公铁两用隧道地铁泵房段轨道梁设计

张珍珍

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

武汉市轨道交通7号线一期工程三阳路公铁两用过长江隧道，采用双孔盾构隧道公路与轨道交通合建方案，隧道长度约2 590 m，隧道内径13.9 m，隧道上层间为公路3条车道，下层为轨道交通7号线及电缆廊道、排烟道和逃生通道等；轨道交通7号线设计速度80 km/h(远期预留100 km/h)，6A型车辆编组，接触轨供电[1-3]。

公铁两用过江隧道轨道交通线路纵向采用“V”形坡，废水泵房设置在隧道最低点。废水泵房所处断面上半部埋置在粉细砂层，下部埋置在弱胶结砾岩层中，承压水头高度约63 m。由于盾构半径大，地质条件复杂，采用常规的两盾构间联络横通道方式设置废水泵房，存在江底高水压下施工涌水、涌砂的高风险[4-6]。为保证工程安全性、适用性和耐久性，提出利用轨道梁间空隙作为废水泵房集水池方案。

2 地铁泵房段轨道梁技术方案

2.1 总体方案

公铁两用过江隧道轨道交通废水泵房通过将一般整体道床沿线路纵向一定长度设置成轨道梁结构，利用轨道梁将轨行区分隔成的3个空间作为集水池，即轨道梁与隧道壁间、两根轨道梁之间的空间，同时利用连通器原理在轨道梁内埋设连通管，将3个空间进行连通以满足给排水有效容积要求，如图1所示。

图1 过江隧道废水泵房段轨道梁设计

废水泵房段轨道梁沿线路纵向长度为10 m，宽度905 mm，高度725 mm；轨道梁横断面如图2所示。轨道梁范围隧道管片设置3个700 mm×700 mm×250 mm的下沉集水坑，对应每个隧道下沉集水坑位置设置自吸排水泵，自吸排水泵将轨行区废水抽至隧道一侧废水泵房内，再通过隧道工作井排出。

图2 轨道梁横断面(单位：mm)

2.2 设计关键技术

过江隧道废水泵房轨道梁结构，由于所处环境与结构特点区别于一般整体道床，设计中考虑的关键技术包括以下3方面。

(1)轨道梁的横向稳定性，考虑到两片轨道梁为独立结构，相互之间无横向联系，且与两侧隧道壁无接触，在列车水平荷载作用下，应采取措施保证轨道梁的结构稳定性，确保列车水平荷载的有效传递[7]。

(2)轨道梁结构设计及耐久性设计，轨道梁相比一般满铺式整体道床对道床面进行了削弱，且长期处于潮湿环境，因此应针对轨道梁进行受力分析及结构设计。

(3)轨道梁与隧道、给排水、接触轨、杂散电流的专业接口相比普通整体道床有一定区别，应做好接口设计；此外，轨道梁间空隙较大，设计中应采取措施确保运营养护期间人员的安全防护。

3 轨道梁稳定性设计分析

3.1 主要技术措施

为保证轨道梁的结构稳定性，轨道梁设计采取如下措施。

(1)为保证废水泵房处道床的整体性，轨道梁与前后约1.4 m的整体道床作为一个道床块进行整体设计，即10 m废水泵房段采用短轨枕承轨式轨道梁，两侧1.4 m采用一般满铺式整体道床，整个道床内纵向钢筋贯通设置，可以保证整体道床纵向连续性以确保结构的纵向稳定性。

(2)轨道梁之间设置横梁提高两轨道梁的横向稳定性，2根轨道梁之间共设置6根300 mm(宽)×200 mm(高)的横梁。

(3)轨道梁与隧道管片之间采用植筋锚固方式以确保轨道纵横向荷载能够有效传递至隧道结构。

轨道梁平纵断面布置如图3所示。

图3 轨道梁平纵断面布置(单位：m)

3.2 植筋设计检算

轨道梁与隧道管片的植筋设计考虑的列车纵横向荷载按照GB50157—2013《地铁设计规范》，具体包括列车横向摇摆力、曲线列车离心力、无缝线路钢轨力、列车牵引制动力。计算条件为：线路坡度为17.338‰，曲线半径1 200 m；7号线采用A型车，轴重160 kN，轴距2.5 m。

(1)列车横向摇摆力：按相邻两节车4个轴轴重的15%计，即160 kN×4×0.15=96 kN。

(2)曲线列车离心力

式中P——列车垂向荷载；

V——列车速度；

R——曲线半径。

(3)无缝线路钢轨力：线路纵向阻力按24 kN/m/轨计，即10 m泵房范围内无缝线路钢轨力为24 kN/m/轨×10 m=240 kN/轨。

(4)列车制动力或牵引力按列车竖向静活载的15%计，即160 kN/2×4×0.15=48 kN/轨。

(5)轨道梁纵横向荷载合力为546 kN。

管片植筋采用φ16 mm HRB400级钢筋，锚固深度125 mm，每根钢筋抗剪承载力设计值为34.6 kN，据此计算每根轨道梁的植筋数量为17根φ16 mm HRB400级钢筋。

4 轨道梁结构设计

4.1 设计荷载及受力分析

过江隧道内废水泵房段轨道梁结构设计考虑列车荷载及混凝土收缩变形。

图4 轨道梁“梁-体”有限元分析模型

列车荷载作用下的轨道梁结构受力采用梁-体有限元实体模型进行分析，其中钢轨采用弹性点支撑梁，扣件采用线性弹簧，轨道梁采用实体模型，基础支承采用面弹簧模拟。为消除边界效应，取轨道梁及前后2块道床板进行分析，如图4所示。地铁车辆A型车轴重160 kN，轴距取为2.5 m，定距15.7 m；竖向列车荷载动载系数按照2.0取值，列车竖向设计荷载160 kN。扣件垂向刚度为30 kN/mm，隧道支承刚度1 200 MPa/m[8-11]。列车荷载按照分别作用于轨道梁梁端和梁中进行分析，取最不利工况，列车荷载作用下轨道梁的单位长度的弯矩如表1所示。

表1 列车荷载作用下轨道梁的弯矩 kN·m

轨道梁混凝土收缩变形影响按照等效降温10 ℃考虑[12-13]。轨道梁降温10 ℃时的纵向拉应力为

σw=Ec·at·ΔTc=3.4 MPa

式中Ec——轨道梁混凝土的弹性模量；

at——混凝土的线膨胀系数；

ΔTc——温度变化幅度。

4.2 结构配筋设计

为使轨道梁在设计使用年限内满足结构强度及耐久性要求，应对轨道梁在设计荷载即列车荷载及混凝土收缩的作用下完成结构配筋设计，进行钢筋应力和裂纹宽度的检算。

轨道梁在列车荷载和混凝土等效降温作用下主要承受弯矩和轴向拉力，采用HRB400级钢筋，C40混凝土，钢筋保护层厚度40 mm，设计检算中裂缝宽度按照0.2 mm进行控制。轨道梁的配筋及钢筋应力、裂缝宽度检算结果见表2[14-19]，其中纵向配筋为轨道梁宽度范围，横向配筋为每个枕跨范围。

表2 轨道梁结构配筋设计

根据上述计算结果，为满足钢筋应力、混凝土裂缝宽度要求，轨道梁纵向钢筋配筋率应不小于0.25%，横向钢筋配筋率不小于0.2%，同时考虑轨道梁高度725 mm，应在轨道梁的两个侧面设置纵向构造钢筋。

5 相关接口设计

废水泵房段轨道梁与相关专业的接口设计主要包括与隧道、给排水系统、杂散电流、接触轨等专业的接口，以及后期运营期间的安全防护。

(1)与隧道专业的接口设计，为保证轨道梁与隧道管片的有效连接，需在隧道管片设置连接钢筋，连接钢筋通过植筋胶植入隧道管片，植筋之前应结合主筋探测情况及管片内弧面上的主筋定位标识，严禁伤及钢筋。

(2)与给排水系统的接口设计，为保证轨道梁间3个空间的连通，应在轨道梁内埋设连通铸铁管；废水泵房段给排水专业通过抽水泵管伸入隧道管片预留下沉集水坑将轨道梁间废水排走，抽水管直径100 mm，轨道梁在梁表面对应下沉集水坑位置预留横向150 mm宽，130 mm高的沟槽以便于抽水管的安放；此外，为避免废水泵房段存在淤堵，在泵房段上游道床中心水沟设置沉沙坑。

(3)与杂散电流防护的接口设计，为提高轨道绝缘性能，废水泵房段轨道梁除满足一般道床扣件绝缘、道床面低于钢轨底面最小值为70 mm、利用道床结构钢筋作为排流钢筋外，还应满足隧道管片植筋采用环氧涂层钢筋，且施工中植筋与道床钢筋不得连接；此外，作为轨道梁间连通管的预埋铸铁管应进行涂刷绝缘漆[20]。

(4)与接触轨专业的接口设计，本工程采用接触轨供电方式，接触轨采用一体化轨枕安装技术，由于废水泵房段轨道梁宽度仅900 mm宽，因此在泵房段范围不设置接触轨加长枕，接触轨在该10 m范围进行局部断开。

(5)运营期间养护维修人员安全防护，由于轨道梁间空隙较大，运营期间养护维修存在较大安全风险，因此，在轨道梁与隧道壁、两轨道梁间设置盖板以便于人员通行。

6 结论

本文提出了公铁两用大盾构过江隧道地铁废水泵房段利用轨道梁间空隙作为集水池时轨道梁设计的关键技术，并通过计算分析，得出如下结论。

(1)轨道梁作为地铁废水泵房集水池，长期处于潮湿环境，其断面相比一般整体道床进行了削弱，与两侧隧道壁无接触，独立受力，结构稳定性、耐久性要求均区别于一般整体道床。因此，在轨道梁设计中应考虑轨道梁的整体性和稳定性、结构强度及耐久性设计、相关专业接口设计。

(2)针对轨道梁稳定性差的特点，提出将轨道梁与相邻两侧一定长度范围的满铺式整体道床作为整块道床设计，以保证结构整体性；通过在轨道梁间设置横梁增加横向稳定性；采用隧道管片植筋方式保证轨道梁纵横向荷载的有效传递。

(3)采用“梁-体”有限元模型对列车荷载作用下的轨道梁进行了受力分析，考虑列车荷载、混凝土收缩作用影响进行轨道梁的结构配筋设计；轨道梁纵向钢筋配筋率应不小于0.25%，横向钢筋配筋率不小于0.2%，同时应设置纵向构造钢筋。

(4)考虑轨道梁与一般整体道床的结构差异，细化完成与隧道、给排水、杂散电流、接触轨等相关专业的特殊接口设计。