城市軌道交通預(yù)制板軌道設(shè)計(jì)及應(yīng)用綜述

黃 輝 尹華拓 羅信偉 黃國慶

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010； 2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510330)

1 概述

目前，城市交通擁堵問題日益嚴(yán)峻，城市軌道交通以其安全、平穩(wěn)、高效等特點(diǎn)，在各主要城市公共交通中起著舉足輕重的作用。我國城市軌道交通正處于蓬勃發(fā)展時(shí)期，截至2021年12月，31個(gè)省(區(qū)、市)和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)共有51個(gè)城市開通運(yùn)營城市軌道交通線路269條，運(yùn)營里程8 708 km，實(shí)際開行列車279萬列次，完成客運(yùn)量20.8億人次，進(jìn)站量12.7億人次，客運(yùn)量環(huán)比增加1.1億人次、增長5.6%，較2020年12月增加0.5億人次、增長2.5%。

城市軌道交通建設(shè)過程中，軌道工程是土建施工和機(jī)電安裝之間承上啟下的工程，是供機(jī)車車輛運(yùn)行和承受其荷載的重要工程結(jié)構(gòu)物。列車運(yùn)行由軌道引導(dǎo)，荷載也通過軌道分散傳遞至軌道下方的路基、橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)物。為保證列車能夠安全、平穩(wěn)且不間斷運(yùn)行，軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性，并能保持正確的幾何形態(tài)。

城市軌道交通中，對(duì)軌道平穩(wěn)性和舒適性要求較高，且期望盡可能降低軌道運(yùn)營的養(yǎng)護(hù)維修量，故一般采用無砟軌道。目前，各城市軌道交通的無砟軌道以現(xiàn)澆整體道床為主，然而根據(jù)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)澆整體道床主要有以下不足之處。

(1)現(xiàn)澆整體道床的多項(xiàng)施工環(huán)節(jié)依賴于人工及現(xiàn)場小型工裝機(jī)具，施工質(zhì)量存在較大離散性，這對(duì)軌道平順性、列車運(yùn)行過程中的輪軌接觸狀態(tài)、減振降噪性能、耐久性及運(yùn)營過程中的維護(hù)管理均不利。

(2)施工過程主要依賴人工，現(xiàn)澆質(zhì)量控制難度較大，易導(dǎo)致道床澆筑完畢后外觀質(zhì)量參差不齊。

(3)施工進(jìn)度緩慢，施工人員的作業(yè)強(qiáng)度較大，作業(yè)環(huán)境較差。

(4)使用過程中容易出現(xiàn)各種病害，如支撐塊(軌枕)松動(dòng)、道床開裂等。

(5)遇到土建結(jié)構(gòu)不均勻沉降時(shí)，現(xiàn)澆整體道床難以適應(yīng)及調(diào)整，易導(dǎo)致道床出現(xiàn)開裂、失效等病害。

隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)化水平的不斷提高，預(yù)制裝配式建筑以其施工質(zhì)量好、節(jié)能減排效果佳、綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)等眾多優(yōu)勢得到全面推廣。為適應(yīng)軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，并克服現(xiàn)澆軌道的諸多不足之處，采用預(yù)制板整體道床及現(xiàn)場機(jī)械化裝配已成為一種趨勢。

相較于現(xiàn)澆整體道床，預(yù)制板軌道具有整體性強(qiáng)、質(zhì)量精度易于保證、養(yǎng)護(hù)維修少、可維修性好、現(xiàn)場整潔美觀、后期可快速實(shí)現(xiàn)減振道床的升級(jí)改造等優(yōu)點(diǎn)，且符合國家預(yù)制化、裝配式發(fā)展方向。

2 高速鐵路預(yù)制板軌道

我國高速鐵路無砟軌道研究始于20世紀(jì)90年代，之后隨著京滬高鐵可行性研究的推進(jìn)，高速鐵路無砟軌道的發(fā)展需求十分迫切[1-3]。為此，眾多專家、學(xué)者和設(shè)計(jì)人員進(jìn)行大量研究，江成等對(duì)我國無砟軌道選型及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究分析，推動(dòng)了無砟軌道的技術(shù)再創(chuàng)新[4-6]；趙有明等對(duì)我國CRTS Ш型板式無砟軌道的各項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)及高速鐵路無砟軌道的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)闡述[7-8]。目前，在國外無砟軌道技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大量自主研究，已形成CRTSⅠ型、CRTS Ⅱ型、CRTS Ⅲ型系列板式無砟軌道。

2.1 CRTSⅠ型板式無砟軌道

CRTSⅠ型板式無砟軌道是一種單元板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層、鋼筋混凝土底座、凸形擋臺(tái)及其周圍填充樹脂等部分組成，見圖1。

圖1 CRTSΙ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

2.2 CRTSⅡ型板式無砟軌道

CRTSⅡ型板式無砟軌道為縱連式無砟軌道。橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、砂漿調(diào)整層、縱向連續(xù)底座板、滑動(dòng)層、側(cè)向擋塊等部分組成。隧道內(nèi)及路基地段橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制軌道板、中間的砂漿調(diào)整層以及底部的底座板等部分組成。CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

2.3 CRTSⅢ型板式無砟軌道

CRTSⅢ型板式無砟軌道是一種將軌道板通過自密實(shí)混凝土層“放置”在底座上的無砟軌道結(jié)構(gòu)，從上往下由鋼軌、扣件、軌道板(帶承軌臺(tái))、自密實(shí)混凝土、隔離層及底座等組成，見圖3。

圖3 CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

2.4 高速鐵路板式無砟軌道對(duì)比

CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)組成及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)組成及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道是在總結(jié)CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式無砟軌道技術(shù)的基礎(chǔ)上，吸收其優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)而研發(fā)的一種結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、便于維修的新型無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，已在我國高速鐵路中得到大規(guī)模應(yīng)用。眾多城市軌道交通的預(yù)制板軌道都是在借鑒CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的基礎(chǔ)上，結(jié)合城市軌道交通的特點(diǎn)進(jìn)一步深化研究形成的。

3 地鐵預(yù)制板軌道

高速鐵路預(yù)制板軌道的大規(guī)模應(yīng)用，為地鐵預(yù)制板軌道的建設(shè)和發(fā)展提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。目前，在地鐵預(yù)制板軌道領(lǐng)域也進(jìn)行了大量研究。曹德志結(jié)合地鐵的特點(diǎn)提出普通預(yù)制板的設(shè)計(jì)尺寸[9]；劉偉斌提出適用于地鐵運(yùn)營條件的新型預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)[10]；陳憲麥通過對(duì)預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，為預(yù)制板設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供技術(shù)支持[11]；王偉華從結(jié)構(gòu)、接口等方面提出了適用于城市軌道交通的預(yù)制板軌道[12]；葉軍等研究速度160 km/h城市軌道交通高架預(yù)制板軌道的動(dòng)力特性[13]；鄭強(qiáng)在CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的基礎(chǔ)上，研發(fā)一種適用于城市軌道交通的預(yù)制板軌道[14]。

大量研究為預(yù)制板軌道在軌道交通建設(shè)中的推廣和使用奠定基礎(chǔ)，以下將對(duì)上海、深圳、廣州等主要城市的預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)。

3.1 上海地鐵

上海地鐵較早開展預(yù)制板軌道的研究和應(yīng)用，旨在實(shí)現(xiàn)城市軌道交通軌道設(shè)計(jì)及施工的標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化和機(jī)械化，改善作業(yè)環(huán)境、提高質(zhì)量和提升效率。預(yù)制板軌道在上海市軌道交通12號(hào)線、16號(hào)線、17號(hào)線進(jìn)行試驗(yàn)段試鋪，并在整個(gè)地鐵線網(wǎng)中推廣使用。

上海地鐵的預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)引自國鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道，結(jié)合地鐵的限界及接口條件進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并形成通用圖冊。該預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)自上而下由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板(單元板)、調(diào)整層(自密實(shí)混凝土)、限位結(jié)構(gòu)(門形筋+凹槽)、中間隔離層(土工布)和鋼筋混凝土基底組成(見圖4)，適用最高運(yùn)行速度為120 km/h。其中，盾構(gòu)內(nèi)徑5 500 mm單圓隧道軌道結(jié)構(gòu)高度為920 mm(至盾構(gòu)內(nèi)壁)，盾構(gòu)內(nèi)徑為5 900 mm單圓隧道軌道結(jié)構(gòu)高度為950 mm(至盾構(gòu)內(nèi)壁)，矩形隧道軌道結(jié)構(gòu)高度為650 mm。

圖4 上海地鐵圓形隧道預(yù)制板軌道斷面(單位：mm)

3.2 深圳地鐵

為大力發(fā)展裝配式建筑，深圳市出臺(tái)《深圳市裝配式建筑發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃(2018—2020)》，為裝配式建筑的發(fā)展和應(yīng)用制定目標(biāo)“到2025年，全市裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)50%以上，裝配式建筑成為深圳主要建設(shè)模式之一；到2035年，全市裝配式建筑占新建建筑面積的比例力爭達(dá)到70%以上，為把深圳建設(shè)成國際水準(zhǔn)、領(lǐng)跑全國的裝配式建筑示范城市”。深圳市軌道交通緊扣裝配式結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢，較早開展預(yù)制板軌道的研究和實(shí)踐。最初在7號(hào)線鋪設(shè)預(yù)制板軌道試驗(yàn)段，隨后在9號(hào)線和11號(hào)線的減振地段采用預(yù)制板軌道，之后在6號(hào)線高架線也采用預(yù)制板軌道。

預(yù)制板軌道分為普通地段和減振地段。普通地段軌道板長度以4 100 mm為主，根據(jù)實(shí)際情況配置不同長度的非標(biāo)板。軌道板寬度為2 400 mm，非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。軌道板上開設(shè)3個(gè)圓孔，軌道板中心設(shè)置1個(gè)，兩端各設(shè)置1個(gè)。軌道板中心的圓孔用于自密實(shí)混凝土灌注使用，直徑較小，兩端圓孔作為自密實(shí)混凝土灌注時(shí)的觀察孔，并作為限位孔使用。圓形隧道地段為軌道板、自密實(shí)層和底座的3層結(jié)構(gòu)。

減振地段包含減振墊滿鋪型軌道板和點(diǎn)支撐軌道板。減振墊滿鋪型軌道板長度有3 500，4 100，4 700 mm，軌道板寬2 400 mm，厚260 mm，軌道板上開設(shè)灌注孔和限位孔，灌注孔和限位孔型式和普通地段軌道板相同(見圖5)。滿鋪型軌道板為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，承軌臺(tái)無擋肩，扣件間距600 mm。點(diǎn)支撐軌道板外形尺寸與滿鋪型相同，不同的是軌道板開孔位置和布置形式，點(diǎn)支撐軌道板在軌道板兩端各開設(shè)1個(gè)“U形”孔，軌道板下設(shè)置凹槽放置橡膠彈簧隔振元件(見圖6)。

3.3 蘇州地鐵

蘇州地鐵5號(hào)線設(shè)計(jì)速度為80 km/h，于2021年6月開通。在上供路—木瀆南區(qū)間鋪設(shè)一段預(yù)制板軌道[15]，軌道結(jié)構(gòu)自上而下由鋼軌、扣件、預(yù)制板(含隔離層)、下部基礎(chǔ)調(diào)整層(C40鋼纖維細(xì)石混凝土)等組成(見圖7)。預(yù)制板下部進(jìn)行倒棱角處理，板中設(shè)2個(gè)限位凸臺(tái)。該軌道結(jié)構(gòu)為“軌道板+基礎(chǔ)層”的兩層結(jié)構(gòu)，通過鋼纖維細(xì)石混凝土將基底和調(diào)整層合并為基礎(chǔ)調(diào)整層，以降低軌道結(jié)構(gòu)高度，提高現(xiàn)場施工效率。

3.4 北京地鐵

北京新機(jī)場線設(shè)計(jì)速度為160 km/h，于2019年9月開通。工程設(shè)計(jì)時(shí)，為沉降危險(xiǎn)地段預(yù)留運(yùn)營后的調(diào)整量，在地質(zhì)沉降危險(xiǎn)性區(qū)域采用了預(yù)制板軌道。沉降危險(xiǎn)性區(qū)域位于新機(jī)場線南段，主要為明挖及U形槽地段。該預(yù)制板軌道高度為650 mm，軌道結(jié)構(gòu)為“軌道板+自密實(shí)”的兩層結(jié)構(gòu)，自上而下依次由鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、自密實(shí)混凝土等組成(見圖8)。軌道板為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，承軌臺(tái)設(shè)有擋肩結(jié)構(gòu)，配套WJ-8B型扣件，軌道板下自帶凸臺(tái)，即軌道板制造時(shí)，將凸臺(tái)與軌道板預(yù)制在一起，依靠軌道板與自密實(shí)層即可實(shí)現(xiàn)限位，無需設(shè)置底座，故可有效降低軌道結(jié)構(gòu)高度，減少混凝土現(xiàn)澆工序，施工效率顯著提高。

3.5 廣州地鐵

(1)直線電機(jī)線路預(yù)制板軌道

廣州預(yù)制板軌道最早應(yīng)用于4號(hào)線、5號(hào)線、6號(hào)線直線電機(jī)制式線路的高架地段。為適應(yīng)直線電機(jī)制式對(duì)軌道高精度、高平順性的要求，道床采用預(yù)制板軌道。相較于廣州地鐵傳統(tǒng)的現(xiàn)澆軌道，該軌道結(jié)構(gòu)高度相對(duì)較低，平順性更高，施工速度更快，且曲線超高可在道床板上實(shí)現(xiàn)，對(duì)橋梁制造也更為有利。

圖9 廣州地鐵直線電機(jī)線路高架段預(yù)制板軌道斷面(單位：mm)

預(yù)制板軌道由上而下依次由鋼軌、扣件系統(tǒng)、道床板、ZH砂漿、抗剪定位銷組成(見圖9)。采用預(yù)制混凝土道床板，直接在梁上固定(無基礎(chǔ)底座)，板下采用ZH砂漿填充。道床縱橫向阻力由抗剪定位銷和砂漿共同承擔(dān)。直線地段軌道結(jié)構(gòu)高度為450 mm，曲線地段采用內(nèi)軌不動(dòng)，外軌抬高超高值的方法設(shè)置曲線超高。

(2)新型預(yù)制板軌道

在總結(jié)CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，廣州地鐵鋪設(shè)新型預(yù)制板軌道。新型預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、扣件系統(tǒng)、預(yù)制板、自密實(shí)混凝土層、隔離層、限位凸臺(tái)、彈性緩沖墊層以及鋼筋混凝土底座等部分組成(見圖10)。預(yù)制板設(shè)2個(gè)限位孔、1個(gè)灌注孔(見圖11)，自密實(shí)混凝土澆筑后與基底結(jié)合為一體。

圖10 廣州地鐵優(yōu)化后的預(yù)制板軌道斷面

圖11 廣州地鐵優(yōu)化后的預(yù)制板

相較于國鐵CRTSⅢ型板式無砟軌道，廣州地鐵采用的預(yù)制板軌道具有如下特點(diǎn)。

(1)采用向上限位的明限位方式，限位凸臺(tái)在道床表面可見，便于檢查和維修。

(2)自密實(shí)混凝土層位于隔離層之下，受力較小。

(3)限位孔兼具檢查孔功能，便于自密實(shí)混凝土澆筑時(shí)的排氣和觀察。

(4)鋼筋混凝土基底無需預(yù)留凹槽，施工難度小且速度快，隔離層可在工廠內(nèi)粘貼大幅提高了鋪軌工效。

(5)采用向上凸臺(tái)限位，高架段可取消基底，施工效率優(yōu)勢更加明顯。

新型預(yù)制板軌道已在廣州地鐵投入運(yùn)營使用，其中設(shè)計(jì)速度160 km/h的廣州地鐵18號(hào)線、22號(hào)線在高等減振地段采用該軌道結(jié)構(gòu)(見圖12)，軌道系統(tǒng)由鋼軌、SFC快速彈條扣件、預(yù)制軌道板、減振墊、自密實(shí)混凝土層、鋼筋混凝土底座等組成，圓形隧道軌道結(jié)構(gòu)高度1 250 mm(至盾構(gòu)內(nèi)壁)，矩形隧道軌道結(jié)構(gòu)高度820 mm。

圖12 廣州地鐵18、22號(hào)線減振墊預(yù)制板軌道斷面(單位：mm)

5 結(jié)語

闡述城市軌道交通現(xiàn)澆整體道床不足之處及預(yù)制板軌道突出優(yōu)勢，對(duì)我國高速鐵路采用的預(yù)制板無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。通過對(duì)各個(gè)城市預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)介紹在CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)的新型預(yù)制板軌道，說明該預(yù)制板軌道的結(jié)構(gòu)組成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用情況。