張魯順
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
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。
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 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) (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。 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 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)。 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。 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 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)。 (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。 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。 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) 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。2.1 模型及參數(shù)
2.2 列車荷載因素
2.3 土建因素
2.4 曲線段軌道板矢距調(diào)整因素
2.5 施工因素
2.6 軌道板主要技術(shù)參數(shù)匯總
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
3.2 限位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.3 結(jié)構(gòu)組成對(duì)比
4 裝配式軌道結(jié)構(gòu)檢算
5 結(jié)論