板式軌道在地鐵中的應用研究

曹德志

隨著城市規模不斷擴大、城市人口日益激增、城市機動車擁有數量迅速增長，污染和耗能問題以及城市道路的擁堵問題成為制約城市發展的癥結。而城市軌道交通以低污染、低能耗、大容量及安全、準時、快速的優點成為解決城市交通問題的首選方案。地鐵軌道工程作為土建和機電安裝承上啟下的工程，對地鐵能否按期投入運營起著至關重要的作用。十幾年來，傳統的地鐵整體道床軌道施工均采用人工精調軌道、現場澆筑混凝土方式，存在施工進度緩慢、混凝土現澆質量控制難、勞動強度大、作業環境惡劣等諸多弊端。隨著結構設計復雜的減振降噪技術在軌道工程中的應用，傳統的現場澆筑混凝土道床施工模式，還存在施工效率低下、質量控制難，影響減振效果的問題。為了適應地鐵在各大城市的大規模建設，急需克服現有地鐵軌道施工技術瓶頸，將高速鐵路成熟的精密測量技術及板式軌道技術引入地鐵，開展相關技術研究。

1 地鐵預制板式軌道提出的背景

近年來，隨著建筑工業化模式的不斷發展，國內在預制混凝土裝配式建筑方面的研究與應用逐漸升溫，預制混凝土裝配式結構在建筑施工質量、節能減排效果、綜合經濟效益等多方面具有優于現澆混凝土結構的性能。軌道交通建設作為建筑業的一個分支和國內新興產業，其在今后一段時間將處于空前的發展階段，在新形勢下，適應市場形勢和產業發展的要求，需不斷創新發展提升軌道交通建設和管理水平。

隨著國內高速鐵路板式軌道的快速發展和先進的測量控制技術手段的使用，為地鐵軌道工程的施工和發展提供了一個全新的思路和模式。但是地鐵軌道不同于高速鐵路，在設計技術標準、工況邊界條件、環境減振降噪需求等方面存在著差異。其技術能否在地鐵施工中運用，需結合地鐵軌道施工的特點，在消化吸收高速鐵路軌道施工技術的基礎上，克服軌道基礎控制網測量、數字化精調、狹窄環境機械化裝配等技術瓶頸，形成一套新的地鐵預制板軌道施工工藝工法和配套工裝。

為此，借鑒高速鐵路自主知識產權的 CRTSⅢ型板式無砟軌道技術[1]，上海地鐵嘗試在12號線設計了370 m普通預制板軌道。為了順利完成該工程項目，為地鐵預制板軌道施工積累經驗，提出論文以供研究。

2 主要研究內容

以上海地鐵12號線項目為依托，配合設計院提出預制軌道設計總體方案，結合地鐵隧道結構限界特點、小半徑線形特征及目前地鐵鋪軌工裝配置能力，分析預制軌道板采用的板型，開展地鐵預制板軌道施工技術研究，研發出配套的板式軌道測量及施工工法，系統解決新型地鐵板式軌道施工難題。

1）針對地鐵限界尺寸，從施工角度對地鐵預制板的結構尺寸進行分析，結合現有鋪板工裝能力，設計預制板長度、吊裝位置、軌道板三向調整器安裝位置等，提出系統化的預制板軌道設計－施工一體化解決方案。

2）消化吸收高速鐵路 CPⅢ軌道控制網測量技術，根據地鐵測量的特點，進行系統的理論精度分析及現場驗證，將精密測量技術應用于地鐵軌道幾何尺寸的調整和預制軌道板的精調。

3）在消化吸收高速鐵路板式道床施工經驗的基礎上，結合地鐵施工工況條件及施工技術特點，研發適用于地鐵施工的普通預制板軌道施工工藝及配套工裝設備。

3 地鐵軌道控制網的設計及應用

對于地鐵板式軌道，如果采用傳統的基標測量方法，其定位精度難以保證，且調板效率低，而采用高速鐵路CPⅢ軌道控制網測量技術，則可實現軌道板數字化精調，提高精調效率和質量。

高速鐵路 CPⅢ軌道控制網的特點是控制點沿線路布置在路基兩側的接觸網桿或基礎、橋梁防撞墻、隧道側壁上，點間距為縱向60 m左右，可供雙線使用，測量精度為相鄰點位的相對點位中誤差小于1 mm[2]。而地鐵隧道相比高速鐵路，隧道大部分為單線隧道、曲線半徑小，且頻繁交錯布置，隧道壁上布置有疏散平臺、電纜支架、消防水管等，設置條件很差，視線不良。直接采用高速鐵路 CPⅢ控制網布設測量的方法，將無法滿足點位的測量及保護要求，需對其布設間距、高度等進行針對性的布網設計。

通過現場反復試驗，對測量數據對比，提出地鐵軌道基礎控制點沿線路成對布設的方案，技術要求如表1所示。受地鐵小半徑曲線的限制條件，曲線地段一般在30～45 m成對布設[3]，滿足通視條件。

表1 軌道基礎控制點布設的技術要求Tab. 1 Technical requirements for the layout of the basic control points of the track

控制點布設時根據限界圖中線路設備的設計位置進行綜合比選，選擇結構穩定、高度合適、便于控制網測量的位置進行布點。單圓隧道區間段左側控制點布設在側向平臺以上10 cm位置，距軌面約1.2 m；右側控制點布設在給水管與區間電話箱之間側墻上，距軌面約1.1 m。

4 地鐵預制板式軌道設計

國內先后在京津、哈大、京滬、鄭徐等高速鐵路大量采用板式無砟軌道，其雛形主要來源于德國博格板和日本框架板，后通過消化吸收再創新，設計出自主知識產權的 CRTSⅢ型板式無砟軌道，具有施工方便、成本較國外引入低的優勢，通過工程實踐，總結出了成套施工技術和配套工裝。其顯著特點是將大量現場澆筑混凝土作業轉入工廠化預制，這對地鐵項目將有很好的可借鑒性，能夠解決地鐵作業環境狹窄的問題，并為地鐵養護維修提供便利條件，為此，嘗試將高速鐵路 CRTSⅢ型板式軌道引入地鐵，結合地鐵工況條件進行設計，開發配套的施工工藝和工裝。

根據高速鐵路板式軌道結構，結合地鐵工況條件，設計地鐵的普通預制板軌道。其結構由鋼軌、扣件、預制軌道板、自密實混凝土充填層、限位結構（門型筋+凹槽）、中間隔離層（土工布隔離層）和鋼筋混凝土基底組成[4]，其三維模擬示意如圖1、圖2。單塊預制軌道板重約6 t。

圖1 板式軌道結構三維示意（俯視圖）Fig. 1 Three-dimensional diagram of the slab track structure（top view）

圖2 板式軌道結構三維示意（仰視圖）Fig. 2 Three-dimensional diagram of the slab track structure（bottom view）

1）軌道板。軌道板采用單元分塊式結構，為無擋肩鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為 C50，非預應力結構，設計軌道板縱向長度4 700 mm，寬度2 300 mm，厚度為200 mm，軌底坡設于板上。板間設置100 mm板縫，扣件間距600 mm。扣件安裝位置設置420 mm×290 mm承軌臺，鋼軌中心位置承軌臺高度25 mm，1/40軌底坡設置于承軌臺。每塊板留置3個注漿/排氣孔，上口直徑160 mm，下口直徑140 mm。

2）自密實混凝土充填層。軌道板與基底間設置自密實混凝土，即自密實混凝土結構調整層，強度等級為C35，厚度為80 mm，采用單層鋼筋網配筋設置。

3）中間隔離層（土工布隔離層）。自密實混凝土與基底間設置中間隔離層，采用4 mm聚丙烯無紡土工布。

4）基底。基底為鋼筋混凝土結構，強度等級為C35。

5）限位結構。軌道板下設門型筋，基底采用雙凹槽方案，凹槽長×寬×深：700 mm×400 mm×80 mm。

6）扣件。采用DTIII-2A型扣件，該扣件為配合板式道床設計，新研發的大調整量扣件，單個扣件底板調整量為–10～+12 mm。

7）軌道結構高度情況。軌道結構各部位結構尺寸：176 mm（鋼軌）+38 mm（扣件高度）+25 mm（承軌臺）+200 mm（軌道板厚度）+80 mm（自密實混凝土層厚度）+4 mm（土工布隔離層）+212 mm（隧道仰拱理論基底中心高度）=735 mm。如圖3所示。

圖3 地鐵板式軌道設計斷面Fig. 3 The design section of slab track

5 鋪設總體方案及工裝配置

5.1 鋪板總體方案

軌道板采用工廠化預制生產，加工成型的成品軌道板通過汽車運輸至鋪軌基地存儲，在鋪軌基地內采用桁車將預制軌道板吊裝至平板車上，軌道車運輸至作業面，隧道內施工作業面采用軌行式鋪軌門吊進行軌道板吊運、鋪設作業，采用軌道基礎控制網及配套測量系統及工裝設備進行軌道板幾何位置調整，固定軌道板位置后進行自密實混凝土層的灌注施工，安裝線路鋼軌扣件等作業。

地鐵普通道床板式軌道施工基本工藝流程如圖 4所示。

5.2 工裝配置

除基底鋼筋加工、混凝土澆筑所需常規設備外，還需配置軌道板運輸、鋪設、精調成套工裝，部分工裝需要結合具體工況研制，主要工裝配置見表2。

圖4 地鐵普通預制板軌道施工基本工藝流程Fig. 4 Basic construction process for ordinay subway prefabricated slab tracks

表2 鋪板主要工裝配置Tab. 2 The main tooling configuration of track slab laying

6 鋪設工藝及技術要求

6.1 基底施工

根據調線調坡后的線路，測設線路中心線、板縫位置線、基底高程控制樁，作為基底鋼筋網綁扎、結構縫設置里程、限位凹槽設置位置、基底混凝土高程控制的基準。

特別要重視基底限位凹槽模板的安裝，直線地段限位凹槽中心位置同線路中心線，曲線地段限位凹槽中心位置同線路中心存在理論偏移，需根據超高計算理論偏移值，見式1。

式中：均按mm取值；d為板式軌道頂板凹槽中心線同軌道中心線的偏離值；H為板式道床軌頂面至基底表面的高差，按道床設計523取值；Δh為外軌超高值；1 500為左右股鋼軌軌頂面距離。

6.2 軌道板位置測量放線及曲線布板

為了給軌道板初步就位、鋪設土工布、自密實混凝土層鋼筋網片綁扎提供基準位置，需進行軌道板位置的測量放線。地鐵軌道板的設計板型均為標準的直線板，均按直線板進行預制，曲線地段需“以直代曲”，采用“半矢法”進行布板，施工測量放線時，應注意軌道板中心線同線路中心線的幾何關系。

6.3 隔離層及彈性墊層鋪設

土工布鋪設前應將底座表面和限位凹槽清理干凈，土工布鋪設較軌道板四周邊緣寬出50 mm（軌道板2 300 mm寬，土工布2 400 mm寬）[5]，卷材沿軌道線路方向，攤開進行鋪設。

6.4 鋼筋網片鋪設

鋪設鋼筋網片以線路中心線為基準，進行鋼筋網片的鋪設。部分鋼筋在軌道板板底門形筋位置穿縱向鋼筋，按設計要求進行設置。

6.5 軌道板存儲、運輸及鋪設

為了避免軌道板存儲變形，軌道板存儲的場地及臺位需進行混凝土硬化，硬化的場地應平整，存儲軌道板時，板底及每層間隔設置專用支撐墊木。存放層高不宜大于5層。單塊軌道板約6 t，當存儲場地位于車站頂板上時，還應滿足車站頂板荷載的要求。

在鋪軌基地利用門式起重機將預制道床板由鋪軌基地軌排孔吊裝至平板車上，每輛PD25型平板車裝4塊軌道板（雙層布置，板底設置支撐墊木）。軌道車牽引平板車，運輸至鋪設作業面。

軌道板鋪設前，應預先在基底表面放置支撐墊木，墊木位置應放在軌道板板端位置，放置 4塊墊木做臨時支撐（墊木放置位置宜臨邊，在調節器起板后方便取出）。墊木高度按70 mm厚度加工（小于自密實混凝土層厚度，道床板自密實混凝土設計厚度80 mm）[6]。

作業面鋪軌門吊配合進行軌道板的鋪設，以放樣的邊線和板縫線為基準進行落板并初步就位，軌道粗鋪精度控制：前后允許偏差 10 mm，左右允許偏差10 mm[7]，滿足后續軌道板精調時調節器的調節范圍要求。

6.6 軌道板精調及固定

軌道板初步鋪設后，四角安裝三向調節器，注意調節器與基底間設置支撐墊木（宜采用硬雜木），首先將高程調節螺栓調節處于最低位置，左右前后調節螺栓調節處于中間位置。注意安裝調節器前，需將兩側封邊模板臨時安裝到位（調節器臨近軌道板，安裝完畢后兩側模板無法安裝）。

軌道板上利用扣件尼龍套管作為棱鏡定位孔，全站儀實時測量同棱鏡交換數據，指揮人工利用三向調節器進行軌道板的精調。軌道板精調注意搭接測量，避免產生累積偏差。精調過程中應注意四角步調一致，避免單點受力過大造成軌道板吊裝孔處邊角破損，精調允許偏差如表3[8]。軌道板精調完畢后，應檢查四角位置的調節器是否均處于受力狀態（可能存在精調器三點受力狀態，造成軌道板固定不牢固）。

表3 軌道板精調定位允許偏差Tab. 3 Allowable deviation of fine tuning postioning of track slabs

在緩和曲線調板時，緩和曲線地段因理論上兩股鋼軌為扭曲面，曲線外股以低點（直線方向的點位）控制軌道板的高程，按坡度進行疊加。

軌道板精調完畢后，安裝四周封邊模板（即兩側及端頭封邊模板）、軌道板防上浮支架（反力架），曲線地段還需安裝防側向位移支架。

6.7 板下自密實混凝土灌注

目前地鐵普通道床施工均采用商品混凝土，板式道床自密實混凝土同澆筑道床的混凝土不同，單次使用數量少，材料質量要求嚴，混凝土配置質量控制要求高，地鐵鋪軌位于市區，商品混凝土廠家一般距離鋪軌基地較遠，運輸至鋪軌基地后還需軌道車運輸至作業面，拌制到澆筑的時間長且不易控制，無法滿足自密實混凝土的施工要求。為了自密實混凝土的拌制，需在鋪軌基地設置小型攪拌站，采用小型攪拌設備進行混凝土的集中拌制。在上海地鐵17號線施工時，自密實混凝土用量較大，采用商品混凝土。

自密實混凝土其配合比設計及相關揭板試驗參照高速鐵路 CRTSⅢ型板施工進行。嚴格按照揭板試驗材料配合比配料，每塊板自密實混凝土方量約1.2 m3，按照澆筑板的數量確定拌制方量，并稍有富余。

灌注時，宜采用“慢-快-慢”方式[9]，連續一次性完成單塊板的灌注，單塊板灌注時間宜控制在10～15 min。防溢管在自密實混凝土混凝土澆筑完成3 h后拔除，并在板面預留孔位置插入S型鉤筋，進行灌注口（或防溢孔）的混凝土收面。調節器及壓板支架應在自密實混凝土終凝后拆除。軌道板上堆積重物及承受振動沖擊荷載時，需注意混凝土齡期同強度的關系，必要時做抗壓強度試壓，合理確定承受荷載時間。

6.8 鋼軌扣件安裝及軌道精調

按照設計圖紙進行扣件安裝，鋪設鋼軌，形成臨時線路。扣件安裝完畢后，對軌道幾何尺寸進行檢查，確保工程列車的安全運行。

地鐵軌道板的設計均為標準的直線板，按直線板預制，曲線地段需“以直代曲”，采用“半矢法”，即第二組扣件中心線處線路中心線與板中心線偏離值為0，其余扣件中心線處矢距通過扣件調整，DTⅢ2-A扣件軌距調節量：單個扣件底板調整量為–10～+12 mm，在保證工務維修量的情況下，滿足施工技術的要求。

7 應用實例及效果

本文闡述的地鐵軌道基礎控制網測量技術目前在上海、北京、杭州、寧波、廈門、武漢、深圳、西安等城市的地鐵軌道工程均得到了推廣應用。上海地鐵嘗試在12號線設計了370 m普通預制板軌道，該線路于2015年12月19日運營通車，列車運行平穩安全，繼上海地鐵12號線后，上海軌道17號線公司標段總長3.8 km應用了該型板式道床，受土建工期滯后1個月影響，鋪軌基地不能移交，導致預制軌道板及其他材料無法按計劃儲備，不能提前進行基底施工，兩端下料口僅單側預留，增大了基底混凝土輸送難度，后續軌道板鋪設受軌道板材料供應影響，綜合進度指標約40 m/d，沒能達到預期的75 m/d。軌道板精調精度能夠控制在規定范圍內，施工過程中雖然采取了軌道板固定工裝，但曲線地段仍有上浮和側移，自密實混凝土灌注后安裝鋼軌，需對軌道幾何尺寸進行精調，軌道精調后局部地段無砟軌道竣工測量數據見表4。

表4 無砟軌道竣工測量幾何尺寸數據Tab. 4 Ballastless track completion measurement geometric data mm

隨著地鐵測量基礎控制網技術的攻克，為地鐵預制板軌道數字化精調提供了條件。如果大量推廣使用，還需結合地鐵具體工況和施工組織，不斷研究，進一步改進工裝配備，優化工藝工法，以期達到預期工效目標。采用板式軌道結構提高了軌道的可維修性、可更換性，有效地降低后期運營維護成本。尤其針對特殊不良地質條件下，對地鐵道床的整修更換、處理，提供了可行性和更為便利的條件。

[1] 安國棟. 高速鐵路無砟軌道技術標準與質量控制[M].北京: 中國鐵道出版社, 2009: 311-317.

[2] 高速鐵路工程測量規范: TB10601-2009[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2010.Specifications for survey engineering of high speed railway:TB10601-2009[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2010.

[3] 陳瑞陽. 淺談地鐵軌道施工中CPⅢ測量技術的應用[J].測繪通報, 2013(S): 121-123.

[4] 高速鐵路設計規范: TB10621-2014[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2014.Code for design of high speed railway: TB10621-2014[S].Beijing: China Railway Publishing House, 2014.

[5] 高速鐵路軌道工程施工技術指南: 鐵建設[2010]241號[S].北京: 中國鐵道出版社, 2010.Technical guide for constructional of railway concrete engineering: [2010]241[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2010.

[6] 李吉林. 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道工程施工質量的管理與控制[D]. 成都: 西南交通大學, 2013.LI Jilin. Quaily management and control for construction of hgh-speed railway CRTSⅢslab ballastless track engineering[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2013.

[7] 常海林. CRTSⅢ型板式無砟軌道施工關鍵技術綜述[J].石家莊鐵路職業技術學院學報, 2014(4): 33-37.CHANG Hailin. Overview of construction technology of CRTSⅢ type slab ballastless track[J]. Journal of Shijiazhuang Institute of Railway Technology, 2014(4): 33-37.

[8] 李昌寧. CRTSⅢ型板式無砟軌道軌道板預制與鋪設技術[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2015.

[9] 陳孟強. CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土施工關鍵技術[J]. 高速鐵路技術, 2013, 4(5): 82-86.CHEN Mengqiang. Key construction technology for selfcompacting concrete of CRTSⅢ slab ballastless track[J].High speed railway technology, 2013, 4(5): 82-86.