杭紹城際鐵路內置式泵房預制板式軌道力學性能分析

何 峰，馬晨雨，陳葉豐，時 瑾

(1.紹興市柯橋區軌道交通集團有限公司，浙江紹興 312030； 2.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

1 概述

在城市軌道交通建設中，常規地鐵工程的聯絡通道一般與廢水泵房合并建設，施工通常采用凍結法[1-2]、礦山法等。對于部分軟土地區、濕陷性黃土地區等特殊地段，此種建設方案具有一定的施工風險，且易引發地鐵內涌水及結構破壞等諸多負面影響，帶來極大的運營安全隱患[3-4]。近年來，為減少隧道內開挖土方量，天津、寧波及廣州等城市的地鐵項目中取消了聯絡通道，將廢水泵房改設于盾構區間的軌道下方，左右線隧道設立獨立泵房。在道床內設置廢水泵房的研究與應用實例逐漸增多，拓展了區間廢水泵房的適用性。

徐彩彩[5]依據既有地鐵項目中道床兼設廢水泵房的實際應用情況，計算分析了內置式泵房軌道結構道床的位移變形及應力；朱瑤宏[6]結合寧波市軌道交通工程，計算分析了盾構區間內置式泵房的尺寸，并詳細介紹了泵房的總體布置和設計方案；楊松等[7]研究了時速160 km下內置式泵房軌道結構的動力特性。由于內置式泵房軌道結構需在道床內部開孔挖槽放置水泵，對軌道結構的力學特性有很大削弱，目前，對于在內置式泵房區間鋪設的預制板式軌道力學性能研究還比較匱乏。通過對城市軌道交通內置式泵房的尺寸計算，并研究分析內置式泵房預制板式軌道結構的力學性能，以確保軌道結構的穩定性與安全性，為軌道板的配筋設計與相關研究提供依據。

2 結構設計與計算參數

2.1 工程概況

杭紹城際鐵路連接杭州市蕭山區與紹興市柯橋區，與紹興軌道交通1號線貫通運營融入紹興主城區。杭紹城際線路全長20.3 km，其中，高架線7.34 km，地下線10.53 km，過渡段0.40 km，山嶺隧道2.03 km。設站9座，6座地下車站，3座高架車站，線路平面方案如圖1所示。地下區間5處，分別為香—衙區間、衙—楊區間、湖—稽區間、稽—柯區間和柯—笛區間，地下區間線路最低點可采用內置式泵房軌道，實現聯絡通道和泵房分離，降低施工風險。其中，以杭紹線衙—楊區間為例計算區間泵房尺寸，該區間長度約2.045 km。

圖1 杭紹城際鐵路線路平面方案示意

杭紹城際鐵路盾構穿越地區淤泥質土最為深厚，為減少后期沉降對列車運營影響，并為后期軌道提供更大的可調空間，隧道單洞內徑從常見的5.5 m加大到5.9 m。建筑限界仍為5 200 mm，考慮徑向150 mm施工誤差，得到結構施工控制圓直徑為5 600 mm。軌道結構高800 mm，考慮軌道下方留有一定的結構加固空間，因此，軌面至結構底距離為950 mm，盾構隧道斷面如圖2所示。

圖2 內徑5.9 m盾構隧道斷面(單位：mm)

2.2 集水池設計

GB 50157—2013《地鐵設計規范》規定，區間隧道的設計排水量應為隧道消防排水量與隧道結構滲漏水量之和。地鐵隧道消防設計排水流量為36 m3/h，考慮安全量按1 L/m2·d的排水量標準計算，得到最高時水量為1.58 m3/h[8]，綜合考慮，杭紹線衙—楊區間排水量約為40 m3/h。

在地下區間排水設計中，區間排水泵站的集水池有效容積不應小于最大一臺排水泵15～20 min的出水量。《地鐵設計規范》規定，區間排水泵站應設2臺排水泵，平時應1臺工作，必要時應2臺同時工作。相對應排水量的揚水管通常選用DN100 mm～DN150 mm的內外涂塑鋼管，在區間廢水泵房正常工況下，單泵啟動足以滿足排水要求[8]。選用水泵數量所對應的集水池有效容積與干管流速情況如表1所示。

表1 區間排水泵數量對應集水池有效容積與不同壓力干管流速

由表1可以看出，所需集水池有效容積隨選用水泵臺數的增加而減小，二者呈負相關性，對土建而言有利，但帶來的不利影響是干管流速會減小，水力條件較差，無法滿足水泵的沖淤流速，影響水泵的使用壽命[9]。綜合考慮，建議區間廢水泵房選用2臺排水泵，單泵流量20 m3/h，集水池有效容積5.0 m3。

根據給排水專業需求[10-13]，一般地段道床兼廢水泵房的集水池最大寬度為0.8 m，最大高度為0.6 m。集水池有效容積為：二泵啟泵水位與停泵水位差(0.45 m)×集水池長×集水池寬(0.8 m)。考慮部分管道安裝空間及軌道橫梁占用空間，建議集水池長14.3 m，內置式泵房集水池橫斷面如圖3所示。

圖3 內置式泵房板式道床橫斷面(單位：mm)

2.3 計算參數與荷載取值

計算所得盾構區間內置式泵房長14.3m，為滿足內置式泵房的結構安全性需要，采用軌道預制板整體道床結構，相較于傳統的現澆混凝土道床，可以增強軌道結構的穩定性與耐久性，提高鋪設精度[14-16]。軌道自上而下由鋼軌、扣件、軌道板、自密實混凝土、基底及隧道基礎構成。內置式泵房板式道床采用4塊軌道預制板，道床兩側為雙塊式整體道床。預制板采用8字框架式軌道板，外形尺寸為3 500 mm×2 200 mm×200 mm，軌道板之間設置100 mm寬板縫，框架式軌道板平面示意見圖4。

圖4 預制軌道板平面(單位：mm)

鋼軌采用60 kg/m，扣件采用TSD1型扣件，軌枕間距0.6 m，隧道基礎厚0.35 m，采用C50混凝土，相關參數見表2。利用有限元計算軟件建立地鐵盾構區間內置式泵房軌道模型，其中，鋼軌采用梁單元模擬，扣件采用彈簧單元模擬，軌道板和自密實混凝土層等均采用實體單元模擬，有限元模型如圖5所示。

表2 軌道計算參數

圖5 盾構區間內置式泵房軌道結構模型

荷載采用地鐵B型車，軸重14 t，車輛定距12.6 m，轉向架軸距2.2 m，車體長19 m，車箱間距0.45 m，由此計算兩節車中間最近的兩個車軸間距離為4.65 m，垂向荷載如圖6所示。

圖6 B型車垂向荷載分布(單位：m)

為充分保證內置式泵房預制板式軌道結構的穩定性與安全性，研究在靜力荷載組合作用下軌道板的彎矩與列車作用下軌道動力響應。計算軌道板彎矩時，采用集中力的形式模擬列車荷載，以0.1 m的荷載間隔計算，只需考慮中間兩個轉向架荷載即可滿足要求。設計中采用的主力為列車荷載，考慮到內置式泵房為特殊設計的軌道結構，為提高軌道安全性及增加預制板配筋依據，將列車豎向設計荷載分為工況1(2倍靜輪重)、工況2(3倍靜輪重)計算，橫向設計荷載為0.8倍靜輪重。不考慮溫度及疲勞荷載的影響，根據不同設計工況確定荷載組合如表3所示。

表3 荷載組合

3 軌道結構力學分析

3.1 軌道板的彎矩

按表3所示荷載組合，沿泵房方向逐漸加載至2個轉向架荷載完全經過泵房[17]，得到軌道板縱向彎矩、橫向彎矩包絡圖(彎矩包絡圖反映了移動荷載通過這塊板時，板的各個位置所受的最大或最小彎矩，正彎矩表示板下側受拉，負彎矩表示板上側受拉)，如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，只受到垂向荷載時，縱向正彎矩在軌道板邊緣最大，軌道板下側受拉，逐漸向軌道板中部減小，軌道板中部下側受拉值比較小，可適當減少配筋；縱向負彎矩在軌道板中部最小，軌下彎矩值比較大，軌道板在鋼軌位置處上側受拉，可適當增加配筋。施加列車橫向荷載后對軌道板的縱向彎矩影響不大。只受到垂向荷載時，橫向彎矩在軌下與軌道板邊緣處變大，軌道板下側受拉。當施加橫向荷載后，軌道板在靠近左軌處正彎矩值較高，軌道板下側受拉情況明顯；同理，軌道板在靠近右軌處負彎矩值較高，軌道板上側受拉情況明顯。故可在軌下位置適當增加配筋，增強軌道板的結構強度。

圖7 主力組合1彎矩包絡圖

圖8 主力組合2彎矩包絡圖

綜上，軌道板縱向和橫向所受最大和最小彎矩匯總如表4所示。

表4 軌道板彎矩值 N·m

3.2 軌道動力響應分析

杭紹城際鐵路設計速度為100 km/h，車軌動力計算中采用美國五級譜作為激勵，采用垂向加速度及垂向位移作為軌道結構振動強弱指標。DB11/T 1714—2020《城市軌道交通工程動態驗收技術規范》規定，預制板式軌道在列車動力作用下鋼軌的最大垂向位移不應大于3 mm，垂向加速度不應大于2 500 m/s2；軌道板的最大垂向位移不應大于2 mm，垂向加速度不應大于200 m/s2[18]。

其中，鋼軌與軌道板的垂向位移及垂向加速度時程曲線分別如圖9、圖10所示，提取軌道各結構的垂向加速度及垂向位移最大值匯總，如表5所示。由計算數據可知，鋼軌垂向位移最大值為規范限值的13%；軌道板垂向位移最大值僅為規范限值的7.6%；鋼軌垂向加速度最大值僅為規范限值的6.9%；軌道板垂向加速度最大值僅為規范限值的4.13%。鋼軌及軌道板的垂向位移及加速度均未超過規范限值，且具有較大的安全余量，說明內置式泵房預制板式軌道結構穩定性滿足要求。

圖9 垂向位移時程曲線

圖10 垂向加速度時程曲線

表5 軌道結構振動指標統計

采用縱向應力與橫向應力作為軌道強度評價指標，由GB 50010—2010《混凝土結構設計規范(2015版)》可知，軌道預制板混凝土強度與強度等級C55混凝土相當，拉應力允許值取1.96 MPa；自密實混凝土強度與強度等級C40混凝土相當，拉應力允許值取1.71 MPa；基底混凝土強度與強度等級C25混凝土相當，拉應力允許值取1.27 MPa[19]。

其中，軌道板的縱、橫向應力時程曲線分別如圖11、圖12所示，提取軌道板、自密實層和基底的縱向應力及橫向應力最大值匯總，如表6所示。由計算數據可知，應力最大值由軌道板到基底逐漸減小，軌道結構各部分應力均未超過限值，且軌道板應力最大值僅為允許值的0.24%，安全余量較大，說明內置式泵房結構形式滿足軌道強度要求。

圖11 軌道板縱向應力時程曲線

圖12 軌道板橫向應力時程曲線

表6 軌道結構強度指標統計 MPa

3.3 行車性能指標分析

采用車體垂向、橫向加速度作為車體運行平穩性的指標，采用輪軌垂向力、輪軌橫向力、脫軌系數與輪重減載率作為行車運行安全性指標。

參考《城市軌道交通工程動態驗收技術規范》可知，車體垂向加速度限值為1.0 m/s2，車體橫向加速度限值為0.6 m/s2。德國聯邦鐵路(DB)規定，就線路負荷而言，非沖擊性的中低頻輪軌垂向力的限值為 170 kN。參考國內外鐵路標準，輪軌垂向力限值取170 kN；對于輪軸橫向力，參考GB/T 5599—2019《機車車輛動力學性能評定及試驗鑒定規范》[20]及相關研究成果，輪軸橫向力限值選取為，H≤0.85(15+Pw/3)，即52 kN；對于脫軌系數與輪重減載率，GB/T14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規則》[21]中規定，脫軌系數≤0.8，輪重減載率≤0.6。

仿真計算得到內置式泵房軌道系統的行車性能計算結果，其中輪軌垂向力、輪軌橫向力時程曲線分別如圖13、圖14所示，各行車性能指標與規范限值如表7所示。由計算結果可知，內置式泵房軌道的車體運行平穩性與安全性指標峰值均滿足規范限值且余量較大。

圖13 輪軌垂向力時程曲線

圖14 輪軌橫向力時程曲線

表7 行車性能指標統計

4 結論

以杭紹城際鐵路為背景，結合排水專業要求，確定了內置式泵房預制板式軌道的尺寸和型式，建立三維內置式泵房軌道有限元模型，進行了彎矩計算及動力響應分析。隨著工程實際的需要，內置式泵房軌道結構的運用必將更為廣泛，本文的研究結果可為內置式泵房預制板式軌道的選型和設計提供參考，相關研究結論如下。

(1)當只施加列車豎向荷載時，軌道板縱向最大彎矩為2.501 kN·m，最小彎矩為-1.214 kN·m；施加橫向荷載后對縱向彎矩影響不大，軌道板橫向最大彎矩為2.654 kN·m，最小彎矩為-3.013 kN·m。其中，軌道板邊緣與軌下位置彎矩值較大，可配置適量鋼筋增強結構的強度，計算數據可為后續配筋及裂縫驗算等研究提供依據。

(2)在列車動力荷載作用下，鋼軌最大垂向位移為0.4 mm，最大垂向加速度為180 m/s2，軌道板最大垂向位移為0.152 mm，最大垂向加速度為8.47 m/s2，軌道板最大縱向應力為0.475 MPa，最大橫向應力為0.331 MPa。結果表明，軌道結構的力學性能指標均在允許范圍內，且安全余量較大，可滿足杭紹城際鐵路的工程需求。

(3)列車運行的車體垂向加速度最大值為0.235 m/s2，車體橫向加速度最大值為0.204 m/s2，均滿足車體運行平穩性指標規范限值；輪軌垂向力最大值為97.314 kN，輪軌橫向力最大值為7.915 kN，脫軌系數最大值為0.116，輪重減載率最大值為0.176，均滿足行車運行安全性指標規范限值。結果表明，軌道結構的行車性能指標均在允許范圍內，可滿足列車運行平穩性與安全性需要。