上海轨道交通13号线一期工程轨道设计局部优化

2013-09-25段桂平

城市轨道交通研究 2013年8期

段桂平

（中铁上海设计院集团有限公司，200070，上海∥工程师）

随着上海市轨道交通线网的逐渐成形，已建成运营的线路越来越多，轨道工程设计方案也逐渐成熟，结合已运营线路，在现有基础上吸取原来设计优点继续改进，并积极探索新的设计方案和施工工艺，优化设计，提高施工质量和效率是现阶段轨道设计的重点和难点。本文以上海轨道交通13号线一期工程轨道设计为例，对近期上海轨道交通轨道工程设计中有关优化措施进行探讨。

1 概况

上海市轨道交通13号线一期工程，西起嘉定区华江路站，东至静安区南京西路站，正线全长16.468 km（双线），均为地下线。正线最小曲线半径为350 m，最大坡度为27‰。采用地铁A型车6辆编组，车辆轴重160kN，架空接触网供电制式。轨道工程主要技术标准如下。

（1）轨距：直线地段1 435mm，曲线地段按规定加宽；

（2）钢轨：正线、辅助线及出入线采用60kg／m、U75V钢轨，正线铺设无缝线路；

（3）扣件：采用弹性分开式扣件，具有调高低和调轨距能力；

（4）道床：地下线均采用整体道床，出入线敞开段采用碎石道床；轨枕铺设标准：正线、出入线为1 680根／km，辅助线为1 600根／km；

（5）道岔：采用60kg／m钢轨9号单开或三开道岔、60kg／m钢轨9号道岔渡线；

（6）车挡：采用滑移式缓冲车挡；

（7）轨道结构高度：圆形隧道为735mm，矩形隧道为560mm，敞开段碎石道床地段为738mm；

（8）超高：曲线地段轨道最大超高值为120mm，圆形隧道采用“外轨抬高超高值一半，内轨降低超高值一半”的方法设置，矩形隧道采用“外轨抬高超高值”的方法设置。

2 轨道结构设计优化方案

2.1 道床混凝土标号由C30提高至C35

根据《城市轨道交通设计规范》（DGJ08－109－2004／J10325－2004）和《地铁设计规范》（GB 50157—2003），“隧道内和隧道与地面线路过渡段整体道床的混凝土强度等级不宜小于C30”，以往项目地下线整体道床均采用C30混凝土。

目前轨道交通相关规范规程均未明确道床结构设计使用年限，铁路相关规范中对道床结构设计使用年限的要求如下：《高速铁路设计规范》（TB 10020—2009）中指明：无砟轨道道床的设计使用年限为60年；《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005—2010）中规定“无砟轨道道床板、底座板设计使用年限一般为100年，无砟轨道道床板、支承层设计使用年限至少为60年基础上，研究试验再创新实现与桥梁结构等寿命期”，可见，轨道结构的设计耐久性设计标准有提高的趋势。

根据已运营线路经验，地下线道床经常出现的病害有：道床结构下沉、道床与主体结构分离、道床或水沟开裂破损、轨枕松动或拔起等。特别是上海为软土地基，运营后局部地段不均匀沉降现象较多，道床结构下沉后道床形态与初始状态发生变化后，其弯曲曲率增加，导致道床混凝土应力增大，超过抗拉强度时将出现拉裂纹甚至开裂。

考虑上述因素，为提高地下线道床结构强度和耐久性，将地下线混凝土等级由C30提高至C35。C30、C35混凝土设计强度及单价如表1所示，C35混凝土设计抗压和抗拉强度较C30分别增加了16.4%和9.8%，疲劳强度也相应增加同等比例。道床混凝土标号变化后对轨道结构总刚度等参数基本无影响，且C35混凝土较C30混凝土每公里仅增加造价约2万元，经济影响也不明显。

表1 C30、C35混凝土技术指标与价格对照表

2.2 中档钢弹簧浮置板采用预制板的设计施工新工艺

钢弹簧浮置板轨道因隔振效果好，已广泛应用于城市轨道交通工程。但其施工相对复杂，不适合轨排法施工，施工速度慢，是影响轨道工期的关键节点之一。据调查统计，如按常规施工方法，浮置板施工进度仅为5～6m／工天。后经改进提高形成了钢筋笼法施工工艺，将施工现场绑扎结构钢筋改为基地绑扎钢筋，形成钢筋笼，然后通过轨道平板车运输至施工现场，吊装钢筋笼，现场浇注混凝土。施工速度提高了约5～8倍，即由5～6m／工天提高到30～40m／工天。而采用预制板法施工综合施工速度可由5～6m／工天提高到50～60m／工天。同时具有一系列的优势：轨道板工厂化、专业化预制，质量高，减少了现场施工中人的因素、技术因素、环境因素对工程质量的影响；预制厂进行轨道板的预制，现场装配式施工，具有工厂化、机械化的特点，减少了洞内混凝土的湿作业；洞内的大量作业移至工厂内作业，极大地减少了繁重、复杂的手工劳动，降低了劳动者的现场作业强度。

上海最先在轨道交通10号线选择一段线路试铺预制板，运营后经试验测试，预制板减振效果良好。故在新建设的13号线一期、12号线等线路推广。13号线一期地下线中档钢弹簧浮置板在圆形隧道、曲线半径大于300m地段采用“工厂预制道床板，现场拼装”的方式施工。

2.2.1 预制板设计方案

预制板宽2.7m，长3.576m，采用C50混凝土、HRB400级钢筋，板内部采用传统圆形隔振器，板端采用方形隔振器，板与板之间采用剪力铰连接（见图1）。

图1 钢弹簧预制浮置板平面图

2.2.2 预制板施工方案

预制短板施工，在工厂内进行生产，加工成型的成品后运输至铺轨基地存放，经下料口由轨道车运输至施工作业面，现场采用铺轨龙门吊进行预制短板铺设（见图2、图3），轨道几何尺寸调整采用千斤顶进行调整。浮置板轨道基础混凝土施工提前于预制短板铺设前完成。

2.2.3 预制板方案优缺点分析

与现浇浮置板方案比较；预制板施工方案具有明显提高浮置板道床的施工速度。降低现场作业强度、可以养护更换、施工完成后美观整洁干净等优点。但在实际操作过程中，也存在一些问题：在缓和曲线地段，由于存在超高和平面曲线曲率的渐变，缓和曲线地段的浮置板隔振器顶升和轨面精调不易控制，需反复调整才能达到要求。另外在土建施工误差较大地段，存在调线调坡后局部轨道高度仍不满足预制板铺设条件即预制板与结构管片冲突的问题，此时该局部地段需改为现浇或采用较小尺寸的预制板；两块预制板接缝处存在较大空隙，由于板与板之间的盖板安装较晚，轨道专业及交叉施工的其他专业建筑垃圾易通过空隙进入板下水沟，增加了后期清理水沟垃圾的工作量。

图2 预制板现场吊装

图3 铺设完成的钢弹簧预制浮置板道床

2.3 浮置板道床地段均用DTⅢ2扣件

扣件是钢轨与轨枕的重要联结部件，通过扣件将钢轨直接固定在轨枕上，以保持轨距和限制钢轨相对于轨枕的纵、横向位移。目前我国城市轨道交通建设发展很快，扣件的类型有往多元化发展的趋势，但一个城市轨道交通扣件型式在满足使用功能的条件下应尽量统一，以实现标准化，系统化，减少扣件种类。

上海轨道交通1、2号线地下线一般地段采用DTⅢ型扣件，在轨道交通4号线时将DTⅢ型扣件由有挡肩扣件优化为无挡肩扣件，即DTⅢ2型扣件（见图4）。DTⅢ2型扣件采用国铁B型弹条，不设轨底坡，为有螺栓扣件，扣压力稳定，扣件最大调高量为40mm，扣件垂向节点静刚度为21～25kN／m，横向静刚度为25～30kN／m。DTⅢ2型扣件为有螺栓扣件，调高量能适合上海地下线整体道床的要求，扣压力稳定，所以在上海轨道交通中沿用下来。13号线一期工程的地下线普通道床地段也采用DTⅢ2型扣件。

图4 DTⅢ2型扣件

上海以往轨道工程项目，浮置板道床地段扣件均采用直埋式，即扣件螺栓直接预埋在浮置板道床板上，由于在现浇混凝土板上设置轨底坡很困难，故在浮置板道床地段较多采用有轨底坡的SD－1型扣件。扣件直埋于道床面上，钢轨底部距离道床面的距离仅为扣件高度44mm，这一空间过小会导致运营后养护维修时起道机等工务器具操作空间不足，无法使用或使用困难。另外，轨底距离道床面较近，钢轨与道床面间的绝缘距离较小，如道床表面有金属物，容易导致钢轨电击伤。

在现浇浮置板道床地段增设短轨枕（见图5、图6），预制浮置板地段在预制板上预制凸型承轨台，轨底坡通过短轨枕或凸型承轨台设置，如此浮置板道床地段即可采用无轨底坡的DTⅢ2型扣件，既减少了地下线扣件种类，也解决了直埋式轨底坡不易控制、轨下空间过小的问题。

2.4 改进轨道减振器配套轨枕

上海自轨道交通1号线开始，地下线普通道床地段一直沿用长轨枕整体道床，它能较好的适应上海软土地基的地质特性。但在岔区和轨道减振器地段仍采用短轨枕，如7号、8号、9号、10号、11号等线路。

在上述已竣工通车的线路中，轨道减振器短枕整体道床地段，均发现了不同程度的轨底坡不满足“1／30～1／50”范围要求和由此导致的线路几何状态较差等情况。由于短轨枕整体道床需通过特制的轨排工装设备，通过短轨枕的倾斜实现轨底坡的设置，如施工过程控制不严格，极易出现轨底坡和轨距不满足要求的情况，为此，13号线一期工程地下线轨道减振器扣件改用预应力混凝土长轨枕，可有效控制上述情况的出现。

图5 增设短轨枕的浮置板道床断面图

图6 短轨枕浮置板道床预制钢筋笼

轨道减振器用混凝土长轨枕的长度和高度均与普通地段长轨枕一致，其中长2.1m，高度为0.186 m，顶部宽0.3m、底部宽0.4m，采用C50混凝土，预应力筋采用φ6.25螺旋肋钢丝，并预留道床纵向筋孔（见图7）。

图7 轨道减振器配套用预应力混凝土长轨枕

2.5 道岔岔枕由短轨枕优化为混凝土长轨枕

13号线一期工程正线共采用3种道岔：60kg／m钢轨9号单开道岔、60kg／m钢轨9号道岔5m间距交叉渡线和60kg／m钢轨9号三开道岔，均为曲线尖轨道岔。除三开道岔因为较复杂采用长枕存在一定困难外，9号单开道岔和9号道岔5m间距交叉渡线均采用长岔枕（见图8）。

道岔结构复杂，要求铺设精度高，尤其是道岔后端结构宽度较大，轨排运输困难，普遍采用现场组装施工方法。短枕式道岔结构轻巧、布置灵活，较利于施工，但是根据已建成线路的运营经验，短枕式道岔施工精度难以保证，道岔区轨道整体性不好，道岔容易产生病害，养护维修工作量大。而钢筋混凝土长岔枕有利于提高道岔施工平整度，保证岔区几何状态，可减少运营期间的养护维修。为保证轨枕与道床的连接，在长岔枕下设置桁架筋。在岔区道床设计中，可利用两根纵向钢筋与轨枕下桁架筋焊接，以确保杂散电流排流通畅。

图8 长岔枕道岔架设图

2.6 岔区排水

据统计，目前我国已投入运营的城市轨道交通矩形隧道地下线车站道岔区转辙机基坑普遍存在道床排水不畅致使转辙机基坑积水。原因分析如下：道岔转辙机基坑基底标高一般较轨顶标高低391 mm，而道床侧沟沟底标高较轨顶低374～400mm，二者高差较小；另外车站范围线路纵坡一般为2‰，且道床水沟与道岔转辙机沟槽和基坑区域均连通，如此当道床水沟排水不畅有积水时，极易导致道岔区转辙机基坑积水无法排出（见图9）。

为解决道岔转辙机基坑区域积水状况，13号线采取了如下优化方案：

（1）加深道床水沟深度，增加道床水沟与转辙机基底的高差；

（2）道床表层水主要为隧道渗漏水，为防止单开道岔区转辙机基坑积水，道岔转辙机基坑和沟槽区域均要作防水处理；