地铁隧道内超薄型无砟轨道结构的设计与试验

陈睿颖

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，200092，上海//工程师）

地铁隧道内超薄型无砟轨道结构的设计与试验

陈睿颖

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，200092，上海//工程师）

有时地铁轨道结构高度无法满足正常要求，故需设计超薄型轨道结构。经分析，选择无枕式整体道床方案更佳。结合其他薄型轨道结构设计，并采用了植筋、选用复合纤维混凝土等辅助措施，实现了超薄型轨道结构的可实施性。为了验证荷载作用下轨道结构的承载能力，用4 800 mm长的轨道板进行静载强度试验，用3 600 mm长的轨道板进行疲劳加载试验。试验结果表明，在1.5倍列车轴重条件下，轨道板强度的各项指标符合设计要求。

地铁；超薄型整体道床；轨道结构高度

在我国城市轨道交通项目建设过程中，由于存在施工偏差及预留工程限制，混凝土整体道床厚度多难以满足正常厚度要求，需减薄道床。例如,上海浦东国际机场捷运T2航站楼指廊范围内预留的区间结构内净空高为4.5 m，宽为8.6 m，经测算，其轨道结构高度仅有360 mm的空间，小于GB 50157—2013《地铁设计规范》中规定的560 mm，且该区段长度较长（约为620 m）。为保证列车通行限界的安全需要，需对既有段的轨道结构进行专项设计，并进行实验室静载试验和疲劳试验，以保证超薄型轨道结构的安全运行。

1 轨道结构设计方案

1.1 道床方案比选

经计算，360 mm高薄型轨道结构对应的整体道床厚度仅为120～132 mm。相应的整体道床方案有2个。

方案一为无枕式整体道床。该结构建筑高度小，可配合带轨底坡、低高度的特殊扣件使用。施工时，先凿毛既有结构底板，将钢轨、扣件按照设计标高固定好后，整体浇筑道床。道床采用C40混凝土，厚度为120～132 mm，宽度为2 400 mm（如图1所示）。

方案二为特殊短轨枕式整体道床（如图2所示）。特殊短轨枕采用C50混凝土预制。由于高度受限，短轨枕高度采用100 mm，固定扣件用的绝缘套管预埋在短轨枕中，套管底部局部露出短轨枕。道床采用C40混凝土。轨枕露出道床面高度不小于10 mm。

可见，与方案一相比，方案二不仅多了二次浇筑混凝土接触面，而且轨枕下道床厚度较小，混凝土浇筑不易捣固，施工质量不易保证。故本工程拟采用方案一。

1.2 薄型轨道结构设计及辅助措施

钢轨选用60 kg/m钢轨；扣件需具备一定的减振性能，能实现轨底坡，且组装高度较小（≤51.4 mm）。道床钢筋加强、加密布置，采用C40混凝土，并在道床2.400 m宽度以外部分也用C40混凝土满铺。为增加混凝土二次浇注的粘结力，施工时对结构底板进行凿毛处理。

图1 无枕式整体道床断面示意图

图2 特殊短轨枕式整体道床断面示意图

为了保证超薄型道床与既有结构的整体性，还采取了植筋及复合纤维等辅助措施：

（1）植筋：由于轨道结构厚度不足，为增强结构整体性，故采用植筋手段连接道床和结构底板。植筋进入底板的长度约为280 mm，采用φ14 mm钢筋。植筋位置应尽量避开原结构底板钢筋位置以免破坏原结构钢筋，并采用绝缘胶防止杂散电流进入主体结构。

（2）复合纤维混凝土：为了提高混凝土抗裂能力，也为了减少杂散电流的不利影响，道床混凝土采用绝缘性能较好的复合纤维混凝土。

2 轨道结构试验

2.1 试验目的及内容

目前超薄型无砟轨道结构在地铁工程中尚未长区段应用，故有必要对超薄型无枕式整体道床轨道结构的强度和疲劳性能进行室内测试；通过试验验证理论计算及设计的合理性及安全性，为超薄型无枕式整体道床轨道结构的设计和应用提供依据。

考虑试验场地条件，试件按照实际尺寸共制作两块。一块试件用于做静载试验，长4 800 mm；一块试件用于做疲劳试验，长3 600 mm。试件道床板厚132 mm，宽2 400 mm；弹性模量为3.25×104MPa，轴心抗压强度标准值为26.80 MPa，轴心抗拉强度标准值为2.40 MPa（不考虑材料折减系数）。

静载试验时，在2个加载位置和板中间3个断面设置应力测试点（见图3）。除了测试板面混凝土的拉压应力外，还要测试板底及侧面的纵向应力。试验采用双轴加载，加载间距按地铁车辆转向架轴距取2.5 m设置。2个千斤顶分别顶在2道分配梁上同时加载。试验荷载（单个千斤顶）分别为1倍、2倍和3倍轴重（即160 kN、320 kN和480 kN）。加载过程中若试件出现裂缝，则在5次加载之后继续增大荷载，以观察裂缝发展情况。每次荷载作用下，将各测点的应力与混凝土的设计允许应力值进行对比；若低于设计值，则是安全的，否则需要采取加强措施。

疲劳试验采用单轴荷载。荷载作用在板跨中，大小为30～180 kN，荷载循环300万次。加载结束后，以作用位置前后1 m范围内是否出现裂纹作为道床板耐久性的评判标准。

2.2 静载试验

2.2.1 各测点应力分析

测试时试件板东西向放置，板底侧边分别对应南侧与北侧。测得应变后，计算得到各级荷载作用下各点的应力值。

荷载从0加载到960 kN时，道床板板底侧边的纵向应力见图4，道床板板底侧边的垂向应力见图5，道床板板面的纵向及横向应力分别见图6～7。较小，拉压状态跟位置有关。

图3 道床板试件的应力测点及加载位置

图4 道床板板底侧边纵向应力

图5 道床板侧边垂向应力

图6 道床板板面横向应力

图7 道床板板面纵向应力

由图6可知，当荷载从0增加到960 kN时，道床板各板面测点均处于横向受压状态，混凝土横向应力基本随荷载的增加而呈线性增加，断面3的横向应力较大；当荷载为960 kN时，断面3的压应力为1.48 MPa，远小于混凝土轴心抗压强度标准值26.80 MPa。

由图7可知，道床板板面各测点均处于纵向受拉状态；当荷载小于640 kN时混凝土纵向应力基本随荷载的增加而线性增加；荷载为960 kN时最大板面拉应力为1.91 MPa，小于混凝土轴心抗拉强度标准值2.40 MPa。

2.2.2 轨道板裂纹发展情况分析

图8为加载过程中轨道板裂缝的分布情况。当加载到480 kN时，轨道板加载梁中间断面（断面3）开始出现裂缝；多次循环加载后，裂缝长度和裂缝宽度均没有扩展。当荷载大于640 kN时，裂缝数量增多、裂缝宽度增大，轨道板板侧和顶面均有裂缝出现，且裂缝扩展方向为由板顶向下或由板边向内。当荷载为960 kN时，最大裂缝宽度为0.15 mm。

2.3 轨道板疲劳试验及扣件锚固螺栓抗拔试验

疲劳试验用轨道板板长3 600 mm。试验单轴荷载为30～180 kN，作用于跨中处。荷载作用频率为3.5 Hz，疲劳荷载作用次数为300万次。试验结束后对板面及板周边进行详细检查，无裂纹出现。

由于轨道板较薄，且螺栓套管的锚固长度较短，故试验时采用铁路锚固螺栓抗拔仪，选择试验轨道板的3个锚固螺栓套管进行抗拔试验。试验共拔了3个螺栓。每个螺栓的抗拔力都达到了80 kN，而且套管周围混凝土无开裂现象，拔后套管状态良好。可见，扣件锚固螺栓抗拔性能满足地铁相关规范要求。

由图4可知，道床板底侧边各测点均处于纵向受拉状态。当荷载小于480 kN（3倍轴重）时，混凝土纵向应力基本随荷载的增加呈线性增加。加载梁中间断面（断面3）板侧的纵向拉应力始终大于其它两个断面。当荷载为160 kN时，断面3南侧测点的纵向拉应力达2.39 MPa，非常接近C40混凝土的轴心抗拉强度标准值2.40 MPa；其它测点的侧边纵向应力始终小于混凝土轴心抗拉强度标准值。

由图5可知，道床板侧边各测点的垂向应力均

3 结论

浦东机场捷运项目T2既有段存在轨道结构高度不足的情况。对此设计了超薄型轨道结构，确定了轨道结构设计，通过方案比选选择了无枕式整体道床，并采取了植筋及使用复合纤维混凝土等辅助措施。

经过对该超薄型无枕式整体轨道结构进行静载和疲劳试验，得出以下结论：

（1）本工程设计的超薄型无枕式整体道床的相关指标满足规范要求，具有可行性和可靠性。

图8 加载过程中轨道板裂缝分布情况

（2）由于本次试验的道床板为在其他场地浇筑，并运至实验室试验的，故试验轨道板底座基面与试验台之间不可避免地会出现贴合紧密或缝隙较大的情况，导致道床板受力情况较为复杂。实际施工时，道床板会直接浇筑在隧道结构底板上。正常施工质量下两者之间不存在缝隙。可见，此次静载强度试验中轨道板的受力情况更为不利。现场浇筑超薄型轨道板时，板底与基础的接触及基础的稳定均是保证超薄型轨道结构稳定的关键。

［1］ 韩鹏.铁路专用线高度不足条件下隧道口架梁施工技术研究［J］.价值工程，2016，35（9）：109.

［2］ 张娅敏.设置减振垫层的双块式无砟轨道分块长度静力学分析研究［J］.铁道建筑技术，2014（12）：51.

［3］ 徐锡江.城市轨道交通地下线整体道床设计相关问题探讨［J］.路基工程，2013（1）：81.

［4］ 韩朝霞.盾构钢弹簧浮置板轨道结构高度不足的影响分析［J］.铁道标准设计通讯，2016（4）：17.

［5］ 陈杨，徐锡江，李成辉，等.盾构中钢弹簧浮置板轨道结构高度探讨［J］.铁道建筑，2009（10）：92.

［6］ 陈睿颖.上海浦东国际机场旅客捷运系统工程-T2航站楼侧既有地道结构预留段轨道结构专题方案研究报告［R］.上海：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，2016.

［7］ 刘富.闵奉二桥预留轨道交通线轨道结构设计咨询报告［R］.上海：中铁上海设计院集团有限公司，2011.

［8］ 许玉德，李海锋，戴月辉.轨道交通工务管理［M］.上海：同济大学出版社，2007.

Design and Experimental Study of Ultra-thin Ballastless Track Structure in Metro Tunnel

CHEN Ruiying

Since the tunnel track structure height cannot meet the normal requirements,the design of ultra-thin track structure is required,and the ballastless track is considered to be the best one.Combined with other designs of thin track structure,supplementary measures like the composite fiber concrete and so on are adopted to make feasible implementation of the ultra-thin track structure.To verify the effectofload bearing capacity ofthe track structure，experimental studies are carried out,including static load strength test with 4 800 mm long slab and fatigue loading test with 3 600 mm long slab.The results show that under the condition of 1.5 times train axle load，the indicators of the strength of the track plate could meet the design requirements.

metro；ultra-thin ballastless track；height of track structure

Author′s address Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co.，Ltd.，200092，Shanghai，China

U213.2+1

10.16037/j.1007-869x.2017.12.020

2017-03-22）