軌道道床新型排水結(jié)合結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

邢 民，劉華輝，張 亮，路陽(yáng)陽(yáng)，董 波

（1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510000；2.東莞市軌道一號(hào)線建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東東莞 523000）

1 引言

隨著城市化發(fā)展和對(duì)地下空間的深入開發(fā)，城市軌道交通作為城市公共交通最為主流的綠色出行模式，對(duì)推動(dòng)城市的建設(shè)發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步具有重大深遠(yuǎn)的意義。城市軌道交通工程是在地下建造的重要工程，投入經(jīng)費(fèi)高，建造周期較長(zhǎng)，施工速度較慢，同時(shí)對(duì)安全性要求較高，各個(gè)建造環(huán)節(jié)間溝通協(xié)調(diào)需求較多。以上因素使城市軌道交通工程的整個(gè)建設(shè)過程比較復(fù)雜。區(qū)間隧道滲漏水造成軌道道床上浮現(xiàn)象逐漸顯露，輕則影響隧道正常速度運(yùn)營(yíng)，重則導(dǎo)致道床變形，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失和人身財(cái)產(chǎn)安全隱患。因此，隧道防、排水的設(shè)計(jì)、施工就顯得尤為重要[1-2]。

2 國(guó)內(nèi)外隧道防、排水措施現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)隧道施工主要遵循防水為主、排水為輔的設(shè)計(jì)理念，確立以混凝土結(jié)構(gòu)自防水為根本、接縫防水為重點(diǎn)、設(shè)置附加防水層為輔助措施的結(jié)構(gòu)防水體系。排水方案的設(shè)計(jì)理念和措施基本上只針對(duì)隧道拱頂及側(cè)壁的滲漏水問題，通過道床兩側(cè)的水溝進(jìn)行疏導(dǎo)，還沒有針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和道床結(jié)構(gòu)結(jié)合部位滲漏水顯著有效的排水措施。目前，國(guó)內(nèi)部分城市軌道交通區(qū)間隧道存在運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)底板滲漏水的問題。處理不當(dāng)易造成道床起拱上抬、軌道變形，甚至導(dǎo)致列車不能以正常速度運(yùn)行[3-4]。

2.2 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外城市軌道交通暗挖隧道基本都遵循防水為主、防排結(jié)合的理念開展設(shè)計(jì)和施工。

日本城市軌道交通暗挖隧道多采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)理念和國(guó)內(nèi)基本一致，采用管片結(jié)構(gòu)自防水、接縫防水、施工期間隨挖隨注漿、后期補(bǔ)充注漿的組合措施開展隧道防水施工，主動(dòng)排水相關(guān)措施不多見。

法國(guó)、瑞士、奧地利、英國(guó)、美國(guó)等歐美國(guó)家城市軌道交通采用盾構(gòu)法施工的暗挖隧道防、排水方案設(shè)計(jì)理念也和國(guó)內(nèi)類似，采用新奧法或礦山法施工的隧道也多采用聚氯乙烯、聚乙烯等防水卷材進(jìn)行隧道防水。針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)滲漏水造成道床起拱問題，采取主動(dòng)排水的措施也不多見[4-6]。

2.3 研究意義

一般情況下，城市軌道交通區(qū)間隧道線路敷設(shè)較深，工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況較復(fù)雜，暗挖隧道開挖成型后再按地下水文情況重新調(diào)整而造成運(yùn)營(yíng)期隧道結(jié)構(gòu)底板滲漏水的情況相當(dāng)普遍。地下水滲漏通過隧道結(jié)構(gòu)后會(huì)在軌道道床下部聚集，累積一定壓力后會(huì)引起軌道道床上抬變形，同時(shí)受列車運(yùn)行動(dòng)靜荷載的反復(fù)振動(dòng)作用，會(huì)產(chǎn)生翻漿冒泥，道床結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重時(shí)列車需要進(jìn)行限速運(yùn)行。因此，必須通過一定治理措施來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)變形。在設(shè)計(jì)階段，通過在隧道與道床結(jié)構(gòu)結(jié)合部位設(shè)置新型結(jié)合結(jié)構(gòu)形成排水通道可及時(shí)排出地下滲漏水，從而有效降低滲漏水對(duì)軌道道床結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形危害，達(dá)到確保結(jié)構(gòu)安全、降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的目的。此舉對(duì)地鐵區(qū)間運(yùn)營(yíng)安全及后期維護(hù)等具有重要的影響意義，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、較高的應(yīng)用價(jià)值和顯著的社會(huì)效應(yīng)[7-10]。

3 新型排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理念

城市軌道交通隧道滲漏水是道床脫空的主要誘因。為防止道床下部的長(zhǎng)期積水，擬研究一種隧道與道床結(jié)構(gòu)結(jié)合部位的新型排水結(jié)合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可在道床內(nèi)部形成排水通道，及時(shí)排出滲漏水，避免道床剝離隧道后，發(fā)展為道床脫空狀態(tài)。

對(duì)隧道與道床結(jié)構(gòu)結(jié)合部位的新型排水結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括外部幾何尺寸和內(nèi)部構(gòu)造部分。同時(shí)，研究列車動(dòng)荷載作用下排水結(jié)合結(jié)構(gòu)本身的抗變形能力，以及排水結(jié)合結(jié)構(gòu)在道床下的不同布置方式對(duì)道床力學(xué)性能的影響。

3.2 設(shè)計(jì)方案

擬設(shè)計(jì)的新型排水結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)置在道床以下、隧道襯砌以上的位置。為達(dá)到最佳使用效果，需確定該排水結(jié)構(gòu)的外部幾何尺寸和內(nèi)部構(gòu)造，以滿足隧道滲漏水的排水要求。新型排水結(jié)合結(jié)構(gòu)所在位置與內(nèi)部構(gòu)造初步設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 排水通道設(shè)計(jì)大樣

針對(duì)不同排水通道設(shè)計(jì)方案，分析隧道結(jié)構(gòu)中排水結(jié)構(gòu)以不同數(shù)量布置在道床下時(shí)道床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，包括道床的變形、道床的振動(dòng)加速度、隧道壁的振動(dòng)加速度、鋼軌位移。根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定以上各項(xiàng)數(shù)值是否符合實(shí)際應(yīng)用要求。其中，曲線段軌道結(jié)構(gòu)將根據(jù)隧道線形設(shè)置超高，并施以橫向力模擬列車對(duì)鋼軌施加的橫向作用。

開展方案初步模擬分析研究，針對(duì)排水通道方案，采用多種設(shè)置方式：a 方案為單預(yù)留滲水通道空間方案；b 方案為多預(yù)留滲水通道空間方案，不同通道通過滲水管進(jìn)行連通，增加排水效率；c 方案采用道床底部澆筑滲透性材料作為滲水通道；d 方案采用預(yù)留滲水通道與澆筑滲透性材料組合方案。各方案排水通道具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 排水通道多組合設(shè)計(jì)

4 有限元分析

4.1 建立模型范圍

在本次模擬中，依據(jù)后期實(shí)際應(yīng)用盾構(gòu)區(qū)間隧道管片及道床圖紙，對(duì)隧道及軌道結(jié)構(gòu)各部分幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如圖3 所示。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及前一部分透水混凝土試驗(yàn)確定軌道結(jié)構(gòu)各部分的材料參數(shù)。設(shè)置多種透水混凝土層排水通道結(jié)構(gòu)尺寸，分析道床在列車荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，了解道床在不同尺寸排水結(jié)構(gòu)設(shè)置下的應(yīng)力和變形狀態(tài)。對(duì)比相關(guān)指標(biāo)，比選出滿足受力要求且排水性能較好的新型結(jié)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

圖3 各方案幾何模型

利用ABAQUS 有限元分析軟件建立含排水結(jié)構(gòu)的道床隧道有限元模型，采用車輛-軌道耦合模型，計(jì)算列車動(dòng)荷載，在本次模型模擬計(jì)算中，建立3 個(gè)基本假設(shè)。

（1）模型中的外荷載只考慮豎向輪載，以列車軸重乘以動(dòng)載系數(shù)得到。

（2）不考慮結(jié)構(gòu)的損傷，材料設(shè)置為線彈性。

（3）模型中考慮道床與管片結(jié)構(gòu)的自重。

4.2 模型參數(shù)選擇

在有限元模型中各材料簡(jiǎn)化為線彈性材料，其中管片與軌枕為C50 混凝土，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 420 kg/m3。道床普通混凝土層與透水混凝土層為C35 混凝土，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 390 kg/m3。

模型中各部件間采用“tie”約束將所有自由度綁定。

本次模擬作用于模型的外荷載為列車荷載。車輛實(shí)際作用于軌道上的荷載為動(dòng)荷載，其值受各種干擾因素影響，如軌道不平順、列車運(yùn)行速度等。本次模擬采用準(zhǔn)靜態(tài)形式確定輪軌的沖擊力，即通過靜輪載乘以動(dòng)載系數(shù)來確定動(dòng)輪載。動(dòng)載系數(shù)取2.5。按項(xiàng)目實(shí)際軌道車輛列車軸重14 t，設(shè)計(jì)輪重7 t。荷載施加面積取實(shí)際軌枕大小450 mm×270 cm，軌枕間距600 mm。

4.3 模擬結(jié)果

為探究列車荷載作用下，不同尺寸排水結(jié)構(gòu)形式道床的力學(xué)響應(yīng)。需提出相應(yīng)的比選指標(biāo)。本次模擬以道床普通混凝土層及透水混凝土層最大拉應(yīng)力是否達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度為限值，同時(shí)考慮軌道結(jié)構(gòu)在列車荷載下的變形；兼顧道床配筋與結(jié)構(gòu)排水效果，提出5 項(xiàng)比選指標(biāo)，分別為道床頂面豎向位移，普通混凝土層最大拉、壓應(yīng)力，透水混凝土層最大拉、壓應(yīng)力。

本次模擬只針對(duì)不同排水通道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析影響，對(duì)不同方案的滲水性能實(shí)驗(yàn)室結(jié)果后續(xù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行分析對(duì)比，研究結(jié)果如下表1 所示。

表1 各方案模擬計(jì)算結(jié)果表

4.4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)提出的4 種新型結(jié)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，利用ABAQUS 有限元分析軟件對(duì)4 種方案進(jìn)行建模計(jì)算，通過比選道床位移及強(qiáng)度指標(biāo)，確定現(xiàn)有方案的安全性均滿足規(guī)范要求。

對(duì)比方案a 與方案b，在道床普通混凝土層底部設(shè)置多個(gè)排水通道后，道床豎向最大位移增加17%，道床最大拉應(yīng)力增加24%。多個(gè)排水通道雖能兼顧道床底部縱縫排水的需求，但對(duì)道床截面承載能力削弱較大，不建議選取方案b 的多排水通道方案。

對(duì)比方案a 與方案c，在道床結(jié)構(gòu)中加入透水混凝土后，在列車荷載作用下道床頂面最大豎向位移沒有變化。道床普通混凝土層最大拉、壓應(yīng)力的變化也可忽略不計(jì)。因此建議采用加入透水混凝土層的方案c。

對(duì)比方案c 與方案d，當(dāng)設(shè)置排水通道后，在列車荷載作用下道床頂面最大豎向位移沒有變化。道床普通混凝土層最大拉應(yīng)力下降0.8%，最大壓應(yīng)力增加0.4%，透水混凝土層最大拉應(yīng)力增加22.7%，最大壓應(yīng)力增加12.4%。增設(shè)排水通道對(duì)道床承載能力削減有限，道床混凝土拉、壓應(yīng)力均遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因此方案d 結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)具有更優(yōu)排水性能。

考慮道床底部縱縫排水、鋼筋布置與排水量的需求，建議后續(xù)試驗(yàn)研究根據(jù)方案d，采用預(yù)留排水通道與滲水通道組合方案進(jìn)行排水試驗(yàn)性能分析。重點(diǎn)研究滲水通道材料和預(yù)防通道阻塞處理等措施，以滿足滲水通道耐久性要求，以及排水通道材料、縱向排水通道銜接及相關(guān)檢修通道處理措施。

5 結(jié)語(yǔ)

研究隧道結(jié)構(gòu)和道床結(jié)構(gòu)結(jié)合部位的排水設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)措施工藝及方法，可以指導(dǎo)城市地鐵建設(shè)過程中的道床預(yù)保護(hù)工作，減少道床在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)滲漏、滲漏水在軌道下部聚集引起的軌道上臺(tái)現(xiàn)象，避免造成運(yùn)營(yíng)限速和嚴(yán)重狀態(tài)下的運(yùn)營(yíng)安全事故，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和顯著的社會(huì)效應(yīng)。根據(jù)后續(xù)試驗(yàn)成果，可全國(guó)推廣應(yīng)用，為城市軌道交通安全、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)提供保障。