預(yù)制技術(shù)在地鐵軌道工程中的應(yīng)用分析

王根平，郝遠(yuǎn)行，鄧 希

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

1 預(yù)制裝配技術(shù)應(yīng)用的意義

1.1 適應(yīng)宏觀裝配式建筑的發(fā)展

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》[1]、省市各級政府以及建設(shè)主管部門等政策文件中均要求：要加大工程建筑行業(yè)的預(yù)制裝配率，加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新，強(qiáng)化建筑材料標(biāo)準(zhǔn)、部品部件標(biāo)準(zhǔn)、工程標(biāo)準(zhǔn)之間的銜接。逐步建立完善覆蓋設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和使用維護(hù)全過程的裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。為貫徹落實(shí)國家、地方政府以及各級建設(shè)主管部門關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑理念，地鐵應(yīng)向著綠色、生態(tài)、環(huán)保、健康等方向發(fā)展。針對地鐵軌道工程，預(yù)制裝配技術(shù)將是一個很好的契合點(diǎn)，預(yù)制板式無砟軌道技術(shù)成熟可靠，可有效提高軌道精度和平順性，便于無砟軌道的維修和保養(yǎng)。“十三五”以來，國家提出了“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”的發(fā)展理念[2]。在此背景下，采用預(yù)制板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地鐵軌道設(shè)計(jì)施工的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和機(jī)械化，提高軌道結(jié)構(gòu)整體技術(shù)水平，是改善作業(yè)環(huán)境、提高施工效率、實(shí)現(xiàn)軌道設(shè)計(jì)施工可持續(xù)發(fā)展的必由之路，將帶來十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1.2 適應(yīng)城市地鐵快速發(fā)展

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市化進(jìn)程逐步加快，城市人口大幅增多，城市規(guī)劃范圍逐步擴(kuò)大[3-4]。提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、提高出行便利性、緩解道路交通擁堵、減少燃油汽車尾氣排放及降低汽車噪聲污染等諸多訴求為地鐵的發(fā)展注入了活力。在行業(yè)高速發(fā)展背景下，地鐵呈現(xiàn)出規(guī)劃超前、建設(shè)體量大、建設(shè)周期短等特征。預(yù)制裝配技術(shù)由于施工速度快的特點(diǎn)，可很好地適應(yīng)城市地鐵快速發(fā)展。

1.3 滿足軌道工程技術(shù)進(jìn)步需要

隨著人們對地鐵平穩(wěn)性、舒適性要求的提高，近年來越來越多地鐵采用了裝配式軌道結(jié)構(gòu)，北京、上海、廣州、深圳等城市相繼采用預(yù)制裝配式軌道。

預(yù)制裝配技術(shù)在高速鐵路（以下簡稱“高鐵”）上已大面積運(yùn)用且已形成比較完善的體系。高鐵線路順直，結(jié)構(gòu)空間大，主要運(yùn)行于非城市區(qū)，這些外部條件決定了預(yù)制裝配式軌道結(jié)構(gòu)簡單，型式單一，實(shí)施便利，如圖1所示。直接將高鐵預(yù)制裝配技術(shù)照搬進(jìn)入地鐵是不夠的，針對地鐵軌道工程，預(yù)制裝配技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)包括線路條件較差、隧道空間狹小、疏散要求嚴(yán)格、減振需求苛刻、專業(yè)接口復(fù)雜[5]、維保難度極大等，如圖2所示，由此衍生出諸多需要研究及分析的關(guān)鍵問題，這些問題也推動地鐵軌道工程技術(shù)的進(jìn)步。

圖1 高鐵預(yù)制板結(jié)構(gòu)

圖2 地鐵預(yù)制板結(jié)構(gòu)

2 地鐵軌道工程既有建造技術(shù)現(xiàn)狀問題

2.1 軌道現(xiàn)澆道床存在問題

目前，地鐵中大部分采用的是現(xiàn)澆整體道床，從施工和運(yùn)營情況來看，均存在一些問題，歸納分析如下。

（1）施工進(jìn)度慢?，F(xiàn)場綁扎鋼筋、澆筑混凝土，混凝土養(yǎng)護(hù)均需要時間，各工序搭接時間長。

（2）施工空間狹小。大量工序現(xiàn)場進(jìn)行，澆筑混凝土量大，粉塵嚴(yán)重，鋼筋焊接焊煙大，工作環(huán)境差。

（3）工序復(fù)雜?，F(xiàn)場工作包括10多道工序，受工作面空間限制，各工序只能依次進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化。

（4）污染上部結(jié)構(gòu)。人工澆筑、趕工期，易造成鋼軌、扣件臟污，后期清理極易破壞扣件的防銹層，造成永久傷害。

（5）混凝土攪拌站一般離市區(qū)較遠(yuǎn)，存在運(yùn)輸距離長的問題，同時運(yùn)輸車在市區(qū)內(nèi)只能晚上通行，運(yùn)輸效率低，對交通秩序造成影響。

（6）混凝土下軌排井及運(yùn)至澆筑現(xiàn)場過程中易出現(xiàn)漿石分離現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土鋪設(shè)質(zhì)量普遍較低。

（7）運(yùn)營過程中常常出現(xiàn)整體道床開裂、掉塊等現(xiàn)象，影響軌道結(jié)構(gòu)耐久性。

（8）道床板更換時，需切割傷損道床、布設(shè)鋼筋等復(fù)雜的工藝流程，對前后道床板施工干擾大，可維修性差。

以上問題客觀存在且難以避免，采用預(yù)制技術(shù)是一個可行且有效的辦法。

2.2 既有預(yù)制軌道技術(shù)存在問題

國內(nèi)上海、廣州、深圳等城市針對預(yù)制板式無砟軌道技術(shù)開展了一些嘗試性研究。但也出現(xiàn)了一些問題[6-7]，歸納分析如下。

（1）預(yù)制裝配率不高。既有的地鐵預(yù)制軌道技術(shù)雖然經(jīng)過了系統(tǒng)化研究、試驗(yàn)段驗(yàn)證，技術(shù)相對成熟，但在特殊工點(diǎn)仍采用現(xiàn)澆方式，這與大力發(fā)展裝配式建筑的目標(biāo)有一定差距。

（2）軌道高度較現(xiàn)澆道床高。裝配式軌道為“預(yù)制軌道板-調(diào)整層-底座”層狀結(jié)構(gòu)體系，為保證兩側(cè)具有一定深度和寬度的排水溝，裝配式軌道需要的軌道高度比現(xiàn)澆道床要高。

（3）自密實(shí)混凝土性能及施工技術(shù)要求較普通混凝土高，混凝土性能受外界條件影響大，拌制、運(yùn)輸和灌注各個環(huán)節(jié)均需嚴(yán)格把控。

（4）由于土工布位置較低，一旦水溝深度不足，隔離層易進(jìn)水引起道床病害。

（5）預(yù)制軌道板相較于現(xiàn)澆道床結(jié)構(gòu)，每公里造價(jià)約增加150萬元，每組道岔增加約20萬元。

（6）目前，運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗(yàn)積累較少。

針對上述問題，在充分借鑒和吸收高速鐵路預(yù)制裝配技術(shù)、既有地鐵預(yù)制板式軌道技術(shù)的基礎(chǔ)上，力爭在地鐵裝配式無砟軌道技術(shù)方面尋求大的突破，這既是適應(yīng)建筑工程裝配式技術(shù)進(jìn)步的需要，同時也是響應(yīng)國家在創(chuàng)新裝配式建筑設(shè)計(jì)方面的要求。

3 預(yù)制技術(shù)在地鐵軌道工程中的關(guān)鍵技術(shù)分析

各城市地鐵采用的預(yù)制軌道板技術(shù)基本都在高鐵CRTSⅢ型板的基礎(chǔ)上研發(fā)適用于地鐵的預(yù)制板式無砟軌道?；驹O(shè)計(jì)理念還是沿用由上而下設(shè)置分層結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)組成為預(yù)制軌道板、調(diào)整層、現(xiàn)澆底座（或無），根據(jù)不同的軌道結(jié)構(gòu)形式，可將預(yù)制板式無砟軌道大致分為普通預(yù)制板式無砟軌道、減振型預(yù)制板式無砟軌道[8]。

結(jié)合地鐵工程建設(shè)特點(diǎn)，有必要就不同預(yù)制軌道結(jié)構(gòu)形式對不同隧道斷面的適應(yīng)性、是否采用預(yù)應(yīng)力、平豎曲線如何實(shí)現(xiàn)、預(yù)制減振軌道如何保證減振能力等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 預(yù)制軌道空間適應(yīng)性因素分析

地鐵設(shè)計(jì)速度低且運(yùn)行于城市空間，由此導(dǎo)致地鐵空間的局限性大，要實(shí)現(xiàn)在狹小的空間中采用預(yù)制軌道結(jié)構(gòu)，需綜合考慮以下適應(yīng)性因素。

（1）當(dāng)設(shè)計(jì)軌道板寬度時，需預(yù)留足夠軌道邊溝寬度。若邊溝寬度有限，線路偏移時，水溝排水?dāng)嗝嫘?，特別在曲線地段，過水?dāng)嗝鏁M(jìn)一步縮小，易出現(xiàn)排水困難現(xiàn)象。

（2）受盾構(gòu)空間限制，預(yù)制軌道板道床土工布隔離層距離水溝底較近，隔離層存在浸泡風(fēng)險(xiǎn)。

（3）容差能力差，調(diào)線調(diào)坡和施工困難。由于預(yù)制軌道板施工精度高，對線路空間位置有一定要求，這就要求盾構(gòu)需嚴(yán)格控制施工誤差，對于侵限較大的地方，預(yù)制板軌道調(diào)整能力有限，不利于調(diào)線調(diào)坡和施工。

預(yù)制板軌道受控于線下基礎(chǔ)條件、空間線形變化、軌道減振等諸多因素，需統(tǒng)籌做好預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)調(diào)研情況，結(jié)合制圖分析，地鐵使用軌道板的盾構(gòu)最小內(nèi)徑為5500 mm。

3.2 預(yù)制軌道板預(yù)應(yīng)力選型分析

預(yù)應(yīng)力軌道板通過對預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行張拉，利用鋼筋的回縮，使軌道板預(yù)先受壓。當(dāng)軌道板承受由外荷載產(chǎn)生拉應(yīng)力時，首先需抵消軌道板中的預(yù)壓應(yīng)力，使其不產(chǎn)生拉應(yīng)力或拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度，從而提高軌道板承載能力，使其延緩或不出現(xiàn)裂紋，確保軌道板的耐久性[8]。非預(yù)應(yīng)力軌道板采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在制造、施工和運(yùn)營過程中由于受各種荷載共同作用，可能出現(xiàn)不同程度的裂紋。由于裂縫寬度在鋼筋銹蝕中的作用歷來頗有爭議，而軌道板的使用壽命長達(dá)百年，因此軌道板的耐久性值得重點(diǎn)關(guān)注。

根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)理論研究可知，僅在列車荷載作用下，軌道板所受彎曲應(yīng)力較小。軌道板所受到的應(yīng)力主要來自于整體溫度變化、溫度梯度荷載以及混凝土收縮作用。在隧道內(nèi)，溫度變化幅度較小，在露天的地面及高架段，由于環(huán)境溫度變化較大，整體溫度變化和溫度梯度的疊加作用更加明顯，非預(yù)應(yīng)力軌道板裂紋產(chǎn)生幾率明顯加大。從工程經(jīng)濟(jì)性角度考慮，地下線可采用普通鋼筋混凝土預(yù)制板的結(jié)構(gòu)形式，高架線和地面線可采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制板的結(jié)構(gòu)形式。

3.3 預(yù)制減振軌道減振能力保證措施

地鐵線路穿越城市的核心區(qū)域，由于列車運(yùn)行時的振動會給臨近區(qū)域的居民樓、精密儀器室、高校、古代建筑群等造成一定影響，因此需要全線進(jìn)行環(huán)境影響評估，進(jìn)而形成分級減振需求地段表，軌道減振措施設(shè)計(jì)的完整性和準(zhǔn)確性對地鐵建設(shè)有重要影響。

目前道床減振方式均是質(zhì)量-彈簧減振系統(tǒng)，道床質(zhì)量的配重對減振能力影響很大，采用現(xiàn)澆施工方式時可以結(jié)合空間情況提高軌道配重[9-10]。若采用預(yù)制道床板減振技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆道床，預(yù)制減振道床板寬減少約30%，重量減少約35%，減振效果將大幅降低。為保證預(yù)制減振道床的減振效果良好，應(yīng)合理布置隔振元件及設(shè)計(jì)動力學(xué)參數(shù)，合理進(jìn)行板端連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡可能增加浮置板配重，形成不低于既有現(xiàn)澆道床長度的縱連結(jié)構(gòu)，從而大幅度增加浮置板穩(wěn)定性并降低自振頻率，提升減振效果。

3.4 設(shè)計(jì)接口處理措施

地鐵設(shè)計(jì)是一個多專業(yè)協(xié)調(diào)配合的大型綜合設(shè)計(jì)體系，涉及相關(guān)專業(yè)的接口多且復(fù)雜，與軌道系統(tǒng)相關(guān)的專業(yè)主要涉及線路、限界、隧道、建筑、結(jié)構(gòu)、供電、信號、通信、給排水、動力及照明等。預(yù)制軌道結(jié)構(gòu)受制于預(yù)制板廠制周期長、精度要求高、鋪設(shè)位置固定等因素，涉及接口問題應(yīng)超前細(xì)致規(guī)劃，應(yīng)堅(jiān)持“服從統(tǒng)一組織協(xié)調(diào)、各專業(yè)緊密配合”的原則，力求做到：“預(yù)留預(yù)埋不直接從預(yù)制軌道板中穿過，盡量從預(yù)制板下穿過或預(yù)制板端預(yù)留過軌板縫隙”。

4 結(jié)論

未來，軌道交通行業(yè)將進(jìn)一步推進(jìn)裝配式建筑理念，地鐵作為城市發(fā)展的主動脈，遇到了極好的發(fā)展契機(jī)。為貫徹相關(guān)政策同時也助推地鐵向著綠色、生態(tài)、環(huán)保、健康等方向發(fā)展，地鐵軌道工程將逐步大面積采用預(yù)制板式無砟軌道。為了更好地利用預(yù)制軌道技術(shù)為地鐵軌道工程的建造提質(zhì)增效，需結(jié)合地鐵建設(shè)特點(diǎn)，將預(yù)制軌道技術(shù)更好地、更貼合地運(yùn)用到地鐵工程中。采用預(yù)制板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地鐵軌道設(shè)計(jì)施工的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和機(jī)械化，提高軌道結(jié)構(gòu)整體技術(shù)水平，是改善作業(yè)環(huán)境、提高施工效率、實(shí)現(xiàn)地鐵軌道設(shè)計(jì)施工可持續(xù)發(fā)展的必由之路，將帶來十分顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。