城市軌道交通活動斷層區域用寬枕板試制及試驗研究

徐 紅,于 鵬,許正洪,張馨太,張高揚,怯延峰

(1.烏魯木齊城市軌道集團有限公司,烏魯木齊 830026； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.銀龍軌道有限公司,天津 300134)

城市軌道交通活動斷層區域用寬枕板試制及試驗研究

徐 紅1,于 鵬2,許正洪3,張馨太1,張高揚2,怯延峰3

(1.烏魯木齊城市軌道集團有限公司,烏魯木齊 830026； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.銀龍軌道有限公司,天津 300134)

烏魯木齊城市軌道交通1號線穿越活動斷層區域采用的寬枕板是一種新型軌道結構,為驗證寬枕板的制造、吊運及其力學特性滿足工程需求,對寬枕板進行試制及試驗研究。按照先張法預應力結構設計寬枕板,并制定寬枕板試制工藝及型式尺寸檢驗要求,基于有限元分析方法確定靜載試驗的檢驗荷載并進行寬枕板靜載抗裂試驗。結果表明：按照設計生產工藝制造的寬枕板,其制造誤差可以控制在設計允許的范圍內,吊運方便且穩定,可以滿足工程需求,其靜載抗裂特性可以滿足工程需求。

城市軌道交通；活動斷層；寬枕板；試制；靜載試驗；抗裂試驗

烏魯木齊市存在多條活動斷層，且部分斷層在百年內具有活動性，在地質構造作用下可能會產生瞬時空間大變形[1]。在城市軌道交通穿越具有活動性的活動斷層時，為降低工程實施風險，設計在結構、防水、接觸網、軌道等方面均采取了工程措施，以便在活動斷層發生瞬時空間大變形時城市軌道交通工程可以快速、便捷修復。

有砟軌道道砟層是由散粒體道砟顆粒組成，在列車的動荷載作用下，道砟容易流動，造成軌面下沉和扭曲，破壞軌道的幾何形位。為了保證行車的安全性和舒適性，需要定期對道砟進行搗固和恢復，這給工務維修增加了難度和工作量[2-3]。尤其在城市地鐵中，隧道內施工空間狹小，維護不便，因此地鐵中一般采用無砟軌道。但是有砟軌道具有彈性好、能夠適應較大變形以及出現問題后易修復的特點，聚氨酯固化道床是一種新型的軌道結構，兼備有有砟軌道和無砟軌道的優點，可在有特定需求的區段鋪設[4-5]。無砟軌道中的板式軌道廣泛應用于中國、日本、德國、意大利等國的高速鐵路中，是一種很有前景的軌道結構形式[6]。板式軌道要求基礎堅實的特點決定它應優先應用于隧道和高架橋區段，以及城市地鐵等[7]。烏魯木齊地鐵中需要面對軌道處于斷裂帶大變形區段瞬時變形量大的特點，因此本項目采用了寬枕板與聚氨酯固化道床相結合的方式，保證在大變形的情況下，能夠將對軌道的破壞影響控制在較小的范圍內，并實現快速修復。

軌道采用的設防方案是采用寬枕板式固化道床，軌道結構自上而下分別為鋼軌、扣件、寬枕板、聚氨酯固化道床等。寬枕板軌道橫向采用的是軌枕設計理念[8]，軌道板采用單向預應力軌道板[9-10]，其橫向設置預應力筋，縱向設置普通鋼筋。為驗證寬枕板的力學特性滿足工程需求，需要對寬枕板進行試制及試驗研究[11-12]。

1 寬枕板設計參數

寬枕板為單向預應力混凝土結構，長1.04 m、寬2.2 m、高0.2 m(承軌臺處0.23 m)。每塊板上布置2對承軌臺、4個灌注孔，板側面布置4個起吊、支撐用螺栓孔。

寬枕板橫向布置上下兩層共計14根1 570 MPa級φ9 mm的消除應力鋼絲，端部設置有錨固板，以降低預應力筋的應力傳遞長度，預應力鋼筋的張拉控制應力為1 020 MPa。縱向布置17根φ10 mm的HRB400級鋼筋。

寬枕板混凝土強度等級為C60級。寬枕板外形及配筋設計如圖1、圖2所示。

圖1 寬枕板平面(單位：mm)

圖2 寬枕板配筋

2 寬枕板試制

寬枕板試制工作主要包括準備工作、鋼筋及預埋件安裝、預應力張拉、混凝土澆筑及養護、預應力放張、脫模、封錨砂漿施工等[13]。

寬枕板的試制應首先對原材料進行檢驗，并對振動臺、張拉臺座、千斤頂、鋼模板等工裝設備的工作性能、質量進行檢查[14]，確保原材料及所有工裝設備檢驗合格后方可進行寬枕板試制。

在對試制工裝設備檢驗完成后，進行鋼模板及鋼筋的安裝，并對鋼筋與預埋件位置偏差進行檢驗、調整，確保鋼筋及預埋件的偏差滿足設計要求。鋼筋、預埋件安裝圖及鋼筋與預埋件位置偏差檢驗。鋼筋及預埋件位置偏差檢驗合格后，采用臺座法張拉預應力，預應力值采用雙控，以張拉力數值為主，系統伸長值作校核。預應力施加應均勻，并且控制張拉速率不應大于4 kN/s，張拉力增至控制值時持荷時間不應少于1 min。張拉完畢后澆筑C60級混凝土，并在振動臺上進行振動、抹面。

振動密實后對寬枕板進行蒸汽養護，以縮短寬枕板脫模時間。蒸汽養護應嚴格按照設計的養護流程、溫度控制進行，以免寬枕板內部出現過大的溫度梯度，導致寬枕板出現裂紋等現象。寬枕板蒸汽養護過程記錄如表1所示。

表1 寬枕板蒸汽養護控制記錄

蒸汽養護結束后，進行預應力鋼筋放張及脫模，并對寬枕板進行外觀及型式尺寸檢驗，型式尺寸檢驗內容如圖3所示。

圖3 寬枕板型式檢驗內容

經檢驗，寬枕板型式尺寸誤差均在設計公差范圍內，可以進行下一步試驗。

寬枕板外觀及型式尺寸檢驗合格后，對寬枕板進行水養，養護時間72 h，水溫10 ℃。

為確保起吊孔不影響扣件預埋套管抗拔力，寬枕板左右兩側面設計的起吊、支撐用螺栓孔采用非對稱形式布置，見圖1。待寬枕板養護結束后，在室內進行寬枕板的吊運測試，以驗證寬枕板在吊運過程中的穩定性與可靠性是否滿足設計要求，確保起吊、支撐用螺栓孔的設計滿足工程需求。

根據上述各項檢驗結果，寬枕板的制造誤差可以控制在設計允許的范圍內，且其起吊、支撐用螺栓孔的設計可以滿足工程需求。

3 寬枕板靜載試驗研究

3.1 試驗條件及儀器設備

(1)試驗場地和工裝應具有足夠的剛度、穩定性和平整度。

(2)寬枕板靜載試驗應在寬枕板張拉、澆筑混凝土完成28 d后進行。

(3)寬枕板靜載試驗采用靜載試驗機或其他加載設備進行[15]。試驗機的級別不得低于1級，示值相對誤差不得大于±1%；壓力傳感器的精度應不低于C級，顯示儀表最小分度值不大于加載最大量值的1%，示值誤差應為±1%F·S，加載用千斤頂校驗系數應不大于1.05。

(4)用于觀察裂縫的普通放大鏡放大倍數不低于10倍，直徑不小于50 mm。

(5)測量支承跨度用鋼卷尺，其最小分度值應不大于1 mm。

(6)試驗所用計量設備、儀器、儀表、鋼卷尺等均需經法定計量檢定部門檢定合格，且在有效期內使用。

3.2 試驗步驟

(1)寬枕板安裝就位后，用10倍放大鏡在寬枕板的上表面及兩側面進行外觀檢查，并對初始缺陷進行標記。

(2)加載前應對寬枕板的支承狀態進行檢查，確認支承狀態良好后方可加載。加載時各加載點宜同速、同步達到同一荷載值，加載速度應均勻，且單點加載速率不大于0.5 kN/s。

(3)加載荷載至0.2倍的檢驗荷載時，穩定壓力3 min，然后用放大鏡觀測受拉區裂縫開展情況[16]。如出現異常，則停止加載。

(4)如無異常現象出現，則繼續加載至0.4、0.6、0.8倍及1.0倍檢驗荷載，并分別進行受拉區裂縫開展情況的觀測。

3.3 試驗圖式

寬枕板靜載抗裂試驗加載圖式如圖4所示。

圖4 寬枕板靜載抗裂試驗加載圖示(單位：mm)

3.4 檢驗荷載

檢驗荷載是指在按設計的加載方式加載時，使寬枕板拉應力達到0.7倍的混凝土抗拉強度設計值時的荷載值。寬枕板檢驗荷載采用有限元方法經逐步試算得出。

(1)模型參數

預應力筋按設計采用1 570 MPa級φ9 mm的消除應力鋼絲，張拉控制應力取0.65fptk，即1 020 MPa。彈性模量Ep=2.05×105MPa；泊松比取0.3；密度取7 900 kg/m3。

混凝土為C60級，彈性模量Ec=3.65×104MPa；泊松比取0.2；密度取2 500 kg/m3。C60級混凝土抗拉強度設計值為2.04 MPa，即檢驗荷載作用下寬枕板混凝土拉應力極值取1.43 MPa。

(2)荷載取值

計算荷載初始值取10 kN，根據有限元計算結果以5 kN逐級遞增。

(3)模型簡化

為便于建模計算，對有限元模型進行了如下簡化[17]：

①模型中沒有考慮承軌臺、預埋套管及灌注孔的影響；

②沒有考慮縱向箍筋的作用；

③預應力傳遞長度為0。

根據以上參數及簡化原則，所建立的有限元模型及預應力筋布置如圖5、圖6所示。

圖5 寬枕板模型

圖6 預應力筋布置

(4)計算結果

根據模型加載方式，提取了每級荷載作用下寬枕板中心線上混凝土拉應力(以拉為正)的分布情況，如圖7所示(以檢驗荷載等于40 kN為例)。

圖7 寬枕板中心線上混凝土應力分布

各級荷載作用下寬枕板混凝土最大拉應力(以拉為正)的計算結果如圖8所示。

圖8 各級荷載下寬枕板混凝土最大拉應力

由圖8可知：當施加荷載在25 kN以下時，寬枕板混凝土在預應力筋的作用下仍均處于受壓狀態；當施加荷載在30 kN以上時，寬枕板跨中混凝土開始處于受拉狀態；當荷載取40 kN時，混凝土最大拉應力為1.44 MPa，與檢驗荷載下混凝土的應力極值1.43 MPa相近，誤差僅為0.7%。

根據以上分析，本試驗中檢驗荷載取40 kN。

3.5 靜載試驗及結果

根據靜載試驗方法及計算得出的檢驗荷載，進行寬枕板靜載抗裂試驗，寬枕板靜載抗裂試驗過程及結果分別如圖9及表2所示。

圖9 寬枕板靜載抗裂試驗

表2 寬枕板靜抗裂試驗結果記錄表

根據上述結果可以看出，寬枕板的靜載抗裂試驗滿足設計及工程需求。

4 結論

針對烏魯木齊城市軌道交通1號線穿越活動斷層區域所采用的寬枕板進行了試制試驗及靜載抗裂試驗研究，結論如下。

(1)采用寬枕板與聚氨酯固化道床相結合的方式，可以較好地適應活動斷裂帶區域軌道交通的需求。

(2)寬枕板的制造誤差可以控制在設計允許的范圍內，其吊運方便且穩定，可以滿足工程需求。

(3)寬枕板的靜載抗裂性能可以滿足設計要求，按照設計的生產工藝制板可滿足工程需求。

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Trial Manufacture and Experimental Research of Broad Sleeper Slab in Active Fault Zone

XU Hong1, YU Peng2, XU Zheng-hong3, ZHANG Xin-tai, ZHANG Gao-yang2, KAI Yan-feng3

(1. Urumqi Urban Rail Group Co., Ltd., Urumqi 830026, China; 2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China; 3. Yinlong Rail Co., Ltd., Tianjin 300134, China)

The broad sleeper slab employed by Urban Rail Transit Line 1 of Urumqi in active fault zone is a new track structure. In order to verify the manufacture, hoisting, transportation as well as mechanical properties of the broad sleeper slab, trial manufacture and experimental research of the broad sleeper slab are carried out. The broad sleeper slab is designed on the basis of pre-tensioning structure, its trail manufacture method and dimension inspection requirements are established. The check load of static test is determined based on FE analysis method, and the static load test of broad sleeper slab is carried out. The results show that based on the production process of the broad sleeper slab, manufacturing error can be controlled within the allowance of design and the slab can be hoisted and transported easily and stably, which meet the requirement of engineering and the characteristics of crack resistance under static load also meet the requirement of engineering.

Urban rail transit; Active fault zone; Broad sleeper slab; Trial manufacture; Static load test; Crack resistance test

1004-2954(2018)01-0064-04

2017-03-21；

2017-04-10

新疆維吾爾自治區軟科學研究計劃(K52015042)

徐 紅(1970—)，女，高級工程師，工學學士，E-mail:564997225@qq.com。

U213.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703210003