長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化研究

丁兆鋒

(中鐵磁浮交通投資建設(shè)有限公司,武漢 430060)

1 概述

中低速磁浮[1-4]低置結(jié)構(gòu)是指介于高架結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)之間線路結(jié)構(gòu)，主要由軌道梁結(jié)構(gòu)和路基工程組成。長沙磁浮快線正線區(qū)間及車輛段采用了6段低置結(jié)構(gòu)，總長約為1.2 km，其中兩段為填方路堤，路堤高度為3.5 m左右。這是國內(nèi)外首次將低置結(jié)構(gòu)用于中低速磁浮運營線路，打破了國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為的磁浮軌道交通不宜采用低置結(jié)構(gòu)通行的技術(shù)瓶頸，提高了中低速磁浮交通對地質(zhì)條件、地形條件等的適用性，降低了工程造價，技術(shù)上也在國內(nèi)外保持了領(lǐng)先優(yōu)勢。

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括軌道梁的梁型、截面尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計、墊層、防錯臺構(gòu)造等，以及路基工程中的路基面寬度、基床厚度、線間排水構(gòu)造等。上述關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要基于株洲試驗線、唐山試驗線以及西南交通大學(xué)、國防科技大學(xué)的有關(guān)研究成果[5-10]，并借鑒了鐵路路基相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[11-14]進(jìn)行制定。由于當(dāng)時關(guān)于低置結(jié)構(gòu)的研究尚處于初步研究階段，制定的一些關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在一些問題，主要表現(xiàn)為存在技術(shù)缺陷、設(shè)計偏于保守、工程投資偏高等。針對這些問題進(jìn)行了理論分析和研究，并提出了優(yōu)化措施，為中低速磁浮低置結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用提供參考。

2 關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 軌道梁

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)地段采用了兩種形式的軌道梁[9]，詳見圖1，一種是實心梁，主要用于正線，其優(yōu)點是便于施工；一種是框柱梁，主要用于車輛段，其優(yōu)點是便于站后設(shè)備管線過軌和安裝。

圖1 軌道梁立體示意

兩種軌道梁的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)采用凸字形截面，分為下部基礎(chǔ)基座和上部梁體，下部基座底寬為2.0 m，高為0.3 m，全部埋置在路基上，上部梁體寬1.3 m，高0.7 m；軌道梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長為11.6 m，是軌枕間距的整倍數(shù)。

(2)軌道梁節(jié)間伸縮縫處于梁底設(shè)置限位板防錯臺構(gòu)造，詳見圖2，限位板長2.6 m，高0.35 m，寬0.7 m，限位板梁端設(shè)高0.2 m，寬0.3 m的凸臺。

(3)軌道梁按彈性地基梁和容許應(yīng)力法設(shè)計，設(shè)計荷載[15]主要包括列車及軌道荷載、結(jié)構(gòu)自重、溫度荷載、搖擺力、離心力、牽引制動力等。

(4)梁底鋪設(shè)0.1 m厚的C15混凝土墊層，墊層內(nèi)鋪設(shè)1層φ8 mm@200 mm的鋼筋網(wǎng)。

圖2 限位板防錯臺構(gòu)造示意

2.2 路基工程

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面詳見圖3，路基工程的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)路肩寬度，即路肩與軌道梁基礎(chǔ)底座邊緣的距離，不小于2.5 m，雙線地段標(biāo)準(zhǔn)路基面寬度為11.4 m，線間距4.4 m。

(2)基床表層為0.3 m厚級配碎石，基床表層以下采用A、B組填料，并采用基床底層壓實標(biāo)準(zhǔn)填筑，填料技術(shù)要求及壓實標(biāo)準(zhǔn)與高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)相同。

(3)線間排水采用設(shè)置線間溝和集水井的方式進(jìn)行排放。線間溝為矩形截面，截面尺寸為0.4 m×0.6 m，縱向每50 m設(shè)置一處集水井，集水井為矩形截面，截面尺寸為0.6 m×0.7 m，集水井底部埋設(shè)內(nèi)徑150 mm的鍍鋅鋼管，按4%的排水橫坡將集水井內(nèi)匯水引入路基兩側(cè)排水溝中。

圖3 長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意(單位：m)

3 存在問題分析

3.1 軌道梁

3.1.1 梁型

軌道梁采用實心梁或框柱梁，主要存在以下問題。

(1)實心梁的自重大、對地基承載力要求較高、浪費圬工材料，雙線地段線間匯水無法向兩側(cè)路肩排放。

(2)框柱梁結(jié)構(gòu)輕便，節(jié)省材料，但由于柱，縱、 橫系梁都是小型構(gòu)件，每個構(gòu)件需單獨立模板澆筑，工序繁瑣，施工期長，施工費用高[16]。

3.1.2 防錯臺構(gòu)造

軌道梁節(jié)間伸縮縫處采用限位板防錯臺構(gòu)造，主要存在以下問題。

(1)限位板與軌道梁為搭接連接，尺寸較大，使得彈性地基在限位板處出現(xiàn)剛度突變，梁端與踏板搭接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，搭接處在動荷載作用下反復(fù)磨損，對結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響。

(2)軌道梁自振頻率與限位板自振頻率不一致，磁浮列車走行過程中，限位板受動荷載影響較大，受力不均勻且存在反復(fù)作用的彎折力矩，容易出現(xiàn)疲勞損壞和不利的變形。

(3)限位板改變了軌道梁彈性地基梁的邊界條件，使得軌道梁的邊界條件介于彈性地基梁和簡支梁之間的一種受力狀態(tài)，對軌道梁的抗振性能產(chǎn)生不利影響。

(4)限位板利于控制路基差異沉降變形，對路基差異隆起變形限位作用將失效。

3.1.3 墊層

軌道梁基底鋪設(shè)混凝土墊層的目的是作為軌道梁的施工平臺，起到找平層的作用，主要存在以下問題。

(1)墊層位于基床范圍內(nèi)，直接承受列車動荷載作用，同時也起到力的傳遞作用，屬于主體受力結(jié)構(gòu)，但長沙磁浮快線采用的墊層設(shè)計不滿足主體受力結(jié)構(gòu)條件：采用構(gòu)造設(shè)計，未進(jìn)行力學(xué)計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計；采用C15混凝土不滿足主體受力結(jié)構(gòu)的耐久性要求；保護(hù)層厚度僅為4.2 cm，在某些環(huán)境條件下混凝土最小保護(hù)層厚度不滿足設(shè)計要求。

(2)墊層厚度僅為0.1 m，位于半剛性基床與剛性軌道梁之間，其受力極不均勻，在動荷載反復(fù)作用下宜出現(xiàn)疲勞破壞，不利于基床防水，且改變了其對軌道梁的支撐條件，影響軌道梁受力和使用性能。

3.2 路基工程

3.2.1 路肩寬度

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)地段路肩寬度主要參考了高速鐵路設(shè)計規(guī)范及鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。高速鐵路無砟軌道路肩寬度為2.6 m，擋墻位于穩(wěn)定土層斜坡底面時，擋墻趾部距地面的水平距離不小于2.5 m。據(jù)此規(guī)定了長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)地段路肩寬度不小于2.5 m。

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)與高速鐵路無砟軌道路基及位于穩(wěn)定土層斜坡底面的擋墻工程在受力及工程條件方面均存在較大差異，因此參照確定的標(biāo)準(zhǔn)存在一定的不合理性，主要差異分析如下。

(1)高速鐵路無砟軌道路基的路肩寬度取2.6 m，其目的是為了滿足接觸網(wǎng)限界以及電纜槽擺放需求，且高速鐵路荷載遠(yuǎn)大于中低速磁浮荷載，除卻滿足限界及站后設(shè)備安裝功能而言，路肩寬度不小于1.5 m即可。

(2)擋墻，特別是高墻，要承受較大的水平土壓力，位于天然土層斜坡時，為了確保擋墻基礎(chǔ)穩(wěn)定性要求，規(guī)定墻趾距離地面水平距離不小于2.5 m，而軌道梁的水平荷載僅有搖擺力和離心力，遠(yuǎn)小于擋墻所承受的土壓力，同時天然土層強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于路基填筑土體強(qiáng)度。因此，長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)地段路肩寬度取為2.5 m偏于保守，存在較大的優(yōu)化空間。

3.2.2 基床厚度

長沙磁浮快線基本表層厚度為0.3 m，采用級配碎石填筑，基床表層以下均采用基床底層填料及壓實標(biāo)準(zhǔn)填筑，基床底層最大填筑厚度約為3.2 m，遠(yuǎn)大于高速鐵路基床底層厚度2.3 m，這一結(jié)果過于保守。

3.2.3 線間排水

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)地段，路基面中心設(shè)0.4 m×0.6 m排水溝，線間匯水引入線間排水溝，縱向每50 m設(shè)置一處集水井，集水井截面尺寸采用0.6 m×0.7 m，然后采用內(nèi)徑150 mm的鍍鋅鋼管，按4%的排水橫坡將集水井內(nèi)匯水引入路基兩側(cè)排水溝中。采用線間溝排水有以下缺點。

(1)線間溝與集水井需在路基施工完畢后實施，實施時需在路基結(jié)構(gòu)內(nèi)切割或開挖基坑，對路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的擾動，鍍鋅鋼管需預(yù)埋，對路基填方施工有一定的干擾。

(2)線間溝及集水井均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，工程投資較大，且需現(xiàn)場鋼筋綁扎、立模板、澆筑混凝土和養(yǎng)護(hù)等，施工工序較為復(fù)雜，施工周期長。

(3)集水井與鍍鋅鋼管埋入路基面以下一般不小于1.5 m，運營過程中不宜檢修。

(4)路塹地段為確保鍍鋅管內(nèi)排水排入側(cè)溝內(nèi)，需加深側(cè)溝溝底高程，導(dǎo)致路塹斷面開挖深度增大，增加了土石方工程和投資。

4 優(yōu)化措施研究

4.1 軌道梁

4.1.1 梁型

鑒于長沙磁浮快線采用的實心梁浪費圬工材料，采用的框柱梁工序繁瑣，可采用如圖4所示的U形梁。

圖4 U形梁示意

U形梁由基礎(chǔ)底座和懸臂梁組成，可與軌排鋼結(jié)構(gòu)組成鋼混框架結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)磁浮車輛荷載。與實心梁相比能夠有效節(jié)省混凝土和鋼筋用量，與框柱梁相比施工工序簡單，模板易于安裝和拆除，同時易于檢修和維護(hù)，U形梁內(nèi)部空間可用于安裝站后管線，過軌可通過在懸臂梁內(nèi)預(yù)埋過軌管來實現(xiàn)；另外懸梁臂的底部設(shè)有泄水孔用于將U形軌道梁中間的水排出。

4.1.2 防錯臺構(gòu)造

路基變形包括沉降變形和隆起變形，軌道梁節(jié)間防錯臺構(gòu)造對差異沉降變形和差異隆起變形都要起到控制作用，如圖5所示的傳力桿構(gòu)造可實現(xiàn)上述功能。傳力桿采用光圓鋼筋制作，包括錨固段和自由段，自由段榫入鋼管制作的套管內(nèi)，套管端部留有空隙，保證自由段可沿水平方向伸縮，便于釋放軌道梁收縮徐變以及溫升溫降產(chǎn)生的應(yīng)力，其他方向保持約束，可起到力的傳遞作用。

圖5 傳力桿示意

傳力桿構(gòu)造[17-19]在鐵路的U形槽工程、無砟軌道工程，公路的混凝土路面工程以及市政工程中的船槽工程中大量使用，是一種成熟可靠的技術(shù)。該技術(shù)用于軌道梁可避免差異沉降和差異隆起導(dǎo)致軌道梁發(fā)生錯臺，同時使得軌道梁下地基應(yīng)力變的較為均勻，避免地基出現(xiàn)剛度突變和應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高軌道梁的抗振性能。

4.1.3 墊層

無砟軌道鐵路路基段，軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)底座以級配碎石基床表層為施工平臺，直接在基床表層之上澆筑而成；懸臂擋墻底板、U形槽底板等也以碎石墊層作為找平層，效果優(yōu)良；同時，碎石墊層與基床表層均屬于半剛性材料，也有利于列車動荷載的傳遞和擴(kuò)散。軌道梁基底的混凝土墊層可改用碎石墊層，墊層按主體受力結(jié)構(gòu)設(shè)計，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行基床表層相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時為了保證墊層的平整性，可摻入5%的水泥填筑。

4.2 路基工程

4.2.1 路肩寬度

根據(jù)有關(guān)研究中低速磁浮的路肩寬度不由邊坡穩(wěn)定性所決定，保證一定的路基寬度主要是為了滿足養(yǎng)護(hù)維修、放置設(shè)備等功能需求[1]。中低速磁浮采用接觸軌供電，接觸軌放置在軌道梁上，通信信號電纜也可以以軌道梁為載體，不存在接觸網(wǎng)限界及電纜槽位置問題。綜合考慮高速鐵路、城際鐵路等軌道交通的最小路肩寬度(表1)，并結(jié)合中低速磁浮的養(yǎng)護(hù)維修通道設(shè)置，建議中低速磁浮低置結(jié)構(gòu)地段路肩寬度可取為1.5 m。

表1 路肩寬度統(tǒng)計 m

4.2.2 基床厚度

中低速磁浮列車及軌道荷載作用在基床上的均布靜荷載約為20 kPa，該荷載通過軌道梁傳遞到基床頂面，應(yīng)力重分布后，乘以擴(kuò)大系數(shù)2.0，最大基底靜應(yīng)力約為40 kPa，這一荷載強(qiáng)度小于且接近城際無砟軌道鐵路作用在路基面上的荷載47.8 kPa，而中低速磁浮與城際鐵路無砟軌道對于基床的設(shè)計理論、彈性變形控制指標(biāo)等基本一致：基床底面的動應(yīng)力與自重應(yīng)力之比在0.2以下，路基面動位移控制在1 mm。中低速磁浮的基床厚度理論上與城際鐵路無砟軌道路基基床厚度1.8 m相當(dāng)。因此中低速磁浮基床厚度可取為1.8 m，其中基床表層厚度為0.3 m，基床底層厚度為1.5 m，這一結(jié)果略偏于保守。

4.2.3 線間排水

長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)地段軌道梁標(biāo)準(zhǔn)長度為11.6 m，其上部梁體節(jié)間縫寬30 cm，參照無砟軌道線間排水的經(jīng)驗[20]，利用節(jié)間縫進(jìn)行線間排水可以滿足設(shè)計要求，排水構(gòu)造如圖6所示：于線間在上部梁體之間鋪設(shè)纖維混凝土排水層，排水層橫坡2%；上部梁體節(jié)間縫設(shè)置橫向排水通道，采用水泥砂漿設(shè)置不小于2%的橫坡與排水層橫坡順接；下部梁體2 cm寬伸縮縫內(nèi)采用不透水填縫料；為了避免線間匯水下滲，排水層下采用防水卷材防水層，防水層下采用細(xì)石混凝土作為防水層的保護(hù)層；在下游采用混凝土砌筑分流凸臺，確保線間匯水從節(jié)間縫排出。上述排水構(gòu)造利用軌道梁上部梁體節(jié)間縫排水，避免了對路基二次開挖，同時施工工序簡單，投資節(jié)省，排水效果優(yōu)良。

圖6 節(jié)間縫排水構(gòu)造

長沙磁浮快線優(yōu)化后的低置結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意見圖7。

圖7 優(yōu)化后低置結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意(單位：m)

5 結(jié)論

針對長沙磁浮快線低置結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存在的問題進(jìn)行了理論分析和研究，并提出了優(yōu)化措施。研究成果及結(jié)論如下。

(1)低置結(jié)構(gòu)地段軌道梁宜采用U形梁，軌道梁節(jié)間伸縮縫處宜采用傳力桿防錯臺措施，軌道梁基底宜設(shè)置碎石墊層，施工時可摻5%水泥填筑。

(2)路肩寬度一般取為1.5 m，當(dāng)兩側(cè)路肩有信號燈等站后設(shè)備時，可局部加寬路基面，以滿足站后設(shè)備安裝要求。

(3)路基基床厚度可采用1.8 m，其中基床表層厚度為0.3 m，基床底層厚度為1.5 m。

(4)線間匯水宜利用軌道梁上部梁體的節(jié)間縫進(jìn)行排水，同時線間回填層頂面應(yīng)做好防排水措施。