城市軌道交通無砟軌道結(jié)構(gòu)選型

楊明華

城市軌道交通無砟軌道結(jié)構(gòu)選型

楊明華

摘 要：軌道結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和工程特點，采用先進(jìn)、成熟、合理的技術(shù)，滿足功能要求，提高性價比。文章結(jié)合某城市軌道交通1號線一期工程實例，對城市軌道交通無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了選型分析。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；無砟軌道；結(jié)構(gòu)選型

楊明華：鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，工程師，北京 100081

目前，國外城市軌道交通的地下線幾乎全部采用無砟軌道，國內(nèi)北京、上海、廣州等城市軌道交通的地下線路和高架線路也均采用無砟軌道。無砟軌道具有整體性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、耐久性強、結(jié)構(gòu)高度小、占用隧道空間小的特點，并且降低了高架線軌道自重荷載，能最大程度地滿足城市軌道交通運營時間長、維修時間短的要求。本文結(jié)合某城市軌道交通工程實例，對城市軌道交通中的無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型分析。

1　工程概況

某城市軌道交通1號線一期工程線路設(shè)計全長21 km，其中高架線長5.4 km，地下線長15.32 km，U型結(jié)構(gòu)過渡段長0.28 km。全線設(shè)車站20座，在中間站設(shè)有與2、3號線的聯(lián)絡(luò)線，在線路的起終點分別設(shè)停車場及車輛段。本工程橋梁及地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)較好，過渡段對下部基礎(chǔ)進(jìn)行特殊處理，可滿足無砟軌道結(jié)構(gòu)的沉降要求。

該市大地構(gòu)造隸屬我國東部新華夏系巨型構(gòu)造體系第二隆起帶，華南加里東褶皺系內(nèi)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，節(jié)理裂隙較為發(fā)育。場地屬濱海淤積平原地貌類型，地形平坦，主要地層分布穩(wěn)定、均勻。場地表部一般均分布有厚度0.5～3 m的硬殼層或人工填土，中部主要分布可—塑狀粉質(zhì)黏土和海相軟塑狀粉質(zhì)黏土，下部以性質(zhì)較好厚度較大的可—硬塑狀粉質(zhì)黏土層和砂層、砂礫石層為主。

2　主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）鋼軌及扣件。正線、輔助線、出入線及試車線采用60 kg/m鋼軌，車輛段庫內(nèi)外線路采用50 kg/m鋼軌，無砟軌道地段采用DTV12-3、DJK5-1型扣件。

（2）軌枕鋪設(shè)數(shù)量。正線、輔助線、出入線無砟軌道部分為1 600 根/km，庫外線、一般庫內(nèi)線軌枕布置為1 440根/km。

（3）道岔。正線、試車線采用60 kg/m鋼軌9號系列道岔，車場線采用50 kg/m鋼軌7號系列道岔。

（4）無縫線路。正線一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，輔助線為普通線路或長軌條。出入線、試車線鋪設(shè)普通區(qū)間無縫線路。

3　無砟軌道結(jié)構(gòu)選型

3.1地下線無砟軌道選型

地下線無砟軌道結(jié)構(gòu)主要有預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕埋入式、混凝土短軌枕埋入式等2種形式，雙塊式軌枕無砟軌道在高速鐵路、客運專線應(yīng)用廣泛，在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用少。

（1）長軌枕埋入式。長軌枕埋入式無砟軌道是將預(yù)應(yīng)力混凝土長軌枕埋在C30混凝土道床內(nèi)，由縱向鋼筋貫穿長軌枕，加強軌枕與道床的聯(lián)結(jié)，結(jié)構(gòu)合理，堅固穩(wěn)定。采用軌排法施工，進(jìn)度快，精度易保證。長軌枕在工廠預(yù)制，混凝土強度等級為C50，橫斷面為梯形。軌枕立面預(yù)留橫向孔，以便道床縱向鋼筋穿過，對道床的整體性和加強淺埋隧道抗浮起到一定作用。道床兩側(cè)設(shè)置排水溝，兩鋼軌中間的道床平順，便于災(zāi)害情況下的旅客疏散。長軌枕埋入式無砟軌道的軌枕與道床結(jié)合面易產(chǎn)生大量裂紋，影響結(jié)構(gòu)的耐久性，增加無砟軌道裂紋修補工作量。

（2）短軌枕埋入式。短軌枕埋入式無砟軌道由鋼筋混凝土短軌枕、C30混凝土道床及水溝組成。短軌枕頂面高出道床頂面約30～40 mm，道床表面設(shè)3%的橫向坡度，以利排水。道床可設(shè)置兩側(cè)排水溝，也可設(shè)中心排水溝。短軌枕在工廠預(yù)制，混凝土強度等級為C50，橫斷面為等截面梯形。軌枕底部伸出鋼筋鉤，以加強軌枕與道床的聯(lián)結(jié)。短軌枕設(shè)計靈活，能很好地適應(yīng)扣件型式尺寸和釘孔距的變化，尤其適用于道岔和部分特殊地段。短軌枕埋入式無砟軌道在我國城市軌道交通應(yīng)用較多，其設(shè)計、施工技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，造價較低，現(xiàn)場施工作業(yè)靈活。缺點是施工精度難以保證，施工軌排穩(wěn)定性及施工速度均較長軌枕和雙塊式軌枕差。

（3）雙塊式。雙塊式無砟軌道由鐵路客運專線CRST-I型C50混凝土雙塊式軌枕、C30混凝土道床及水溝組成。預(yù)制軌枕橫斷面為等截面矩形，雙塊式軌枕由專門設(shè)計的鋼桁架相連。軌枕塊現(xiàn)澆入鋼筋混凝土道床內(nèi)，新、老混凝土結(jié)合面少。該軌道結(jié)構(gòu)整體性較好，具有穩(wěn)定性好、平順性高、軌道狀態(tài)可長期保持、維修工作量顯著減少等突出優(yōu)點。雙塊式無砟軌道采用軌排法施工，施工快捷，精度高，道床混凝土搗固作業(yè)方便，質(zhì)量易于保證，但與其配套的扣件無定型產(chǎn)品，需專門開發(fā)，設(shè)計費用比較高，且這種結(jié)構(gòu)型式主要用于高速鐵路客運專線，對于低速城市軌道交通，性價比較低。根據(jù)鐵路客運專線及重慶市軌道交通5號線使用的經(jīng)驗，道床混凝土容易產(chǎn)生裂縫。

綜上3種無砟軌道特點可見，長軌枕埋入式無砟軌道結(jié)構(gòu)性好、造價適中，適用于地質(zhì)條件不良地區(qū)，可在軌排基地先組裝成軌排，然后利用龍門吊軌排施工，施工進(jìn)度較快。短軌枕埋入式無砟軌道也可在現(xiàn)場組裝或軌排基地組裝，但施工難度稍大。雙塊式無砟軌道性價比較差，城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用極少。表1給出了3種無砟軌道的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

該城市軌道交通1號線一期工程沿線位于濱海沖湖積平原，地質(zhì)狀況較差，工后沉降較大，地下線隧道斷面形式有圓形、矩形單跨和矩形雙跨等幾種，建筑限界要求嚴(yán)格。經(jīng)綜合分析，該城市軌道交通1號線一期工程地下線推薦采用長軌枕埋入式無砟軌道，軌道減振器扣件地段及浮置板兩端過渡地段采用短軌枕埋入式無砟軌道。

3.2高架線無砟軌道選型

高架線采用無砟軌道對梁的徐變上拱和墩臺工后沉降要求嚴(yán)格，目前，國內(nèi)開通的軌道交通高架線中，橋梁的設(shè)計和施工對此已有成功的處理技術(shù)。高架線無砟軌道主要有短軌枕承軌臺式無砟軌道、板式無砟軌道等2種類型。

（1）短軌枕承軌臺式無砟軌道。短軌枕承軌臺式無砟軌道的短軌枕設(shè)置在承軌臺式道床塊上，道床塊混凝土強度等級為C40，布置上下2層鋼筋，其縱向鋼筋兼作排迷流鋼筋。無砟軌道側(cè)面留溝，結(jié)合兩帶狀承軌臺式道床塊，自然形成3條縱向溝槽，在梁端部將雨廢水排入設(shè)在梁端兩側(cè)的預(yù)埋落水管，引入市政排水系統(tǒng)。自上海地鐵3號線采用該道床形式后，目前，國內(nèi)大多數(shù)城市的高架軌道交通采用這種無砟軌道結(jié)構(gòu)。

（2）板式無砟軌道。板式無砟軌道主要由預(yù)制道床板、調(diào)整層及底座等組成。目前比較常用的主要有2種，一種直線電機(jī)運載系統(tǒng)板式無砟軌道，另一種國鐵CRTS-I板式無砟軌道。直線電機(jī)運載系統(tǒng)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在國內(nèi)首次應(yīng)用在廣州4號線，該板式結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制道床板、CA砂漿調(diào)整層、抗剪銷組成。國鐵CRTS-I板式無砟軌道與之相似，區(qū)別之處是以凸形擋臺替代抗剪銷。板式無砟軌道的優(yōu)點是整體性好，施工速度快，結(jié)構(gòu)美觀，養(yǎng)護(hù)維修比其他無砟軌道結(jié)構(gòu)方便，而且省去大面積的橋梁預(yù)埋聯(lián)接鋼筋及混凝土支承塊的制造和運輸，施工簡便。缺點是自重大，工程造價較承軌臺式無砟軌道高，初期建設(shè)投資也較高。

表1　無砟軌道的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

綜上所述，短軌枕承軌臺式無砟軌道自重輕、制作及施工操作簡單方便，且工程造價較低，國內(nèi)應(yīng)用廣泛，具備一整套設(shè)計、施工技術(shù)研究成果和實鋪經(jīng)驗。板式無砟軌道的施工工藝要求機(jī)械化程度高，專用性強，特別是CA砂漿的配料及灌注設(shè)備初期投資大。該城市軌道交通1號線一期工程高架線為雙線雙U截面形式，整孔預(yù)制施工，無砟軌道施工空間小，經(jīng)綜合分析，該城市軌道交通1號線一期工程高架線推薦采用短軌枕承軌臺式無砟軌道。

3.3U型過渡段無砟軌道選型

U型結(jié)構(gòu)段是連接地下線與高架線的過渡段，基礎(chǔ)剛度介于兩者之間，往往坡度較大。國內(nèi)U型結(jié)構(gòu)段一般采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，以保證軌道結(jié)構(gòu)在坡度較大時的防爬阻力，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，并避免碎石道床對周圍環(huán)境的粉塵污染和噪聲影響。

U型結(jié)構(gòu)段采用無砟軌道時，基礎(chǔ)采用樁基加固，使過渡段結(jié)構(gòu)與隧道結(jié)構(gòu)、高架橋結(jié)構(gòu)剛度基本一致，有利于軌道結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，同時便于軌道結(jié)構(gòu)的鋪設(shè)和運營后的維修。由于下部基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)和道床特性差異，該地段極易產(chǎn)生軌道剛度變化、軌面變形不連續(xù)、不平順等問題，影響乘坐舒適性和行車安全度。設(shè)計選型時，應(yīng)綜合考慮下部基礎(chǔ)與道床的合理配備，使地下線、U型結(jié)構(gòu)、高架線等不同地段軌道剛度基本一致，實現(xiàn)軌道剛度的平順過渡。

在隧道內(nèi)和U形槽地段，無砟軌道道床同兩側(cè)結(jié)構(gòu)連在一起澆注，形成大體積混凝土結(jié)構(gòu)。施工養(yǎng)護(hù)時，水化熱引起混凝土溫度升高，當(dāng)表面混凝土溫度下降和水分蒸發(fā)速度大于內(nèi)部混凝土的溫度和濕度變化時，混凝土表面易出現(xiàn)條狀裂紋。U形槽地段作為敞開式結(jié)構(gòu)，受外部環(huán)境溫度、濕度影響大，道床混凝土表面更容易產(chǎn)生溫度裂紋。與長軌枕埋入式道床相比，短軌枕承軌臺式無砟道床混凝土體積更小，溫度裂紋產(chǎn)生的程度更低。

該城市軌道交通1號線一期工程U型結(jié)構(gòu)過渡段最大坡度為30‰，采用U形框架結(jié)構(gòu)，明挖法施工。基底由結(jié)構(gòu)專業(yè)采用樁基進(jìn)行了加固處理，后期工后沉降可以控制在一定范圍。從軌道結(jié)構(gòu)的行車舒適性、安全性、施工及養(yǎng)護(hù)維修等方面考慮，該城市軌道交通1號線一期工程U型結(jié)構(gòu)過渡段推薦采用短軌枕承軌臺式無砟軌道。

4　結(jié)語

（1）軌道結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)符合本地區(qū)地質(zhì)條件和本工程特點，盡量采用先進(jìn)、成熟、合理的技術(shù)，滿足功能要求，提高性價比，并盡量與既有線軌道結(jié)構(gòu)通用和配套，以利養(yǎng)護(hù)維修和管理。

（2）軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的電氣絕緣性，滿足軌道信號傳輸及防雜散電流要求。高架橋上需合理選取梁軌相互作用力，適應(yīng)高架橋上軌道的特點，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，確保運營安全和舒適。

（3）軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強度和穩(wěn)定性、耐久性及適量的彈性，符合質(zhì)量均衡、彈性連續(xù)、結(jié)構(gòu)等強、合理匹配的原則，以確保列車運行平穩(wěn)、安全和乘客舒適，并盡量減少養(yǎng)修工作量。

（4）軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)在技術(shù)安全、可靠的基礎(chǔ)上，盡力做到經(jīng)濟(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡單，并具有通用性和互換性，方便施工、利于養(yǎng)護(hù)維修和運營管理。

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責(zé)任編輯 朱開明

Selection of Ballastless Track Structure in Transit

Yang Minghua

Abstract:The selection of track structure should be based on the geological conditions and engineering characteristics. By using the advanced, proven, optimized technology, the functional requirements can be met to improve the cost effectiveness. The paper takes the phase I project of the urban transit line 1 as an example, and carries out analysis on the selection of urban transit ballastless track structure.

Keywords:urban transit, ballastless track, structure selection

收稿日期2014-12-31

中圖分類號：U213.2