城市轨道交通地下线预制板式轨道研究及应用

郑 强

(中铁上海设计院集团有限公司， 200070， 上海∥高级工程师)

城市轨道交通无减振要求地段一般采用现浇无砟道床。自20世纪90年代以来，随着国内轨道交通的迅猛发展，城市轨道交通无砟道床的施工工艺已形成较为完备的施工作业体系。由于施工配套方案仍基于90年代的轨道铺设工艺及精度要求，且受到轨道交通隧道内、高架桥等施工作业空间的限制，因此存在铺轨测设精度不高、以小型机械为主、大量依靠人力施工、施工精度较难保证、运营后养护维修量较大等不足。目前，高铁轨道的新技术已应用在板式轨道的设计和施工上，主要体现在精密测量、制作质量、先进的成套设备、轨道精调等方面，其无砟轨道结构形式主要包括了CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ三类。其中，CRTSⅠ、CRTSⅡ板采用CA砂浆层进行调整，施工要求较高，且耐久性不足；CRTSⅢ板采用自密实混凝土，便于施工，且环境适应性及耐久性较好。本项目在高铁CRTSⅢ型板的基础上研发适用于城市轨道交通的预制板式轨道，以提高城市轨道交通的铺设质量[1-3]。

1 结构设计

城市轨道交通预制板式轨道结构由钢轨、扣件、预制轨道板、自密实混凝土调整层、限位结构(门型筋+凹槽)、中间隔离层和钢筋混凝土基底组成。轨道板采用单元分块式结构，为无挡肩钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C50，非预应力结构。根据限界及轨道板的特点，本文针对表1中的尺寸进行研究。

表1 轨道板尺寸比选方案 m

通过如图1所示的静力学分析得出结论：轨道板长度较大，扣件间距较小时受力情况较好；宽度增加时应力及弯矩均变小；随着厚度的增加，轨道板所受应力减小，弯矩增大。通过限界分析，轨道板宽度取2.3 m时满足限界要求，取2.4 m时轨道板可能碰到隧道壁，处于临界值，如图2所示。

图1 单块轨道板受力图

图2 限界分析

考虑曲线地段矢距变化的影响，采用半矢距方法(见图3)进行轨道板定位，按其第二组扣件和倒数第二组扣件中心线与线路中心线重合布置。选择长度3.5、4.7、5.9 m轨道板进行计算，其中，5.9 m轨道板扣件矢距变化量较大，需要设计两种曲线板，3.5 m和4.7 m只需要设计一种曲线板。

图3 曲线地段矢距变化分析(采用半矢距法)

综上，选择标准轨道板长度为4 700 mm，宽度为2 300 mm，厚度为200 mm。轨道板与基底间设置自密实混凝土，即自密实混凝土结构调整层强度等级为C35，厚度为80 mm，采用单层钢筋网配筋设置。其结构设计如图4所示：自密实混凝土与基底间设置中间隔离层，采用4 mm聚丙烯无纺土工布；基底为C35混凝土结构；轨道板下设门型筋，基底采用双凹槽方案，凹槽长宽深尺寸为700 mm×400 mm×80 mm[4]。

图4 城市轨道交通预制板式轨道结构设计图

2 计算分析研究

2.1 静力仿真计算

2.1.1 计算参数

采用地铁A型车参数，相邻两车两个转向架位于相邻两块轨道板时的最不利工况；车辆转向架轴距为2.5 m，转向架中心距为15.7 m，相邻两车转向架轴距为3.9 m；当速度v=120 km/h时，单个动轮载F=14 t；ANSYS有限元模型的轨道长度L=50 m，钢轨两端自由[5]。

建立梁-板-体模型，钢轨采用弹性点支撑无限长Euler梁，扣件采用线性点支撑弹簧单元，轨道板采用板壳单元，自密实混凝土采用线性弹簧单元，基底采用三维实体模型。其中，扣件刚度K=4×107N/m，轨道板及基底弹性模量E=34.5 GPa，泊松比为0.2，密度为2 500 kg/m3，自密实混凝土刚度K=15.6×107N/m，基底全约束。

2.1.2 计算结果

位移：在轨道板自重、车辆荷载作用下，钢轨最大位移为1.466 mm，轨道板最大位移为0.020 mm。

应力：钢轨承受最大应力为218 MPa，轨道板承受最大应力为0.87 MPa。

弯矩：沿线路纵向轨道板最大弯矩为9.194 (kN·m)/m，沿线路横向轨道板最大弯矩为5.936 (kN·m)/m。

由计算结果可知，钢轨位移、轨道板受力均在合理范围内(见图5)。

2.2 轨道板强度检算

轨道板按C50混凝土参数计算，轨道板纵向上下层各配16根直径为14 mm的HRB400钢筋，横向上下层各配32根直径为14 mm的HRB400钢筋。

图5 静力仿真分析位移、应力、弯矩结果

1) 轨道板纵向强度检算。

45.757 (kN·m)/m>9.194 (kN·m)/m

式中各符号含义参见文献[6]。

2) 轨道板横向强度检算。

37.712 (kN·m)/m>5.936 (kN·m)/m

3) 轨道板纵向裂缝检算。

0.051 mm<0.200 mm

式中各符号含义见文献[6]。

4) 轨道板横向裂缝检算。

0.069 mm<0.200 mm

经检算，轨道板强度及裂缝均符合要求。

此外，进行了小半径曲线地段温度荷载作用下的强度检算，分多种工况进行有限元分析。第一种工况，轨道板体系自重+列车动荷载；第二种工况，施加温度荷载，铺轨温度20 ℃，环境温度升温至40 ℃，即轨道板体系自重+整体升温20 ℃；第三种工况，组合第一、第二种工况，即轨道板体系自重+列车动荷载+整体升温20 ℃，如图6所示。

图6 小半径曲线地段温度荷载作用下的强度检算

在第三种工况下，轨道板上表面板端中部变形最大为0.25 mm，自密实混凝土表面变形为0.12～0.17 mm，下层变形为0.020～0.095 mm，凸台变形为0.095 mm，变形均较单纯升温工况小。轨道板最大等效应力在套管处约为14.000 MPa，板中为6.430 MPa，板端为2.144 MPa；自密实混凝土上表面应力为4.28～8.57 MPa，自密实混凝土下表面应力为4.28～15.00 MPa，凸台局部最大为12.8 MPa，基底为4.28～15.00 MPa，弹性垫板为2.15 MPa。综上，考虑隧道内温差不会超过20 ℃，本次轨道板体系应用于地下小半径曲线地段时，强度满足安全性要求。

2.3 基底凹槽强度检算

自密实混凝土与基底按C35混凝土参数计算，基底混凝土凹槽周围采用厚度为8 mm、弹性模量为6 MPa的橡胶材料，凹槽受到的温度力Ft由以下方程解出：

式中：

EC——混凝土弹性模量；

αC——混凝土线膨胀系数；

ΔT——轨道板与基底的温差；

B——轨道板宽度；

h——轨道板及自密实混凝土厚度；

t——凹槽周围橡胶材料厚度；

Ex——凹槽周围橡胶弹性模量；

Ax——凹槽周围橡胶材料面积；

ΔL——两凹槽间距离[7]。

经计算，温度力Ft为

Ft=20.027 kN

纵向力Fz为

Fz=nf

式中：

N——单块板扣件个数；

f——单个扣件纵向阻力。

凹槽混凝土纵向应力σz为

由计算结果可知，双凹槽结构+橡胶垫层满足混凝土受力及结构构造要求。

2.4 计算结论

本文对预制轨道板的关键技术进行了计算分析，得出以下结论：① 在上海A型车辆荷载作用下，钢轨最大位移为1.466 mm，预制轨道板最大位移为0.020 mm，钢轨承受最大应力为218 MPa，轨道板承受最大应力为0.87 MPa，沿线路纵向轨道板最大弯矩为9.194 (kN·m)/m，沿线路横向轨道板最大弯矩为5.936 (kN·m)/m，各项指标均在合理范围内。② 预制轨道板的纵向裂缝为0.051 mm，横向裂缝为0.069 mm，裂缝检算合格。③ 预制轨道板的双凹槽结构+橡胶垫层可满足混凝土受力及结构构造要求。

3 室内试验

3.1 静载试验及螺栓抗拔力试验

对轨道板进行了双轴静载试验和单轴静载试验，分析轨道板应力强度和轨道板垂向位移。

3.1.1 双轴静载试验

加载方式：试验前，板底预先灌注自密实混凝土，当形成设计需要的复合板结构试验时，用砂浆把轨道板和试验平台找平。

荷载分级：320 kN,480 kN,640 kN,800 kN,960 kN。

测点布置：在板长的1/2位置(板中)和两端顶面贴纵向应变片(共6点)，在板两侧尽量靠近板底线处贴纵向应变片(共6点)，在板两侧1/2高度处贴压应变片(共6点)，共18个应变测点，如图7所示。

试验结果如下：① 各级荷载作用下，混凝土压应力最大值为0.24 MPa，出现在960 kN荷载作用下的2′测点处，远小于混凝土极限抗压强度33.5 MPa。② 轨道板垂向位移随着荷载的增大而增大，当荷载加载至960 kN时，垂向最大位移为0.2 mm左右。不同荷载级差，位移级差的值也不相同，也即荷载和位移曲线并非线性关系。

a) 加载位置

b) 测点布置

3.1.2 单轴静载试验

加载方式：加载点与双轴静载试验不同，其余相同。荷载分级和测点布置同双轴试验，如图8和图9所示。

图8 单轴静载试验加载位置

图9 单轴静载试验测试照片

试验结果如下：① 各级荷载作用下，混凝土压应力最大值为0.59 MPa，出现在480 kN荷载作用下的2测点处，远小于混凝土极限抗压强度33.5 MPa，故仅对混凝土拉应力进行分析。混凝土应力基本都随荷载的增大而增大。在各级荷载作用下，混凝土纵向拉应力均小于极限抗拉强度(3.1 MPa)，都处于较低的应力水平。② 轨道板垂向位移随着荷载的增大而增大，当荷载加载至960 kN时，垂向最大位移为0.2 mm左右。不同荷载级差，位移级差的值也不相同，也即荷载和位移曲线并非线性关系。

3.1.3 板面裂纹状态观察

双轴静载试验和单轴静载试验，在整个加载试验过程中，轨道板均未出现裂纹。

3.1.4 螺栓抗拔力试验

本次试验随机测试3个螺栓套管(见图10)，施加荷载至60 kN时，套管周围混凝土表面未见裂纹及剥离现象；继续施加荷载至70 kN时，混凝土表面仍未出现裂纹和剥离现象。

图10 螺栓抗拔力测试照片

3.2 疲劳试验

加载方式：室内模拟单轴加载工况，在最不利情况下(板中截面受力20～160 kN)进行300万次疲劳试验，检验轨道板是否开裂以及测试轨道板位移，如图11所示。

图11 疲劳试验现场照片

试验结果如下：① 轨道板垂向位移最大值为0.15 mm，认为是由于板底不平和基底铺设土工布所产生的特殊值。② 随着加载次数的增加，不同测点的变化趋势不尽相同，但变化幅度均较小。③ 疲劳荷载20～160 kN，经过300万次作用，轨道板上无裂纹出现。

4 制造工艺

轨道板主要制造工艺：钢筋骨架制作，按照设计图纸尺寸制作钢筋绑扎模具，确保钢筋笼的组装精度；模型清理、合模，喷隔离剂；安装预埋套管，起吊套管、螺旋筋，观察孔埋件；骨架入模，用专用软索吊具将绑扎好的钢筋骨架吊入模型；混凝土灌注、振动，混凝土静停；轨道板的蒸汽养护，轨道板脱模，轨道板养护，轨道板外观质量检测[8]。

5 施工工艺

5.1 主要施工工艺流程

轨道板为专项设计的标准定型产品，采用工厂化预制，加工成型的成品轨道板通过汽车运输至铺轨基地并存储；在铺轨基地内采用桁车将预制轨道板吊装至轨道平板车上，轨道车运输至施工作业面，隧道内施工作业面采用轨道式铺轨门吊进行轨道板吊运、铺设及初步就位作业；采用轨道基础控制网、配套测量系统及工装设备进行轨道板几何位置调整；固定轨道板位置，在铺轨基地设置小型自密实混凝土拌合站，采用轮轨式搅拌车运输自密实混凝土作业面，进行自密实混凝土层灌注施工，安装线路钢轨扣件等作业，预制板基底混凝土施工(即隧道仰拱回填)提前于轨道板铺设前完成[9]。

5.2 主要分项工序

5.2.1 板式轨道基底施工(隧道仰拱回填)

板式轨道基底施工测量，基底清理，板式轨道基底钢筋绑扎，基底结构缝模板安装，基底限位凹槽模板的安装，基底混凝土施工，基底整修及清理。

5.2.2 轨道板铺设前的施工

轨道板位置的测量放线，曲线地段轨道板的布板方案，土工布隔离层的铺设，弹性垫层的粘贴施工，铺设钢筋网片。

5.2.3 轨道板存储、运输及铺设

轨道板的铺轨基地存储，轨道板的运输，轨道板的铺设及初步就位[10]。

5.2.4 轨道板的精调及固定

全站仪设站定向，轨道板调节器的安装及精调，测量位移百分表的安装，封边模板与扣压支架(反力架)的安装，防上浮支架(反力架)的设计及计算。

5.2.5 自密实混凝土灌注

自密实混凝土灌注准备及检查，自密实混凝土拌制及运输，自密实混凝土灌注工装设备的拆除及自密实混凝土养护。随着预制轨道板的应用推广，推动了配套施工装备的逐步更新，出现了轮胎式铺板机等新型设备。

6 结语

本文系统、全面地介绍了上海轨道交通预制轨道板的总体设计方案、主要计算指标、室内试验、轨道板制造工艺及施工工艺，得出以下结论：① 在地铁A型车辆荷载作用下，预制轨道板系统的钢轨位移、轨道板位移和应力各项指标均在合理范围内。② 预制轨道板双凹槽+橡胶垫层结构满足混凝土受力及结构构造要求，轨道板裂缝检算合格。③ 预制轨道板双轴静载试验、单轴静载试验、螺栓抗拔力试验及疲劳试验结论显示，轨道板位移和应力各项指标均在合理范围内。④ 预制轨道板的制造工艺、施工工艺成熟可靠。⑤ 预制轨道板的应用将显著提高轨道施工质量，改善施工条件，给城市轨道交通带来巨大的促进作用。通过铺设高精度轨道，可减小轨道的养护维修工作量和延长轨道的使用寿命，具有较为明显的社会效益和经济效益。