地鐵運營條件下新型板式軌道設計研究

劉偉斌，劉海濤，趙 磊，施 成，李志偉

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術股份有限公司，北京 102206)

多年來，我國傳統的地鐵整體道床軌道施工主要采用人工精調軌道、現場澆筑混凝土方式，存在施工進度緩慢、混凝土現澆質量控制難、工人勞動強度大、作業環境惡劣等不足[1]。線路運營后混凝土道床易開裂，在主體結構變形、重復振動及水的侵蝕等綜合作用下，道床混凝土裂縫易發展為病害，可能引起鋼筋銹蝕，降低結構承載能力及耐久性，影響整體道床美觀及使用壽命[2-3]。北京地鐵1號線和上海軌道交通1號線軌道結構大修表明，混凝土整體道床傷損治理難度大，維修成本高[4]。另外，隨著我國城市軌道交通大規模發展及運營需要，上海、深圳、北京、成都等城市正在建設或規劃中的一些地鐵線路列車最高運行速度超過100km/h，突破了我國GB50157—2013《地鐵設計規范》[5]中列車最高運行速度的限制。由于線路運營條件有較大變化，前期采用的現澆整體道床軌道的適應性有待進一步驗證。

我國高速鐵路板式無砟軌道的快速發展和應用實踐為地鐵軌道工程的發展提供了一種新的思路和模式。但是地鐵軌道不同于高速鐵路，在設計技術標準、邊界條件、減振降噪需求等方面存在著較大差異。高速鐵路板式軌道相關技術需結合地鐵軌道工程的特點，在消化吸收基礎上形成適用于地鐵運營條件的板式軌道結構。

從工程實體的施工質量、建設項目全壽命周期成本及后期的養護維修便利性等方面綜合考慮，預制板式軌道明顯優于現澆整體道床軌道[6]。預制板式軌道不僅便于因下部結構沉降需進行的道床結構的維修，而且對于地鐵隨著上部建筑及規劃的變化，原減振結構升級改造等方面具有明顯的優勢。近年來，上海、深圳、北京地鐵積極研究板式軌道在地鐵中的應用。上海地鐵在12號、16號線鋪設板式軌道試驗段基礎上，9號線三期全線采用板式軌道結構，并繼續推廣在其他線路的應用。深圳地鐵7號線也鋪設了板式軌道。北京地鐵正在開展地鐵板式軌道的研究及應用工作，《北京市城市軌道交通建設工程推進綠色安全建造指導意見》指出，力爭到2019年，北京市城市軌道交通建設工程“通用設計模數化、現場施工工廠化、工序作業機械化、過程管理信息化、綠色施工常態化”取得階段性成果，推動地鐵結構構件的工廠化生產及裝配式施工，減少現場作業工序。

1 設計方案

我國地鐵運營及在建線路中，正線軌道結構大部分采用無砟軌道。一般在普通地段采用短枕式或長枕埋入式現澆整體道床，減振地段根據需求不同，采用梯形軌枕式、隔振墊浮置板式、鋼彈簧浮置板式等減振型無砟軌道。減振地段與普通地段無砟軌道結構形式不統一，給施工及運營階段養護維修帶來較大不便。

基于我國高速鐵路板式軌道實踐經驗，結合前期相關研究成果[7-10]及相關設計技術標準，研究提出了適用于地鐵運營條件的板式軌道結構方案，該結構可統一減振地段與普通地段的軌道結構形式，方便現場施工及后期養護維修。

普通地段板式軌道由鋼軌、扣件、預制軌道板、隔離層、彈性緩沖墊層、自密實混凝土層、限位結構等組成，如圖1(a)所示。其中隔離層及彈性緩沖墊層在軌道板預制工廠進行裝配，自密實混凝土現場澆筑，一次形成具有底座及限位功能的結構層。

減振地段板式軌道由鋼軌、扣件、預制軌道板、條形減振墊、限位結構及其周邊彈性緩沖墊層等組成，如圖1(b)所示。其中條形減振墊及彈性緩沖墊層在軌道板預制工廠進行裝配。軌道板下減振墊板之間填充的隔離材料推薦采用珍珠棉泡沫板。

圖1 板式軌道結構組成示意

預制軌道板為普通鋼筋混凝土結構，工廠化預制，混凝土強度等級采用C50。參考我國高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道相關技術標準，隔離層采用4 mm厚度土工布，彈性緩沖墊層采用微孔三元乙丙橡膠。

條形減振墊采用工廠化生產的聚氨酯減振層，設計厚度為30 mm，在軌道板預制廠進行粘貼，減振地段減振墊靜態模量為0.05 N/mm3。過渡段減振墊靜態模量為0.10，0.30 N/mm3。

2 軌道板設計

2.1 型式尺寸確定

軌道板的長度綜合考慮受力性能、施工及制造便利性、制造成本、曲線地段適應性等因素。從受力性能方面分析，我國高速鐵路常用軌道板長度在3.6～6.5 m，通過配筋設計均可滿足承載性能要求。從控制軌道板制造成本角度出發，軌道板宜采用標準直線板，即在軌道板上不設置曲線超高、不進行承軌臺部位橫向調整。采用該模式可減少軌道板模具類型，提高生產效率，降低制造成本。同時采用標準直線軌道板也方便現場軌道板鋪設，提高現場施工效率。

地鐵線路曲線半徑一般較小，根據GB 50157—2013規定，線路采用A型車時正線一般地段最小曲線半徑為350 m，困難地段為300 m；采用B型車時正線一般地段最小曲線半徑為300 m，困難地段為250 m。曲線地段軌道板基于“以直代曲”原則，采用半矢法進行布板，即按軌道板第2組扣件中心線處線路中心線與軌道板中心線偏離值為0布置，其余扣件中心線處矢距通過扣件調整。基于半矢法布板方式，長度4.7 m 軌道板在不同曲線半徑條件下各節點處扣件橫向調整量計算結果見表1；長度3.5 m軌道板在不同曲線半徑條件下各節點處扣件橫向調整量計算結果見表2。目前地鐵扣件單股鋼軌左右位置調整量約±5 mm，設計時取2 mm作為小半徑曲線地段布板調整量限值，其余調整量作為施工及運營階段使用。基于該原則的計算結果，在直線及曲線半徑600 m以上地段軌道板長度可采用4.7 m，曲線半徑600 m以下地段采用3.5 m。

表14.7m軌道板在不同曲線半徑各節點處扣件橫向調整量

曲線半徑/m軌道板不同節點處扣件橫向調整量/mm1#2#3#4#5#6#7#8#250-4.302.94.34.32.90-4.3300-3.602.43.63.62.40-3.6350-3.102.13.13.12.10-3.1400-2.701.82.72.71.80-2.7450-2.401.62.42.41.60-2.4500-2.201.42.22.21.40-2.2550-2.001.32.02.01.30-2.0600-1.801.21.81.81.20-1.8

表23.5m軌道板在不同曲線半徑各節點處扣件橫向調整量

曲線半徑/m軌道板不同節點處扣件橫向調整量/mm1#2#3#4#5#6#250-2.102.12.10-2.1300-1.801.81.80-1.8350-1.501.51.50-1.5

軌道板寬度及厚度綜合考慮地鐵隧道內限界尺寸、軌道板受力情況、扣件預埋套管間距等因素。我國高速鐵路CRTSⅠ型板式軌道中軌道板厚度采用190 mm，寬度為2.40 m，CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式軌道中軌道板厚度采用200 mm，寬度分別為2.50,2.55 m。基于高速鐵路板式軌道實踐經驗，地鐵運營條件下普通地段軌道板厚度取190 mm、寬度不小于2.20 m。減振地段軌道板厚度按軌道結構高度預留條件，宜盡量采用較厚的軌道板，本文暫取220 mm，寬度不小于2.20 m。

考慮限位結構的可靠性、自密實混凝土灌注和抑制軌道板制造時收縮裂紋，在軌道板上設置2個圓形缺口。基于運輸和吊裝需求，在軌道板上設置4組起吊套管。考慮地鐵雜散電流防護的要求，雜散電流的收集在軌道板內實現，在軌道板的四角分別預埋雜散電流端子，與排流鋼筋可靠焊聯，且軌道板內排流鋼筋截面積應滿足相關要求。軌道板平面尺寸見圖2。

圖2 4.7 m軌道板平面尺寸

2.2 軌道板力學性能分析

基于確定的軌道板型式尺寸，以4.7 m軌道板為研究對象，對列車荷載作用下軌道板受力情況進行分析。本文計算按地鐵B型車考慮，列車靜軸重為14 t，計算軌道板彎矩時動力系數按2.0取值[11]。加載時考慮相鄰車體2組轉向架(共4軸)共同作用，分別計算不同位置加載時軌道板受力情況。轉向架軸距取2.5 m，相鄰轉向架中心距離取6.4 m。

計算模型中鋼軌采用歐拉梁模擬，預制軌道板、自密實混凝土層采用實體單元模擬。鋼軌和軌道板之間的扣件采用垂向、橫向和縱向彈簧單元模擬。軌道板與自密實混凝土層間的減振墊層或土工布隔離層采用接觸單元模擬。自密實混凝土下部支承采用殼單元面支撐。為減小邊界效應的影響，建立5塊軌道板的有限元模型進行分析，取中間軌道板為研究對象，如圖3所示。

圖3 軌道結構有限元模型

基于建立的有限元模型對普通地段及減振地段軌道板受力進行計算。在地鐵B型列車荷載作用下，普通地段軌道板橫截面最大彎矩為8.57 kN·m，軌道板縱截面最大彎矩為4.45 kN·m/m，軌道板縱橫截面彎矩量值均較小。減振地段軌道板橫截面最大彎矩出現在板中截面，其值為55.16 kN·m；限位孔處截面最大彎矩為36.56 kN·m，軌道板縱截面最大彎矩為3.97 kN·m/m。

2.3 軌道板配筋設計

根據軌道板設計彎矩計算結果進行配筋設計，并對鋼筋應力、裂縫寬度等參數進行檢算。軌道板縱橫向均對稱配筋，兩端通過U形筋連接形成鋼筋骨架。

普通地段軌道板板中截面寬度2.2 m，厚190 mm，上下層各布置15根直徑12 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.52%；限位孔處截面寬度1.66 m，上下層各布置12根直徑12 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.55%。

減振地段軌道板板中截面寬度2.2 m，厚220 mm，上下層各布置15根直徑14 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.59%；限位孔處截面寬度1.66 m，上下層各布置12根直徑12 mm HRB400鋼筋，配筋率為0.63%。

基于上述配筋設計，分別對軌道板板中截面及限位孔處截面進行強度和裂縫檢算，結果見表3。檢算結果表明，軌道板承載強度及混凝土裂縫寬度均滿足相關規范要求[12]。

表3 軌道板強度及裂縫寬度檢算結果

3 自密實混凝土層

本文研究提出板式軌道結構方案時遵循的主要原則之一是盡量減少現場施工工序，提高施工效率，將高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道中現澆混凝土底座及自密實混凝土層調整為同一層結構。本方案中自密實混凝土層具有軌道高程調整、結構縱橫向限位、曲線超高設置等功能。自密實混凝土通過軌道板預留圓形限位孔灌注后，形成了鋼筋混凝土底座，且自密實混凝土嵌入軌道板限位孔形成限位結構。

考慮地鐵隧道內限界尺寸、排水通道設置等因素，自密實混凝土層寬度與軌道板相同。參照既有現澆整體道床設計，考慮2種軌道板長度配合使用條件，自密實混凝土層長度按12～15 m間隔設置伸縮縫，自密實混凝土層內按構造要求配置鋼筋。自密實混凝土強度等級為C35，其技術要求參照Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTS Ⅲ型板式無砟軌道自密實混凝土》相關規定執行。

4 工程實踐驗證

2017年8月至11月，在中國鐵道科學研究院國家鐵道試驗中心路基地段鋪設了112 m試驗段。普通地段板式軌道29.6 m，減振地段板式軌道52.4 m，兩端剛度過渡段各約15 m，并進行了實車動力性能測試(如圖4所示)，最高試驗速度達到170 km/h。測試結果表明：普通地段脫軌系數、輪重減載率實測最大值分別為0.28和0.36；減振地段脫軌系數、輪重減載率實測最大值分別為0.29和0.21；試驗段實測輪軸橫向力最大值為23.7 kN。列車運行安全性指標均滿足相關標準規定，驗證了地鐵用板式軌道結構方案的可行性。

圖4 國家鐵道試驗中心的試驗段及現場測試

2018年1至5月，在北京地鐵6號線西延段金安橋—蘋果園區間馬蹄形隧道內鋪設試驗段約200 m(如圖5所示)。其中普通地段板式軌道62.4 m，軌道板13塊；減振地段板式軌道86.4 m，軌道板18塊；兩端剛度過渡段各24 m，軌道板10塊。結合6號線西延段總體調試安排，目前正在開展現場測試的準備工作。

圖5 北京地鐵6號線西延段鋪設的試驗段

5 結論

本文在總結分析地鐵常用現澆整體道床式無砟軌道在建設及運營階段存在的不足基礎上，結合我國高速鐵路板式軌道實踐經驗、地鐵限界尺寸及列車荷載等具體條件，研究提出了適用于地鐵運營條件的新型板式軌道結構方案。通過結構設計及現場試驗段動力測試評估，驗證了板式軌道結構方案的可行性，為該結構的工程化應用提供了良好的技術支撐。獲得以下主要結論：

1)研究提出的板式軌道結構主要由鋼軌、扣件、預制軌道板、隔離層/條形減振墊、彈性緩沖墊層、自密實混凝土層、限位結構等組成，隔離層/條形減振墊及彈性緩沖墊層在軌道板預制工廠進行裝配，自密實混凝土現場澆筑后形成具有底座及限位功能的結構層。可統一減振地段與普通地段的軌道結構形式，便于施工及后期養護維修，提高現場施工效率。

2)通過計算分析，推薦在直線地段及曲線半徑600 m以上地段軌道板長度采用4.7 m，曲線半徑600 m 以下地段軌道板長度采用3.5 m。

3)地鐵運營條件下普通地段軌道板厚度取190 mm，寬度不小于2.2 m。減振地段軌道板厚度宜盡量采用較厚的軌道板，寬度不小于2.2 m，以取得較好的減振效果。

4)軌道板受力計算及配筋檢算表明，軌道板承載性能及裂縫寬度滿足相關標準要求；自密實混凝土層宜按12～15 m長度間隔設置伸縮縫，并按構造要求配置鋼筋。

5)國家鐵道試驗中心及北京地鐵6號線進行的現場試驗表明，提出的新型板式軌道結構能夠滿足地鐵運營條件，具備工程化應用的條件。