西安地铁地裂缝段可快速升降轨道结构研究

常卫华,魏周春,林士财

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

西安地裂缝是一种国内较少见的、特殊地区性地质病害，是以隐伏断裂构造发育为基础，过量开采地下水为诱因，二者共同作用的结果。地裂缝有垂直位移、水平张拉和水平扭动3个方向的活动，其中，以垂直位移最为强烈。地裂缝活动方式为蠕动，主要表现为地裂缝的南侧(上盘)下降，北侧(下盘)上升[1-4]。

西安地铁地裂缝设防段一般铺设可调式框架板，轨道通过在框架板下填充混凝土垫块来实现轨面上调，最大上调量500 mm。但在西安地铁1、2、3、4号线的运营中发现，框架板整体道床轨道结构沉降量过大时，原抬升方案在实操过程中存在诸多弊端，按原方案在抬升过程中4台液压千斤顶不能同步，导致框架板4个角受力不均，严重时导致框架板出现破坏性裂纹，在夜间天窗时间不能按时完成操作等问题。

目前，西安地铁地裂缝设防段均采用上调式轨道结构调整，整体道床仅能单一的调高轨面高程，调整方式单一。

结合地裂缝框架板结构目前存在的不足，研发一种地裂缝段可快速升降的新型无砟轨道，该结构将具有调整功能的支座应用于轨道地裂缝结构，调整措施方便，仅通过调整支座就能实现轨面调整。

1 研究背景

以西安市地铁8号线工程为例，线路全长49.9 km，是西安市首条环线地铁，共穿越15条地裂缝，涉及19个区间，地裂缝共穿越线路25处。与地铁8号线相交的15条地裂缝年活动速率均小于10 mm/a，大多为1～5 mm/a。

地铁8号线王家坟站后与f4地裂缝相交，预计百年内最大垂直位移为300 mm。若采用传统的上调式轨道结构，地裂缝调线调坡段与7号、8号线联络线道岔冲突，如图1所示。为避免地裂缝调线调坡段与联络线道岔冲突，实现联络线功能，f4地裂缝调线调坡段需调整到地裂缝下盘(地裂缝北侧)[5-6]，需研发新的下调式轨道结构，即随着地裂缝变形的发生，轨道结构通过一定措施来降低轨面高程，最大下调量需达到300 mm。

2 研究现状

西安地铁地裂缝设防段一般地段及与中等减振重合地段采用可调式框架板结构；地裂缝设防段与高等减振重合地段采用梯形轨枕[7]；地裂缝设防段与特殊减振重合地段采用减振垫碎石道床结构[8]。

2.1 可调式框架板结构

可调式框架板轨道结构由钢轨、弹性分开式扣件、预应力混凝土框架式轨道板、板下可调支座、侧向限位橡胶垫、钢筋混凝土挡台及混凝土基础等组成，如图2所示，理论上最大高程调整量500 mm[9-12]。

图2 可调式框架板轨道

框架板轨道调高主要通过调高垫块来实现，调高垫块方式分为2种：厚50 mm塑料调高垫板及厚100 mm预制钢筋混凝土调高垫块，每次调整量为50 mm。当调高量不足50 mm时，采用扣件调高垫板及加厚铁垫板，当调高量为50 mm的整数倍时，采用塑料调高垫板，当调高量累计达到100 mm的整数倍时，撤出塑料调高垫板，采用预制钢筋混凝土调高垫块，如图3所示。塑料调高垫板最多只设1层，调高量超过200 mm后，其下采用预制钢筋混凝土调高垫块层叠。

图3 调整大于100 mm时的可调框架板道床

2.2 梯形轨枕

梯形轨枕为预制钢筋混凝土纵梁支撑轨道结构，由预应力纵向长梁和钢轨形成复合轨道，两个纵向长梁中间用钢管连接形成框架，在预应力纵向长梁下设置弹性聚氨酯支垫，使其浮于混凝土基础之上，如图4所示，属轻型化浮置板轨道结构[13]。

图4 梯形轨枕

梯形轨枕与框架板式轨道的调整方式类似，通过抬升轨枕后，在弹性垫板下部垫高或者灌注砂浆袋，可方便地实现所需的大调高量。该结构即可满足调整需求，又可实现高等减振效果，适用于地裂缝高等减振段。

2.3 减振垫碎石道床结构

有砟道床由于采用散体道砟，便于校正线路平纵断面，能充分适应活动断层的变形。轨道不平顺可通过抬道或落砟、捣固枕下道砟加以找平，轨道方向错乱可通过拨道予以调整，其施工及调整相对整体道床而言较为简单。

有砟道床方案的不足之处在于轨道几何形位不易保持且维修量较大，在前后均为无砟轨道的情况下插入较短的有砟轨道，运营期间将产生线路局部不平顺，养护维修困难，且有砟轨道与整体道床之间刚度差异大，需设弹性过渡段，从而导致轨道结构的弹性过渡频繁。

目前，国内地铁活动断层处采用下调式轨道结构工程实例较少，因此，研究新型下调式轨道结构十分必要，该结构可使地裂缝调线调坡段位于下盘，为线路方案提供更多选择[14-19]。

3 可快速升降轨道结构

3.1 轨道结构组成

轨道结构包括钢轨、扣件、框架式轨道板、支座及调整层等，如图5～图7所示，钢轨顶面高程可达到0～-300 mm的无级调整。该结构可满足轨道交通日常运营的各项功能需求，当基础工程发生大变形后，支座上带有蜗杆涡轮驱动螺纹调高结构，通过人工或电机对蜗杆驱动，蜗杆拨动涡轮，涡轮与螺套一起旋转带动螺杆在螺套内做垂直上下运动，进而实现结构的无级高度调整。在不影响正常运营的条件下，利用铁路运营天窗时间完成维修工作。

图5 可快速升降轨道结构

图6 轨道结构横断面

图7 可快速升降轨道结构平面

3.2 框架板

框架式轨道板为钢筋混凝土结构，框架板上预留空间需确保进行板下支座的操作、维护，横向两侧设有用于限制纵横向位移的限位凸台，嵌入两侧混凝土基础中，限制轨道板的纵向爬行，如图8所示。

图8 钢筋混凝土结构框架轨道板

3.3 支座

支座应达到如下技术指标和参数。

(1)支座通过人工或电动方式，可实现无级调整。

(2)支座调整范围+10 mm～-300 mm。

(3)在有限时间和空间的前提下形成一套快速安装调整更换技术方案。

支座的可调支撑设计由两部分组成，由上至下分别为大转角抗拉球型支座结构、蜗杆涡轮驱动螺纹调高结构，如图9所示。

图9 可快速升降轨道结构支座

支座的可调支撑设计具体作用如下。

(1)大转角抗拉球型支座结构，采用改性超高分子量聚乙烯滑板的球型支座结构，实现整体结构的支撑力传递和水平方向的限位及水平力传递，适应线路高度调整引起的大转角应变，适应轨道板结构在温度作用下的应变位移，在抽出垫板时起到上下连接的作用。

(2)蜗杆涡轮驱动螺纹调高结构，通过涡轮与螺套一起旋转带动螺杆在螺套内做垂直上下运动，蜗杆涡轮选用自锁结构，输入旋转停止即蜗杆涡轮停止转动，确保螺杆在任一调整位置不会因上部荷载作用而运动；此外，在螺套上部设置有自锁式偏心螺母，高度调整前解锁螺母，调整结束后锁紧螺母，确保机构的二次锁紧状态。上部荷载通过螺杆直接传递给螺母，然后传递至底板及下部结构，确保在非调整运营期蜗杆涡轮不承受竖向荷载的任何分力，确保机构正常荷载的传递。

支座已通过室内竖向承载力试验测试，在最大竖向荷载450 kN作用下，竖向变形仅0.96 mm，结构满足安全性要求。

3.4 轨道结构调整方案

基础工程出现变形后，应根据变形量大小及形态选择对应的调整方案。轨道结构的高低调整分两种情况。

(1)日常维护中通过扣件系统调整。

(2)当基础变形超过扣件的调整量，采用安装在框架板下的涡轮驱动式支座调整高低。支座调整可采用人工或电动方式，调整范围+10～-300 mm。目前，该支座已完成初步方案的试制、试验工作，支座调整措施方便，承载力满足功能需求。

框架板两侧设置2层厚150 mm混凝土，层与层之间设土工布隔离，待下降到一定高度，拆除混凝土层，保证满足限界要求。

4 结语

可快速升降轨道结构将可调整支座与轨道板结合，研发了地裂缝下调式轨道结构，由单一的上调式轨道升级为上、下均可调整的轨道结构，调整量可根据地裂缝最大变形量进行定制，该结构总结了地裂缝段既有轨道结构的优点，克服了调整困难、养护不便等缺点，同时解决了西安地铁8号线工程中的建设难题。

在后续地铁建设中，可快速升降的轨道结构可使土建结构预留的地裂缝垂向设防位移减半，优化土建结构断面大小，节省工程投资，为后续轨道交通穿越地裂缝段结构设计提供依据。