gòu)，限制軌道板的縱橫向位移，軌道板限位孔四周與砂漿調(diào)整層之間設(shè)置彈性緩沖墊層，減緩限位孔處的應(yīng)力集中。

(4)自填充混凝土下部為鋼筋混凝土底座，底座為分段結(jié)構(gòu)，對應(yīng)2～3塊軌道板設(shè)置1道伸縮縫。

4.4 試驗驗證

為驗證裝配式軌道結(jié)構(gòu)方案，對軌道板進(jìn)行試制，并相繼開展靜載抗裂試驗、組裝疲勞試驗和自填充混凝土灌注和揭板試驗。

(1)靜載抗裂試驗

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對軌道板的橫截面和縱截面均進(jìn)行加載，檢驗荷載為橫向截面80 kN，縱向截面210 kN，加載持續(xù)180 s，加載結(jié)束后用裂縫寬度測試儀檢查，軌道板縱、橫向截面均無開裂，軌道板強度滿足要求。靜載試驗現(xiàn)場情況見圖11。

圖11 靜載試驗

(2)組裝疲勞試驗

將鋼軌、扣件、軌道板、微彈性層組裝好后進(jìn)行疲勞試驗，荷載循環(huán)次數(shù)200萬次，疲勞試驗最大荷載取2倍軸重(市域車軸重取17 t)340 kN，下限為上限的20%，即疲勞試驗荷載范圍為68～340 kN，加載頻率為5 Hz。加載結(jié)束后采用裂縫寬度測試儀進(jìn)行檢查，軌道板表面均未出現(xiàn)裂紋。

(3)自填充混凝土灌注及揭板試驗

軌道板下粘貼微彈性墊，自填充混凝土從軌道板兩側(cè)的限位孔灌注，自填充混凝土采用550～600 mm擴(kuò)展度。自填充混凝土從灌注孔下料后，迅速向周邊擴(kuò)散，待四周排氣孔均勻流出30 s后，關(guān)閉排氣孔，灌板結(jié)束，單塊板的灌注時間為170 s。

灌注完成8 h后揭板，自填充混凝土現(xiàn)場情況見圖12?？梢钥闯觯蕴畛浠炷翣顟B(tài)表面密實、平整、充盈飽滿，無泌水、無松軟發(fā)泡層、無可見裂紋、無明顯水紋、無露石、露筋以及蜂窩等現(xiàn)象，表面基本無氣泡，僅由于微彈性墊粘貼不平整導(dǎo)致局部存在凹凸不平。

圖12 自填充混凝土灌注及揭板試驗

5 結(jié)語

調(diào)研國內(nèi)城市軌道交通裝配式軌道應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題，以解決問題為導(dǎo)向，結(jié)合粵港澳大灣區(qū)80～250 km/h軌道交通建設(shè)需求，基于速度等級劃分，對既有裝配式軌道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出覆蓋80～250 km/h三個速度等級的高平順、高絕緣、環(huán)保型裝配式軌道關(guān)鍵技術(shù)。通過靜載抗裂試驗、疲勞試驗以及自填充混凝土灌注及揭板試驗，驗證技術(shù)方案的可靠性。

(1)考慮設(shè)計荷載、土建輪廓、供電制式、信號制式、線路條件等因素，對80～250 km/h進(jìn)行速度等級劃分：80≤V≤120 km/h為第Ⅰ速度級，120

(2)根據(jù)各速度等級的功能需求和外部接口條件，確定覆蓋80～250 km/h的裝配式軌道結(jié)構(gòu)組成，3個速度級下裝配式軌道基本結(jié)構(gòu)組成相同，軌道技術(shù)參數(shù)略有不同，從而形成3個速度級的裝配式軌道結(jié)構(gòu)體系。

(3)研發(fā)一種微彈性層，粘貼在軌道板板底，可起到減緩軌道結(jié)構(gòu)傷損、提高軌道絕緣減振效果的作用。

(4)提出一種新型曲線地段線形調(diào)整方法，可提高鋪軌平順度、減小施工占用的扣件調(diào)整量，又不會增加太多軌道板類型。

(5)研發(fā)新型自填充混凝土，提出關(guān)鍵參數(shù)控制指標(biāo)和灌注方法，可降低拌制難度，提高施工便利性。