天津地铁5号线区间无泵房轨道设计方案研究

王羽杰 董光辉

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.天津市地下铁道集团有限公司，天津 300000)

1 概述

城市轨道交通地下线区间排水设计是系统设计的一项重要内容，与轨道专业设计接口较多。通常情况下，排水专业设计会要求将区间废水泵房与联络通道合建，在线路最低点处设置泵房，将上游轨道道床排水沟中的废水收集到泵房集水井后进而排出。但当区间长度不大于600 m或联络通道处土建施工风险较大等特殊情况下，会取消联络通道的设置，同时取消泵房。北京、天津及宁波等城市地铁在地下线个别区间取消了联络通道和泵房，规避了土建施工作业的高风险，同时对轨道结构设计和排水方案提出了更高的标准和要求，须做特殊方案设计，以满足区间排水、消除水患的要求。

2 工程概况

天津地铁5号线呈南北走向，北起北辰区双街，南至西青区梨园头，为中心城区东南半环的外部填充线。正线全长34.685 km，其中地下线为34.026 km，地面线为0.399 km，U型槽0.260 km。共设28座车站，其中地下站27座，地面站1座，在双街和梨园头分别设停车场和车辆段各1座。

天津宾馆—肿瘤医院区间位于市区繁华地段，起讫里程为K26+510～K27+440，长度0.930 km，与6号线并行。线路左、右线上下重叠，侧穿育水南里、宾水里等居民小区。根据环评报告要求，该区间均采用了钢弹簧浮置板减振道床。

区间线路纵坡呈“V”形设计，设最低点一处。左线区间最低点里程为K26+698，见图1；右线区间最低点里程为K27+126。左线最低点两侧坡度为16.6‰，25.4‰ ，竖曲线半径为5 000 m。右线最低点两侧坡度为25.0‰，15.8‰ ，竖曲线半径为5 000 m。

天津宾馆—肿瘤医院区间采用盾构法施工，线路上下重叠，与6号线并行，联络通道和泵房施工风险较高，且冷冻法施工工期较长。综合考虑以上因素，并通过专家论证后，决定在线路最低点处取消联络通道和泵房的设置。

3 方案设计

3.1 轨道结构设计

天津宾馆—肿瘤医院区间根据环评报告要求，采用钢弹簧浮置板减振道床，轨道结构高度940 mm(至管片)，轨道结构设计方案如下：

钢轨：60 kg/m，U75V材质；

轨枕：预制薄型短轨枕；

扣件：ZX-2型扣件；

道床：固体阻尼钢弹簧浮置板整体道床。

钢弹簧浮置板道床采用C40混凝土、现浇单元板设计。标准板长度25 m、厚度340 mm，板缝宽度30 mm。采用内置式剪力铰联接，内置式隔振器采用2-3-2布置。浮置板轨道结构固有频率8.5 Hz，减振效果15 dB。

3.2 轨道特殊排水设计方案

3.2.1排水方案研究

区间最低点两侧为钢弹簧浮置板整体道床，采用重力流、中心水沟排水设计，水沟深度740 mm(至轨面)、宽度350 mm。

左线最低点位于单元板Z8范围，右线最低点位于单元板Y-25范围。根据给排水专业设计提资要求：

1)轨道设计需预留排水泵安装和检修条件；

2)道床集水坑有效容积不小于排水泵15 min～20 min的抽水量[1]。

根据给排水设计接口要求及浮置板道床设计特点，同时采取板上和板下结构优化设计方案。板上按照满足排水泵安装检修条件，设长600 mm(纵向)×宽500 mm(横向)的长孔7个，间距600 mm。板下基底道床按照抽水量，将最低点两侧16 m范围的中心水沟宽度增加至700 mm、深度增加至840 mm(至轨面),作为道床集水坑使用,见图2。

上述道床排水设计方案获得给排水设计同意。

3.2.2道床受力检算

由于该区间为特殊减振地段，轨道设计方案需同时满足结构安全和减振达标两个条件。首先计算结构安全，分浮置板道床和基底道床两部分。

1)浮置板道床开孔后受力检算。

采用有限元建立模型(见图3)，进行浮置板应力和裂缝计算。计算参数：B型车(6辆编组)轴重14 t；设计最高速度80 km/h；动荷载系数为2.0。浮置板道床：C40混凝土、HRB400钢筋。

经计算分析，车辆车轮行驶在开孔的两端时，浮置板开孔部分受到的弯矩最大，最大值为161 kN·m ；车辆车轮行驶在开孔部分时，浮置板开孔部分受到的剪力最大，最大值为168 kN。

a.验算应力。

根据《桥规》5.1.3，C40混凝土时候n取8。

故x的二次方程式为：x2+193.27x-32 854.93=0⟹x=108.78 mm。

求内力偶臂：

内力偶臂长：

Z=h0-x+y=233.46 mm。

钢筋受拉应力：

混凝土中的最大压应力：

受压钢筋中的应力：

经过以上检验，钢筋及混凝土受力均满足要求。

b.中性轴处剪应力计算。

c.计算裂缝宽度。

《桥规》中规定可以用下式检验钢筋混凝土矩形结构的开裂宽度：

其中，K1=0.8，K2=1.3，r=1.2。

受拉钢筋的有效配筋率：

满足要求。

2)基底道床受力检算。

隧道壁C50弹性模量3.45×1010N/m2，浮置板和基底混凝土C40弹性模量3.25×1010N/m2，混凝土泊松比取0.2(取自规范GB 50010—2010混凝土结构设计规范)。为减小因边界产生的反射波的影响，隧道边界采用弹簧模拟，刚度2×105N/m。

水沟下部混凝土厚度100 m，此时水沟深度224 mm(至轨面840 mm)。水沟底部，最大应力为758 kPa，位于水沟底部两侧，见图4。

理论计算结果0.758 MPa小于混凝土受拉强度1.7 MPa，且满足规范CJJ8/T 191—2012浮置板轨道技术规范中条文解释第34页，条文3.3.4中“基底除受力要求外，还需考虑排水要求，通常的排水沟深度不宜小于100 mm，且沟底的混凝土厚度不应小于100 mm”的要求。

3)减振性能计算。

分别建立浮置板—隧道模型和整体道床—隧道模型。施加列车荷载，分析在不同频率时不同轨道结构隧道壁振动加速度级。根据计权振动加速度计算公式(1)计算浮置板相对整体道床的Z振级减少量，如表1所示。

计权振动加速度计算公式：

(1)

其中，VL为振动计权加速度级，dB；Li为每个频带的振动加速度级，dB；ai为各个频带的计权因子，dB。

表1 各类区域Z振级标准值

由表1可知，在列车通过时理论计算情况下，所设计的钢弹簧浮置板相对于普通整体道床振动加速度级减少量为19.97 dB，采用HJ 453—2008环境影响评价技术导则[2]标准计权，Z振级理论减少量为15.7 dB，减振效果满足设计和环评要求。

4 结语

随着城市轨道交通工程的日益发展，地下线短区间和复杂地质施工风险大的情况也会逐渐增加，除天津地铁外，北京、宁波等城市地铁也在个别区间取消了联络通道和废水泵房。本文中的道床排水设计特殊点在于区间最低点位于钢弹簧浮置板减振道床，采用中心暗沟排水，方案既要保证列车通过时的轨道结构安全性，又要保证浮置板开孔后的减振效果，同时还得满足运营后的水泵检修。其他城市地铁地下线区间无泵房处道床排水设计可根据工程实际情况，综合比选后参考设计。