西安地鐵框架軌道板優(yōu)化設(shè)計研究

鞏軍超

(中鐵一局集團 新運工程有限公司，陜西 咸陽 712000)

西安地裂縫是一種國內(nèi)比較少見的、特殊的地區(qū)性地質(zhì)災(zāi)害。西安地鐵2號線是國內(nèi)首次穿越地裂縫的軌道交通線，其他城市已經(jīng)運營的軌道交通尚無此情況。

西安地裂縫帶具有三維空間運動變形特征，即南傾南降的垂直位移、水平引張和水平扭動。其中以垂直位移量為最大，南北拉張量次之，而水平錯動量則很小。西安地裂縫垂直活動速率多為5～30 mm/年，最大者超過56 mm/年;水平引張位移中等，引張速率為2～10 mm/年;扭動量最小，速率為1～3 mm/年。

由于地裂縫兩側(cè)(上盤和下盤)差異沉降大，且隨時間不斷變化，對線路的幾何形位、排水系統(tǒng)、軌道施工、軌道的養(yǎng)護維修產(chǎn)生巨大的影響。為保證地鐵的長期良好運營，根據(jù)地裂縫的走向與分布，西安地鐵2號線一期工程線路在地裂縫影響地段共設(shè)置了10處特殊線路，采用可調(diào)式框架板結(jié)構(gòu)整體道床，是國內(nèi)首次應(yīng)用于地鐵工程施工的道床型式。

1 可調(diào)式框架板軌道結(jié)構(gòu)原設(shè)計

1.1 可調(diào)式框架板軌道簡介

可調(diào)式框架板軌道結(jié)構(gòu)是北京城建設(shè)計院專門為西安地鐵地裂縫地段研制的專用軌道結(jié)構(gòu)，可以較好地適應(yīng)西安地裂縫變形，調(diào)整量可超過600 mm，其效果圖如圖1。

可調(diào)式框架板軌道結(jié)構(gòu)由分開式扣件、預(yù)應(yīng)力混凝土框架式軌道板、板下可調(diào)支座、側(cè)向限位膠墊、鋼筋混凝土擋臺及混凝土基礎(chǔ)等組成。該結(jié)構(gòu)特點為:①框架軌道板為輕型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，方便現(xiàn)場安裝和澆筑混凝土道床;②框架軌道板中部空間較大，便于日常維修或地裂縫發(fā)生變形時進行調(diào)整;③框架板的中部外側(cè)設(shè)置限位榫，用于限制框架板的縱向爬行。

圖1 可調(diào)式框架板軌道

1.2 可調(diào)式框架板軌道結(jié)構(gòu)的原設(shè)計

1.2.1 整體道床設(shè)計簡介

1)框架板的組成:1塊C60預(yù)應(yīng)力混凝土主體框架板，4塊板下彈性墊板(彈性墊板Ⅰ)，4塊側(cè)面限位彈性墊板(彈性墊板Ⅱ)，4塊限位榫限位彈性墊板(彈性墊板Ⅱ)，產(chǎn)生變形后進行調(diào)整時使用的調(diào)高墊塊若干(根據(jù)調(diào)整量范圍的不同分別采用50 mm厚的橡塑墊塊、100 mm厚的混凝土墊塊)。其道床斷面、平面如圖2、圖3所示。

圖2 可調(diào)式框架板整體道床斷面(單位:mm)

圖3 可調(diào)式框架板整體道床平面鋪設(shè)(單位:mm)

2)框架板理論長度設(shè)為2 500 mm(實際長度為2 460 mm，板與板之間的縫寬為40 mm)，兩端各設(shè)1道寬350 mm的橫梁，板內(nèi)設(shè)1 760 mm×840 mm的開口，開口內(nèi)設(shè)4塊無機復(fù)合型水泥蓋板，使其形成框架。無機復(fù)合型水泥蓋板形成連續(xù)的人行通道，以方便巡道及緊急疏散時行走。

3)框架板寬2 100 mm，其中左右股鋼軌下板寬均為600 mm;板厚180～200 mm，其頂部設(shè)1/30的橫向坡，以形成軌底坡。

4)框架板一端兩側(cè)各設(shè)1個350 mm×200 mm的限位榫，用于框架板的縱向定位及防止軌道結(jié)構(gòu)爬行。

5)每塊框架板均設(shè)置4對扣件，在框架板預(yù)制時直接將扣件尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋在其中。

6)框架板混凝土強度等級采用C60，沿縱向采用雙層預(yù)應(yīng)力配筋，根據(jù)初步分析和計算，上、下層預(yù)應(yīng)力鋼筋各為8根φ5 mm螺旋筋預(yù)應(yīng)力鋼絲，橫梁的彎矩很小，故采用非預(yù)應(yīng)力配筋。

7)框架板設(shè)4個運輸、安裝及發(fā)生變形后調(diào)整用的吊鉤。

1.2.2 可調(diào)式框架板調(diào)整軌道高度的方式

框架板調(diào)整軌道高度的方式采用扣件系統(tǒng)加設(shè)調(diào)高墊板、更換加厚鐵墊板、板下加設(shè)50 mm橡塑墊板、板下加設(shè)100 mm混凝土墊塊等方式來進行，具體調(diào)整方法如下:

1)變形在0～50 mm范圍的調(diào)整:在0～30 mm范圍內(nèi)的累計變形，通過扣件系統(tǒng)中加設(shè)調(diào)高墊板進行調(diào)整;在31～50 mm范圍內(nèi)的累計變形，通過更換加厚鐵墊板配合扣件系統(tǒng)進行調(diào)整。

2)變形在51～100 mm范圍的調(diào)整:變形超過50 mm以后，將扣件所加設(shè)的調(diào)高墊板撤出，并將加厚鐵墊板換成普通鐵墊板，扣件復(fù)原，然后在框架軌道板下方墊入厚度50 mm的橡塑墊塊;在51～100 mm范圍內(nèi)的累計變形仍需通過上述1)所述的調(diào)整方法來進行調(diào)整。

3)變形達到100 mm時的調(diào)整:將所墊橡塑墊塊撤出，扣件復(fù)原，然后在框架板下部采用厚度100 mm的混凝土墊塊進行調(diào)高;混凝土墊塊需通過黏接劑與基礎(chǔ)混凝土聯(lián)結(jié)，同時在相鄰混凝土墊塊之間填充早強混凝土，以確保混凝土墊塊的穩(wěn)定性，最后將框架板側(cè)面的基礎(chǔ)擋臺部分混凝土進行加高處理，以確保框架板的橫向限位。

上述1)～3)一次循環(huán)可實現(xiàn)100 mm的變形調(diào)整，重復(fù)上述循環(huán)6次即可實現(xiàn)600 mm的變形調(diào)整量。

2 可調(diào)式框架軌道板的優(yōu)化設(shè)計

2.1 可調(diào)式框架板的優(yōu)化思路

根據(jù)國內(nèi)外施工實踐證明，軌道板的長度越長線路的平順性和穩(wěn)定性就越好，如我國高鐵普遍采用的CRTSⅠ型板的長度就是5 000 mm;在北京地鐵、廣州地鐵廣泛應(yīng)用的梯形軌枕的長度則為7 500 mm。

原設(shè)計的調(diào)高墊塊根據(jù)變形量范圍分別采用50 mm的橡塑墊塊和100 mm的混凝土墊塊兩種墊塊來進行調(diào)整，在51～100 mm范圍內(nèi)采用橡塑墊塊進行調(diào)整時，無法及時在支承墊塊之間灌注混凝土，而且變形調(diào)整的周期較長，致使在較長一段時間內(nèi)框架板的支承需要依靠8個支承墊塊來實現(xiàn)。

有鑒上述，在進行框架板的優(yōu)化設(shè)計時，①應(yīng)該考慮將框架板的理論長度保持為原先設(shè)計的5 000 mm;②優(yōu)化設(shè)計時取消橡塑墊塊，僅采用厚100 mm的混凝土墊塊進行調(diào)高，并在加設(shè)混凝土墊塊的同時，進行支承墊塊間的早強混凝土灌注，可盡快實現(xiàn)板下的平面支承。

2.2 可調(diào)式框架板尺寸優(yōu)化

優(yōu)化后的框架板平面圖如圖4，框架板斷面圖如圖5，優(yōu)化后的框架板尺寸除以下變化外，其余結(jié)構(gòu)與原設(shè)計相同。

1)框架板理論長度設(shè)計為5 000 mm，實際長度為4 960 mm，板與板之間的縫寬為20 mm，兩端及中部各設(shè)1道寬350 mm的橫梁，使其形成框架。

2)每塊框架板設(shè)置8對扣件，在框架板預(yù)制時直接將扣件尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋在其中。

3)框架板頂部設(shè)8個復(fù)合水泥蓋板，以方便巡道及緊急疏散時行走。

圖4 可調(diào)式框架板平面(單位:mm)

圖5 可調(diào)式框架板斷面(單位:mm)

4)每塊框架板設(shè)置8塊板下彈性墊板(彈性墊板Ⅰ)、8塊側(cè)面限位彈性墊板(彈性墊板Ⅱ)、產(chǎn)生變形后進行調(diào)整時使用的調(diào)高墊塊若干(只采用100 mm厚的混凝土墊塊)。

2.3 可調(diào)式框架板軌道高度調(diào)整方式優(yōu)化

原設(shè)計僅考慮將地裂縫區(qū)段沉降一側(cè)的軌道抬高，扣件系統(tǒng)及加厚鐵墊板僅能實現(xiàn)50 mm的調(diào)高量，超過50 mm后，需要在板下墊入50 mm厚的調(diào)高墊塊來進行調(diào)整。由于框架板與調(diào)高墊塊之間、調(diào)高墊塊與整體道床之間必須依靠凹凸結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接，50 mm厚度的混凝土墊塊無法實現(xiàn)，因此需要用50 mm厚的橡塑墊塊來進行過渡。優(yōu)化改進后的框架板則取消橡塑墊板，僅采用100 mm厚的混凝土墊塊來進行軌道高度的調(diào)整。

西安地鐵設(shè)計時對于穿越地裂縫區(qū)段進行了特殊設(shè)計，在設(shè)計隧道時已考慮了在地裂縫兩側(cè)須設(shè)防范圍內(nèi)進行限界擴大。由于目前觀測數(shù)據(jù)顯示地裂縫地段沉降和穩(wěn)定是相對的，不排除現(xiàn)在相對穩(wěn)定的一側(cè)以后會沉降，因此，供電系統(tǒng)也應(yīng)在地裂縫兩側(cè)須設(shè)防地段進行特殊設(shè)計，以適應(yīng)軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)整。其他受影響的專業(yè)也均做協(xié)同處理。

原設(shè)計僅考慮在沉降側(cè)進行調(diào)整，如果提前考慮在地裂縫相對穩(wěn)定側(cè)通過扣件系統(tǒng)及調(diào)高鐵墊板先將軌道調(diào)高50 mm，并做好順坡設(shè)計，就可通過如下調(diào)整方式實現(xiàn)最大600 mm的軌道調(diào)整，并只需采用100 mm厚的混凝土調(diào)高墊塊配合扣件系統(tǒng)進行調(diào)整。

1)變形在0～30 mm范圍內(nèi)時的累計變形，通過在穩(wěn)定側(cè)的扣件系統(tǒng)中撤出調(diào)高墊板實現(xiàn)調(diào)整。在31～50 mm范圍內(nèi)的累計變形，通過撤出穩(wěn)定側(cè)的加厚鐵墊板、更換普通鐵墊板實現(xiàn)調(diào)整。

2)變形超過50 mm以后，在51～80 mm范圍內(nèi)，通過在沉降側(cè)的扣件系統(tǒng)中加設(shè)調(diào)高墊板實現(xiàn)調(diào)整，在81～100 mm范圍內(nèi)，通過在沉降側(cè)將普通鐵墊板更換成加厚鐵墊板實現(xiàn)調(diào)整。

3)當變形達到100 mm時，將沉降側(cè)扣件復(fù)原，在框架板下部采用厚度100 mm的混凝土墊塊進行調(diào)高。混凝土墊塊通過黏接劑與基礎(chǔ)混凝土聯(lián)結(jié)，同時在相鄰混凝土墊塊之間填充早強混凝土，以確保混凝土墊塊的穩(wěn)定性，最后將框架板側(cè)面的基礎(chǔ)擋臺部分混凝土進行加高處理，以確保框架板的縱橫向限位。

4)當累計變形在101～150 mm范圍內(nèi)時可通過重復(fù)2)實現(xiàn)調(diào)整。

5)當累計變形在151～200 mm范圍內(nèi)時，重復(fù)3)。并將穩(wěn)定側(cè)軌道抬高50 mm實現(xiàn)調(diào)整。

上述1)～5)一個循環(huán)可以實現(xiàn)200 mm變形的調(diào)整，依次類推，最后可實現(xiàn)600 mm的調(diào)整能力。

3 結(jié)語

可調(diào)式框架板已經(jīng)在西安地鐵2號線一期工程成功鋪設(shè)，其調(diào)整功效尚需在交付運營且發(fā)生變形后進行驗證。本公司在地裂縫區(qū)段鋪設(shè)框架板軌道之前也進行了調(diào)高試驗，試驗結(jié)果符合設(shè)計要求，從理論上和試驗兩方面初步證實了可調(diào)式框架板可以有效克服西安地裂縫對軌道結(jié)構(gòu)造成的影響。

［1］ 鐵道第一勘測設(shè)計院．西安地鐵2號線可行性研究報告［R］．西安:鐵道部第一勘測設(shè)計院，2005．

［2］ 北京城建設(shè)計院．西安地鐵2號線初步設(shè)計(軌道工程)［R］．北京:北京城建設(shè)計院，2006．

［3］ 趙國堂．高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［4］ 李君，蔡成標，徐鵬．減振型板式軌道合理剛度動力分析［J］．鐵道建筑，2010(5):105-107．

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