不同速度等级装配式轨道结构设计及检算

2022-04-19张鲁顺

铁道勘察 2022年2期

张鲁顺

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

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，现场浇筑。除轨排在铺轨基地组装，其余大部分施工作业均在现场完成，然而，地下线施工空间受限，易导致施工进度慢、轨道铺设精度低、不能开展多作业面施工等弊端[1-2]。为减少现场浇筑作业，提高地下线道床施工进度及铺设精度，部分城市引进高速铁路装配式轨道先进技术，结合城市轨道交通特点进行再创新，并在轨道交通中逐渐推广采用[3-4]。

装配式轨道是一种新型轨道形式，将工厂预制好的轨道板直接装配在混凝土底座或下部基础上，采用CPⅢ控制网对预制板进行精调[5-6]，然后在轨道板下方采用自填充混凝土进行填充。实践表明，装配式无砟轨道具有标准化设计、生产质量好、耐久性高、现场作业量少等优点[7]。已有许多学者对其开展相关研究，叶军等研究一种适用于时速160 km线路高架段、具有新型限位结构的装配式双向先张预应力轨道板整体道床结构[8]；王占生在总结城市轨道交通板式轨道应用现状及存在问题的基础上，阐述装配式轨道的核心技术理念，以及在苏州地铁5号线典型工况条件下的优化应用技术要点[9]；杨秀仁等研究装配式减振轨道自动铺装的测量控制方法，认为该方法能大幅提高轨道工程安装精度和安装效率[10]。

然而，装配式轨道在工程应用中仍存在一些问题。如建设及运营期间出现轨道板、底座裂纹，自密实混凝土离缝等病害[11-13]；轨道对地电阻值降低快，绝缘保持能力弱[14-15]；自密实混凝土调整层施工配比要求高，技术指标过于严格[16]；城市轨道交通装配式轨道类型过多等。因此，研究时速80～250 km轨道交通装配式轨道技术，并对其速度等级进行划分很有必要。

2 装配式轨道板结构参数研究

为使装配式轨道其既能满足不同条件下工程建设的需要及技术经济性最优。综合考虑规范规定、轨道功能要求、外部输入条件等因素，将装配式无砟轨道速度等级分为3级：①Ⅰ级：80 km/h≤V≤120 km/h；②Ⅱ级：120 km/h

2.1 模型及参数

利用有限元方法建立装配式无砟轨道精细化分析模型，采用控制变量法进行影响因素分析，计算轨道结构参数对轨道板受力的影响规律[17-18]。轨道结构由钢轨、扣件、轨道板、微弹性隔离层、自填充混凝土等组成。钢轨、轨道板、自填充混凝土采用实体单元模拟；扣件采用三向弹簧单元模拟，静刚度为30 kN/mm。为消除边界效应，取3块轨道板建模。列车荷载加载方式为单轴双轮，取2倍的静轮载(170 kN)[19]，加载位置在轨道板中部。模型底部采用弹性基础。轨道结构有限元模型见图1，装配式无砟轨道结构参数见表1。

图1 装配式无砟轨道有限元模型

表1 装配式无砟轨道结构参数

2.2 列车荷载因素

(1)轨道板板长

根据扣件数量及间距，轨道板长度分别为3.5 m、4.1 m、4.7 m、5.3 m、5.9 m时，轨道板受力情况见图2。由图2可以看出，轨道板长度对轨道板受力影响较小。

图2 不同轨道板长度下轨道板应力变化规律

(2)轨道板板宽

轨道板宽度对轨道板受力的影响规律见图3。由图3可以看出，轨道板宽度由2 000 mm增加到2 500 mm，轨道板顶部横向拉应力减少约30%，轨道板底部横向应力减少约55%。由此可见，轨道板宽度对轨道板受力的影响整体上表现出板宽越宽，受力越小的趋势。

图3 不同轨道板宽度下轨道板应力变化规律

(3)轨道板板厚

当轨道板厚度范围为180～220 mm时，轨道板厚度对轨道板受力的影响规律见图4。由图4可以看出，轨道板厚度对轨道板受力的影响表现出板厚越大，受力越小的规律。轨道板厚度由180 mm增加到220 mm，轨道板顶部纵向应力减小40%，横向应力减小20%，轨道板底部纵向应力减小18%，横向应力减小37%。

图4 不同轨道板厚度下轨道板应力变化规律

(4)扣件间距

扣件间距对轨道板受力的影响规律见图5。扣件间距分别为575 mm(对应铺设密度1 740组/km)、600 mm(对应铺设密度1 667组/km)、625 mm(对应铺设密度1 600组/km)时，道床板顶部、底部纵向应力随扣件铺设密度的增大而减小，但减小幅度较小；轨道板顶部及底部横向应力基本不受扣件铺设密度变化的影响。总体上看，扣件间距对轨道板受力的影响较小。

图5 不同扣件铺设密度下轨道板应力变化规律

地铁扣件铺设密度一般地段采用1 680对/km，R≤400 m或坡度i≥20‰地段加密至1 760对/km。另外，根据国内城市轨道交通既有轨道板设置经验，扣件间距一般取600 mm。结合上述扣件间距计算结论，轨道板的扣件间距建议统一为600 mm。

2.3 土建因素

轨道板宽2.2 m、2.3 m、2.4 m时，装配式轨道均能满足隧道限界的布置要求，但轨道板宽度越宽，轨道板的四个角距离限界越近(尤其在曲线地段内侧)，轨道板距离限界分别为78 mm、56 mm、32 mm。当管片偏移至限界位置处，轨道板越宽，轨道板下混凝土边缘的厚度随薄，不利于轨道结构受力，在列车动荷载往复作用下，将发生裂缝、破损等病害，影响行车安全。另外，轨道板越宽，水沟宽度越小，不利于排水。因此，当设计速度较低、盾构内径较小时，轨道板宽度尺寸不宜过大。

随着设计速度的提高，隧道内径也逐渐增大，设计速度160 km/h的市域铁路盾构内径通常为7.7～8 m。以7.9 m的盾构内径为例，允许的轨道结构高度增大至900 mm(至限界)，轨道板尺寸也可适当提高，当轨道板宽度增大到2.5 m时，轨道布置可以满足限界的要求。

当设计速度提高到200 km/h以上时，线路敷设方式将以桥梁和路基为主，隧道断面多与山岭隧道相同。因此，可借鉴CRTSⅢ型板式无砟轨道成熟方案，采用轨道板、自密实混凝土、底座3层结构，线路两侧设置电缆槽，排水通过在隧道回填层设置水沟实现，轨道结构无需考虑排水。轨道板宽度没有限制，建议采用国铁上广泛使用的2.5 m宽度。

综上，为满足5.4 m盾构内径时轨道板的安装需求，建议轨道板宽度取2.2 m；160 km/h

2.4 曲线段轨道板矢距调整因素

轨道板长度需考虑曲线地段正矢的调整。轨道板矢距调整采用半矢距方法，即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(见图6)。

图6 半矢距偏移调整方法示意

经计算，板长3.5 m轨道板最大矢距调整量为2.9 mm；板长4.7 m轨道板最大矢距调整量为4.3 mm；板长5.9 m轨道板最大矢距调整量为8.6 mm。由此可见，随着轨道板长度的增加，轨道板的矢距调整量也逐渐增加。

轨道板矢距及超高调整采用有限制的无级调整方法，即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，承轨台未偏移到位的部分再用扣件调整。根据扣件调整量，结合运营需求，建设期占用扣件的调整量宜控制在3 mm之内，则3.5 m轨道板无需设计曲线板，4.7 m轨道板需要设计1种曲线板，5.9 m轨道板需要设计2种曲线板。结合缓和曲线的超高顺坡调整，实际轨道板种类将会更多。

因此，为减少轨道板种类，降低设计、制造及铺设的管理难度，降低造价，轨道板长度宜控制在4.7 m以内。

2.5 施工因素

为施工便利，首先应考虑轨道板轻量化。当轨道板厚0.2 m时，一块3.5 m长轨道板质量约6 t，4.7 m轨道板质量约8 t，5.9 m轨道板质量约10 t。根据施工经验，轨道板吊装质量超过10 t后，需采用2台铺轨门吊，10 t以内可采用一台铺轨门吊，较小的轨道板尺寸和重量更加方便施工。

根据施工经验，每块轨道板的架设和精调时间约20 min。轨道板越长，则轨道板数量越少，有利于节省轨道板架设及精调时间。每块轨道板自填充混凝土灌注时间约20 min，轨道板越长，轨道板数量越少，灌板次数越少，有利于节省灌注总时间。采用长5.9 m的轨道板，施工速度较3.5 m的轨道板提高约1.6倍。

因此，综合考虑方便运输吊装和提高架设速度两个方面，推荐采用4.7 m轨道板。

2.6 轨道板主要技术参数汇总

综合考虑列车荷载因素、土建因素、曲线段轨道板失距调整因素和施工因素，推荐各速度级的轨道板主要技术参数见表2。

表2 轨道板主要技术参数 m

3 轨道板结构设计

3.1 预应力和非预应力结构对比

高速铁路CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道轨道板均采用预应力钢筋混凝土结构；市域铁路、城轨快线(如北京大兴机场线、广州18号线、22号线)均采用预应力钢筋结构；普通城市轨道(上海地铁、广州直线电机线路高架段)采用普通钢筋混凝土结构，深圳、天津等城市采用预应力混凝土结构。

考虑到预应力钢筋轨道板的承载能力大、裂纹控制效果好、耐久性高、应用广泛等优势，推荐各速度等级的轨道板均采用预应力钢筋混凝土结构。

3.2 限位结构设计

(1)凹槽和凸台限位对比

既有装配式轨道限位结构主要有两种：凹槽限位和凸台限位。凹槽限位以国铁CTRSⅢ型板式无砟轨道为代表，上海地铁装配式轨道基于CTRSⅢ型板结构优化而来。凸台限位以深圳地铁和广州18号线、22号线装配式轨道为代表。

凹槽限位的特点为轨道板与自填充混凝土形成复合板，底座设凹槽，隔离层设在自填充混凝土与底座之间，自填充混凝土与底座之间形成限位；凸台限位的特点为轨道板上开设限位孔，自填充混凝土灌注于其中，隔离层设在轨道板与自填充之间，轨道板与自填充之间形成限位。

限位凹槽施工时容易积水且不易排出，轨道板架设前需单独清理，降低了施工效率。另外，凹槽型限位位于结构内部，出现问题不易及时发现和维修。而凸台限位不易积水，且限位结构外露，便于及时发现问题和养护维修。因此，推荐采用凸台限位。

(2)圆形和方形限位孔对比

限位孔形式主要有圆形孔和方形孔。对其分别进行应力计算，发现圆形限位有利于减小轨道结构应力集中，且半径越大，应力越小。计算不同圆孔直径(300～500 mm变化)对轨道结构受力的影响。通过计算，直径为500 mm时，轨道板拉应力较直径300 mm时减小23%，自填充混凝土应力减小48%。因此，无论普通地段还是减振地段，圆孔直径越大，轨道板和自填充混凝土的应力越小。

综上，结合承轨台横向间距，推荐限位孔采用φ500 mm的圆孔。

3.3 结构组成对比

国内城市轨道交通既有装配式轨道典型结构型式通常基于国铁CTRSⅢ型板式无砟轨道结构形式，结合盾构隧道断面优化设计。轨道板结构由钢轨、扣件、预制轨道板、砂浆调整层、限位结构、中间隔离层和钢筋混凝土基底组成，见图7。

图7 既有装配式轨道结构组成(单位：mm)

轨道板采用单元分块式结构，标准轨道板长度一般为4 700 mm。轨道板与基底间设置砂浆调整层，通常采用自密实混凝土，厚90 mm，采用单层钢筋网配筋，砂浆调整层与基底间设置中间隔离层，采用4 mm聚丙烯无纺土工布，底座为钢筋混凝土结构，轨道板下设门形筋，基底设有双凹槽。

既有CTRSⅢ型板式无砟轨道结构主要特征为：预制轨道板与现浇砂浆调整层形成复合板；沿线路纵向，复合板与混凝土底座为单元结构；复合板与设置凹槽、顶面设隔离层的混凝土底座形成凹凸结构，为轨道提供水平限位和特殊情况下的修复便捷性。

根据限位结构的比选，推荐板中凸台限位，即轨道板板底及限位孔内灌注自填充混凝土，轨道板下设置隔离层，从而形成轨道板与下部结构可分离的结构，这与CTRSⅢ型板式无砟轨道复合板的结构组成有所不同。除了轨道板采用双孔限位板和采用板中凸台限位外，在轨道板下采用微弹性绝缘隔离层，以改善结构层受力、提高轨道绝缘性能，并具有一定的减振效果。采用自填充混凝土，在不降低填充层技术性能的前提下降低了造价。装配式轨道结构主要由钢轨、扣件、相应速度等级双孔限位板、微弹性隔离层、自填充混凝土、底座等组成，见图8。