地铁不均匀沉降地段的轨道类型比选分析

井 恒 法

(中铁三局集团线桥公司，河北 廊坊 065201)

地铁不均匀沉降地段的轨道类型比选分析

井 恒 法

(中铁三局集团线桥公司，河北 廊坊 065201)

简要总结了地铁不均匀沉降易发生的地段、原因及不利影响，对有砟轨道、普通无砟轨道、钢弹簧浮置板、隔振垫浮置板及梯形轨枕轨道等常用轨道类型对不均匀沉降的适应性和相关技术特点进行了全面分析，梯形轨枕在自身抗弯能力、空吊的检测和整治方便性、排水、施工速度、铺设精度等方面均具有优势，对不均匀沉降的适应性最好。

地铁，沉降，轨道，浮置板，梯形轨枕

0 引言

地铁隧道是一种狭长形构造物，沿线路方向不仅自身柔度较大，而且受不同地段结构外形、施工工法及地质水文条件和邻近构筑物等多种因素的变化影响，使不同地段的受力状态相异，导致不均匀变形，主要体现为不均匀沉降，在不良地质条件地区如天津、长三角、珠三角等地区表现尤为明显。

地铁轨道平顺性的要求较高，而地铁线路平面及纵断面本身比较复杂，隧道内限界紧凑，轨旁设备及管线又多，夜间停运时间又短，调整困难。一旦产生不均匀沉降，会对结构耐久性、轨道状态、管线设备等各方面均带来不利影响。

因此，结构不均匀沉降引起了各相关部门的重视。各地采取了很多技术措施，如尽量推迟铺轨时间、预留隧道注浆孔待运营期间进行注浆、研究采用大断面盾构等，但目前该问题尚未得到根本解决。已有多个因不均匀沉降严重而对结构和轨道进行彻底整治改造的案例出现。

1 地铁不均匀沉降的主要特征和影响

1.1 易发地段及原因

根据各地地铁建设及运营中的经验总结，不均匀沉降主要发生于以下几种部位，其中前两种情形最为常见：

1)路桥、路隧过渡段及U形槽。主要原因在于不同结构的沉降控制标准不同：高架桥墩台均匀沉降控制值50 mm，有砟轨道路基过渡段工后沉降控制值一般150 mm，U形槽在基底承载能力足够的情况下，一般不考虑沉降控制。

2)隧道结构断面变化处如地下车站两端、区间联络通道、泵房、盾构井等。主要原因在于：不同体量的结构物沉降有差异，或采用冷冻法施工结束后产生较大变形。

3)地质条件突变或受邻近其他施工扰动影响的部位。

4)也包括预设拱度与实际徐变产生偏差的大跨度桥梁。

1.2 相关不利影响

较大的不均匀沉降带来诸多不利影响，如：

1)引起隧道防水层破坏，形成渗漏水病害，严重时致结构局部破坏。

2)引起轨道不平顺、扣件弹条断裂、套管失效、道床开裂或脱空。

3)严重时可能超出轨道或限界允许调整范围，不得不暂停运营加以彻底整治改造。

2 各种轨道类型对不均匀沉降的适应性

目前国内地铁地下线及高架线通常采用普通无砟轨道，地面线采用有砟轨道，减振地段采用减振扣件、浮置板、梯形轨枕等轨道类型。

对于不均匀沉降，梯形轨枕轨道的适应性以及综合技术优势比较强，隔振垫浮置板的适应性较差，其余几种轨道类型具有一定的适应性，但是多少会受到某些工程条件的制约。其具体分析见下。

2.1 有砟轨道

有砟轨道最大的优点是方便随时进行抬道调整，像西安地铁2号线会展中心站以南受地裂缝影响的矩形隧道道岔区以及大沉降槽暗挖大断面隧道采用了有砟轨道，南京、上海等等地铁U形槽采用了有砟轨道，或者因较大不均匀沉降而将无砟轨道改造为有砟轨道。

但在圆形隧道内受限界净空制约，道砟振捣、长枕抽换、排水、杂散电流排流网设置等均存在困难，有砟轨道基本不可行。图1为圆形隧道采用有砟轨道的断面示意图。

2.2 普通无砟轨道

普通无砟轨道的轨道几何尺寸只能通过扣件来调整，扣件的调高量非常有限，一般不大于30 mm，通过特殊设计可达到70 mm，但扣件调高量过大时对稳定性影响较大，成段采用存在安全隐患，仅可作为临时应急措施(见图2)。

此外，扣件调整的精度以及均匀性也相对比较差，容易造成钢轨支承不均匀，进而影响行车的平稳性，并导致轮轨受力和磨耗异常。

2.3 浮置板轨道

浮置板轨道即是在普通无砟轨道上设置钢弹簧或者隔振垫，将上部轨道结构浮置起来，使其参与振动，吸收轮轨冲击振动能量。

由于地铁减振要求越来越高，浮置板轨道的应用也越来越多，因此不可避免有用于不均匀沉降地段的情况。

2.3.1 钢弹簧浮置板

理论上钢弹簧浮置板对不均匀沉降的适应性优于普通无砟轨道。钢弹簧浮置板的浮起是通过隔振器与套筒之间所设调高垫来实现的，这一方式同样可应对不均匀沉降，可实现约100 mm或更大的调整量。每个隔振器还可设置不均匀沉降监测指示杆，方便及时准确掌握相关情况(见图3)。

但运营期间发生不均匀沉降时，一般的做法不是将轨面调至设计标高，而是在其前后作顺坡处理。但钢弹簧浮置板分段长一般(20～30)m，不仅同一块浮置板上难以实现变坡处理，其基底排水暗沟还会产生水和泥沙杂物淤积等病害。

此外，不良地质条件往往使隧道施工误差也较大，误差较大时不得不将隔振器挪至钢轨下部，则隔振器的检查和调整需切开无缝线路并拆除钢轨进行操作，非常困难。

2.3.2 隔振垫浮置板

这种浮置板对不均匀沉降的适应性相对较差。因为不均匀沉降使其底部隔振垫部位局部空吊，而隔振垫又无法调整，也无法实施注浆填充，使浮置板纵向支承变得不均匀，对轨道稳定性和隔振垫使用寿命的影响难以消除(见图4)。

其次，与钢弹簧浮置板类似，不均匀沉降较大时必然导致基底排水暗沟产生水和泥沙杂物淤积等病害。

此外，隔振垫的阻隔也使得隧道外注浆整治十分困难。

2.4 梯形轨枕轨道

2.4.1 构造型式和主要功能

梯形轨枕最早起源于1830年的Leeds and Selby Railway，法国、前苏联、美国等国都有研究以及应用；在新干线板式轨道的基础上经过不断发展，形成目前的“预制预应力混凝土纵梁+钢横梁”梯子形结构。既具有板式轨道增大轨道抗弯刚度、均匀分散轮轨力、保持高精度轨距以及轨底坡等等特点，又取消了横向预应力、消除了枕中负弯矩，并简化结构方便安装、使用和维修。梯形轨枕分散轮轨力的作用及所具有的参振质量，使其减振效果优良，在国内地铁地下线及高架线高等减振降噪地段应用广泛(如图5所示)。

2.4.2 对不均匀沉降的适应性

梯形轨枕每块长一般6 m，底部等间距设置聚氨酯弹性垫，若下部基础产生不均匀沉降，将直接体现为弹性垫空吊(见图6)。无论梯形轨枕自身的强度、稳定性或空吊的修复能力均可很好地适应较大的不均匀沉降。

首先，纵梁为预应力混凝土结构，抗弯能力比较强。分析表明，长6 m梯形轨枕若有4块弹性垫空吊，空吊值6 mm以内均不影响纵梁结构的安全性和整体框架稳定性。实际现场很难产生6 mm空吊，或发展到这种程度前通过添乘或轨检发现异常而得到及时整治。

其次，弹性垫空吊后，可在其底部采用垫片或者浇筑型弹性材料来进行填补，理论上只要限界允许，弹性垫可无限垫高，恢复线路状态。像西安主城区分布有10余条地裂缝，地裂缝段不均匀沉降设防值达到500 mm，地铁隧道采用了大断面暗挖结构，因为没有减振功能要求，经研究采用了类似梯形轨枕的预制框架轨枕板。

2.4.3 其他综合技术优势

与其他轨道类型相比，梯形轨枕用于不均匀沉降地段，还有以下综合技术优势：

1)与易造成钢轨支承刚度不均和“碎弯”的扣件连续垫高方式相比，枕下垫高方式对轨道平顺性的影响很小。

2)与浮置板相比，梯形轨枕长6 m左右，不会产生类似长25 m浮置板的局部调坡困难；梯形轨枕对轨道结构高度的要求较低，对隧道施工误差的适应性较强，可容许隧道垂向180 mm、横向300 mm左右的偏差。

3)梯形轨枕铺设段可同时设置中心排水明沟和两侧排水沟，既可与普通无砟轨道的两侧沟顺接，也方便与浮置板的中心暗沟过渡。不均匀沉降较严重时，明沟排水的方式方便进行检查、清理、整治改造，不会产生积水病害。

4)梯形轨枕铺轨工法和速度与普通无砟轨道一致，可达到120 m/d/工作面，而且轨距及轨底坡铺设精度高，能很好地适应国内地铁的建设规模、工期、运营等方面的条件和要求。

梯形轨枕轨道断面见图7。

3 不均匀沉降的检测和整治方法

从以上分析可知，梯形轨枕轨道是比较适合不均匀沉降地段铺设的轨道类型。通过较为简便的方法即可对轨道不均匀沉降进行检测和整治。

3.1 不均匀沉降的检测

3.1.1 隧道监测确定沉降活跃区段

不均匀沉降是由隧道结构产生的，不均匀沉降对隧道的影响甚于轨道，故首先需对隧道进行监测，如上海地铁建立了完整的隧道沉降监测系统，整个线网设置了数十万个监测点。

因此，轨道不均匀沉降的检测首先需充分利用隧道沉降监测网的数据。根据隧道监测情况，对于沉降活跃地段采取加密监测间距和频率的措施进行重点跟踪。

3.1.2 轨道动态添乘或轨检定位准确部位

通过隧道监测只能大致确定不均匀沉降的区段，还需要进一步对沉降活跃地段的轨道进行检测。根据运营经验，当轨道动态平顺性差异达到约3 mm/10 m时，即可能产生一定的晃车现象，导致轨检垂向振动加速度超标，从而可以确定不均匀沉降的准确部位。

3.1.3 高差检查法确定具体空吊值

动态轨检只能确定较准确的不均匀沉降地段，准确的沉降空吊值还需人工检测。

由于梯形轨枕轨道铺设段的不均匀沉降通常会表现为梯形轨枕弹性垫空吊，即梯形轨枕与其下部的道床高差增大，因此可在夜间停运时段，用简单的检查工具如静态卡尺或红外线检测仪等对梯形轨枕钢横梁与道床中心沟之间的高差进行测量，并与先前的测试记录进行对比，即可确定具体每块梯形轨枕各弹性垫的空吊值(见图8)。

3.2 不均匀沉降引起空吊的填充材料和方法

3.2.1 方案一：弹性垫下增设调高垫板

一般情况下可根据梯形轨枕弹性垫的空吊值，通过简单工装将梯形轨枕抬升5 mm～10 mm，将相应厚度的调高垫板塞入弹性垫下部并将梯形轨枕落槽即可。调高垫板可采取嵌套式构造，即使垫的块数较多，也可保证自身的稳定性。

调高垫板有1 mm～2 mm的级差，但是梯形轨枕自身具有比较好的分散轮轨力的作用，因此不会影响轨道动态平顺性和行车平稳性。

3.2.2 方案二：灌注型弹性体填充法

之前在轨道交通中较多应用灌注型材料为自流平砂浆或其他锚固剂等，这类材料强度高，但韧性低，梯形轨枕弹性垫承受轮轨动态荷载作用，而空吊厚度又很小，这类材料很难保证长期可靠使用，不推荐使用。

浇筑型弹性体随着国内高速铁路的大规模建设和运营而在轨

道交通领域得到较多的研究和应用，根据部位和功能的不同，高铁浇筑型弹性体材料有不同的种类，如高铁Ⅰ型轨道板的凸形挡台与轨道板之间缓冲用TT型A，B双组分聚氨酯树脂、轨道板离缝修补LF-Ⅰ型A，B双组分树脂等，见图9。

这些浇筑型弹性体的共同特点是：强度高、韧性好、收缩性小、刚度软硬及可工作时间调整范围大、性能稳定性耐久性好，特别适合地铁不均匀沉降地段弹性垫空吊的整治。

4 结语

不均匀沉降是软弱地质区域的地铁工程所遇到的主要病害之一，不均匀沉降很难从根本上加以避免，只能采取综合技术措施以尽量降低其影响。

从目前地铁所用轨道类型的分析来看，普通有砟轨道、无砟轨道、钢弹簧浮置板以及隔振垫浮置板在地下线尤其是圆形隧道较大不均匀沉降的适应性方面，均存在很大或一定的局限性，很多运营线上所暴露出来的隐患或问题也印证了这一点。

相比之下，梯形轨枕轨道的适应性好，主要体现在预应力混凝土结构自身较强的抗弯能力、不均匀沉降引起的空吊方便检测和整治、排水及排水过渡通畅、施工速度快、轨距和轨底坡铺设精度高等多方面。此外，对于无减振需求的不均匀沉降地段，可适当合理地降低梯形轨枕底部弹性垫的技术性能指标要求，从而降低造价。

“建设为运营服务”，建议今后地铁新线建设中，对不均匀沉降地段的轨道类型应加以特别考虑以及选择，以减少运营病害和风险。

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Analysis on track selection for subway section of uneven settlement

JING Heng-fa

(Track&BridgeEngineeringCo.,LtdofChinaRailwayNo.3EngineeringGroup,Langfang065201,China)

The paper roundly summarizes the sections, causations and negative effects of uneven settlement in subway, fully analyses the adaptability and related technology features for ballast track, ordinary slab track, steel spring floating slab, damping pad floating slab, ladder sleeper track. Ladder sleeper has the advantages in the aspect of resistance to bending, convenience of check and repair for gap, drainage, construction speed and track precision accuracy, it is the best adaptability for uneven settlement.

subway, settlement, track, floating slab, ladder sleeper

1009-6825(2014)11-0142-03

2014-02-18

井恒法(1964- )，男，高级工程师

U459.1

A