城市轨道交通预制板轨道设计及应用综述

2022-04-19尹华拓罗信伟黄国庆

铁道勘察 2022年2期

黄辉尹华拓罗信伟黄国庆

(1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010； 2.广州地铁集团有限公司，广州 510330)

1 概述

目前，城市交通拥堵问题日益严峻，城市轨道交通以其安全、平稳、高效等特点，在各主要城市公共交通中起着举足轻重的作用。我国城市轨道交通正处于蓬勃发展时期，截至2021年12月，31个省(区、市)和新疆生产建设兵团共有51个城市开通运营城市轨道交通线路269条，运营里程8 708 km，实际开行列车279万列次，完成客运量20.8亿人次，进站量12.7亿人次，客运量环比增加1.1亿人次、增长5.6%，较2020年12月增加0.5亿人次、增长2.5%。

城市轨道交通建设过程中，轨道工程是土建施工和机电安装之间承上启下的工程，是供机车车辆运行和承受其荷载的重要工程结构物。列车运行由轨道引导，荷载也通过轨道分散传递至轨道下方的路基、桥梁、隧道等结构物。为保证列车能够安全、平稳且不间断运行，轨道结构应具有足够的强度、稳定性和耐久性，并能保持正确的几何形态。

城市轨道交通中，对轨道平稳性和舒适性要求较高，且期望尽可能降低轨道运营的养护维修量，故一般采用无砟轨道。目前，各城市轨道交通的无砟轨道以现浇整体道床为主，然而根据建设经验，现浇整体道床主要有以下不足之处。

(1)现浇整体道床的多项施工环节依赖于人工及现场小型工装机具，施工质量存在较大离散性，这对轨道平顺性、列车运行过程中的轮轨接触状态、减振降噪性能、耐久性及运营过程中的维护管理均不利。

(2)施工过程主要依赖人工，现浇质量控制难度较大，易导致道床浇筑完毕后外观质量参差不齐。

(3)施工进度缓慢，施工人员的作业强度较大，作业环境较差。

(4)使用过程中容易出现各种病害，如支撑块(轨枕)松动、道床开裂等。

(5)遇到土建结构不均匀沉降时，现浇整体道床难以适应及调整，易导致道床出现开裂、失效等病害。

随着我国建筑产业化水平的不断提高，预制装配式建筑以其施工质量好、节能减排效果佳、综合经济效益优等众多优势得到全面推广。为适应轨道交通的大规模建设，并克服现浇轨道的诸多不足之处，采用预制板整体道床及现场机械化装配已成为一种趋势。

相较于现浇整体道床，预制板轨道具有整体性强、质量精度易于保证、养护维修少、可维修性好、现场整洁美观、后期可快速实现减振道床的升级改造等优点，且符合国家预制化、装配式发展方向。

2 高速铁路预制板轨道

我国高速铁路无砟轨道研究始于20世纪90年代，之后随着京沪高铁可行性研究的推进，高速铁路无砟轨道的发展需求十分迫切[1-3]。为此，众多专家、学者和设计人员进行大量研究，江成等对我国无砟轨道选型及关键技术进行了研究分析，推动了无砟轨道的技术再创新[4-6]；赵有明等对我国CRTS Ш型板式无砟轨道的各项创新技术及高速铁路无砟轨道的发展及应用进行系统阐述[7-8]。目前，在国外无砟轨道技术的基础上，通过大量自主研究，已形成CRTSⅠ型、CRTS Ⅱ型、CRTS Ⅲ型系列板式无砟轨道。

2.1 CRTSⅠ型板式无砟轨道

CRTSⅠ型板式无砟轨道是一种单元板式无砟轨道结构，由钢轨、扣件系统、预制轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、钢筋混凝土底座、凸形挡台及其周围填充树脂等部分组成，见图1。

图1 CRTSΙ型板式无砟轨道结构

2.2 CRTSⅡ型板式无砟轨道

CRTSⅡ型板式无砟轨道为纵连式无砟轨道。桥梁地段CRTSⅡ型板式无砟轨道由钢轨、扣件系统、预制轨道板、砂浆调整层、纵向连续底座板、滑动层、侧向挡块等部分组成。隧道内及路基地段桥梁地段CRTSⅡ型板式无砟轨道由钢轨、扣件系统、预制轨道板、中间的砂浆调整层以及底部的底座板等部分组成。CRTSⅡ型板式无砟轨道结构见图2。

图2 CRTSⅡ型板式无砟轨道结构

2.3 CRTSⅢ型板式无砟轨道

CRTSⅢ型板式无砟轨道是一种将轨道板通过自密实混凝土层“放置”在底座上的无砟轨道结构，从上往下由钢轨、扣件、轨道板(带承轨台)、自密实混凝土、隔离层及底座等组成，见图3。

图3 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构

2.4 高速铁路板式无砟轨道对比

CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道结构组成及优缺点对比见表1。

表1 高速铁路板式无砟轨道结构组成及优缺点对比

CRTS Ⅲ型板式无砟轨道是在总结CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式无砟轨道技术的基础上，吸收其优点，克服其缺点而研发的一种结构安全可靠、经济合理、施工方便、便于维修的新型无砟轨道结构型式，已在我国高速铁路中得到大规模应用。众多城市轨道交通的预制板轨道都是在借鉴CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的基础上，结合城市轨道交通的特点进一步深化研究形成的。

3 地铁预制板轨道

高速铁路预制板轨道的大规模应用，为地铁预制板轨道的建设和发展提供宝贵经验。目前，在地铁预制板轨道领域也进行了大量研究。曹德志结合地铁的特点提出普通预制板的设计尺寸[9]；刘伟斌提出适用于地铁运营条件的新型预制板轨道结构[10]；陈宪麦通过对预制板轨道结构进行动力学研究，为预制板设计和运维提供技术支持[11]；王伟华从结构、接口等方面提出了适用于城市轨道交通的预制板轨道[12]；叶军等研究速度160 km/h城市轨道交通高架预制板轨道的动力特性[13]；郑强在CRTS Ⅲ型板式无砟轨道的基础上，研发一种适用于城市轨道交通的预制板轨道[14]。

大量研究为预制板轨道在轨道交通建设中的推广和使用奠定基础，以下将对上海、深圳、广州等主要城市的预制板轨道结构及应用情况进行总结。

3.1 上海地铁

上海地铁较早开展预制板轨道的研究和应用，旨在实现城市轨道交通轨道设计及施工的标准化、工厂化和机械化，改善作业环境、提高质量和提升效率。预制板轨道在上海市轨道交通12号线、16号线、17号线进行试验段试铺，并在整个地铁线网中推广使用。

上海地铁的预制板轨道结构引自国铁CRTSⅢ型板式无砟轨道，结合地铁的限界及接口条件进行适应性设计，并形成通用图册。该预制板轨道结构自上而下由钢轨、扣件系统、轨道板(单元板)、调整层(自密实混凝土)、限位结构(门形筋+凹槽)、中间隔离层(土工布)和钢筋混凝土基底组成(见图4)，适用最高运行速度为120 km/h。其中，盾构内径5 500 mm单圆隧道轨道结构高度为920 mm(至盾构内壁)，盾构内径为5 900 mm单圆隧道轨道结构高度为950 mm(至盾构内壁)，矩形隧道轨道结构高度为650 mm。

图4 上海地铁圆形隧道预制板轨道断面(单位：mm)

3.2 深圳地铁

为大力发展装配式建筑，深圳市出台《深圳市装配式建筑发展专项规划(2018—2020)》，为装配式建筑的发展和应用制定目标“到2025年，全市装配式建筑占新建建筑面积的比例达50%以上，装配式建筑成为深圳主要建设模式之一；到2035年，全市装配式建筑占新建建筑面积的比例力争达到70%以上，为把深圳建设成国际水准、领跑全国的装配式建筑示范城市”。深圳市轨道交通紧扣装配式结构发展趋势，较早开展预制板轨道的研究和实践。最初在7号线铺设预制板轨道试验段，随后在9号线和11号线的减振地段采用预制板轨道，之后在6号线高架线也采用预制板轨道。

预制板轨道分为普通地段和减振地段。普通地段轨道板长度以4 100 mm为主，根据实际情况配置不同长度的非标板。轨道板宽度为2 400 mm，非预应力结构。轨道板上开设3个圆孔，轨道板中心设置1个，两端各设置1个。轨道板中心的圆孔用于自密实混凝土灌注使用，直径较小，两端圆孔作为自密实混凝土灌注时的观察孔，并作为限位孔使用。圆形隧道地段为轨道板、自密实层和底座的3层结构。

减振地段包含减振垫满铺型轨道板和点支撑轨道板。减振垫满铺型轨道板长度有3 500，4 100，4 700 mm，轨道板宽2 400 mm，厚260 mm，轨道板上开设灌注孔和限位孔，灌注孔和限位孔型式和普通地段轨道板相同(见图5)。满铺型轨道板为双向预应力混凝土结构，承轨台无挡肩，扣件间距600 mm。点支撑轨道板外形尺寸与满铺型相同，不同的是轨道板开孔位置和布置形式，点支撑轨道板在轨道板两端各开设1个“U形”孔，轨道板下设置凹槽放置橡胶弹簧隔振元件(见图6)。

3.3 苏州地铁

苏州地铁5号线设计速度为80 km/h，于2021年6月开通。在上供路—木渎南区间铺设一段预制板轨道[15]，轨道结构自上而下由钢轨、扣件、预制板(含隔离层)、下部基础调整层(C40钢纤维细石混凝土)等组成(见图7)。预制板下部进行倒棱角处理，板中设2个限位凸台。该轨道结构为“轨道板+基础层”的两层结构，通过钢纤维细石混凝土将基底和调整层合并为基础调整层，以降低轨道结构高度，提高现场施工效率。

3.4 北京地铁

北京新机场线设计速度为160 km/h，于2019年9月开通。工程设计时，为沉降危险地段预留运营后的调整量，在地质沉降危险性区域采用了预制板轨道。沉降危险性区域位于新机场线南段，主要为明挖及U形槽地段。该预制板轨道高度为650 mm，轨道结构为“轨道板+自密实”的两层结构，自上而下依次由钢轨、扣件系统、轨道板、自密实混凝土等组成(见图8)。轨道板为双向预应力混凝土结构，承轨台设有挡肩结构，配套WJ-8B型扣件，轨道板下自带凸台，即轨道板制造时，将凸台与轨道板预制在一起，依靠轨道板与自密实层即可实现限位，无需设置底座，故可有效降低轨道结构高度，减少混凝土现浇工序，施工效率显著提高。

3.5 广州地铁

(1)直线电机线路预制板轨道

广州预制板轨道最早应用于4号线、5号线、6号线直线电机制式线路的高架地段。为适应直线电机制式对轨道高精度、高平顺性的要求，道床采用预制板轨道。相较于广州地铁传统的现浇轨道，该轨道结构高度相对较低，平顺性更高，施工速度更快，且曲线超高可在道床板上实现，对桥梁制造也更为有利。

图9 广州地铁直线电机线路高架段预制板轨道断面(单位：mm)

预制板轨道由上而下依次由钢轨、扣件系统、道床板、ZH砂浆、抗剪定位销组成(见图9)。采用预制混凝土道床板，直接在梁上固定(无基础底座)，板下采用ZH砂浆填充。道床纵横向阻力由抗剪定位销和砂浆共同承担。直线地段轨道结构高度为450 mm，曲线地段采用内轨不动，外轨抬高超高值的方法设置曲线超高。

(2)新型预制板轨道

在总结CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的基础上，广州地铁铺设新型预制板轨道。新型预制板轨道结构由钢轨、扣件系统、预制板、自密实混凝土层、隔离层、限位凸台、弹性缓冲垫层以及钢筋混凝土底座等部分组成(见图10)。预制板设2个限位孔、1个灌注孔(见图11)，自密实混凝土浇筑后与基底结合为一体。

图10 广州地铁优化后的预制板轨道断面

图11 广州地铁优化后的预制板

相较于国铁CRTSⅢ型板式无砟轨道，广州地铁采用的预制板轨道具有如下特点。

(1)采用向上限位的明限位方式，限位凸台在道床表面可见，便于检查和维修。

(2)自密实混凝土层位于隔离层之下，受力较小。

(3)限位孔兼具检查孔功能，便于自密实混凝土浇筑时的排气和观察。

(4)钢筋混凝土基底无需预留凹槽，施工难度小且速度快，隔离层可在工厂内粘贴大幅提高了铺轨工效。

(5)采用向上凸台限位，高架段可取消基底，施工效率优势更加明显。

新型预制板轨道已在广州地铁投入运营使用，其中设计速度160 km/h的广州地铁18号线、22号线在高等减振地段采用该轨道结构(见图12)，轨道系统由钢轨、SFC快速弹条扣件、预制轨道板、减振垫、自密实混凝土层、钢筋混凝土底座等组成，圆形隧道轨道结构高度1 250 mm(至盾构内壁)，矩形隧道轨道结构高度820 mm。