基于FTGS軌道電路限制下的地鐵整體道床配筋設計

劉 鐵 民

(廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州 510335)

基于FTGS軌道電路限制下的地鐵整體道床配筋設計

劉 鐵 民

(廣州市地下鐵道總公司，廣東 廣州 510335)

從結構受力、排流需要、耐久性方面入手，分析了整體道床應布置雙層鋼筋的必要性，同時提出了上層玻璃纖維增強筋(GFRP)+下層鋼筋復合雙層鋼筋布置是FTGS軌道電路信號系統影響下道床鋼筋布置的較優方案。

FTGS軌道電路，整體道床，玻璃纖維增強筋

1 采用FTGS軌道電路的線路由于線網延伸而出現的道床鋼筋布置問題

混凝土整體道床能長期保持軌道的良好狀態，較為安全可靠、平順，同時較大的降低了后期維修養護工作量。目前國內大部分地鐵線路地下線都采用了整體道床的形式。

廣州地鐵一號線整體道床設計時，鑒于信號系統采用的是德國西門子公司的FTGS917型遙供無絕緣音頻軌道電路，該信號系統專用技術要求中要求鐵軌外輪廓線距離道床內鋼筋網(迷流網)高度不小于30 cm[1]。因此，整體道床鋼筋無法在靠近道床上表層布筋，僅在道床下部距離大于30 cm處布置了一層鋼筋兼作迷流網。后期廣州地鐵二、八號線以及其延長線由于采用了相同的信號系統，因此道床鋼筋布置類似。之后的線路信號系統采用基于通信的移動閉塞ATP系統，不再依靠軌道電路。因此道床鋼筋布置不再受30 cm的限制，普遍采用了上下兩層鋼筋布置的方式。

隨著廣州地鐵的發展，按照線網規劃過去采用FTGS軌道電路的線路如八號線需要進一步延伸(八號線目前正在建設八號線北延段約16 km。下一輪地鐵規劃，八號線還需向東部延伸15 km，繼續向北延伸20 km)。但是，鑒于現有地鐵信號系統技術發展水平，不同供貨商信號系統及新舊系統之間的互聯、互通在技術上和工程上均難以實現，同時又無法使得既有線停運來進行系統更換。因此信號系統仍采用了原八號線的FTGS軌道電路[2]，導致延長線道床鋼筋布置又面臨30 cm距離的限制，無法布置上下雙層鋼筋網。

2 FTGS軌道電路下鋼筋網與鐵軌距離限制的原因

因FTGS技術依靠低壓載頻無絕緣回路實現軌道區間的劃分，車軸行駛到軌道區間內，室內調配通過識別電壓的變化來判斷該區段是否為空閑或占用，其電路原理如圖1所示。

所以，由于周邊環境金屬導體的存在，即使與軌道無直接的連接也會在一定條件下影響圖1曲線(電磁感應)。如果接收端低于一定的電壓值將不能可靠的工作，因此要求道床內金屬網距離鋼軌底面垂直距離不小于30 cm。若不能滿足30 cm的要求，會導致室外軌道電路的劃分大大受限，嚴重時可能導致軌道電路無法可靠工作。同時由于軌道區段適用長度大大減小，因此會導致FTGS軌道電路室外和室內設備數量大量增加，故障點增加，且不利于后期的運營維護[3]。

3 受信號系統影響的鋼筋布置形式

3.1 廣州地鐵二/八號線延長線道床鋼筋布置形式

廣州地鐵二/八號線延長線道床斷面鋼筋布置如圖2所示，受鋼筋網(迷流網)高度不小于30 cm的影響，整個道床范圍內，僅在下部靠近基底處布置了單層鋼筋。縱向為12根間距220 mm～190 mm Φ14的螺紋鋼，橫向為間距220 mm Φ14的光圓鋼筋。早期的廣州地鐵一號線、二/八號線等道床斷面都與圖2類似。

3.2 信號系統限制下道床配筋計算

由于軌道電路的要求，原一號線等線路道床鋼筋布置無法再從混凝土結構受力角度來考慮配筋，而主要受排流網斷面面積的控制。軌道專業根據電器專業給定的相應區間排流網斷面截面積進行配筋計算。排流網斷面截面積計算過程如下：

(1)

(2)

其中，S為排流網的截面(即最小的鋼筋截面積)；ρFE為排流網鋼筋的電阻率；Rg為軌道與排流網鋼筋間過渡電阻；RS為鋼軌單位長度電阻；L為供電分區長度；I為高峰小時鋼軌平均電流。

首先根據式(1)算出排流網斷面截面積，再通過極化電位校核式(2)，復核是否低于CJJ 49—92地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程中0.5 V的規定，如果滿足則確定為鋼筋截面積要求，再根據截面積進行配筋。

4 從結構受力角度考慮整體道床配筋

由于地鐵隧道中溫度變化較小，因此地下線路的整體道床的鋼筋混凝土設計荷載組合主要考慮列車豎向荷載和混凝土收縮作用。首先針對地鐵列車的豎向荷載對道床的作用，根據徐錫江等人[4]的研究結果，在列車活載作用下，道床板的上下表面在縱橫向都有受拉或受壓的可能，因此整體道床更適宜配雙層鋼筋。

其次，考慮混凝土收縮作用。混凝土本身的收縮特性在力學上與混凝土降溫相似，因此可考慮成軸向降溫荷載，參照TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范，最大的收縮應力可按等效降溫幅度取10 ℃考慮，具體降溫幅度跟現場養護狀態有關。混凝土未出現裂紋時，因收縮引起的應力為：

σt=EcαtΔT=30 000×1×10-5×10=3 MPa

(3)

其中，Ec為混凝土彈性模量，C30混凝土取30 000 MPa；αt為混凝土的線膨脹系數，取1×10-5K-1；ΔT為收縮等效降溫，℃。C30混凝土抗拉強度設計值ft=1.45 MPa，收縮應力按等效降溫10 ℃考慮時，收縮應力大于抗拉強度設計值，混凝土將在未配筋的表面開裂。

因此，整體道床從受力角度考慮，上下雙層鋼筋布置是較為合理的。否則，不論從受力角度還是混凝土收縮徐變角度，道床表面均有產生裂紋或者裂縫的可能。而且由于沒有上層配筋，如果不對裂紋或者裂縫進行處理，裂紋與裂縫還將持續擴展，最終影響道床結構的耐久性。

5 地鐵整體道床配筋計算的影響因素

考慮到地鐵整體道床鋼筋網需兼作排流網的特點，要滿足最新地鐵設計規范中要求的設計使用年限。地鐵整體道床混凝土結構設計必須在同時滿足結構受力要求、雜散電流防護中排流斷面需要、結構耐久性要求三個方面的要求下進行設計才能滿足要求，結合這幾個要求，個人認為地鐵整體道床鋼筋雙層布置是更為合理的。下層鋼筋同時滿足結構受力與排流斷面要求，上層鋼筋滿足結構受力要求，并通過上下層鋼筋的布置對混凝土結構裂縫進行控制。

6 信號系統限制條件下可行的道床雙層鋼筋布置方案

6.1 道床上層鋼筋絕緣布置方案

目前國內采用類似信號系統的客運專線及高速鐵路，針對該問題，采用的是上層鋼筋絕緣布置的方案。該方案將道床內上層鋼筋絕緣分離成獨立的單根鋼筋，下層鋼筋網距離鋼軌底面滿足信號要求，上層鋼筋網由于相互絕緣，無法構成閉合環路，因而不會產生感應電流進而影響軌道電路傳輸距離。

但是該方法需將道床內上層鋼筋所有交叉點采用十字形絕緣卡進行絕緣隔離，下層鋼筋網布置在鋼軌底面30 cm距離以下，鋼筋所有交叉點采用焊接或導通式綁扎。每25 m道床單元需要安裝924個十字形絕緣卡子，而且每個卡子都需要測試絕緣電阻。會因個別處絕緣失效而影響到25 m道床單元的整體失效。對施工和監理要求高，現場實施影響施工進度。

6.2 上層玻璃纖維增強筋(GFRP)+下層鋼筋復合雙層鋼筋布置方案

考慮到上述方案的缺點所在，文章提出上層玻璃纖維增強筋(GFRP)+下層鋼筋復合雙層鋼筋配筋方案。方案主要思想為利用玻璃纖維增強筋代替原道床雙層鋼筋布置中的上層鋼筋(含縱向與橫向鋼筋)，達到既絕緣無電磁感應又滿足混凝土結構受力要求，下層仍采用普通鋼筋既滿足混凝土結構受力，又滿足地鐵排流網截面要求。玻璃纖維增強筋(GFRP)是以纖維為主體材料，以合成樹脂為輔助材料，采用拉擠工藝、在線纏繞以及在線涂層等工藝生產出來的一種新型復合材料[5]。同時它是電磁的不良導體，GFRP筋的磁化率小于-6×10-7，非常適合用于需考慮電磁影響而不能使用鋼筋的混凝土構件中[6]。由于地鐵整體道床中上層縱向鋼筋主要受拉而起控制混凝土收縮裂縫以及與混凝土一起承受列車荷載的作用。而GFRP的抗拉強度高于鋼筋，因此上層鋼筋采用 GFRP是完全可行的。玻璃纖維增強筋(GFRP)作為一種鋼筋的替代材料，已在地鐵工程的盾構井端頭連續墻中廣泛使用[7]。同時由于玻璃纖維增強筋無法在工地現場進行彎曲，因此在上層鋼筋布置時，取消橫向筋的彎鉤。用下層普通鋼筋的橫向筋彎鉤來進行道床邊緣加強，如圖3，圖4所示。

目前玻璃纖維增強筋直徑10 mm以上每噸市場價格在18 000元～19 000元左右(含加工費)，約為同等直徑鋼筋的4倍，但是由于其密度為同等體積鋼筋的25%左右，因此經濟性上與普通鋼筋相差無幾。對比采取上層鋼筋絕緣布置的方案，減少了十字形絕緣卡子的費用，減少了絕緣測試的要求。不僅節省了時間也節省了費用。

7 結語

1)綜合考慮道床結構受力、排流斷面要求及耐久性要求，道床結構布置上下雙層鋼筋是較為合理的。2)由于國內目前在廣州地鐵一、二、八號線，深圳地鐵一、四號線，南京地鐵一號線等線路中都采用了西門子的FTGS遙供無絕緣音頻軌道電路。隨著城市軌道線網的擴展，線路的延長，都會面臨到道床鋼筋布置的問題。通過方案的探索，參照國外的GFRP筋混凝土設計指南，個人認為上層玻璃纖維增強筋(GFRP)+下層鋼筋復合雙層鋼筋布置是解決FTGS遙供無絕緣音頻軌道電路信號系統影響下道床鋼筋布置的較優方案。在經濟性相當的情況下加快了施工速度。為采用FTGS軌道電路信號系統下既有線路延長線道床設計提供了另一種可行的路徑。3)目前關于GFRP筋的研究較為廣泛，但是在建筑方面的應用較為狹窄，主要是基于國內缺乏關于GFRP筋混凝土設計的相關規范。在地鐵方面的應用僅在盾構始發或接收井的端頭連續墻等臨時結構中有所使用，通過本文的方案比較，為該種材料的使用提供了一個新的渠道。

[1] 廣州市地下鐵道總公司.廣州市軌道交通八號線北延段信號系統采購合同[R].2014.

[2] 廣州市地下鐵道總公司.廣州地鐵八號線北延段信號采購文件[R].2013.

[3] 西門子(中國)有限公司.八號線北延段迷流網高度對于軌道電路影響的澄清[R].2013.

[4] 徐錫江.城市軌道交通地下線整體道床設計相關問題探討[J].路基工程,2013(1)：81-83.

[5] 胡春華，陳 四，張曉滿.GFRP筋連續配筋混凝土路面[J].物流工程與管理,2012(2)：108-109.

[6] 謝 忞.玻璃纖維筋混凝土板件的力學行為的研究[D].廣州：華南理工大學,2011.

[7] 劉 軍，原海軍，李京凡，等.玻璃纖維筋在盾構工程中的研究與應用[J].都市快軌交通,2014(1)：81-82.

The metro monolithic track bed reinforcement design based on FTGS track circuit constraint

Liu Tiemin

(GuangzhouMetroCorporation,Guangzhou510335,China)

From the structure force, drainage demands, durability aspects, this paper analyzed the necessity of arrangement double layers reinforcement of monolithic track bed, and put forward the upper layer glass fiber reinforcement (GFRP)+ lower layer reinforced composite double reinforcement arrangement was the optimal scheme of track bed reinforcement layout under the influence of FTGS track circuit signal system.

FTGS track circuit, monolithic track bed, glass fiber reinforcement

2015-02-11

劉鐵民(1984- )，男，工程碩士，工程師

1009-6825(2015)12-0147-03

U213.7

A