基于速度分級的粵港澳大灣區裝配式軌道關鍵技術研究

林志元 楊 松

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330； 2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

2019年，國務院發布了《粵港澳大灣區發展規劃綱要》，粵港澳大灣區建設成為國家戰略[1-3]。建立不同功能定位、不同速度等級互聯互通的軌道交通是支撐和促進粵港澳大灣區發展的重要舉措。根據粵港澳大灣區軌道交通規劃，到2035年，將建成線路總長超過2 000 km的“市域高速軌道+地鐵快線+地鐵普線”的多層次軌道交通網絡[4]。

目前，城市軌道交通軌道結構一般采用軌枕埋入式整體道床，道床混凝土采用現場澆筑，現場施工作業量大，施工質量不易控制，軌道鋪設精度低，不符合粵港澳大灣區軌道交通高質量發展的需要。而裝配式軌道具有工程質量高、現場作業量小等優點，符合國家預制化、裝配化的政策要求，是軌道交通軌道工程技術的發展趨勢[5-7]。

鑒于不同設計速度、不同類型的軌道交通從功能定位、服務范圍、技術標準、運營組織等方面存在較大差異，裝配式軌道技術方案既不能照搬高速鐵路的經驗，也不能完全按照地鐵的既有經驗。因此，開展適應于粵港澳大灣區速度80～250 km/h軌道交通的裝配式軌道技術體系研究很有必要。

2 裝配式軌道應用現狀

軌道交通裝配式軌道應用較多的城市有上海、深圳、廣州等，雖然各地的裝配式軌道在結構組成、尺寸、材料上略有差別，但歸納起來，其基本結構均是基于高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道，再結合各地工程特點和功能需求改進而來[8-11]。根據限位結構的不同，既有裝配式軌道的結構型式可分為凹槽型限位和凸臺型限位，橫剖面見圖1。

圖1 既有裝配式軌道橫剖面

兩種裝配式軌道均由鋼軌、扣件、預制軌道板、土工布隔離層、砂漿調整層、底座等組成，不同的是，凹槽型限位是在底座上開設凹槽，凸臺型限位是在軌道板上開設圓孔，砂漿層分別灌注于其中，從而形成限位結構，以約束軌道的縱向和橫向位移。由于凸臺型限位為外露結構，方便觀察限位結構狀態，并且避免了施工時限位凹槽積水等問題，有利于施工及養護維護，故凸臺型限位結構近年來應用較多。

對既有裝配式軌道應用情況進行調研，總結其在工程應用中存在的問題，詳見下述。

(1)80～250 km/h速度范圍的裝配式軌道技術目前仍不成體系

目前，各地裝配式軌道的應用通常局限于地鐵普速線，如上海和深圳均在各自的地鐵線網中推廣使用裝配式軌道，但對市域線、城際線等高速線的應用嘗試較少。因此，從涵蓋不同速度等級、不同類型制式的綜合性軌道交通線網來看，裝配式軌道的應用還缺乏統一性和標準化。

(2)建設及運營期間病害較多

圖2 既有裝配式軌道結構傷損

軌道板、砂漿層、底座常常發生裂紋、破損、掉塊等傷損，見圖2[12-13]。其主要原因除施工質量控制不良外，也有如下因素：軌道板與下部結構之間起隔離作用的土工布缺乏彈性，上下結構層之間為剛性接觸，并且土工布的隔離效果較差，在下部基礎變形和溫度作用下，上下結構層之間的位移不能及時釋放，從而造成應力集中。

(3)對地電阻值降低快，絕緣保持能力弱

某城市運營線路鋼軌對地電阻測試結果見表1，可以看出，運營后軌道對地電阻值降低快、保持能力弱，并且開通時間越長，軌道對地電阻值越小，造成雜散電流泄露[14-15]。

表1 某城市運營線軌道對地電阻測試結果

(4)扣件調節余量不足

既有曲線地段的線形調整多采用“以直代曲”的調整方式(見圖3)，包含圓曲線的矢距偏移和緩和曲線地段超高順坡的高差調整(緩和曲線地段也需要調整矢距偏移)，均通過扣件調整消除，這種調整方法導致建設期就占用較大的扣件調整量，留給運營期的調整量較小，不利于養護維修，且軌道鋪設精度也較低。

圖3 既有“以直代曲”的線形調整方式

(5)自密實混凝土指標要求高

既有調整層采用自密實混凝土，流動性指標要求較高，施工調配不便，且價格偏高[16-17]。

3 速度等級劃分

粵港澳大灣區規劃建設的軌道交通設計速度涵蓋80～250 km/h。鑒于不同設計速度下的軌道交通在車輛軸重、速度系數、線路條件、供電制式、土建條件等軌道設計接口內容存在較大差異，對裝配式軌道的要求也隨之不同。為便于裝配式軌道設計和研究，使其既能滿足不同條件下工程建設的需要，又能達到技術經濟性最優，有必要對設計速度80～250 km/h進行速度等級劃分。

速度等級劃分考慮不同速度級下裝配式軌道的設計荷載、土建輪廓、供電制式、信號制式、線路條件等影響因素，按照影響因素較為接近的原則進行速度等級劃分。對廣州都市圈軌道交通各典型線路的技術參數進行歸納統計，見表2。

表2 廣州都市圈軌道交通典型線路技術標準統計

由表2可以看出，以廣州地鐵3號線、7號線、13號線、21號線等為代表的普速地鐵線路，設計速度為80～120 km/h，車輛采用地鐵A型車或B型車，供電制式采用直流供電，盾構管片也采用相同的內徑，信號系統采用計軸，最小曲線半徑250～350 m。鑒于該速度范圍內影響裝配式軌道的主要技術標準基本一致，故將設計速度80 km/h

設計速度160 km/h的線路以廣州地鐵18號線和22號線為代表，車輛采用市域D型車，供電制式采用交流供電，盾構內徑增大至7.7 m，信號系統采用計軸，不限速情況下最小曲線半徑1 300 m。廣州地區尚無設計速度140 km/h的線路，參照成都地鐵18號線等相關案例，其技術標準參數與160 km/h較為接近。故將設計速度120 km/h

設計速度200 km/h的線路以莞惠、廣清等珠三角城際鐵路為代表。車輛采用CRH6型城際動車組，供電制式采用交流供電，隧道類型為大斷面的山嶺隧道，信號采用軌道電路，不限速情況下最小曲線半徑2 000 m。設計速度250 km/h已屬于高速鐵路范疇，工程主要技術標準按高速鐵路設計，動載系數、軌道接口條件等均與設計速度200 km/h較為接近。故將設計速度160 km/h

綜上，速度等級劃分及各速度級下主要技術標準見表3。

表3 速度等級劃分及主要技術參數

4 裝配式軌道關鍵技術和結構設計

基于凸臺型限位裝配式軌道結構，針對既有應用中存在的問題，提出一種高平順、高絕緣、環保型的新型裝配式軌道技術方案，以解決既有問題，提高建設品質。主要通過在軌道板下設置微彈性層、改進線形調整方法、研發新型自填充混凝土配合比3個方面對既有結構進行優化，并進行標準化設計，形成速度80～250 km/h三個速度等級的裝配式軌道結構體系。

4.1 板下微彈性層

在軌道板下粘貼微彈性隔離層代替既有土工布，起到3個作用：增加軌道彈性，緩沖結構受力，降低軌道結構傷損。微彈性層采用高分子材料制造，提高軌道絕緣性，減少雜散電流泄露；可實現2 dB的減振效果。

要實現微彈性層的功能，微彈性墊層的剛度選取至關重要。剛度太小則軌道變形過大，影響軌道平順性，并增加彈性層的生產成本；彈性太大則起不到受力緩沖的作用。對不同彈性層剛度(速度160 km/h，市域D型車)的鋼軌垂向位移和砂漿層受力進行計算，結果見表4。

表4 不同彈性層剛度下軌道結構受力計算結果

由表4可知，隨著墊層剛度的提高，鋼軌的垂向位移逐漸減小，砂漿層的垂向位移略有增大，砂漿層的受力逐漸增大。減小墊層剛度能降低砂漿層受力，但增加鋼軌垂向位移，降低軌道平順性。因此，彈性墊層剛度應在保證軌道平順性的前提下，盡量減小砂漿層應力，在二者之間取一個平衡值。

以一般整體道床為基準，對不同彈性層剛度下裝配式軌道的減振效果(插入損失)進行計算，計算速度為160 km/h，采用市域D型車，計算結果見圖4。

圖4 不同彈性墊層剛度隧道壁Z振級

當彈性墊層剛度為0.08～0.09 N/mm3時，裝配式軌道具有2 dB的減振效果，在該剛度取值下結構受力及軌道平順性也均較好。因此，推薦彈性墊層剛度取0.08～0.09 N/mm3，由于這種彈性層的彈性較減振型軌道所采用的減振墊(剛度為0.019～0.03 N/mm3)的彈性較小[18-20]，故命名為微彈性層。

4.2 新型曲線段線形調整方法

圖5 圓曲線地段橫向矢距調整

裝配式軌道在曲線地段需要進行線形調整，主要包含兩方面，一個是圓曲線地段的橫向矢距調整，一個是緩和曲線地段的垂向高低調整(緩和曲線地段也需要調整矢距偏移)。圓曲線地段的橫向矢距調整是指以軌道板端部第二組承軌臺按設計線形定位，其余承軌臺位置與設計線形的橫向偏差，見圖5。緩和曲線地段垂向高低調整是指由于緩和曲線外股鋼軌相較內股鋼軌隨超高逐漸抬升，同一塊軌道板上每個承軌臺處的鋼軌垂向高程均不相同，需進行垂向高低調整。

傳統的軌道板線形調整方法采用“以直代曲”，即軌道板與直線段參數一致，通過扣件的左右偏移和高低調整來實現鋼軌頂面與設計線形一致。該方法的優點是軌道板種類少，不需要專門設計、制造曲線段軌道板，缺點是線形全部通過扣件調整，扣件調整量大，軌道鋪設精度低，且提前占用了扣件的水平及高低調整量，運營后若軌道需要調整，可能面臨調整量不足的風險。

提出一種新的曲線地段線形調整方法，將曲線調整量通過承軌臺和扣件共同承擔，首先根據線路參數計算橫向矢距偏移量和垂向高低調整量，然后按曲線半徑和順坡率將曲線劃分為不同等級，同一等級采用一種曲線板，在工廠制造時對承軌臺進行預先偏移和抬高，承軌臺未調整到位的部分再用扣件調整。這種調整方法既能提高鋪軌平順度、減小施工占用的扣件調整量，又不會增加太多軌道板類型，施工組織和管理難度沒有明顯增加。

以第Ⅰ速度級(速度80

4.3 自填充混凝土

作為砂漿調整層的混凝土灌漿料，既要保證較好的流動性，還不能發生泌水和離析，因而砂漿配合比控制十分關鍵。既有自密實混凝土流動性要求坍落擴展度為650～680 mm，配置及灌注時易發生離析、泌水等現象，不符合要求的混凝土需要重新拌制，易造成混凝土大量浪費。

基于上述問題，研發一種新型自填充混凝土，并將混凝土由目前從中間小孔(直徑180 mm)灌注調整為從兩側限位孔(直徑500 mm)灌注，增大灌注壓力，從而將坍落擴展度適當降低為550～600 mm，基本性能指標見表5。

表5 自填充混凝土基本性能指標

4.4 各速度級裝配式軌道結構

裝配式軌道結構方案主要受設計速度、車輛軸重、超高、供電制式、線路線形、土建輪廓、信號制式等因素影響，主要技術參數見表6。

表6 各速度級裝配式軌道主要技術參數

基于各速度等級軌道功能需求和外部接口條件，確定各速度級裝配式軌道主要技術參數，見表7。

表7 各速度級裝配式軌道主要技術參數

3個速度級裝配式軌道基本組成相同，各速度級不同，其軌道技術參數也略有不同，從而形成覆蓋3個速度等級的裝配式軌道結構體系。由上而下依次由鋼軌、扣件、預制軌道板、微彈性隔離層、自填充混凝土、底座等組成，平面見圖6，橫剖面見圖7～圖9。

圖6 裝配式軌道平面

圖7 第Ⅰ速度級裝配式軌道結構組成(單位：mm)

圖8 第Ⅱ速度級裝配式軌道結構組成(單位：mm)

圖9 第Ⅲ速度級裝配式軌道結構組成(單位：mm)

(1)軌道板在工廠預制，為雙向先張預應力軌道板，每塊軌道板兩側設置2個限位孔，兼做灌注孔使用，相鄰板之間一般設100 mm寬的板縫。

(2)軌道板板下粘貼微彈性隔離層，微彈性層由兩層結構復合而來，厚8 mm，靠近軌道板一側為彈性結構，采用聚氨酯材料制作，靠近砂漿層一側為毛氈層，目的是灌注砂漿時可以吸收氣泡，改善砂漿層表面質量。微彈性層組成見圖10。

圖10 微彈性層(單位：mm)

(3)軌道板板下及限位孔內灌注自填充混凝土，厚90～120 mm，長度和寬度與軌道板對齊。砂漿調整層灌注于軌道板的限位孔內，從而形成凸臺限位結構，限制軌道板的縱橫向位移，軌道板限位孔四周與砂漿調整層之間設置彈性緩沖墊層，減緩限位孔處的應力集中。

(4)自填充混凝土下部為鋼筋混凝土底座，底座為分段結構，對應2～3塊軌道板設置1道伸縮縫。

4.4 試驗驗證

為驗證裝配式軌道結構方案，對軌道板進行試制，并相繼開展靜載抗裂試驗、組裝疲勞試驗和自填充混凝土灌注和揭板試驗。

(1)靜載抗裂試驗

按相關標準要求對軌道板的橫截面和縱截面均進行加載，檢驗荷載為橫向截面80 kN，縱向截面210 kN，加載持續180 s，加載結束后用裂縫寬度測試儀檢查，軌道板縱、橫向截面均無開裂，軌道板強度滿足要求。靜載試驗現場情況見圖11。

圖11 靜載試驗

(2)組裝疲勞試驗

將鋼軌、扣件、軌道板、微彈性層組裝好后進行疲勞試驗，荷載循環次數200萬次，疲勞試驗最大荷載取2倍軸重(市域車軸重取17 t)340 kN，下限為上限的20%，即疲勞試驗荷載范圍為68～340 kN，加載頻率為5 Hz。加載結束后采用裂縫寬度測試儀進行檢查，軌道板表面均未出現裂紋。

(3)自填充混凝土灌注及揭板試驗

軌道板下粘貼微彈性墊，自填充混凝土從軌道板兩側的限位孔灌注，自填充混凝土采用550～600 mm擴展度。自填充混凝土從灌注孔下料后，迅速向周邊擴散，待四周排氣孔均勻流出30 s后，關閉排氣孔，灌板結束，單塊板的灌注時間為170 s。

灌注完成8 h后揭板，自填充混凝土現場情況見圖12。可以看出，自填充混凝土狀態表面密實、平整、充盈飽滿，無泌水、無松軟發泡層、無可見裂紋、無明顯水紋、無露石、露筋以及蜂窩等現象，表面基本無氣泡，僅由于微彈性墊粘貼不平整導致局部存在凹凸不平。

圖12 自填充混凝土灌注及揭板試驗

5 結語

調研國內城市軌道交通裝配式軌道應用現狀和存在的問題，以解決問題為導向，結合粵港澳大灣區80～250 km/h軌道交通建設需求，基于速度等級劃分，對既有裝配式軌道進行優化設計，提出覆蓋80～250 km/h三個速度等級的高平順、高絕緣、環保型裝配式軌道關鍵技術。通過靜載抗裂試驗、疲勞試驗以及自填充混凝土灌注及揭板試驗，驗證技術方案的可靠性。

(1)考慮設計荷載、土建輪廓、供電制式、信號制式、線路條件等因素，對80～250 km/h進行速度等級劃分：80≤V≤120 km/h為第Ⅰ速度級，120

(2)根據各速度等級的功能需求和外部接口條件，確定覆蓋80～250 km/h的裝配式軌道結構組成，3個速度級下裝配式軌道基本結構組成相同，軌道技術參數略有不同，從而形成3個速度級的裝配式軌道結構體系。

(3)研發一種微彈性層，粘貼在軌道板板底，可起到減緩軌道結構傷損、提高軌道絕緣減振效果的作用。

(4)提出一種新型曲線地段線形調整方法，可提高鋪軌平順度、減小施工占用的扣件調整量，又不會增加太多軌道板類型。

(5)研發新型自填充混凝土，提出關鍵參數控制指標和灌注方法，可降低拌制難度，提高施工便利性。