城市軌道交通地下線預制板式軌道研究及應用

鄭 強

(中鐵上海設計院集團有限公司， 200070， 上海∥高級工程師)

城市軌道交通無減振要求地段一般采用現澆無砟道床。自20世紀90年代以來，隨著國內軌道交通的迅猛發展，城市軌道交通無砟道床的施工工藝已形成較為完備的施工作業體系。由于施工配套方案仍基于90年代的軌道鋪設工藝及精度要求，且受到軌道交通隧道內、高架橋等施工作業空間的限制，因此存在鋪軌測設精度不高、以小型機械為主、大量依靠人力施工、施工精度較難保證、運營后養護維修量較大等不足。目前，高鐵軌道的新技術已應用在板式軌道的設計和施工上，主要體現在精密測量、制作質量、先進的成套設備、軌道精調等方面，其無砟軌道結構形式主要包括了CRTSⅠ、CRTSⅡ、CRTSⅢ三類。其中，CRTSⅠ、CRTSⅡ板采用CA砂漿層進行調整，施工要求較高，且耐久性不足；CRTSⅢ板采用自密實混凝土，便于施工，且環境適應性及耐久性較好。本項目在高鐵CRTSⅢ型板的基礎上研發適用于城市軌道交通的預制板式軌道，以提高城市軌道交通的鋪設質量[1-3]。

1 結構設計

城市軌道交通預制板式軌道結構由鋼軌、扣件、預制軌道板、自密實混凝土調整層、限位結構(門型筋+凹槽)、中間隔離層和鋼筋混凝土基底組成。軌道板采用單元分塊式結構，為無擋肩鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C50，非預應力結構。根據限界及軌道板的特點，本文針對表1中的尺寸進行研究。

表1 軌道板尺寸比選方案 m

通過如圖1所示的靜力學分析得出結論：軌道板長度較大，扣件間距較小時受力情況較好；寬度增加時應力及彎矩均變小；隨著厚度的增加，軌道板所受應力減小，彎矩增大。通過限界分析，軌道板寬度取2.3 m時滿足限界要求，取2.4 m時軌道板可能碰到隧道壁，處于臨界值，如圖2所示。

圖1 單塊軌道板受力圖

圖2 限界分析

考慮曲線地段矢距變化的影響，采用半矢距方法(見圖3)進行軌道板定位，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。選擇長度3.5、4.7、5.9 m軌道板進行計算，其中，5.9 m軌道板扣件矢距變化量較大，需要設計兩種曲線板，3.5 m和4.7 m只需要設計一種曲線板。

圖3 曲線地段矢距變化分析(采用半矢距法)

綜上，選擇標準軌道板長度為4 700 mm，寬度為2 300 mm，厚度為200 mm。軌道板與基底間設置自密實混凝土，即自密實混凝土結構調整層強度等級為C35，厚度為80 mm，采用單層鋼筋網配筋設置。其結構設計如圖4所示：自密實混凝土與基底間設置中間隔離層，采用4 mm聚丙烯無紡土工布；基底為C35混凝土結構；軌道板下設門型筋，基底采用雙凹槽方案，凹槽長寬深尺寸為700 mm×400 mm×80 mm[4]。

圖4 城市軌道交通預制板式軌道結構設計圖

2 計算分析研究

2.1 靜力仿真計算

2.1.1 計算參數

采用地鐵A型車參數，相鄰兩車兩個轉向架位于相鄰兩塊軌道板時的最不利工況；車輛轉向架軸距為2.5 m，轉向架中心距為15.7 m，相鄰兩車轉向架軸距為3.9 m；當速度v=120 km/h時，單個動輪載F=14 t；ANSYS有限元模型的軌道長度L=50 m，鋼軌兩端自由[5]。

建立梁-板-體模型，鋼軌采用彈性點支撐無限長Euler梁，扣件采用線性點支撐彈簧單元，軌道板采用板殼單元，自密實混凝土采用線性彈簧單元，基底采用三維實體模型。其中，扣件剛度K=4×107N/m，軌道板及基底彈性模量E=34.5 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3，自密實混凝土剛度K=15.6×107N/m，基底全約束。

2.1.2 計算結果

位移：在軌道板自重、車輛荷載作用下，鋼軌最大位移為1.466 mm，軌道板最大位移為0.020 mm。

應力：鋼軌承受最大應力為218 MPa，軌道板承受最大應力為0.87 MPa。

彎矩：沿線路縱向軌道板最大彎矩為9.194 (kN·m)/m，沿線路橫向軌道板最大彎矩為5.936 (kN·m)/m。

由計算結果可知，鋼軌位移、軌道板受力均在合理范圍內(見圖5)。

2.2 軌道板強度檢算

軌道板按C50混凝土參數計算，軌道板縱向上下層各配16根直徑為14 mm的HRB400鋼筋，橫向上下層各配32根直徑為14 mm的HRB400鋼筋。

圖5 靜力仿真分析位移、應力、彎矩結果

1) 軌道板縱向強度檢算。

45.757 (kN·m)/m>9.194 (kN·m)/m

式中各符號含義參見文獻[6]。

2) 軌道板橫向強度檢算。

37.712 (kN·m)/m>5.936 (kN·m)/m

3) 軌道板縱向裂縫檢算。

0.051 mm<0.200 mm

式中各符號含義見文獻[6]。

4) 軌道板橫向裂縫檢算。

0.069 mm<0.200 mm

經檢算，軌道板強度及裂縫均符合要求。

此外，進行了小半徑曲線地段溫度荷載作用下的強度檢算，分多種工況進行有限元分析。第一種工況，軌道板體系自重+列車動荷載；第二種工況，施加溫度荷載，鋪軌溫度20 ℃，環境溫度升溫至40 ℃，即軌道板體系自重+整體升溫20 ℃；第三種工況，組合第一、第二種工況，即軌道板體系自重+列車動荷載+整體升溫20 ℃，如圖6所示。

圖6 小半徑曲線地段溫度荷載作用下的強度檢算

在第三種工況下，軌道板上表面板端中部變形最大為0.25 mm，自密實混凝土表面變形為0.12～0.17 mm，下層變形為0.020～0.095 mm，凸臺變形為0.095 mm，變形均較單純升溫工況小。軌道板最大等效應力在套管處約為14.000 MPa，板中為6.430 MPa，板端為2.144 MPa；自密實混凝土上表面應力為4.28～8.57 MPa，自密實混凝土下表面應力為4.28～15.00 MPa，凸臺局部最大為12.8 MPa，基底為4.28～15.00 MPa，彈性墊板為2.15 MPa。綜上，考慮隧道內溫差不會超過20 ℃，本次軌道板體系應用于地下小半徑曲線地段時，強度滿足安全性要求。

2.3 基底凹槽強度檢算

自密實混凝土與基底按C35混凝土參數計算，基底混凝土凹槽周圍采用厚度為8 mm、彈性模量為6 MPa的橡膠材料，凹槽受到的溫度力Ft由以下方程解出：

式中：

EC——混凝土彈性模量；

αC——混凝土線膨脹系數；

ΔT——軌道板與基底的溫差；

B——軌道板寬度；

h——軌道板及自密實混凝土厚度；

t——凹槽周圍橡膠材料厚度；

Ex——凹槽周圍橡膠彈性模量；

Ax——凹槽周圍橡膠材料面積；

ΔL——兩凹槽間距離[7]。

經計算，溫度力Ft為

Ft=20.027 kN

縱向力Fz為

Fz=nf

式中：

N——單塊板扣件個數；

f——單個扣件縱向阻力。

凹槽混凝土縱向應力σz為

由計算結果可知，雙凹槽結構+橡膠墊層滿足混凝土受力及結構構造要求。

2.4 計算結論

本文對預制軌道板的關鍵技術進行了計算分析，得出以下結論：① 在上海A型車輛荷載作用下，鋼軌最大位移為1.466 mm，預制軌道板最大位移為0.020 mm，鋼軌承受最大應力為218 MPa，軌道板承受最大應力為0.87 MPa，沿線路縱向軌道板最大彎矩為9.194 (kN·m)/m，沿線路橫向軌道板最大彎矩為5.936 (kN·m)/m，各項指標均在合理范圍內。② 預制軌道板的縱向裂縫為0.051 mm，橫向裂縫為0.069 mm，裂縫檢算合格。③ 預制軌道板的雙凹槽結構+橡膠墊層可滿足混凝土受力及結構構造要求。

3 室內試驗

3.1 靜載試驗及螺栓抗拔力試驗

對軌道板進行了雙軸靜載試驗和單軸靜載試驗，分析軌道板應力強度和軌道板垂向位移。

3.1.1 雙軸靜載試驗

加載方式：試驗前，板底預先灌注自密實混凝土，當形成設計需要的復合板結構試驗時，用砂漿把軌道板和試驗平臺找平。

荷載分級：320 kN,480 kN,640 kN,800 kN,960 kN。

測點布置：在板長的1/2位置(板中)和兩端頂面貼縱向應變片(共6點)，在板兩側盡量靠近板底線處貼縱向應變片(共6點)，在板兩側1/2高度處貼壓應變片(共6點)，共18個應變測點，如圖7所示。

試驗結果如下：① 各級荷載作用下，混凝土壓應力最大值為0.24 MPa，出現在960 kN荷載作用下的2′測點處，遠小于混凝土極限抗壓強度33.5 MPa。② 軌道板垂向位移隨著荷載的增大而增大，當荷載加載至960 kN時，垂向最大位移為0.2 mm左右。不同荷載級差，位移級差的值也不相同，也即荷載和位移曲線并非線性關系。

a) 加載位置

b) 測點布置

3.1.2 單軸靜載試驗

加載方式：加載點與雙軸靜載試驗不同，其余相同。荷載分級和測點布置同雙軸試驗，如圖8和圖9所示。

圖8 單軸靜載試驗加載位置

圖9 單軸靜載試驗測試照片

試驗結果如下：① 各級荷載作用下，混凝土壓應力最大值為0.59 MPa，出現在480 kN荷載作用下的2測點處，遠小于混凝土極限抗壓強度33.5 MPa，故僅對混凝土拉應力進行分析。混凝土應力基本都隨荷載的增大而增大。在各級荷載作用下，混凝土縱向拉應力均小于極限抗拉強度(3.1 MPa)，都處于較低的應力水平。② 軌道板垂向位移隨著荷載的增大而增大，當荷載加載至960 kN時，垂向最大位移為0.2 mm左右。不同荷載級差，位移級差的值也不相同，也即荷載和位移曲線并非線性關系。

3.1.3 板面裂紋狀態觀察

雙軸靜載試驗和單軸靜載試驗，在整個加載試驗過程中，軌道板均未出現裂紋。

3.1.4 螺栓抗拔力試驗

本次試驗隨機測試3個螺栓套管(見圖10)，施加荷載至60 kN時，套管周圍混凝土表面未見裂紋及剝離現象；繼續施加荷載至70 kN時，混凝土表面仍未出現裂紋和剝離現象。

圖10 螺栓抗拔力測試照片

3.2 疲勞試驗

加載方式：室內模擬單軸加載工況，在最不利情況下(板中截面受力20～160 kN)進行300萬次疲勞試驗，檢驗軌道板是否開裂以及測試軌道板位移，如圖11所示。

圖11 疲勞試驗現場照片

試驗結果如下：① 軌道板垂向位移最大值為0.15 mm，認為是由于板底不平和基底鋪設土工布所產生的特殊值。② 隨著加載次數的增加，不同測點的變化趨勢不盡相同，但變化幅度均較小。③ 疲勞荷載20～160 kN，經過300萬次作用，軌道板上無裂紋出現。

4 制造工藝

軌道板主要制造工藝：鋼筋骨架制作，按照設計圖紙尺寸制作鋼筋綁扎模具，確保鋼筋籠的組裝精度；模型清理、合模，噴隔離劑；安裝預埋套管，起吊套管、螺旋筋，觀察孔埋件；骨架入模，用專用軟索吊具將綁扎好的鋼筋骨架吊入模型；混凝土灌注、振動，混凝土靜停；軌道板的蒸汽養護，軌道板脫模，軌道板養護，軌道板外觀質量檢測[8]。

5 施工工藝

5.1 主要施工工藝流程

軌道板為專項設計的標準定型產品，采用工廠化預制，加工成型的成品軌道板通過汽車運輸至鋪軌基地并存儲；在鋪軌基地內采用桁車將預制軌道板吊裝至軌道平板車上，軌道車運輸至施工作業面，隧道內施工作業面采用軌道式鋪軌門吊進行軌道板吊運、鋪設及初步就位作業；采用軌道基礎控制網、配套測量系統及工裝設備進行軌道板幾何位置調整；固定軌道板位置，在鋪軌基地設置小型自密實混凝土拌合站，采用輪軌式攪拌車運輸自密實混凝土作業面，進行自密實混凝土層灌注施工，安裝線路鋼軌扣件等作業，預制板基底混凝土施工(即隧道仰拱回填)提前于軌道板鋪設前完成[9]。

5.2 主要分項工序

5.2.1 板式軌道基底施工(隧道仰拱回填)

板式軌道基底施工測量，基底清理，板式軌道基底鋼筋綁扎，基底結構縫模板安裝，基底限位凹槽模板的安裝，基底混凝土施工，基底整修及清理。

5.2.2 軌道板鋪設前的施工

軌道板位置的測量放線，曲線地段軌道板的布板方案，土工布隔離層的鋪設，彈性墊層的粘貼施工，鋪設鋼筋網片。

5.2.3 軌道板存儲、運輸及鋪設

軌道板的鋪軌基地存儲，軌道板的運輸，軌道板的鋪設及初步就位[10]。

5.2.4 軌道板的精調及固定

全站儀設站定向，軌道板調節器的安裝及精調，測量位移百分表的安裝，封邊模板與扣壓支架(反力架)的安裝，防上浮支架(反力架)的設計及計算。

5.2.5 自密實混凝土灌注

自密實混凝土灌注準備及檢查，自密實混凝土拌制及運輸，自密實混凝土灌注工裝設備的拆除及自密實混凝土養護。隨著預制軌道板的應用推廣，推動了配套施工裝備的逐步更新，出現了輪胎式鋪板機等新型設備。

6 結語

本文系統、全面地介紹了上海軌道交通預制軌道板的總體設計方案、主要計算指標、室內試驗、軌道板制造工藝及施工工藝，得出以下結論：① 在地鐵A型車輛荷載作用下，預制軌道板系統的鋼軌位移、軌道板位移和應力各項指標均在合理范圍內。② 預制軌道板雙凹槽+橡膠墊層結構滿足混凝土受力及結構構造要求，軌道板裂縫檢算合格。③ 預制軌道板雙軸靜載試驗、單軸靜載試驗、螺栓抗拔力試驗及疲勞試驗結論顯示，軌道板位移和應力各項指標均在合理范圍內。④ 預制軌道板的制造工藝、施工工藝成熟可靠。⑤ 預制軌道板的應用將顯著提高軌道施工質量，改善施工條件，給城市軌道交通帶來巨大的促進作用。通過鋪設高精度軌道，可減小軌道的養護維修工作量和延長軌道的使用壽命，具有較為明顯的社會效益和經濟效益。