轨道道床新型排水结合结构关键技术研究

邢 民，刘华辉，张 亮，路阳阳，董 波

（1.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510000；2.东莞市轨道一号线建设发展有限公司，广东东莞 523000）

1 引言

随着城市化发展和对地下空间的深入开发，城市轨道交通作为城市公共交通最为主流的绿色出行模式，对推动城市的建设发展和社会的进步具有重大深远的意义。城市轨道交通工程是在地下建造的重要工程，投入经费高，建造周期较长，施工速度较慢，同时对安全性要求较高，各个建造环节间沟通协调需求较多。以上因素使城市轨道交通工程的整个建设过程比较复杂。区间隧道渗漏水造成轨道道床上浮现象逐渐显露，轻则影响隧道正常速度运营，重则导致道床变形，造成巨大经济损失和人身财产安全隐患。因此，隧道防、排水的设计、施工就显得尤为重要[1-2]。

2 国内外隧道防、排水措施现状

2.1 国内现状

国内隧道施工主要遵循防水为主、排水为辅的设计理念，确立以混凝土结构自防水为根本、接缝防水为重点、设置附加防水层为辅助措施的结构防水体系。排水方案的设计理念和措施基本上只针对隧道拱顶及侧壁的渗漏水问题，通过道床两侧的水沟进行疏导，还没有针对隧道结构和道床结构结合部位渗漏水显著有效的排水措施。目前，国内部分城市轨道交通区间隧道存在运营期隧道结构底板渗漏水的问题。处理不当易造成道床起拱上抬、轨道变形，甚至导致列车不能以正常速度运行[3-4]。

2.2 国外现状

国外城市轨道交通暗挖隧道基本都遵循防水为主、防排结合的理念开展设计和施工。

日本城市轨道交通暗挖隧道多采用盾构法施工，盾构隧道设计理念和国内基本一致，采用管片结构自防水、接缝防水、施工期间随挖随注浆、后期补充注浆的组合措施开展隧道防水施工，主动排水相关措施不多见。

法国、瑞士、奥地利、英国、美国等欧美国家城市轨道交通采用盾构法施工的暗挖隧道防、排水方案设计理念也和国内类似，采用新奥法或矿山法施工的隧道也多采用聚氯乙烯、聚乙烯等防水卷材进行隧道防水。针对隧道结构渗漏水造成道床起拱问题，采取主动排水的措施也不多见[4-6]。

2.3 研究意义

一般情况下，城市轨道交通区间隧道线路敷设较深，工程地质与水文地质情况较复杂，暗挖隧道开挖成型后再按地下水文情况重新调整而造成运营期隧道结构底板渗漏水的情况相当普遍。地下水渗漏通过隧道结构后会在轨道道床下部聚集，累积一定压力后会引起轨道道床上抬变形，同时受列车运行动静荷载的反复振动作用，会产生翻浆冒泥，道床结构变形严重时列车需要进行限速运行。因此，必须通过一定治理措施来稳定结构变形。在设计阶段，通过在隧道与道床结构结合部位设置新型结合结构形成排水通道可及时排出地下渗漏水，从而有效降低渗漏水对轨道道床结构产生的变形危害，达到确保结构安全、降低运营风险的目的。此举对地铁区间运营安全及后期维护等具有重要的影响意义，同时具有较好的经济效应、较高的应用价值和显著的社会效应[7-10]。

3 新型排水结构设计

3.1 设计理念

城市轨道交通隧道渗漏水是道床脱空的主要诱因。为防止道床下部的长期积水，拟研究一种隧道与道床结构结合部位的新型排水结合结构。该结构可在道床内部形成排水通道，及时排出渗漏水，避免道床剥离隧道后，发展为道床脱空状态。

对隧道与道床结构结合部位的新型排水结合结构设计包括外部几何尺寸和内部构造部分。同时，研究列车动荷载作用下排水结合结构本身的抗变形能力，以及排水结合结构在道床下的不同布置方式对道床力学性能的影响。

3.2 设计方案

拟设计的新型排水结合结构设置在道床以下、隧道衬砌以上的位置。为达到最佳使用效果，需确定该排水结构的外部几何尺寸和内部构造，以满足隧道渗漏水的排水要求。新型排水结合结构所在位置与内部构造初步设计如图1 所示。

图1 排水通道设计大样

针对不同排水通道设计方案，分析隧道结构中排水结构以不同数量布置在道床下时道床结构的动力学响应，包括道床的变形、道床的振动加速度、隧道壁的振动加速度、钢轨位移。根据相关规范确定以上各项数值是否符合实际应用要求。其中，曲线段轨道结构将根据隧道线形设置超高，并施以横向力模拟列车对钢轨施加的横向作用。

开展方案初步模拟分析研究，针对排水通道方案，采用多种设置方式：a 方案为单预留渗水通道空间方案；b 方案为多预留渗水通道空间方案，不同通道通过渗水管进行连通，增加排水效率；c 方案采用道床底部浇筑渗透性材料作为渗水通道；d 方案采用预留渗水通道与浇筑渗透性材料组合方案。各方案排水通道具体设计如图2 所示。

图2 排水通道多组合设计

4 有限元分析

4.1 建立模型范围

在本次模拟中，依据后期实际应用盾构区间隧道管片及道床图纸，对隧道及轨道结构各部分几何模型进行适当的简化，如图3 所示。根据相关规范及前一部分透水混凝土试验确定轨道结构各部分的材料参数。设置多种透水混凝土层排水通道结构尺寸，分析道床在列车荷载作用下的力学响应，了解道床在不同尺寸排水结构设置下的应力和变形状态。对比相关指标，比选出满足受力要求且排水性能较好的新型结合结构的设计方案。

图3 各方案几何模型

利用ABAQUS 有限元分析软件建立含排水结构的道床隧道有限元模型，采用车辆-轨道耦合模型，计算列车动荷载，在本次模型模拟计算中，建立3 个基本假设。

（1）模型中的外荷载只考虑竖向轮载，以列车轴重乘以动载系数得到。

（2）不考虑结构的损伤，材料设置为线弹性。

（3）模型中考虑道床与管片结构的自重。

4.2 模型参数选择

在有限元模型中各材料简化为线弹性材料，其中管片与轨枕为C50 混凝土，弹性模量E=34.5 GPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 420 kg/m3。道床普通混凝土层与透水混凝土层为C35 混凝土，弹性模量E=34.5 GPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 390 kg/m3。

模型中各部件间采用“tie”约束将所有自由度绑定。

本次模拟作用于模型的外荷载为列车荷载。车辆实际作用于轨道上的荷载为动荷载，其值受各种干扰因素影响，如轨道不平顺、列车运行速度等。本次模拟采用准静态形式确定轮轨的冲击力，即通过静轮载乘以动载系数来确定动轮载。动载系数取2.5。按项目实际轨道车辆列车轴重14 t，设计轮重7 t。荷载施加面积取实际轨枕大小450 mm×270 cm，轨枕间距600 mm。

4.3 模拟结果

为探究列车荷载作用下，不同尺寸排水结构形式道床的力学响应。需提出相应的比选指标。本次模拟以道床普通混凝土层及透水混凝土层最大拉应力是否达到混凝土抗拉强度为限值，同时考虑轨道结构在列车荷载下的变形；兼顾道床配筋与结构排水效果，提出5 项比选指标，分别为道床顶面竖向位移，普通混凝土层最大拉、压应力，透水混凝土层最大拉、压应力。

本次模拟只针对不同排水通道结构受力计算分析影响，对不同方案的渗水性能实验室结果后续根据现场试验进行分析对比，研究结果如下表1 所示。

表1 各方案模拟计算结果表

4.4 模拟结果分析

根据提出的4 种新型结合结构的设计方案，利用ABAQUS 有限元分析软件对4 种方案进行建模计算，通过比选道床位移及强度指标，确定现有方案的安全性均满足规范要求。

对比方案a 与方案b，在道床普通混凝土层底部设置多个排水通道后，道床竖向最大位移增加17%，道床最大拉应力增加24%。多个排水通道虽能兼顾道床底部纵缝排水的需求，但对道床截面承载能力削弱较大，不建议选取方案b 的多排水通道方案。

对比方案a 与方案c，在道床结构中加入透水混凝土后，在列车荷载作用下道床顶面最大竖向位移没有变化。道床普通混凝土层最大拉、压应力的变化也可忽略不计。因此建议采用加入透水混凝土层的方案c。

对比方案c 与方案d，当设置排水通道后，在列车荷载作用下道床顶面最大竖向位移没有变化。道床普通混凝土层最大拉应力下降0.8%，最大压应力增加0.4%，透水混凝土层最大拉应力增加22.7%，最大压应力增加12.4%。增设排水通道对道床承载能力削减有限，道床混凝土拉、压应力均远小于混凝土轴心抗拉、抗压强度设计值。因此方案d 结构安全，同时具有更优排水性能。

考虑道床底部纵缝排水、钢筋布置与排水量的需求，建议后续试验研究根据方案d，采用预留排水通道与渗水通道组合方案进行排水试验性能分析。重点研究渗水通道材料和预防通道阻塞处理等措施，以满足渗水通道耐久性要求，以及排水通道材料、纵向排水通道衔接及相关检修通道处理措施。

5 结语

研究隧道结构和道床结构结合部位的排水设计理念、设计措施工艺及方法，可以指导城市地铁建设过程中的道床预保护工作，减少道床在运营期出现渗漏、渗漏水在轨道下部聚集引起的轨道上台现象，避免造成运营限速和严重状态下的运营安全事故，具有较强的应用价值和显著的社会效应。根据后续试验成果，可全国推广应用，为城市轨道交通安全、运营及维护提供保障。