天津地鐵5號線區間無泵房軌道設計方案研究

王羽杰 董光輝

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300000)

1 概述

城市軌道交通地下線區間排水設計是系統設計的一項重要內容，與軌道專業設計接口較多。通常情況下，排水專業設計會要求將區間廢水泵房與聯絡通道合建，在線路最低點處設置泵房，將上游軌道道床排水溝中的廢水收集到泵房集水井后進而排出。但當區間長度不大于600 m或聯絡通道處土建施工風險較大等特殊情況下，會取消聯絡通道的設置，同時取消泵房。北京、天津及寧波等城市地鐵在地下線個別區間取消了聯絡通道和泵房，規避了土建施工作業的高風險，同時對軌道結構設計和排水方案提出了更高的標準和要求，須做特殊方案設計，以滿足區間排水、消除水患的要求。

2 工程概況

天津地鐵5號線呈南北走向，北起北辰區雙街，南至西青區梨園頭，為中心城區東南半環的外部填充線。正線全長34.685 km，其中地下線為34.026 km，地面線為0.399 km，U型槽0.260 km。共設28座車站，其中地下站27座，地面站1座，在雙街和梨園頭分別設停車場和車輛段各1座。

天津賓館—腫瘤醫院區間位于市區繁華地段，起訖里程為K26+510～K27+440，長度0.930 km，與6號線并行。線路左、右線上下重疊，側穿育水南里、賓水里等居民小區。根據環評報告要求，該區間均采用了鋼彈簧浮置板減振道床。

區間線路縱坡呈“V”形設計，設最低點一處。左線區間最低點里程為K26+698，見圖1；右線區間最低點里程為K27+126。左線最低點兩側坡度為16.6‰，25.4‰ ，豎曲線半徑為5 000 m。右線最低點兩側坡度為25.0‰，15.8‰ ，豎曲線半徑為5 000 m。

天津賓館—腫瘤醫院區間采用盾構法施工，線路上下重疊，與6號線并行，聯絡通道和泵房施工風險較高，且冷凍法施工工期較長。綜合考慮以上因素，并通過專家論證后，決定在線路最低點處取消聯絡通道和泵房的設置。

3 方案設計

3.1 軌道結構設計

天津賓館—腫瘤醫院區間根據環評報告要求，采用鋼彈簧浮置板減振道床，軌道結構高度940 mm(至管片)，軌道結構設計方案如下：

鋼軌：60 kg/m，U75V材質；

軌枕：預制薄型短軌枕；

扣件：ZX-2型扣件；

道床：固體阻尼鋼彈簧浮置板整體道床。

鋼彈簧浮置板道床采用C40混凝土、現澆單元板設計。標準板長度25 m、厚度340 mm，板縫寬度30 mm。采用內置式剪力鉸聯接，內置式隔振器采用2-3-2布置。浮置板軌道結構固有頻率8.5 Hz，減振效果15 dB。

3.2 軌道特殊排水設計方案

3.2.1排水方案研究

區間最低點兩側為鋼彈簧浮置板整體道床，采用重力流、中心水溝排水設計，水溝深度740 mm(至軌面)、寬度350 mm。

左線最低點位于單元板Z8范圍，右線最低點位于單元板Y-25范圍。根據給排水專業設計提資要求：

1)軌道設計需預留排水泵安裝和檢修條件；

2)道床集水坑有效容積不小于排水泵15 min～20 min的抽水量[1]。

根據給排水設計接口要求及浮置板道床設計特點，同時采取板上和板下結構優化設計方案。板上按照滿足排水泵安裝檢修條件，設長600 mm(縱向)×寬500 mm(橫向)的長孔7個，間距600 mm。板下基底道床按照抽水量，將最低點兩側16 m范圍的中心水溝寬度增加至700 mm、深度增加至840 mm(至軌面),作為道床集水坑使用,見圖2。

上述道床排水設計方案獲得給排水設計同意。

3.2.2道床受力檢算

由于該區間為特殊減振地段，軌道設計方案需同時滿足結構安全和減振達標兩個條件。首先計算結構安全，分浮置板道床和基底道床兩部分。

1)浮置板道床開孔后受力檢算。

采用有限元建立模型(見圖3)，進行浮置板應力和裂縫計算。計算參數：B型車(6輛編組)軸重14 t；設計最高速度80 km/h；動荷載系數為2.0。浮置板道床：C40混凝土、HRB400鋼筋。

經計算分析，車輛車輪行駛在開孔的兩端時，浮置板開孔部分受到的彎矩最大，最大值為161 kN·m ；車輛車輪行駛在開孔部分時，浮置板開孔部分受到的剪力最大，最大值為168 kN。

a.驗算應力。

根據《橋規》5.1.3，C40混凝土時候n取8。

故x的二次方程式為：x2+193.27x-32 854.93=0?x=108.78 mm。

求內力偶臂：

內力偶臂長：

Z=h0-x+y=233.46 mm。

鋼筋受拉應力：

混凝土中的最大壓應力：

受壓鋼筋中的應力：

經過以上檢驗，鋼筋及混凝土受力均滿足要求。

b.中性軸處剪應力計算。

c.計算裂縫寬度。

《橋規》中規定可以用下式檢驗鋼筋混凝土矩形結構的開裂寬度：

其中，K1=0.8，K2=1.3，r=1.2。

受拉鋼筋的有效配筋率：

滿足要求。

2)基底道床受力檢算。

隧道壁C50彈性模量3.45×1010N/m2，浮置板和基底混凝土C40彈性模量3.25×1010N/m2，混凝土泊松比取0.2(取自規范GB 50010—2010混凝土結構設計規范)。為減小因邊界產生的反射波的影響，隧道邊界采用彈簧模擬，剛度2×105N/m。

水溝下部混凝土厚度100 m，此時水溝深度224 mm(至軌面840 mm)。水溝底部，最大應力為758 kPa，位于水溝底部兩側，見圖4。

理論計算結果0.758 MPa小于混凝土受拉強度1.7 MPa，且滿足規范CJJ8/T 191—2012浮置板軌道技術規范中條文解釋第34頁，條文3.3.4中“基底除受力要求外，還需考慮排水要求，通常的排水溝深度不宜小于100 mm，且溝底的混凝土厚度不應小于100 mm”的要求。

3)減振性能計算。

分別建立浮置板—隧道模型和整體道床—隧道模型。施加列車荷載，分析在不同頻率時不同軌道結構隧道壁振動加速度級。根據計權振動加速度計算公式(1)計算浮置板相對整體道床的Z振級減少量，如表1所示。

計權振動加速度計算公式：

(1)

其中，VL為振動計權加速度級，dB；Li為每個頻帶的振動加速度級，dB；ai為各個頻帶的計權因子，dB。

表1 各類區域Z振級標準值

由表1可知，在列車通過時理論計算情況下，所設計的鋼彈簧浮置板相對于普通整體道床振動加速度級減少量為19.97 dB，采用HJ 453—2008環境影響評價技術導則[2]標準計權，Z振級理論減少量為15.7 dB，減振效果滿足設計和環評要求。

4 結語

隨著城市軌道交通工程的日益發展，地下線短區間和復雜地質施工風險大的情況也會逐漸增加，除天津地鐵外，北京、寧波等城市地鐵也在個別區間取消了聯絡通道和廢水泵房。本文中的道床排水設計特殊點在于區間最低點位于鋼彈簧浮置板減振道床，采用中心暗溝排水，方案既要保證列車通過時的軌道結構安全性，又要保證浮置板開孔后的減振效果，同時還得滿足運營后的水泵檢修。其他城市地鐵地下線區間無泵房處道床排水設計可根據工程實際情況，綜合比選后參考設計。