西安地鐵地裂縫段可快速升降軌道結構研究

常衛華,魏周春,林士財

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

西安地裂縫是一種國內較少見的、特殊地區性地質病害，是以隱伏斷裂構造發育為基礎，過量開采地下水為誘因，二者共同作用的結果。地裂縫有垂直位移、水平張拉和水平扭動3個方向的活動，其中，以垂直位移最為強烈。地裂縫活動方式為蠕動，主要表現為地裂縫的南側(上盤)下降，北側(下盤)上升[1-4]。

西安地鐵地裂縫設防段一般鋪設可調式框架板，軌道通過在框架板下填充混凝土墊塊來實現軌面上調，最大上調量500 mm。但在西安地鐵1、2、3、4號線的運營中發現，框架板整體道床軌道結構沉降量過大時，原抬升方案在實操過程中存在諸多弊端，按原方案在抬升過程中4臺液壓千斤頂不能同步，導致框架板4個角受力不均，嚴重時導致框架板出現破壞性裂紋，在夜間天窗時間不能按時完成操作等問題。

目前，西安地鐵地裂縫設防段均采用上調式軌道結構調整，整體道床僅能單一的調高軌面高程，調整方式單一。

結合地裂縫框架板結構目前存在的不足，研發一種地裂縫段可快速升降的新型無砟軌道，該結構將具有調整功能的支座應用于軌道地裂縫結構，調整措施方便，僅通過調整支座就能實現軌面調整。

1 研究背景

以西安市地鐵8號線工程為例，線路全長49.9 km，是西安市首條環線地鐵，共穿越15條地裂縫，涉及19個區間，地裂縫共穿越線路25處。與地鐵8號線相交的15條地裂縫年活動速率均小于10 mm/a，大多為1～5 mm/a。

地鐵8號線王家墳站后與f4地裂縫相交，預計百年內最大垂直位移為300 mm。若采用傳統的上調式軌道結構，地裂縫調線調坡段與7號、8號線聯絡線道岔沖突，如圖1所示。為避免地裂縫調線調坡段與聯絡線道岔沖突，實現聯絡線功能，f4地裂縫調線調坡段需調整到地裂縫下盤(地裂縫北側)[5-6]，需研發新的下調式軌道結構，即隨著地裂縫變形的發生，軌道結構通過一定措施來降低軌面高程，最大下調量需達到300 mm。

2 研究現狀

西安地鐵地裂縫設防段一般地段及與中等減振重合地段采用可調式框架板結構；地裂縫設防段與高等減振重合地段采用梯形軌枕[7]；地裂縫設防段與特殊減振重合地段采用減振墊碎石道床結構[8]。

2.1 可調式框架板結構

可調式框架板軌道結構由鋼軌、彈性分開式扣件、預應力混凝土框架式軌道板、板下可調支座、側向限位橡膠墊、鋼筋混凝土擋臺及混凝土基礎等組成，如圖2所示，理論上最大高程調整量500 mm[9-12]。

圖2 可調式框架板軌道

框架板軌道調高主要通過調高墊塊來實現，調高墊塊方式分為2種：厚50 mm塑料調高墊板及厚100 mm預制鋼筋混凝土調高墊塊，每次調整量為50 mm。當調高量不足50 mm時，采用扣件調高墊板及加厚鐵墊板，當調高量為50 mm的整數倍時，采用塑料調高墊板，當調高量累計達到100 mm的整數倍時，撤出塑料調高墊板，采用預制鋼筋混凝土調高墊塊，如圖3所示。塑料調高墊板最多只設1層，調高量超過200 mm后，其下采用預制鋼筋混凝土調高墊塊層疊。

圖3 調整大于100 mm時的可調框架板道床

2.2 梯形軌枕

梯形軌枕為預制鋼筋混凝土縱梁支撐軌道結構，由預應力縱向長梁和鋼軌形成復合軌道，兩個縱向長梁中間用鋼管連接形成框架，在預應力縱向長梁下設置彈性聚氨酯支墊，使其浮于混凝土基礎之上，如圖4所示，屬輕型化浮置板軌道結構[13]。

圖4 梯形軌枕

梯形軌枕與框架板式軌道的調整方式類似，通過抬升軌枕后，在彈性墊板下部墊高或者灌注砂漿袋，可方便地實現所需的大調高量。該結構即可滿足調整需求，又可實現高等減振效果，適用于地裂縫高等減振段。

2.3 減振墊碎石道床結構

有砟道床由于采用散體道砟，便于校正線路平縱斷面，能充分適應活動斷層的變形。軌道不平順可通過抬道或落砟、搗固枕下道砟加以找平，軌道方向錯亂可通過撥道予以調整，其施工及調整相對整體道床而言較為簡單。

有砟道床方案的不足之處在于軌道幾何形位不易保持且維修量較大，在前后均為無砟軌道的情況下插入較短的有砟軌道，運營期間將產生線路局部不平順，養護維修困難，且有砟軌道與整體道床之間剛度差異大，需設彈性過渡段，從而導致軌道結構的彈性過渡頻繁。

目前，國內地鐵活動斷層處采用下調式軌道結構工程實例較少，因此，研究新型下調式軌道結構十分必要，該結構可使地裂縫調線調坡段位于下盤，為線路方案提供更多選擇[14-19]。

3 可快速升降軌道結構

3.1 軌道結構組成

軌道結構包括鋼軌、扣件、框架式軌道板、支座及調整層等，如圖5～圖7所示，鋼軌頂面高程可達到0～-300 mm的無級調整。該結構可滿足軌道交通日常運營的各項功能需求，當基礎工程發生大變形后，支座上帶有蝸桿渦輪驅動螺紋調高結構，通過人工或電機對蝸桿驅動，蝸桿撥動渦輪，渦輪與螺套一起旋轉帶動螺桿在螺套內做垂直上下運動，進而實現結構的無級高度調整。在不影響正常運營的條件下，利用鐵路運營天窗時間完成維修工作。

圖5 可快速升降軌道結構

圖6 軌道結構橫斷面

圖7 可快速升降軌道結構平面

3.2 框架板

框架式軌道板為鋼筋混凝土結構，框架板上預留空間需確保進行板下支座的操作、維護，橫向兩側設有用于限制縱橫向位移的限位凸臺，嵌入兩側混凝土基礎中，限制軌道板的縱向爬行，如圖8所示。

圖8 鋼筋混凝土結構框架軌道板

3.3 支座

支座應達到如下技術指標和參數。

(1)支座通過人工或電動方式，可實現無級調整。

(2)支座調整范圍+10 mm～-300 mm。

(3)在有限時間和空間的前提下形成一套快速安裝調整更換技術方案。

支座的可調支撐設計由兩部分組成，由上至下分別為大轉角抗拉球型支座結構、蝸桿渦輪驅動螺紋調高結構，如圖9所示。

圖9 可快速升降軌道結構支座

支座的可調支撐設計具體作用如下。

(1)大轉角抗拉球型支座結構，采用改性超高分子量聚乙烯滑板的球型支座結構，實現整體結構的支撐力傳遞和水平方向的限位及水平力傳遞，適應線路高度調整引起的大轉角應變，適應軌道板結構在溫度作用下的應變位移，在抽出墊板時起到上下連接的作用。

(2)蝸桿渦輪驅動螺紋調高結構，通過渦輪與螺套一起旋轉帶動螺桿在螺套內做垂直上下運動，蝸桿渦輪選用自鎖結構，輸入旋轉停止即蝸桿渦輪停止轉動，確保螺桿在任一調整位置不會因上部荷載作用而運動；此外，在螺套上部設置有自鎖式偏心螺母，高度調整前解鎖螺母，調整結束后鎖緊螺母，確保機構的二次鎖緊狀態。上部荷載通過螺桿直接傳遞給螺母，然后傳遞至底板及下部結構，確保在非調整運營期蝸桿渦輪不承受豎向荷載的任何分力，確保機構正常荷載的傳遞。

支座已通過室內豎向承載力試驗測試，在最大豎向荷載450 kN作用下，豎向變形僅0.96 mm，結構滿足安全性要求。

3.4 軌道結構調整方案

基礎工程出現變形后，應根據變形量大小及形態選擇對應的調整方案。軌道結構的高低調整分兩種情況。

(1)日常維護中通過扣件系統調整。

(2)當基礎變形超過扣件的調整量，采用安裝在框架板下的渦輪驅動式支座調整高低。支座調整可采用人工或電動方式，調整范圍+10～-300 mm。目前，該支座已完成初步方案的試制、試驗工作，支座調整措施方便，承載力滿足功能需求。

框架板兩側設置2層厚150 mm混凝土，層與層之間設土工布隔離，待下降到一定高度，拆除混凝土層，保證滿足限界要求。

4 結語

可快速升降軌道結構將可調整支座與軌道板結合，研發了地裂縫下調式軌道結構，由單一的上調式軌道升級為上、下均可調整的軌道結構，調整量可根據地裂縫最大變形量進行定制，該結構總結了地裂縫段既有軌道結構的優點，克服了調整困難、養護不便等缺點，同時解決了西安地鐵8號線工程中的建設難題。

在后續地鐵建設中，可快速升降的軌道結構可使土建結構預留的地裂縫垂向設防位移減半，優化土建結構斷面大小，節省工程投資，為后續軌道交通穿越地裂縫段結構設計提供依據。