地鐵隧道內(nèi)超薄型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳睿穎

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，200092，上海//工程師）

地鐵隧道內(nèi)超薄型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳睿穎

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，200092，上海//工程師）

有時(shí)地鐵軌道結(jié)構(gòu)高度無(wú)法滿(mǎn)足正常要求，故需設(shè)計(jì)超薄型軌道結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析，選擇無(wú)枕式整體道床方案更佳。結(jié)合其他薄型軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用了植筋、選用復(fù)合纖維混凝土等輔助措施，實(shí)現(xiàn)了超薄型軌道結(jié)構(gòu)的可實(shí)施性。為了驗(yàn)證荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的承載能力，用4 800 mm長(zhǎng)的軌道板進(jìn)行靜載強(qiáng)度試驗(yàn)，用3 600 mm長(zhǎng)的軌道板進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在1.5倍列車(chē)軸重條件下，軌道板強(qiáng)度的各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

地鐵；超薄型整體道床；軌道結(jié)構(gòu)高度

在我國(guó)城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，由于存在施工偏差及預(yù)留工程限制，混凝土整體道床厚度多難以滿(mǎn)足正常厚度要求，需減薄道床。例如,上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)T2航站樓指廊范圍內(nèi)預(yù)留的區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空高為4.5 m，寬為8.6 m，經(jīng)測(cè)算，其軌道結(jié)構(gòu)高度僅有360 mm的空間，小于GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的560 mm，且該區(qū)段長(zhǎng)度較長(zhǎng)（約為620 m）。為保證列車(chē)通行限界的安全需要，需對(duì)既有段的軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，以保證超薄型軌道結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

1 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 道床方案比選

經(jīng)計(jì)算，360 mm高薄型軌道結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的整體道床厚度僅為120～132 mm。相應(yīng)的整體道床方案有2個(gè)。

方案一為無(wú)枕式整體道床。該結(jié)構(gòu)建筑高度小，可配合帶軌底坡、低高度的特殊扣件使用。施工時(shí)，先鑿毛既有結(jié)構(gòu)底板，將鋼軌、扣件按照設(shè)計(jì)標(biāo)高固定好后，整體澆筑道床。道床采用C40混凝土，厚度為120～132 mm，寬度為2 400 mm（如圖1所示）。

方案二為特殊短軌枕式整體道床（如圖2所示）。特殊短軌枕采用C50混凝土預(yù)制。由于高度受限，短軌枕高度采用100 mm，固定扣件用的絕緣套管預(yù)埋在短軌枕中，套管底部局部露出短軌枕。道床采用C40混凝土。軌枕露出道床面高度不小于10 mm。

可見(jiàn)，與方案一相比，方案二不僅多了二次澆筑混凝土接觸面，而且軌枕下道床厚度較小，混凝土澆筑不易搗固，施工質(zhì)量不易保證。故本工程擬采用方案一。

1.2 薄型軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輔助措施

鋼軌選用60 kg/m鋼軌；扣件需具備一定的減振性能，能實(shí)現(xiàn)軌底坡，且組裝高度較小（≤51.4 mm）。道床鋼筋加強(qiáng)、加密布置，采用C40混凝土，并在道床2.400 m寬度以外部分也用C40混凝土滿(mǎn)鋪。為增加混凝土二次澆注的粘結(jié)力，施工時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)底板進(jìn)行鑿毛處理。

圖1 無(wú)枕式整體道床斷面示意圖

圖2 特殊短軌枕式整體道床斷面示意圖

為了保證超薄型道床與既有結(jié)構(gòu)的整體性，還采取了植筋及復(fù)合纖維等輔助措施：

（1）植筋：由于軌道結(jié)構(gòu)厚度不足，為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，故采用植筋手段連接道床和結(jié)構(gòu)底板。植筋進(jìn)入底板的長(zhǎng)度約為280 mm，采用φ14 mm鋼筋。植筋位置應(yīng)盡量避開(kāi)原結(jié)構(gòu)底板鋼筋位置以免破壞原結(jié)構(gòu)鋼筋，并采用絕緣膠防止雜散電流進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)。

（2）復(fù)合纖維混凝土：為了提高混凝土抗裂能力，也為了減少雜散電流的不利影響，道床混凝土采用絕緣性能較好的復(fù)合纖維混凝土。

2 軌道結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

目前超薄型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在地鐵工程中尚未長(zhǎng)區(qū)段應(yīng)用，故有必要對(duì)超薄型無(wú)枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞性能進(jìn)行室內(nèi)測(cè)試；通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證理論計(jì)算及設(shè)計(jì)的合理性及安全性，為超薄型無(wú)枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

考慮試驗(yàn)場(chǎng)地條件，試件按照實(shí)際尺寸共制作兩塊。一塊試件用于做靜載試驗(yàn)，長(zhǎng)4 800 mm；一塊試件用于做疲勞試驗(yàn)，長(zhǎng)3 600 mm。試件道床板厚132 mm，寬2 400 mm；彈性模量為3.25×104MPa，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.80 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.40 MPa（不考慮材料折減系數(shù)）。

靜載試驗(yàn)時(shí)，在2個(gè)加載位置和板中間3個(gè)斷面設(shè)置應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。除了測(cè)試板面混凝土的拉壓應(yīng)力外，還要測(cè)試板底及側(cè)面的縱向應(yīng)力。試驗(yàn)采用雙軸加載，加載間距按地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架軸距取2.5 m設(shè)置。2個(gè)千斤頂分別頂在2道分配梁上同時(shí)加載。試驗(yàn)荷載（單個(gè)千斤頂）分別為1倍、2倍和3倍軸重（即160 kN、320 kN和480 kN）。加載過(guò)程中若試件出現(xiàn)裂縫，則在5次加載之后繼續(xù)增大荷載，以觀察裂縫發(fā)展情況。每次荷載作用下，將各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力與混凝土的設(shè)計(jì)允許應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比；若低于設(shè)計(jì)值，則是安全的，否則需要采取加強(qiáng)措施。

疲勞試驗(yàn)采用單軸荷載。荷載作用在板跨中，大小為30～180 kN，荷載循環(huán)300萬(wàn)次。加載結(jié)束后，以作用位置前后1 m范圍內(nèi)是否出現(xiàn)裂紋作為道床板耐久性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 靜載試驗(yàn)

2.2.1 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分析

測(cè)試時(shí)試件板東西向放置，板底側(cè)邊分別對(duì)應(yīng)南側(cè)與北側(cè)。測(cè)得應(yīng)變后，計(jì)算得到各級(jí)荷載作用下各點(diǎn)的應(yīng)力值。

荷載從0加載到960 kN時(shí)，道床板板底側(cè)邊的縱向應(yīng)力見(jiàn)圖4，道床板板底側(cè)邊的垂向應(yīng)力見(jiàn)圖5，道床板板面的縱向及橫向應(yīng)力分別見(jiàn)圖6～7。較小，拉壓狀態(tài)跟位置有關(guān)。

圖3 道床板試件的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)及加載位置

圖4 道床板板底側(cè)邊縱向應(yīng)力

圖5 道床板側(cè)邊垂向應(yīng)力

圖6 道床板板面橫向應(yīng)力

圖7 道床板板面縱向應(yīng)力

由圖6可知，當(dāng)荷載從0增加到960 kN時(shí)，道床板各板面測(cè)點(diǎn)均處于橫向受壓狀態(tài)，混凝土橫向應(yīng)力基本隨荷載的增加而呈線(xiàn)性增加，斷面3的橫向應(yīng)力較大；當(dāng)荷載為960 kN時(shí)，斷面3的壓應(yīng)力為1.48 MPa，遠(yuǎn)小于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值26.80 MPa。

由圖7可知，道床板板面各測(cè)點(diǎn)均處于縱向受拉狀態(tài)；當(dāng)荷載小于640 kN時(shí)混凝土縱向應(yīng)力基本隨荷載的增加而線(xiàn)性增加；荷載為960 kN時(shí)最大板面拉應(yīng)力為1.91 MPa，小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.40 MPa。

2.2.2 軌道板裂紋發(fā)展情況分析

圖8為加載過(guò)程中軌道板裂縫的分布情況。當(dāng)加載到480 kN時(shí)，軌道板加載梁中間斷面（斷面3）開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；多次循環(huán)加載后，裂縫長(zhǎng)度和裂縫寬度均沒(méi)有擴(kuò)展。當(dāng)荷載大于640 kN時(shí)，裂縫數(shù)量增多、裂縫寬度增大，軌道板板側(cè)和頂面均有裂縫出現(xiàn)，且裂縫擴(kuò)展方向?yàn)橛砂屙斚蛳禄蛴砂暹呄騼?nèi)。當(dāng)荷載為960 kN時(shí)，最大裂縫寬度為0.15 mm。

2.3 軌道板疲勞試驗(yàn)及扣件錨固螺栓抗拔試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)用軌道板板長(zhǎng)3 600 mm。試驗(yàn)單軸荷載為30～180 kN，作用于跨中處。荷載作用頻率為3.5 Hz，疲勞荷載作用次數(shù)為300萬(wàn)次。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)板面及板周邊進(jìn)行詳細(xì)檢查，無(wú)裂紋出現(xiàn)。

由于軌道板較薄，且螺栓套管的錨固長(zhǎng)度較短，故試驗(yàn)時(shí)采用鐵路錨固螺栓抗拔儀，選擇試驗(yàn)軌道板的3個(gè)錨固螺栓套管進(jìn)行抗拔試驗(yàn)。試驗(yàn)共拔了3個(gè)螺栓。每個(gè)螺栓的抗拔力都達(dá)到了80 kN，而且套管周?chē)炷翢o(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，拔后套管狀態(tài)良好。可見(jiàn)，扣件錨固螺栓抗拔性能滿(mǎn)足地鐵相關(guān)規(guī)范要求。

由圖4可知，道床板底側(cè)邊各測(cè)點(diǎn)均處于縱向受拉狀態(tài)。當(dāng)荷載小于480 kN（3倍軸重）時(shí)，混凝土縱向應(yīng)力基本隨荷載的增加呈線(xiàn)性增加。加載梁中間斷面（斷面3）板側(cè)的縱向拉應(yīng)力始終大于其它兩個(gè)斷面。當(dāng)荷載為160 kN時(shí)，斷面3南側(cè)測(cè)點(diǎn)的縱向拉應(yīng)力達(dá)2.39 MPa，非常接近C40混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.40 MPa；其它測(cè)點(diǎn)的側(cè)邊縱向應(yīng)力始終小于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

由圖5可知，道床板側(cè)邊各測(cè)點(diǎn)的垂向應(yīng)力均

3 結(jié)論

浦東機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)項(xiàng)目T2既有段存在軌道結(jié)構(gòu)高度不足的情況。對(duì)此設(shè)計(jì)了超薄型軌道結(jié)構(gòu)，確定了軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)方案比選選擇了無(wú)枕式整體道床，并采取了植筋及使用復(fù)合纖維混凝土等輔助措施。

經(jīng)過(guò)對(duì)該超薄型無(wú)枕式整體軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載和疲勞試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）本工程設(shè)計(jì)的超薄型無(wú)枕式整體道床的相關(guān)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，具有可行性和可靠性。

圖8 加載過(guò)程中軌道板裂縫分布情況

（2）由于本次試驗(yàn)的道床板為在其他場(chǎng)地澆筑，并運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的，故試驗(yàn)軌道板底座基面與試驗(yàn)臺(tái)之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)貼合緊密或縫隙較大的情況，導(dǎo)致道床板受力情況較為復(fù)雜。實(shí)際施工時(shí)，道床板會(huì)直接澆筑在隧道結(jié)構(gòu)底板上。正常施工質(zhì)量下兩者之間不存在縫隙。可見(jiàn)，此次靜載強(qiáng)度試驗(yàn)中軌道板的受力情況更為不利。現(xiàn)場(chǎng)澆筑超薄型軌道板時(shí)，板底與基礎(chǔ)的接觸及基礎(chǔ)的穩(wěn)定均是保證超薄型軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

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Design and Experimental Study of Ultra-thin Ballastless Track Structure in Metro Tunnel

CHEN Ruiying

Since the tunnel track structure height cannot meet the normal requirements,the design of ultra-thin track structure is required,and the ballastless track is considered to be the best one.Combined with other designs of thin track structure,supplementary measures like the composite fiber concrete and so on are adopted to make feasible implementation of the ultra-thin track structure.To verify the effectofload bearing capacity ofthe track structure，experimental studies are carried out,including static load strength test with 4 800 mm long slab and fatigue loading test with 3 600 mm long slab.The results show that under the condition of 1.5 times train axle load，the indicators of the strength of the track plate could meet the design requirements.

metro；ultra-thin ballastless track；height of track structure

Author′s address Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co.，Ltd.，200092，Shanghai，China

U213.2+1

10.16037/j.1007-869x.2017.12.020

2017-03-22）