公鐵兩用隧道地鐵泵房段軌道梁設計

張珍珍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

武漢市軌道交通7號線一期工程三陽路公鐵兩用過長江隧道，采用雙孔盾構隧道公路與軌道交通合建方案，隧道長度約2 590 m，隧道內徑13.9 m，隧道上層間為公路3條車道，下層為軌道交通7號線及電纜廊道、排煙道和逃生通道等；軌道交通7號線設計速度80 km/h(遠期預留100 km/h)，6A型車輛編組，接觸軌供電[1-3]。

公鐵兩用過江隧道軌道交通線路縱向采用“V”形坡，廢水泵房設置在隧道最低點。廢水泵房所處斷面上半部埋置在粉細砂層，下部埋置在弱膠結礫巖層中，承壓水頭高度約63 m。由于盾構半徑大，地質條件復雜，采用常規的兩盾構間聯絡橫通道方式設置廢水泵房，存在江底高水壓下施工涌水、涌砂的高風險[4-6]。為保證工程安全性、適用性和耐久性，提出利用軌道梁間空隙作為廢水泵房集水池方案。

2 地鐵泵房段軌道梁技術方案

2.1 總體方案

公鐵兩用過江隧道軌道交通廢水泵房通過將一般整體道床沿線路縱向一定長度設置成軌道梁結構，利用軌道梁將軌行區分隔成的3個空間作為集水池，即軌道梁與隧道壁間、兩根軌道梁之間的空間，同時利用連通器原理在軌道梁內埋設連通管，將3個空間進行連通以滿足給排水有效容積要求，如圖1所示。

圖1 過江隧道廢水泵房段軌道梁設計

廢水泵房段軌道梁沿線路縱向長度為10 m，寬度905 mm，高度725 mm；軌道梁橫斷面如圖2所示。軌道梁范圍隧道管片設置3個700 mm×700 mm×250 mm的下沉集水坑，對應每個隧道下沉集水坑位置設置自吸排水泵，自吸排水泵將軌行區廢水抽至隧道一側廢水泵房內，再通過隧道工作井排出。

圖2 軌道梁橫斷面(單位：mm)

2.2 設計關鍵技術

過江隧道廢水泵房軌道梁結構，由于所處環境與結構特點區別于一般整體道床，設計中考慮的關鍵技術包括以下3方面。

(1)軌道梁的橫向穩定性，考慮到兩片軌道梁為獨立結構，相互之間無橫向聯系，且與兩側隧道壁無接觸，在列車水平荷載作用下，應采取措施保證軌道梁的結構穩定性，確保列車水平荷載的有效傳遞[7]。

(2)軌道梁結構設計及耐久性設計，軌道梁相比一般滿鋪式整體道床對道床面進行了削弱，且長期處于潮濕環境，因此應針對軌道梁進行受力分析及結構設計。

(3)軌道梁與隧道、給排水、接觸軌、雜散電流的專業接口相比普通整體道床有一定區別，應做好接口設計；此外，軌道梁間空隙較大，設計中應采取措施確保運營養護期間人員的安全防護。

3 軌道梁穩定性設計分析

3.1 主要技術措施

為保證軌道梁的結構穩定性，軌道梁設計采取如下措施。

(1)為保證廢水泵房處道床的整體性，軌道梁與前后約1.4 m的整體道床作為一個道床塊進行整體設計，即10 m廢水泵房段采用短軌枕承軌式軌道梁，兩側1.4 m采用一般滿鋪式整體道床，整個道床內縱向鋼筋貫通設置，可以保證整體道床縱向連續性以確保結構的縱向穩定性。

(2)軌道梁之間設置橫梁提高兩軌道梁的橫向穩定性，2根軌道梁之間共設置6根300 mm(寬)×200 mm(高)的橫梁。

(3)軌道梁與隧道管片之間采用植筋錨固方式以確保軌道縱橫向荷載能夠有效傳遞至隧道結構。

軌道梁平縱斷面布置如圖3所示。

圖3 軌道梁平縱斷面布置(單位：m)

3.2 植筋設計檢算

軌道梁與隧道管片的植筋設計考慮的列車縱橫向荷載按照GB50157—2013《地鐵設計規范》，具體包括列車橫向搖擺力、曲線列車離心力、無縫線路鋼軌力、列車牽引制動力。計算條件為：線路坡度為17.338‰，曲線半徑1 200 m；7號線采用A型車，軸重160 kN，軸距2.5 m。

(1)列車橫向搖擺力：按相鄰兩節車4個軸軸重的15%計，即160 kN×4×0.15=96 kN。

(2)曲線列車離心力

式中P——列車垂向荷載；

V——列車速度；

R——曲線半徑。

(3)無縫線路鋼軌力：線路縱向阻力按24 kN/m/軌計，即10 m泵房范圍內無縫線路鋼軌力為24 kN/m/軌×10 m=240 kN/軌。

(4)列車制動力或牽引力按列車豎向靜活載的15%計，即160 kN/2×4×0.15=48 kN/軌。

(5)軌道梁縱橫向荷載合力為546 kN。

管片植筋采用φ16 mm HRB400級鋼筋，錨固深度125 mm，每根鋼筋抗剪承載力設計值為34.6 kN，據此計算每根軌道梁的植筋數量為17根φ16 mm HRB400級鋼筋。

4 軌道梁結構設計

4.1 設計荷載及受力分析

過江隧道內廢水泵房段軌道梁結構設計考慮列車荷載及混凝土收縮變形。

圖4 軌道梁“梁-體”有限元分析模型

列車荷載作用下的軌道梁結構受力采用梁-體有限元實體模型進行分析，其中鋼軌采用彈性點支撐梁，扣件采用線性彈簧，軌道梁采用實體模型，基礎支承采用面彈簧模擬。為消除邊界效應，取軌道梁及前后2塊道床板進行分析，如圖4所示。地鐵車輛A型車軸重160 kN，軸距取為2.5 m，定距15.7 m；豎向列車荷載動載系數按照2.0取值，列車豎向設計荷載160 kN。扣件垂向剛度為30 kN/mm，隧道支承剛度1 200 MPa/m[8-11]。列車荷載按照分別作用于軌道梁梁端和梁中進行分析，取最不利工況，列車荷載作用下軌道梁的單位長度的彎矩如表1所示。

表1 列車荷載作用下軌道梁的彎矩 kN·m

軌道梁混凝土收縮變形影響按照等效降溫10 ℃考慮[12-13]。軌道梁降溫10 ℃時的縱向拉應力為

σw=Ec·at·ΔTc=3.4 MPa

式中Ec——軌道梁混凝土的彈性模量；

at——混凝土的線膨脹系數；

ΔTc——溫度變化幅度。

4.2 結構配筋設計

為使軌道梁在設計使用年限內滿足結構強度及耐久性要求，應對軌道梁在設計荷載即列車荷載及混凝土收縮的作用下完成結構配筋設計，進行鋼筋應力和裂紋寬度的檢算。

軌道梁在列車荷載和混凝土等效降溫作用下主要承受彎矩和軸向拉力，采用HRB400級鋼筋，C40混凝土，鋼筋保護層厚度40 mm，設計檢算中裂縫寬度按照0.2 mm進行控制。軌道梁的配筋及鋼筋應力、裂縫寬度檢算結果見表2[14-19]，其中縱向配筋為軌道梁寬度范圍，橫向配筋為每個枕跨范圍。

表2 軌道梁結構配筋設計

根據上述計算結果，為滿足鋼筋應力、混凝土裂縫寬度要求，軌道梁縱向鋼筋配筋率應不小于0.25%，橫向鋼筋配筋率不小于0.2%，同時考慮軌道梁高度725 mm，應在軌道梁的兩個側面設置縱向構造鋼筋。

5 相關接口設計

廢水泵房段軌道梁與相關專業的接口設計主要包括與隧道、給排水系統、雜散電流、接觸軌等專業的接口，以及后期運營期間的安全防護。

(1)與隧道專業的接口設計，為保證軌道梁與隧道管片的有效連接，需在隧道管片設置連接鋼筋，連接鋼筋通過植筋膠植入隧道管片，植筋之前應結合主筋探測情況及管片內弧面上的主筋定位標識，嚴禁傷及鋼筋。

(2)與給排水系統的接口設計，為保證軌道梁間3個空間的連通，應在軌道梁內埋設連通鑄鐵管；廢水泵房段給排水專業通過抽水泵管伸入隧道管片預留下沉集水坑將軌道梁間廢水排走，抽水管直徑100 mm，軌道梁在梁表面對應下沉集水坑位置預留橫向150 mm寬，130 mm高的溝槽以便于抽水管的安放；此外，為避免廢水泵房段存在淤堵，在泵房段上游道床中心水溝設置沉沙坑。

(3)與雜散電流防護的接口設計，為提高軌道絕緣性能，廢水泵房段軌道梁除滿足一般道床扣件絕緣、道床面低于鋼軌底面最小值為70 mm、利用道床結構鋼筋作為排流鋼筋外，還應滿足隧道管片植筋采用環氧涂層鋼筋，且施工中植筋與道床鋼筋不得連接；此外，作為軌道梁間連通管的預埋鑄鐵管應進行涂刷絕緣漆[20]。

(4)與接觸軌專業的接口設計，本工程采用接觸軌供電方式，接觸軌采用一體化軌枕安裝技術，由于廢水泵房段軌道梁寬度僅900 mm寬，因此在泵房段范圍不設置接觸軌加長枕，接觸軌在該10 m范圍進行局部斷開。

(5)運營期間養護維修人員安全防護，由于軌道梁間空隙較大，運營期間養護維修存在較大安全風險，因此，在軌道梁與隧道壁、兩軌道梁間設置蓋板以便于人員通行。

6 結論

本文提出了公鐵兩用大盾構過江隧道地鐵廢水泵房段利用軌道梁間空隙作為集水池時軌道梁設計的關鍵技術，并通過計算分析，得出如下結論。

(1)軌道梁作為地鐵廢水泵房集水池，長期處于潮濕環境，其斷面相比一般整體道床進行了削弱，與兩側隧道壁無接觸，獨立受力，結構穩定性、耐久性要求均區別于一般整體道床。因此，在軌道梁設計中應考慮軌道梁的整體性和穩定性、結構強度及耐久性設計、相關專業接口設計。

(2)針對軌道梁穩定性差的特點，提出將軌道梁與相鄰兩側一定長度范圍的滿鋪式整體道床作為整塊道床設計，以保證結構整體性；通過在軌道梁間設置橫梁增加橫向穩定性；采用隧道管片植筋方式保證軌道梁縱橫向荷載的有效傳遞。

(3)采用“梁-體”有限元模型對列車荷載作用下的軌道梁進行了受力分析，考慮列車荷載、混凝土收縮作用影響進行軌道梁的結構配筋設計；軌道梁縱向鋼筋配筋率應不小于0.25%，橫向鋼筋配筋率不小于0.2%，同時應設置縱向構造鋼筋。

(4)考慮軌道梁與一般整體道床的結構差異，細化完成與隧道、給排水、雜散電流、接觸軌等相關專業的特殊接口設計。