不同速度等級裝配式軌道結構設計及檢算

張魯順

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

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，現場澆筑。除軌排在鋪軌基地組裝，其余大部分施工作業均在現場完成，然而，地下線施工空間受限，易導致施工進度慢、軌道鋪設精度低、不能開展多作業面施工等弊端[1-2]。為減少現場澆筑作業，提高地下線道床施工進度及鋪設精度，部分城市引進高速鐵路裝配式軌道先進技術，結合城市軌道交通特點進行再創新，并在軌道交通中逐漸推廣采用[3-4]。

裝配式軌道是一種新型軌道形式，將工廠預制好的軌道板直接裝配在混凝土底座或下部基礎上，采用CPⅢ控制網對預制板進行精調[5-6]，然后在軌道板下方采用自填充混凝土進行填充。實踐表明，裝配式無砟軌道具有標準化設計、生產質量好、耐久性高、現場作業量少等優點[7]。已有許多學者對其開展相關研究，葉軍等研究一種適用于時速160 km線路高架段、具有新型限位結構的裝配式雙向先張預應力軌道板整體道床結構[8]；王占生在總結城市軌道交通板式軌道應用現狀及存在問題的基礎上，闡述裝配式軌道的核心技術理念，以及在蘇州地鐵5號線典型工況條件下的優化應用技術要點[9]；楊秀仁等研究裝配式減振軌道自動鋪裝的測量控制方法，認為該方法能大幅提高軌道工程安裝精度和安裝效率[10]。

然而，裝配式軌道在工程應用中仍存在一些問題。如建設及運營期間出現軌道板、底座裂紋，自密實混凝土離縫等病害[11-13]；軌道對地電阻值降低快，絕緣保持能力弱[14-15]；自密實混凝土調整層施工配比要求高，技術指標過于嚴格[16]；城市軌道交通裝配式軌道類型過多等。因此，研究時速80～250 km軌道交通裝配式軌道技術，并對其速度等級進行劃分很有必要。

2 裝配式軌道板結構參數研究

為使裝配式軌道其既能滿足不同條件下工程建設的需要及技術經濟性最優。綜合考慮規范規定、軌道功能要求、外部輸入條件等因素，將裝配式無砟軌道速度等級分為3級：①Ⅰ級：80 km/h≤V≤120 km/h；②Ⅱ級：120 km/h

2.1 模型及參數

利用有限元方法建立裝配式無砟軌道精細化分析模型，采用控制變量法進行影響因素分析，計算軌道結構參數對軌道板受力的影響規律[17-18]。軌道結構由鋼軌、扣件、軌道板、微彈性隔離層、自填充混凝土等組成。鋼軌、軌道板、自填充混凝土采用實體單元模擬；扣件采用三向彈簧單元模擬，靜剛度為30 kN/mm。為消除邊界效應，取3塊軌道板建模。列車荷載加載方式為單軸雙輪，取2倍的靜輪載(170 kN)[19]，加載位置在軌道板中部。模型底部采用彈性基礎。軌道結構有限元模型見圖1，裝配式無砟軌道結構參數見表1。

圖1 裝配式無砟軌道有限元模型

表1 裝配式無砟軌道結構參數

2.2 列車荷載因素

(1)軌道板板長

根據扣件數量及間距，軌道板長度分別為3.5 m、4.1 m、4.7 m、5.3 m、5.9 m時，軌道板受力情況見圖2。由圖2可以看出，軌道板長度對軌道板受力影響較小。

圖2 不同軌道板長度下軌道板應力變化規律

(2)軌道板板寬

軌道板寬度對軌道板受力的影響規律見圖3。由圖3可以看出，軌道板寬度由2 000 mm增加到2 500 mm，軌道板頂部橫向拉應力減少約30%，軌道板底部橫向應力減少約55%。由此可見，軌道板寬度對軌道板受力的影響整體上表現出板寬越寬，受力越小的趨勢。

圖3 不同軌道板寬度下軌道板應力變化規律

(3)軌道板板厚

當軌道板厚度范圍為180～220 mm時，軌道板厚度對軌道板受力的影響規律見圖4。由圖4可以看出，軌道板厚度對軌道板受力的影響表現出板厚越大，受力越小的規律。軌道板厚度由180 mm增加到220 mm，軌道板頂部縱向應力減小40%，橫向應力減小20%，軌道板底部縱向應力減小18%，橫向應力減小37%。

圖4 不同軌道板厚度下軌道板應力變化規律

(4)扣件間距

扣件間距對軌道板受力的影響規律見圖5。扣件間距分別為575 mm(對應鋪設密度1 740組/km)、600 mm(對應鋪設密度1 667組/km)、625 mm(對應鋪設密度1 600組/km)時，道床板頂部、底部縱向應力隨扣件鋪設密度的增大而減小，但減小幅度較小；軌道板頂部及底部橫向應力基本不受扣件鋪設密度變化的影響?？傮w上看，扣件間距對軌道板受力的影響較小。

圖5 不同扣件鋪設密度下軌道板應力變化規律

地鐵扣件鋪設密度一般地段采用1 680對/km，R≤400 m或坡度i≥20‰地段加密至1 760對/km。另外，根據國內城市軌道交通既有軌道板設置經驗，扣件間距一般取600 mm。結合上述扣件間距計算結論，軌道板的扣件間距建議統一為600 mm。

2.3 土建因素

軌道板寬2.2 m、2.3 m、2.4 m時，裝配式軌道均能滿足隧道限界的布置要求，但軌道板寬度越寬，軌道板的四個角距離限界越近(尤其在曲線地段內側)，軌道板距離限界分別為78 mm、56 mm、32 mm。當管片偏移至限界位置處，軌道板越寬，軌道板下混凝土邊緣的厚度隨薄，不利于軌道結構受力，在列車動荷載往復作用下，將發生裂縫、破損等病害，影響行車安全。另外，軌道板越寬，水溝寬度越小，不利于排水。因此，當設計速度較低、盾構內徑較小時，軌道板寬度尺寸不宜過大。

隨著設計速度的提高，隧道內徑也逐漸增大，設計速度160 km/h的市域鐵路盾構內徑通常為7.7～8 m。以7.9 m的盾構內徑為例，允許的軌道結構高度增大至900 mm(至限界)，軌道板尺寸也可適當提高，當軌道板寬度增大到2.5 m時，軌道布置可以滿足限界的要求。

當設計速度提高到200 km/h以上時，線路敷設方式將以橋梁和路基為主，隧道斷面多與山嶺隧道相同。因此，可借鑒CRTSⅢ型板式無砟軌道成熟方案，采用軌道板、自密實混凝土、底座3層結構，線路兩側設置電纜槽，排水通過在隧道回填層設置水溝實現，軌道結構無需考慮排水。軌道板寬度沒有限制，建議采用國鐵上廣泛使用的2.5 m寬度。

綜上，為滿足5.4 m盾構內徑時軌道板的安裝需求，建議軌道板寬度取2.2 m；160 km/h

2.4 曲線段軌道板矢距調整因素

軌道板長度需考慮曲線地段正矢的調整。軌道板矢距調整采用半矢距方法，即軌道板定位按其第二組扣件和倒數第二組扣件中心線與線路中心線重合布置(見圖6)。

圖6 半矢距偏移調整方法示意

經計算，板長3.5 m軌道板最大矢距調整量為2.9 mm；板長4.7 m軌道板最大矢距調整量為4.3 mm；板長5.9 m軌道板最大矢距調整量為8.6 mm。由此可見，隨著軌道板長度的增加，軌道板的矢距調整量也逐漸增加。

軌道板矢距及超高調整采用有限制的無級調整方法，即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，承軌臺未偏移到位的部分再用扣件調整。根據扣件調整量，結合運營需求，建設期占用扣件的調整量宜控制在3 mm之內，則3.5 m軌道板無需設計曲線板，4.7 m軌道板需要設計1種曲線板，5.9 m軌道板需要設計2種曲線板。結合緩和曲線的超高順坡調整，實際軌道板種類將會更多。

因此，為減少軌道板種類，降低設計、制造及鋪設的管理難度，降低造價，軌道板長度宜控制在4.7 m以內。

2.5 施工因素

為施工便利，首先應考慮軌道板輕量化。當軌道板厚0.2 m時，一塊3.5 m長軌道板質量約6 t，4.7 m軌道板質量約8 t，5.9 m軌道板質量約10 t。根據施工經驗，軌道板吊裝質量超過10 t后，需采用2臺鋪軌門吊，10 t以內可采用一臺鋪軌門吊，較小的軌道板尺寸和重量更加方便施工。

根據施工經驗，每塊軌道板的架設和精調時間約20 min。軌道板越長，則軌道板數量越少，有利于節省軌道板架設及精調時間。每塊軌道板自填充混凝土灌注時間約20 min，軌道板越長，軌道板數量越少，灌板次數越少，有利于節省灌注總時間。采用長5.9 m的軌道板，施工速度較3.5 m的軌道板提高約1.6倍。

因此，綜合考慮方便運輸吊裝和提高架設速度兩個方面，推薦采用4.7 m軌道板。

2.6 軌道板主要技術參數匯總

綜合考慮列車荷載因素、土建因素、曲線段軌道板失距調整因素和施工因素，推薦各速度級的軌道板主要技術參數見表2。

表2 軌道板主要技術參數 m

3 軌道板結構設計

3.1 預應力和非預應力結構對比

高速鐵路CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟軌道軌道板均采用預應力鋼筋混凝土結構；市域鐵路、城軌快線(如北京大興機場線、廣州18號線、22號線)均采用預應力鋼筋結構；普通城市軌道(上海地鐵、廣州直線電機線路高架段)采用普通鋼筋混凝土結構，深圳、天津等城市采用預應力混凝土結構。

考慮到預應力鋼筋軌道板的承載能力大、裂紋控制效果好、耐久性高、應用廣泛等優勢，推薦各速度等級的軌道板均采用預應力鋼筋混凝土結構。

3.2 限位結構設計

(1)凹槽和凸臺限位對比

既有裝配式軌道限位結構主要有兩種：凹槽限位和凸臺限位。凹槽限位以國鐵CTRSⅢ型板式無砟軌道為代表，上海地鐵裝配式軌道基于CTRSⅢ型板結構優化而來。凸臺限位以深圳地鐵和廣州18號線、22號線裝配式軌道為代表。

凹槽限位的特點為軌道板與自填充混凝土形成復合板，底座設凹槽，隔離層設在自填充混凝土與底座之間，自填充混凝土與底座之間形成限位；凸臺限位的特點為軌道板上開設限位孔，自填充混凝土灌注于其中，隔離層設在軌道板與自填充之間，軌道板與自填充之間形成限位。

限位凹槽施工時容易積水且不易排出，軌道板架設前需單獨清理，降低了施工效率。另外，凹槽型限位位于結構內部，出現問題不易及時發現和維修。而凸臺限位不易積水，且限位結構外露，便于及時發現問題和養護維修。因此，推薦采用凸臺限位。

(2)圓形和方形限位孔對比

限位孔形式主要有圓形孔和方形孔。對其分別進行應力計算，發現圓形限位有利于減小軌道結構應力集中，且半徑越大，應力越小。計算不同圓孔直徑(300～500 mm變化)對軌道結構受力的影響。通過計算，直徑為500 mm時，軌道板拉應力較直徑300 mm時減小23%，自填充混凝土應力減小48%。因此，無論普通地段還是減振地段，圓孔直徑越大，軌道板和自填充混凝土的應力越小。

綜上，結合承軌臺橫向間距，推薦限位孔采用φ500 mm的圓孔。

3.3 結構組成對比

國內城市軌道交通既有裝配式軌道典型結構型式通?；趪FCTRSⅢ型板式無砟軌道結構形式，結合盾構隧道斷面優化設計。軌道板結構由鋼軌、扣件、預制軌道板、砂漿調整層、限位結構、中間隔離層和鋼筋混凝土基底組成，見圖7。

圖7 既有裝配式軌道結構組成(單位：mm)

軌道板采用單元分塊式結構，標準軌道板長度一般為4 700 mm。軌道板與基底間設置砂漿調整層，通常采用自密實混凝土，厚90 mm，采用單層鋼筋網配筋，砂漿調整層與基底間設置中間隔離層，采用4 mm聚丙烯無紡土工布，底座為鋼筋混凝土結構，軌道板下設門形筋，基底設有雙凹槽。

既有CTRSⅢ型板式無砟軌道結構主要特征為：預制軌道板與現澆砂漿調整層形成復合板；沿線路縱向，復合板與混凝土底座為單元結構；復合板與設置凹槽、頂面設隔離層的混凝土底座形成凹凸結構，為軌道提供水平限位和特殊情況下的修復便捷性。

根據限位結構的比選，推薦板中凸臺限位，即軌道板板底及限位孔內灌注自填充混凝土，軌道板下設置隔離層，從而形成軌道板與下部結構可分離的結構，這與CTRSⅢ型板式無砟軌道復合板的結構組成有所不同。除了軌道板采用雙孔限位板和采用板中凸臺限位外，在軌道板下采用微彈性絕緣隔離層，以改善結構層受力、提高軌道絕緣性能，并具有一定的減振效果。采用自填充混凝土，在不降低填充層技術性能的前提下降低了造價。裝配式軌道結構主要由鋼軌、扣件、相應速度等級雙孔限位板、微彈性隔離層、自填充混凝土、底座等組成，見圖8。

圖8 裝配式軌道結構組成(單位：mm)

軌道板采用單元分塊式結構，為C60預應力結構，標準軌道板長4 700 mm。軌道板板下粘貼微彈性絕緣隔離層，厚8 mm。軌道板下及限位孔內灌注砂漿調整層，形成凸臺限位結構。砂漿層采用新型自填充混凝土，度100 mm。砂漿層內設單層鋼筋網，底座為鋼筋混凝土結構。

相較于既有基于CTRSⅢ型板式無砟軌道結構，裝配式軌道相關優化內容見表3。

表3 裝配式軌道優化內容

目前，個別城市的裝配式軌道采用軌道板下一次性灌注砂漿層的方案，即軌道結構僅由軌道板和砂漿調整層組成。優點：取消鋼筋混凝土底座，現場僅需澆筑自填充混凝土，加快施工速度。問題：自填充混凝土用量增多，導致軌道整體造價增高；直接在盾構管片上不便立模，需要先施工一層找平層；自填充混凝土灌注質量不易控制。

對既有三層方案、優化后的三層方案和二層方案進行技術經濟對比，結果見表4。

表4 3種方案比選

由表4可知，優化后的三層方案結構組成合理，施工便捷，便于養護維修，造價適宜，故予以推薦。

4 裝配式軌道結構檢算

采用裝配式無砟軌道精細化分析模型，對各速度級下、不同地段的裝配式軌道的受力狀態進行檢算。表5為各速度級不同地段裝配式軌道力學檢算結果，由表5可以看出，各速度級不同地段裝配式軌道的位移和受力均在規范的允許范圍內，裝配式軌道的強度滿足不同工況使用需要，裝配式軌道安全、可靠。

表5 各速度級不同地段裝配式軌道力學檢算結果統計

5 結論

根據不同速度級下軌道交通的特點，綜合考慮軌道受力、土建限界、施工便利、經濟指標等因素，合理確定不同速度級下軌道板和裝配式軌道的技術方案，主要結論如下。

(1)軌道板長度、扣件間距對軌道板受力影響較小，軌道板寬度和厚度增大，軌道板受力減小。

(2)綜合考慮列車荷載、土建因素、曲線段軌道板矢距調整和施工因素，3個速度級軌道板長度為4.7 m，厚度統一為0.2 m，扣件間距統一為0.6 m；速度Ⅰ板寬為2.2 m，速度Ⅱ、Ⅲ板寬為2.5 m；軌道板均采用預應力結構，采用在板中開設圓孔的方式限位。

(3)檢算不同速度級不同地段裝配式軌道的位移和應力，均在規范的允許范圍之內，裝配式軌道的強度滿足不同工況使用需要，裝配式軌道安全、可靠。