城市軌道交通軌道減振升級改造方法研究

吳 俊

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

中國早期建設的城市軌道交通線路，限于當時認知和技術水平等歷史條件，在技術規范、評價預測和技術措施等方面均存在一定不足，投入運營后部分地段存在振動噪聲擾民問題[1]。在中國大力推進建設和諧社會的背景下，切實保障地鐵沿線居民的生活質量，針對既有運營線路的環境敏感地段，開展道床減振升級改造工作既是有必要的，也是緊迫的任務。但是目前國內外尚無將既有普通道床改造為減振道床的工程先例。鑒于道床減振升級改造需要對既有道床進行破除，并重新澆筑新的軌下基礎，在短期內實現開通，因此相關設計面臨前所未有的挑戰。本文以某線改造為契機開展了運營線路隧道內道床減振升級改造方法的研究。

1 隧道內道床減振措施選型

目前中國道床減振措施主要有梯形軌枕軌道、隔離式減振墊道床、鋼彈簧浮置板道床等[2-5]。以上三種道床減振措施均已在中國城市軌道交通工程中廣泛應用。

1.1 梯形軌枕軌道

梯形軌枕浮置板軌道由 PC 制縱梁和鋼管制的橫向連接管構成。其工作原理是在軌枕底部和側面分別安裝減振墊和緩沖墊，使其浮于混凝土整體道床之上，實現輕量級質量－彈簧系統的構想，以達到減振目的。該軌道結構減振效果可達 10 dB。

1.2 隔離式減振墊道床

隔離式減振墊道床將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置于減振墊上，通過減振墊將道床板與周圍結構全部隔離開，構成質量－彈簧隔振系統。作用在鋼軌上的力傳遞給浮置于減振墊上的道床板，道床板可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載，只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈性支承傳遞到基礎墊層中去。道床板受力后，在慣性作用下將受到的力均勻地分布在減振墊上，再通過減振墊進行緩沖，吸收能量，達到隔振減振的目的。該軌道結構減振效果可達 10～15 dB。

1.3 鋼彈簧浮置板道床

鋼彈簧浮置板道床是將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上，距離基礎墊層頂面 30 mm 或 40 mm，構成質量－彈簧隔振系統。這種軌道結構具有很好的減振效果，可分為固體阻尼和液體阻尼兩類。固體阻尼類減振效果至少可達到 15 dB，液體阻尼類減振效果至少可達 18 dB。

減振升級改造應優先考慮嚴重超標地段(超標量大于15 dB)，鋼彈簧浮置板道床的減振效果要優于梯形軌枕軌道及隔離式減振墊道床[6]，因此本次改造設計選用鋼彈簧浮置板道床。

同時結合運營線路隧道內道床減振升級改造的特點宜采用預制裝配式浮置板法[7]進行施工。可實現浮置板的快速鋪設，從而有效縮短軌道改造施工工期。

2 預制浮置板道床型式尺寸

2.1 既有預制浮置板道床偏差適應能力分析

上海城市軌道交通單圓盾構隧道管片內壁直徑為Φ5500 mm，其中建筑限界一般規定為Φ5200 mm，相應軌道高度為735 mm(至限界圓下同)。圓形盾構隧道浮置板地段道床范圍內將建筑限界由Φ5200 mm擴寬至Φ5400 mm，相應軌道高度由735 mm增至835 mm。結合盾構尺寸及軌道結構高度目前上海新線建設中常用的預制浮置板尺寸為長3600 mm×寬2700 mm×厚325 mm(標準板)；盾構偏差較大地段預制板尺寸為長3600 mm×寬2540 mm×厚325 mm(窄型板)。

標準預制板和窄型預制板可適應的土建施工誤差，如圖1所示。

圖1 既有預制浮置板道床偏差適應能力圖 Figure 1 Deviation adaptability chart of existing floating slab track bed

從圖中可以看出，即使采用窄型板，當水平誤差為0時其豎向誤差允許值也只能達到90 mm左右，即最小軌道結構高度需要達到790 mm。既有線普通道床設計時最小軌道結構高度一般按740 mm控制，已有的窄型板仍無法與既有線普通道床軌道結構高度相匹配。

2.2 隧道內薄型預制浮置板道床研究

為使預制浮置板道床的軌道結構高度與既有線普通道床相匹配，必須在預制板的板厚、板寬方面有所突破，同時滿足高等減振需求，以實現減振改造目的。已有工程應用案例的窄型預制板(長3600 mm×寬2540 mm×厚325 mm)，每延米板重約2 t。其斷面如圖2所示。

圖2 窄型預制浮置板道床斷面圖 Figure 2 Cross section of narrow prefabricated floating slab track bed

建議在此基礎上對該板型進行進一步調整，形成與盾構隧道普通道床軌道結構高度(740 mm)相匹配的薄型預制浮置板。其具體尺寸暫定為板寬2540 mm、板厚275 mm、板長3600 mm。為增加板重保證減振效果在兩軌間增設寬1000 mm、高160 mm凸臺，每延米板重可與窄型預制板接近。設計固有頻率10 Hz (僅考慮板自重條件下)，減振效果在15 dB以上[8-9]。隧道內薄型浮置板道床斷面圖如圖3所示。

圖3 隧道內薄型浮置板道床斷面圖 Figure 3 Cross section of thin floating slab track bed in tunnel

3 預制浮置板道床基底

3.1 現澆基底方案

采用鋼筋混凝土常規基底，可選用速硬混凝土，快速形成強度，以便盡早鋪設預制板。同時為增強基底抗裂性能，可在混凝土當中摻入復合纖維素(混凝土中摻入纖維1 kg/m3)。

3.2 預制基底方案

為盡量減少混凝土澆筑量、縮短新道床的施工時間，研究了預制基底方案，同時考慮到不同道床斷面下的基底厚度及寬度不盡相同，故擬采用預制基底+二次澆注的方式。預制基底方案如圖4所示。

圖4 預制基底方案 Figure 4 Prefabricated base scheme

但是目前尚未找到合適的二次澆注材料，可保證預制基底與盾構管片的可靠連接，特別是在曲線超高地段。故暫采用現澆鋼筋混凝土基底方案，同時繼續對預制基底方案進行研究。

4 排水方案

浮置板道床采用中心水溝，水溝深度為軌面下695 mm，普通道床側向水溝深度一般為軌面下374 mm。為將浮置板道床中心水溝內的水引入下游普通道床側溝內，本次分別研究了過渡段排水及設泵排水方案。

4.1 過渡段排水方案

過渡段排水方案是在浮置板道床下游普通道床范圍內設置一定長度的短軌枕道床中心水溝，通過過渡段內線路縱坡與中心水溝的坡度差，將浮置板道床中心水溝內的水引入下游道床表面側向排水溝內，如圖5所示。

圖5 過渡段排水方案 Figure 5 Drainage scheme of transition section

4.2 設泵排水方案

在浮置板道床下游一端普通道床范圍內設置中心集水坑，集水坑尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，坑內設泵。浮置板道床中心水溝內的水排入集水坑后通過水泵強排入道床側向水溝，如圖6所示。

圖6 設泵排水方案 Figure 6 Pump drainage scheme

4.3 方案比選

以上兩個排水方案均有其優缺點，可結合改造地段的工程特點進行選擇，方案對比結果如表1所示。

表1 排水方案對比Table 1 Comparsion of drainage schemes

5 施工方案

5.1 既有道床破除

為提高破除效率，減少施工垃圾，既有道床破除擬采用分段切割、頂推破除法[10]，如圖7和圖8所示。

圖7 分段切割 Figure 7 Segmented cutting

圖8 頂推破除 Figure 8 Pushing and breaking

5.2 道床切割深度

為保證在既有道床分段切割過程中不破壞盾構管片，需要測算出每個切割位置的道床厚度，以此來確定道床切割深度。首先結合盾構隧道的特點，使用水平尺測量法計算出理論道床厚度，在此基礎上結合盾構全斷面測量數據，預留合理的安全距離后確定道床切割深度。

具體步驟如下：

1)用d=4.3 m的加長水平尺搭靠在隧道的管壁上，水平尺保持水平狀態。

2)用卷尺量取切割位置混凝土面到水平尺的垂直距離c、切割位置到水平尺中心的水平距離a。

3)計算隧道中心到水平尺的距離b==1.7146 m(r取2.75 m)，如圖9所示。

圖9 水平尺測量法 Figure 9 Spirit level measurement

4)整體道床任意點的道床厚度計算公式h=，如圖10所示。

圖10 道床厚度計算示意 Figure 10 Schematic diagram of ballast bed thickness calculation

5)結合盾構全斷面測量數據，預留合理的安全距離后確定道床切割深度。

道床切割深度的確定同時還需要考慮盾構管片的變形。通過對本次改造段的全斷面測量數據的分析可以發現，盾構隧道的收斂變形在盾構中部最大，往盾頂及盾底呈逐步縮小趨勢，實測盾構中部最大收斂變形為26 mm。考慮預留一定的施工安全距離及測量誤差，道床切割深度按理論計算道床厚度減去50 mm(安全距離)確定，即整體道床任意點的道床切割深度計算公式L=h–s(s=50 mm)。

5.3 不斷軌施工方案

既有線在道床改造工程中往往需要切斷長鋼軌，采用短軌過渡，施工結束后再恢復長鋼軌。該方案不僅施工效率低，而且焊接質量難以保證。為盡量避免既有長鋼軌被切斷，結合改造方案研發了一種鋼軌接駁器，通過鋼軌接駁器的應用提出既有線改造施工不斷軌方案。

5.3.1 鋼軌接駁器結構組成

鋼軌接駁器主要由特種尖軌、臺板及螺栓組成，如圖11所示。

圖11 鋼軌接駁器平面圖 Figure 11 Rail connector plan

5.3.2 方案簡述

解開100 m長度范圍內的扣件，然后將既有長鋼軌外撥留出施工作業空間，同時在長鋼軌外撥起訖點安裝鋼軌接駁器。特種尖軌的一端與既有長鋼軌連接固定，在既有長鋼軌1上開設有螺栓孔，在特種尖軌2、3上也分別開設有對應大小的螺栓孔，通過在螺栓孔內擰入螺栓實現特種尖軌2、3分別與對應的既有長鋼軌1之間可拆卸式的連接固定，便于在改造完成后拆除特種尖軌2、3。特種尖軌頂貼在既有長鋼軌的內側面，臺板支撐在特種尖軌的下方，特種尖軌被限位于既有長鋼軌與臺板之間。另一端連接工具短軌朝改造方向延伸，特種尖軌和工具短軌配合構成施工車輛通行線路。其布置形式如圖12所示。

圖12 不斷軌方案鋼軌接駁器布置示意 Figure 12 Layout of rail connector for continuous rail scheme

通過鋼軌接駁器的應用，一方面實現了在不切斷既有長鋼軌的條件下完成道床結構的改造，降低了施工的影響，保證列車運營的正常進行；另一方面也實現了施工車輛通行線路的搭建，為施工提供了極大的便利，增加了施工效率，縮短了施工耗時。

5.3.3 取得效果

通過現場驗證表明不斷軌方案可行。100 m的外撥長度是根據外撥距離并考慮地下線最不利工況(300 m曲線半徑升(降)溫10°)，再結合鋼軌容許應力[11]確定的。但在實際操作中也發現鋪設100 m長的工具軌需要耗費大量的時間和人力，因此在不斷軌方案基礎上又研究了局部斷軌方案。其平面布置如圖13所示。

圖13 局部斷軌方案鋼軌接駁器布置示意 Figure 13 Layout of rail connector for partial rail breaking scheme

局部斷軌方案的操作步驟和不斷軌方案基本一致，只是在改造點附近增加了一處斷軌點，通過理論計算不斷軌方案只需25 m的鋼軌外撥長度即可滿足外撥距離的要求。不斷軌方案和局部斷軌方案均有其優缺點，在改造施工中可根據實際工況進行選擇。

5.4 臨時線路恢復方案

考慮到運營線路工況復雜多變，為確保在突發情況下能隨時恢復通車，施工期間應有保證列車通行的臨時過渡措施，改造地段限速按40 km/h考慮。通過方案比選，最終選定采用架設鋼枕來實現施工過程中的臨時線路恢復[12]，如圖14所示。

圖14 臨時軌道過渡方案示意 Figure 14 Schematic diagram of temporary track transition scheme

鋼枕具有強度高，架設快等優點，在改造工程中使用極大地提高了施工速度，同時能夠保證列車的安全通行。通過現場測試鋼枕上鋪設鋼軌后列車安全通過速度，對軌道結構動態指標進行了檢算，均滿足列車安全通行的要求。

6 專業接口

6.1 信號設備

1)計軸器。鋼軌拆裝時不拆除計軸器對其進行保護，與鋼軌同步拆下后續與鋼軌同步安裝。

2)信標。制造鋼枕時考慮信標安裝及固定位置制作簡易托架，白天運營時段內通過托架將信標固定于兩軌間。

6.2 供電設備

1)均流線。在道床改造期間取消聯絡通道附近的均流電纜，通過車站端頭井位置的均流電纜來平衡兩軌間電流差，道床減振升級改造全部完成后恢復。

2)續流線。在接頭夾板范圍外兩側預留塞釘孔，改造時與接頭夾板同步拆裝。

3)雜散電流。改造期間不考慮雜散電流，改造完成后恢復雜散電流收集網。

改造前還需做好管片上各種既有設備的保護工作，保證在改造過程中各設備系統的正常運行。

7 結語

通過對設計方面的隧道內道床減振措施選型、預制浮置板道床型式尺寸、預制浮置板道床基底、排水方案，施工方面的既有道床破除、道床切割深度、不斷軌施工方案、臨時線路恢復方案及對其他專業接口影響的研究，最終可形成一套適用于城市軌道交通運營線路隧道內道床減振升級改造的方法。下一步通過試驗段驗證，進一步形成成套的施工工藝、 施工籌劃建議及風險對策，可為軌道交通類似軌道改造工程提供借鑒。