地鐵沉降地段易修復板式無砟軌道限位方案研究

李 昕，楊明輝，張沐然，王紹華，韋 凱

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

近年來，隨著我國城市軌道交通的迅速發展，無砟軌道的結構形式得到了快速發展。作為無砟軌道結構形式之一的單元板式軌道，因其具有結構簡單、施工與維護方便等特點，在我國鋪設里程較長[1-2]。為了適應軟土地區城市軌道交通的快速發展，保證行車安全，亟需研究適用于地鐵大沉降地段易修復的無砟軌道結構形式，其對工程應用具有重要的指導意義和價值。

目前，在引進、消化吸收國外無砟軌道結構的基礎上，我國初步建立了高速鐵路無砟軌道設計、計算理論，并確定了雙塊式、CRTS I型板式、CRTS II型板式和新型單元板式四種無砟軌道結構形式[3]。以上研究主要為高鐵線路無砟軌道結構形式，適用于地鐵的無砟軌道結構形式尚沒有統一規范。由于高速鐵路與地鐵線路所處的環境不同，并考慮到線路等級、成本等因素，可否直接采用或借鑒高速鐵路線路的結構形式有待考證，且對于軟土地區發生沉降后適用于城市軌道交通天窗時間短、空間有限等特點的修復方法有待研究，因此有必要研究一種易維修、適用于沿海地區大沉降地段的軌道結構及其修復方案。其中，楊明輝[4]總結了6種適用于城市軌道交通軟土地區發生沉降后的修復方案，認為扣件調整方案，施工時間最短，一次性投入的成本最少，但其調整量有限，不大于30 mm。當基礎變形超出扣件調整量時針對調整道床高程的修復方法，主要有路基注漿、基床表層注漿和砂漿層厚度調整等[5-6]，其中調整砂漿層厚度的修復方法因其施工簡便、精度高的特點，可滿足無砟軌道高平順性的要求。該方法主要有灌注快硬水泥砂漿等方式，在灌注填充材料前需拆除扣件系統，通過特定裝置將軌道板抬升至目標高度，操作要求較高[4-6]。由于以上處理方案受地鐵天窗時間等的限制存在不足之處，有必要研究一種易于維修的修復方案。基于上述不足，陳醉[7]提出灌注快硬高強度材料的注漿方法抬升軌道板。當軌道板抬升到位后，灌注的漿料在板底形成永久支撐，再填注快速修復砂漿，達到對軌道板快速抬升修復的目的。

鑒于此，本文提出2種適應于地鐵大沉降地段易修復板式無砟軌道的結構設計方案，建立了易修復板式無砟軌道結構的非線性有限元模型，分析其在直、曲線段的承載能力，并在此基礎上考慮在大沉降地段為保持正常的幾何形位而填充結構層后結構的適用性，以期為今后適用于沉降地段的板式無砟軌道結構設計提供新思路。

1 易修復板式無砟軌道結構設計方案

易修復板式無砟軌道結構主要由軌道板、限位凸臺和混凝土基座等幾部分組成。其中，混凝土基座上每間隔一定距離布置凸型擋臺對軌道結構進行水平限位，且作為無砟軌道鋪設和整正時的測量基準點。板式無砟軌道結構水平力的傳遞方式與傳統軌道不同，對于填充結構層的結構，主要是通過凸形擋臺的彎曲變形和填充層的剪切變形來承受[8]。對于有限位結構的無砟軌道形式，趙磊[9]通過研究梁端限位凸臺傷損破壞過程，指出限位凸臺是無砟軌道結構受力的薄弱環節，主要功能是限制軌道板的水平位移，承受水平荷載。因此有必要對板式無砟軌道限位結構進行承載力分析。

本文主要介紹2種適用于某區間圓形隧道可調道床墊浮置板板式無砟軌道結構。軌面至隧道底部的距離為860 mm，采用DTⅥ2-1型扣件及薄型短軌枕，扣件高度40 mm，以4.8 m標準道床塊(軌道板長4.7 m，板與板之間設置板縫寬為100 mm)為例示意。

軌道板尺寸為4 700 mm×2 500 mm×374 mm(長×寬×厚)，為開口型設計，中部開口尺寸3 140 mm×400 mm(長×寬)，四個角做100 mm×100 mm倒角處理。開口上部預留3 300 mm×560 mm×25 mm(長×寬×厚)蓋板槽用于安裝蓋板。

為實現道床板的順利頂起，在每塊道床板預埋4個頂升預埋件，頂升預埋件的設置便于后期維護施工，待隧道沉降穩定后，將道床板頂起至設計高度，道床板與基座間空隙采用樹脂砂漿或聚合物水泥砂漿填充。

方案1每塊軌道板設置4處限位凸臺，凸臺凸向道床板，凸臺高130 mm，凸臺底面尺寸400 mm×350 mm，頂面尺寸400 mm×330 mm，如圖1(a)所示；為減少限位結構個數且方便抬升后對準軌道板，提出方案2為每塊軌道板設置2處限位凸臺，如圖1(b)所示，凸臺凸向道床板，限位結構尺寸同方案1。

圖1 軌道板平面布置(單位：mm)

2 仿真模型建立與參數選定

板式無砟軌道結構主要由鋼軌、扣件、軌道板、限位凸臺和底座板組成，利用Workbench有限元軟件分別建立2種方案的三維空間模型，并以限位結構為主要研究對象進行安全性分析。

2.1 軌道結構模型采用單元

為了有效正確地分析軌道結構的受力，避免邊界效應建立3塊軌道板模型，研究中間一塊板的受力情況。易修復板式無砟軌道有限元模型采用單元如下：

(1)鋼軌采用有限應變點支撐梁Beam188單元進行模擬；

(2)扣件等效成彈性元件，用彈簧單元Combin14進行模擬；

(3)軌道板、限位凸臺和底座板按照實際尺寸采用三維實體單元Solid187進行模擬；

3.具有較強的實效性。輔導員可以將就業指導工作融入學生日常教育管理之中，這樣會有較強的實效性。具體方法有：一是利用主題討論、經驗交流等形式，給學生介紹往屆畢業生的就業去向、政策和形勢；二是引導學生積極參與文體活動、科技競賽、社會實踐、就業實習等，增強他們的就業競爭力；三是建立學生就業檔案，及時了解學生就業后的心態和需求，盡可能地提供相應幫助。

(4)軌道板和底座板之間采用接觸單元Conta174和目標單元Targe170，以此模擬軌道板和底座板之間的滑移和摩擦，摩擦系數取0.7。

2.2 軌道結構模型參數和荷載取值

本文模型中計算參數結合文獻[10]和GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》等確定，具體量值如表1所示。

以地鐵B型車為例，計算荷載參數依據文獻[11]中相關參數，地鐵B型車軸重120 kN，固定軸距為2.3 m，考慮軌道板結構設計的最不利荷載，垂向荷載取為3倍靜輪重，即180 kN，橫向荷載取為0.8倍輪重，即48 kN[12]，經過驗算發現荷載位于凸臺正上方時對限位結構受力最為不利，2種方案有限元模型及加載位置如圖2所示。對于發生沉降后的結構需考慮填充結構層后對軌道結構的安全性進行分析，其中填充層的厚度取為60 mm，彈性模量取為1 GPa[13-15]。

表1 軌道結構模型計算參數

圖2 軌道板有限元模型加載示意

3 有限元計算及結果分析

3.1 計算工況

本文提出的2種無砟軌道結構形式與以往的軌道結構形式受力不同，2種結構最主要的區別在于限位結構不同，因此限位結構作為薄弱環節成為設計的關鍵。

在直線地段，軌道結構主要受到垂向列車荷載；在曲線地段，軌道結構受橫向力和垂向力共同作用。由于2種方案限位方式不同，因此分別對2種方案直、曲線段有無填充層進行安全性分析，具體計算工況見表2。

表2 計算工況

3.2 無填充時軌道結構安全性分析3.2.1 直線段受力分析

在正常情況下，對2種方案在直線段的受力情況進行安全性分析，其中基座的拉壓應力云圖如圖3所示，基座的最大應力及鋼軌最大位移如表3所示。

圖3 無填充時直線段底座應力

表3 無填充時2種方案直線段受力情況

由圖3及表3可知，在直線段沒有填充結構層時2種方案基座最大拉應力分別為0.041，0.042 MPa，基座的最大壓應力分別為0.329，0.306 MPa。在直線地段，軌道結構主要受到垂向列車荷載，2種結構在垂直方向受力相似。2種方案鋼軌最大位移分別為1.991，1.988 mm，可以得知2種結構對鋼軌位移影響較小。

3.2.2 曲線段安全性分析

在正常情況下，對2種方案在曲線段的受力情況進行安全性分析，限位結構拉壓應力云圖如圖4所示，最大應力及鋼軌最大位移如表4所示。

圖4 無填充時曲線段限位結構應力

由圖4及表4可知，在曲線段沒有填充層結構層時，2種方案限位結構所受拉壓應力均在承載能力范圍內，其中最大拉應力分別為0.1，0.375 MPa，可以得知限位結構對于承擔橫向力起到重要作用。2種方案鋼軌的最大位移分別為2.440，2.438 mm可以得知2種結構對鋼軌位移影響較小。

表4 無填充時2種方案曲線段受力

3.3 填充后軌道結構安全性分析3.3.1 直線段受力分析

在發生沉降進行修復后，對2種方案在直線段的受力情況進行安全性分析，其中填充層的等效應力云圖如圖5所示，填充層、基座的最大應力及鋼軌最大位移如表5所示。

圖5 填充后直線段填充層等效應力

表5 填充后2種方案直線段受力

由圖5及表5可知，在直線段填充厚60 mm結構層后，原來由基座承受的應力現在由填充結構層和基座共同承擔，分擔了傳至底座板的應力，填充結構層后對基座受力有利。2種方案基座最大拉應力分別減小至0.024，0.037 MPa，最大壓應力分別減小至0.178，0.176 MPa，填充層承受最大拉應力分別為0.014，0.01 MPa，最大壓應力分別為0.178，0.176 MPa，均在其可承受荷載范圍內。2種方案鋼軌最大位移分別為1.994，1.992 mm，可以得知2種結構對鋼軌位移影響較小。

3.3.2 曲線段受力分析

在發生沉降進行修復后，對2種方案在曲線段的受力情況進行安全性分析，其中限位結構的應力云圖如圖6所示，填充層、限位結構的最大應力及鋼軌最大位移如表6所示。

圖6 填充后曲線段限位結構應力

表6 填充后2種方案曲線段受力

由圖6及表6可知，在曲線段填充結構層后受力均增大，其中方案1最大拉應力為0.174 MPa，方案2限位結構最大拉應力0.65 MPa，所以說，填充結構層后對結構受力來說更為不利，成為結構安全性檢算的關鍵。方案1、方案2填充層所受最大等效受力較小，分別為0.232，0.198 MPa，應力均在填充層可承受范圍內。2種方案鋼軌最大位移分別為2.593，2.792 mm，可以得知2種結構對鋼軌位移影響較小。

3.4 限位結構安全性分析

由于限位結構主要承受水平力，為了進一步探究限位方式對軌道結構的影響，考慮在最不利情況下僅受橫向力作用時，對2種方案在填充后進行受力分析更加突出2種方案的受力區別。其中限位結構的應力云圖如圖7所示，最大應力如表7所示。

圖7 填充后僅受橫向力限位結構受力

由圖7及表7可知，僅在橫向力作用下對2種方案考慮最不利情況進行受力分析可知，填充60 mm厚結構層后，方案1最大拉應力為0.533 MPa，方案2最大拉應力已超出限位結構的承載能力1.71 MPa，說明限位結構對于橫向力分擔的重要性。在需要進行水平限位的軌道結構中因重視限位結構的設置，其對于保證軌道結構的安全性具有重要的意義。

表7 填充后2種方案僅受橫向力時限位結構受力 MPa

4 結論

在引進、消化吸收國外無砟軌道結構的基礎上，分析了2種針對地鐵沉降地段的易修復板式無砟軌道形式，其主要區別在于限位結構的不同，其中方案1為板下設置4處限位凸臺，方案2為板下設置2處限位凸臺。結論如下。

(1)針對富水軟土地區的城市軌道交通工程，本文的易修復板式無砟軌道采用中心排水溝，能更好地適應現場實際環境的大流量排水需求，且軌道板中頂升預埋件結構能夠在出現路基較大沉降后的地鐵天窗時間內對其進行快速填充修復，可有效提高施工維護效率。

(2)在正常無填充情況下，2種結構設計方案均能滿足軌道結構安全設計要求。發生沉降進行填充修復后，直、曲線段在列車荷載作用下對鋼軌位移影響較小，但曲線段處橫向荷載對限位結構受力影響顯著增大。在相同大沉降填充條件下，從限位結構受力方面來看，板下4凸臺方案明顯小于板下2凸臺方案。因此，限位結構安全性檢算是填充修護軌道設計的關鍵。

(3)在進行地鐵易修復板式無砟軌道結構設計時，應結合實際工程應用的特點開展工作，確保在最不利荷載工況下單塊軌道板范圍內限位結構受力的對稱均勻，且盡量避免在長期使用條件下對軌道板的橫向穩定性產生不利影響，進而導致軌道結構的整體安全性及耐久性問題。

綜上，地鐵沉降地段易修復板式無砟軌道限位推薦采用板下設置4凸臺的設計方案。