基于速度分级的粤港澳大湾区装配式轨道关键技术研究

林志元 杨 松

(1.广州地铁集团有限公司，广州 510330； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

2019年，国务院发布了《粤港澳大湾区发展规划纲要》，粤港澳大湾区建设成为国家战略[1-3]。建立不同功能定位、不同速度等级互联互通的轨道交通是支撑和促进粤港澳大湾区发展的重要举措。根据粤港澳大湾区轨道交通规划，到2035年，将建成线路总长超过2 000 km的“市域高速轨道+地铁快线+地铁普线”的多层次轨道交通网络[4]。

目前，城市轨道交通轨道结构一般采用轨枕埋入式整体道床，道床混凝土采用现场浇筑，现场施工作业量大，施工质量不易控制，轨道铺设精度低，不符合粤港澳大湾区轨道交通高质量发展的需要。而装配式轨道具有工程质量高、现场作业量小等优点，符合国家预制化、装配化的政策要求，是轨道交通轨道工程技术的发展趋势[5-7]。

鉴于不同设计速度、不同类型的轨道交通从功能定位、服务范围、技术标准、运营组织等方面存在较大差异，装配式轨道技术方案既不能照搬高速铁路的经验，也不能完全按照地铁的既有经验。因此，开展适应于粤港澳大湾区速度80～250 km/h轨道交通的装配式轨道技术体系研究很有必要。

2 装配式轨道应用现状

轨道交通装配式轨道应用较多的城市有上海、深圳、广州等，虽然各地的装配式轨道在结构组成、尺寸、材料上略有差别，但归纳起来，其基本结构均是基于高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道，再结合各地工程特点和功能需求改进而来[8-11]。根据限位结构的不同，既有装配式轨道的结构型式可分为凹槽型限位和凸台型限位，横剖面见图1。

图1 既有装配式轨道横剖面

两种装配式轨道均由钢轨、扣件、预制轨道板、土工布隔离层、砂浆调整层、底座等组成，不同的是，凹槽型限位是在底座上开设凹槽，凸台型限位是在轨道板上开设圆孔，砂浆层分别灌注于其中，从而形成限位结构，以约束轨道的纵向和横向位移。由于凸台型限位为外露结构，方便观察限位结构状态，并且避免了施工时限位凹槽积水等问题，有利于施工及养护维护，故凸台型限位结构近年来应用较多。

对既有装配式轨道应用情况进行调研，总结其在工程应用中存在的问题，详见下述。

(1)80～250 km/h速度范围的装配式轨道技术目前仍不成体系

目前，各地装配式轨道的应用通常局限于地铁普速线，如上海和深圳均在各自的地铁线网中推广使用装配式轨道，但对市域线、城际线等高速线的应用尝试较少。因此，从涵盖不同速度等级、不同类型制式的综合性轨道交通线网来看，装配式轨道的应用还缺乏统一性和标准化。

(2)建设及运营期间病害较多

图2 既有装配式轨道结构伤损

轨道板、砂浆层、底座常常发生裂纹、破损、掉块等伤损，见图2[12-13]。其主要原因除施工质量控制不良外，也有如下因素：轨道板与下部结构之间起隔离作用的土工布缺乏弹性，上下结构层之间为刚性接触，并且土工布的隔离效果较差，在下部基础变形和温度作用下，上下结构层之间的位移不能及时释放，从而造成应力集中。

(3)对地电阻值降低快，绝缘保持能力弱

某城市运营线路钢轨对地电阻测试结果见表1，可以看出，运营后轨道对地电阻值降低快、保持能力弱，并且开通时间越长，轨道对地电阻值越小，造成杂散电流泄露[14-15]。

表1 某城市运营线轨道对地电阻测试结果

(4)扣件调节余量不足

既有曲线地段的线形调整多采用“以直代曲”的调整方式(见图3)，包含圆曲线的矢距偏移和缓和曲线地段超高顺坡的高差调整(缓和曲线地段也需要调整矢距偏移)，均通过扣件调整消除，这种调整方法导致建设期就占用较大的扣件调整量，留给运营期的调整量较小，不利于养护维修，且轨道铺设精度也较低。

图3 既有“以直代曲”的线形调整方式

(5)自密实混凝土指标要求高

既有调整层采用自密实混凝土，流动性指标要求较高，施工调配不便，且价格偏高[16-17]。

3 速度等级划分

粤港澳大湾区规划建设的轨道交通设计速度涵盖80～250 km/h。鉴于不同设计速度下的轨道交通在车辆轴重、速度系数、线路条件、供电制式、土建条件等轨道设计接口内容存在较大差异，对装配式轨道的要求也随之不同。为便于装配式轨道设计和研究，使其既能满足不同条件下工程建设的需要，又能达到技术经济性最优，有必要对设计速度80～250 km/h进行速度等级划分。

速度等级划分考虑不同速度级下装配式轨道的设计荷载、土建轮廓、供电制式、信号制式、线路条件等影响因素，按照影响因素较为接近的原则进行速度等级划分。对广州都市圈轨道交通各典型线路的技术参数进行归纳统计，见表2。

表2 广州都市圈轨道交通典型线路技术标准统计

由表2可以看出，以广州地铁3号线、7号线、13号线、21号线等为代表的普速地铁线路，设计速度为80～120 km/h，车辆采用地铁A型车或B型车，供电制式采用直流供电，盾构管片也采用相同的内径，信号系统采用计轴，最小曲线半径250～350 m。鉴于该速度范围内影响装配式轨道的主要技术标准基本一致，故将设计速度80 km/h

设计速度160 km/h的线路以广州地铁18号线和22号线为代表，车辆采用市域D型车，供电制式采用交流供电，盾构内径增大至7.7 m，信号系统采用计轴，不限速情况下最小曲线半径1 300 m。广州地区尚无设计速度140 km/h的线路，参照成都地铁18号线等相关案例，其技术标准参数与160 km/h较为接近。故将设计速度120 km/h

设计速度200 km/h的线路以莞惠、广清等珠三角城际铁路为代表。车辆采用CRH6型城际动车组，供电制式采用交流供电，隧道类型为大断面的山岭隧道，信号采用轨道电路，不限速情况下最小曲线半径2 000 m。设计速度250 km/h已属于高速铁路范畴，工程主要技术标准按高速铁路设计，动载系数、轨道接口条件等均与设计速度200 km/h较为接近。故将设计速度160 km/h

综上，速度等级划分及各速度级下主要技术标准见表3。

表3 速度等级划分及主要技术参数

4 装配式轨道关键技术和结构设计

基于凸台型限位装配式轨道结构，针对既有应用中存在的问题，提出一种高平顺、高绝缘、环保型的新型装配式轨道技术方案，以解决既有问题，提高建设品质。主要通过在轨道板下设置微弹性层、改进线形调整方法、研发新型自填充混凝土配合比3个方面对既有结构进行优化，并进行标准化设计，形成速度80～250 km/h三个速度等级的装配式轨道结构体系。

4.1 板下微弹性层

在轨道板下粘贴微弹性隔离层代替既有土工布，起到3个作用：增加轨道弹性，缓冲结构受力，降低轨道结构伤损。微弹性层采用高分子材料制造，提高轨道绝缘性，减少杂散电流泄露；可实现2 dB的减振效果。

要实现微弹性层的功能，微弹性垫层的刚度选取至关重要。刚度太小则轨道变形过大，影响轨道平顺性，并增加弹性层的生产成本；弹性太大则起不到受力缓冲的作用。对不同弹性层刚度(速度160 km/h，市域D型车)的钢轨垂向位移和砂浆层受力进行计算，结果见表4。

表4 不同弹性层刚度下轨道结构受力计算结果

由表4可知，随着垫层刚度的提高，钢轨的垂向位移逐渐减小，砂浆层的垂向位移略有增大，砂浆层的受力逐渐增大。减小垫层刚度能降低砂浆层受力，但增加钢轨垂向位移，降低轨道平顺性。因此，弹性垫层刚度应在保证轨道平顺性的前提下，尽量减小砂浆层应力，在二者之间取一个平衡值。

以一般整体道床为基准，对不同弹性层刚度下装配式轨道的减振效果(插入损失)进行计算，计算速度为160 km/h，采用市域D型车，计算结果见图4。

图4 不同弹性垫层刚度隧道壁Z振级

当弹性垫层刚度为0.08～0.09 N/mm3时，装配式轨道具有2 dB的减振效果，在该刚度取值下结构受力及轨道平顺性也均较好。因此，推荐弹性垫层刚度取0.08～0.09 N/mm3，由于这种弹性层的弹性较减振型轨道所采用的减振垫(刚度为0.019～0.03 N/mm3)的弹性较小[18-20]，故命名为微弹性层。

4.2 新型曲线段线形调整方法

图5 圆曲线地段横向矢距调整

装配式轨道在曲线地段需要进行线形调整，主要包含两方面，一个是圆曲线地段的横向矢距调整，一个是缓和曲线地段的垂向高低调整(缓和曲线地段也需要调整矢距偏移)。圆曲线地段的横向矢距调整是指以轨道板端部第二组承轨台按设计线形定位，其余承轨台位置与设计线形的横向偏差，见图5。缓和曲线地段垂向高低调整是指由于缓和曲线外股钢轨相较内股钢轨随超高逐渐抬升，同一块轨道板上每个承轨台处的钢轨垂向高程均不相同，需进行垂向高低调整。

传统的轨道板线形调整方法采用“以直代曲”，即轨道板与直线段参数一致，通过扣件的左右偏移和高低调整来实现钢轨顶面与设计线形一致。该方法的优点是轨道板种类少，不需要专门设计、制造曲线段轨道板，缺点是线形全部通过扣件调整，扣件调整量大，轨道铺设精度低，且提前占用了扣件的水平及高低调整量，运营后若轨道需要调整，可能面临调整量不足的风险。

提出一种新的曲线地段线形调整方法，将曲线调整量通过承轨台和扣件共同承担，首先根据线路参数计算横向矢距偏移量和垂向高低调整量，然后按曲线半径和顺坡率将曲线划分为不同等级，同一等级采用一种曲线板，在工厂制造时对承轨台进行预先偏移和抬高，承轨台未调整到位的部分再用扣件调整。这种调整方法既能提高铺轨平顺度、减小施工占用的扣件调整量，又不会增加太多轨道板类型，施工组织和管理难度没有明显增加。

以第Ⅰ速度级(速度80

4.3 自填充混凝土

作为砂浆调整层的混凝土灌浆料，既要保证较好的流动性，还不能发生泌水和离析，因而砂浆配合比控制十分关键。既有自密实混凝土流动性要求坍落扩展度为650～680 mm，配置及灌注时易发生离析、泌水等现象，不符合要求的混凝土需要重新拌制，易造成混凝土大量浪费。

基于上述问题，研发一种新型自填充混凝土，并将混凝土由目前从中间小孔(直径180 mm)灌注调整为从两侧限位孔(直径500 mm)灌注，增大灌注压力，从而将坍落扩展度适当降低为550～600 mm，基本性能指标见表5。

表5 自填充混凝土基本性能指标

4.4 各速度级装配式轨道结构

装配式轨道结构方案主要受设计速度、车辆轴重、超高、供电制式、线路线形、土建轮廓、信号制式等因素影响，主要技术参数见表6。

表6 各速度级装配式轨道主要技术参数

基于各速度等级轨道功能需求和外部接口条件，确定各速度级装配式轨道主要技术参数，见表7。

表7 各速度级装配式轨道主要技术参数

3个速度级装配式轨道基本组成相同，各速度级不同，其轨道技术参数也略有不同，从而形成覆盖3个速度等级的装配式轨道结构体系。由上而下依次由钢轨、扣件、预制轨道板、微弹性隔离层、自填充混凝土、底座等组成，平面见图6，横剖面见图7～图9。

图6 装配式轨道平面

图7 第Ⅰ速度级装配式轨道结构组成(单位：mm)

图8 第Ⅱ速度级装配式轨道结构组成(单位：mm)

图9 第Ⅲ速度级装配式轨道结构组成(单位：mm)

(1)轨道板在工厂预制，为双向先张预应力轨道板，每块轨道板两侧设置2个限位孔，兼做灌注孔使用，相邻板之间一般设100 mm宽的板缝。

(2)轨道板板下粘贴微弹性隔离层，微弹性层由两层结构复合而来，厚8 mm，靠近轨道板一侧为弹性结构，采用聚氨酯材料制作，靠近砂浆层一侧为毛毡层，目的是灌注砂浆时可以吸收气泡，改善砂浆层表面质量。微弹性层组成见图10。

图10 微弹性层(单位：mm)

(3)轨道板板下及限位孔内灌注自填充混凝土，厚90～120 mm，长度和宽度与轨道板对齐。砂浆调整层灌注于轨道板的限位孔内，从而形成凸台限位结构，限制轨道板的纵横向位移，轨道板限位孔四周与砂浆调整层之间设置弹性缓冲垫层，减缓限位孔处的应力集中。

(4)自填充混凝土下部为钢筋混凝土底座，底座为分段结构，对应2～3块轨道板设置1道伸缩缝。

4.4 试验验证

为验证装配式轨道结构方案，对轨道板进行试制，并相继开展静载抗裂试验、组装疲劳试验和自填充混凝土灌注和揭板试验。

(1)静载抗裂试验

按相关标准要求对轨道板的横截面和纵截面均进行加载，检验荷载为横向截面80 kN，纵向截面210 kN，加载持续180 s，加载结束后用裂缝宽度测试仪检查，轨道板纵、横向截面均无开裂，轨道板强度满足要求。静载试验现场情况见图11。

图11 静载试验

(2)组装疲劳试验

将钢轨、扣件、轨道板、微弹性层组装好后进行疲劳试验，荷载循环次数200万次，疲劳试验最大荷载取2倍轴重(市域车轴重取17 t)340 kN，下限为上限的20%，即疲劳试验荷载范围为68～340 kN，加载频率为5 Hz。加载结束后采用裂缝宽度测试仪进行检查，轨道板表面均未出现裂纹。

(3)自填充混凝土灌注及揭板试验

轨道板下粘贴微弹性垫，自填充混凝土从轨道板两侧的限位孔灌注，自填充混凝土采用550～600 mm扩展度。自填充混凝土从灌注孔下料后，迅速向周边扩散，待四周排气孔均匀流出30 s后，关闭排气孔，灌板结束，单块板的灌注时间为170 s。

灌注完成8 h后揭板，自填充混凝土现场情况见图12。可以看出，自填充混凝土状态表面密实、平整、充盈饱满，无泌水、无松软发泡层、无可见裂纹、无明显水纹、无露石、露筋以及蜂窝等现象，表面基本无气泡，仅由于微弹性垫粘贴不平整导致局部存在凹凸不平。

图12 自填充混凝土灌注及揭板试验

5 结语

调研国内城市轨道交通装配式轨道应用现状和存在的问题，以解决问题为导向，结合粤港澳大湾区80～250 km/h轨道交通建设需求，基于速度等级划分，对既有装配式轨道进行优化设计，提出覆盖80～250 km/h三个速度等级的高平顺、高绝缘、环保型装配式轨道关键技术。通过静载抗裂试验、疲劳试验以及自填充混凝土灌注及揭板试验，验证技术方案的可靠性。

(1)考虑设计荷载、土建轮廓、供电制式、信号制式、线路条件等因素，对80～250 km/h进行速度等级划分：80≤V≤120 km/h为第Ⅰ速度级，120

(2)根据各速度等级的功能需求和外部接口条件，确定覆盖80～250 km/h的装配式轨道结构组成，3个速度级下装配式轨道基本结构组成相同，轨道技术参数略有不同，从而形成3个速度级的装配式轨道结构体系。

(3)研发一种微弹性层，粘贴在轨道板板底，可起到减缓轨道结构伤损、提高轨道绝缘减振效果的作用。

(4)提出一种新型曲线地段线形调整方法，可提高铺轨平顺度、减小施工占用的扣件调整量，又不会增加太多轨道板类型。

(5)研发新型自填充混凝土，提出关键参数控制指标和灌注方法，可降低拌制难度，提高施工便利性。