預制技術在地鐵軌道工程中的應用分析

王根平，郝遠行，鄧 希

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

1 預制裝配技術應用的意義

1.1 適應宏觀裝配式建筑的發展

《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》[1]、省市各級政府以及建設主管部門等政策文件中均要求：要加大工程建筑行業的預制裝配率，加強技術創新，強化建筑材料標準、部品部件標準、工程標準之間的銜接。逐步建立完善覆蓋設計、生產、施工和使用維護全過程的裝配式建筑標準規范體系。為貫徹落實國家、地方政府以及各級建設主管部門關于大力發展裝配式建筑理念，地鐵應向著綠色、生態、環保、健康等方向發展。針對地鐵軌道工程，預制裝配技術將是一個很好的契合點，預制板式無砟軌道技術成熟可靠，可有效提高軌道精度和平順性，便于無砟軌道的維修和保養。“十三五”以來，國家提出了“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展理念[2]。在此背景下，采用預制板式無砟軌道結構，實現地鐵軌道設計施工的標準化、工廠化和機械化，提高軌道結構整體技術水平，是改善作業環境、提高施工效率、實現軌道設計施工可持續發展的必由之路，將帶來十分顯著的經濟和社會效益。

1.2 適應城市地鐵快速發展

隨著社會經濟的迅猛發展，城市化進程逐步加快，城市人口大幅增多，城市規劃范圍逐步擴大[3-4]。提高經濟發展水平、提高出行便利性、緩解道路交通擁堵、減少燃油汽車尾氣排放及降低汽車噪聲污染等諸多訴求為地鐵的發展注入了活力。在行業高速發展背景下，地鐵呈現出規劃超前、建設體量大、建設周期短等特征。預制裝配技術由于施工速度快的特點，可很好地適應城市地鐵快速發展。

1.3 滿足軌道工程技術進步需要

隨著人們對地鐵平穩性、舒適性要求的提高，近年來越來越多地鐵采用了裝配式軌道結構，北京、上海、廣州、深圳等城市相繼采用預制裝配式軌道。

預制裝配技術在高速鐵路（以下簡稱“高鐵”）上已大面積運用且已形成比較完善的體系。高鐵線路順直，結構空間大，主要運行于非城市區，這些外部條件決定了預制裝配式軌道結構簡單，型式單一，實施便利，如圖1所示。直接將高鐵預制裝配技術照搬進入地鐵是不夠的，針對地鐵軌道工程，預制裝配技術所面臨的挑戰包括線路條件較差、隧道空間狹小、疏散要求嚴格、減振需求苛刻、專業接口復雜[5]、維保難度極大等，如圖2所示，由此衍生出諸多需要研究及分析的關鍵問題，這些問題也推動地鐵軌道工程技術的進步。

圖1 高鐵預制板結構

圖2 地鐵預制板結構

2 地鐵軌道工程既有建造技術現狀問題

2.1 軌道現澆道床存在問題

目前，地鐵中大部分采用的是現澆整體道床，從施工和運營情況來看，均存在一些問題，歸納分析如下。

（1）施工進度慢。現場綁扎鋼筋、澆筑混凝土，混凝土養護均需要時間，各工序搭接時間長。

（2）施工空間狹小。大量工序現場進行，澆筑混凝土量大，粉塵嚴重，鋼筋焊接焊煙大，工作環境差。

（3）工序復雜。現場工作包括10多道工序，受工作面空間限制，各工序只能依次進行，難以實現施工機械化。

（4）污染上部結構。人工澆筑、趕工期，易造成鋼軌、扣件臟污，后期清理極易破壞扣件的防銹層，造成永久傷害。

（5）混凝土攪拌站一般離市區較遠，存在運輸距離長的問題，同時運輸車在市區內只能晚上通行，運輸效率低，對交通秩序造成影響。

（6）混凝土下軌排井及運至澆筑現場過程中易出現漿石分離現象，導致混凝土鋪設質量普遍較低。

（7）運營過程中常常出現整體道床開裂、掉塊等現象，影響軌道結構耐久性。

（8）道床板更換時，需切割傷損道床、布設鋼筋等復雜的工藝流程，對前后道床板施工干擾大，可維修性差。

以上問題客觀存在且難以避免，采用預制技術是一個可行且有效的辦法。

2.2 既有預制軌道技術存在問題

國內上海、廣州、深圳等城市針對預制板式無砟軌道技術開展了一些嘗試性研究。但也出現了一些問題[6-7]，歸納分析如下。

（1）預制裝配率不高。既有的地鐵預制軌道技術雖然經過了系統化研究、試驗段驗證，技術相對成熟，但在特殊工點仍采用現澆方式，這與大力發展裝配式建筑的目標有一定差距。

（2）軌道高度較現澆道床高。裝配式軌道為“預制軌道板-調整層-底座”層狀結構體系，為保證兩側具有一定深度和寬度的排水溝，裝配式軌道需要的軌道高度比現澆道床要高。

（3）自密實混凝土性能及施工技術要求較普通混凝土高，混凝土性能受外界條件影響大，拌制、運輸和灌注各個環節均需嚴格把控。

（4）由于土工布位置較低，一旦水溝深度不足，隔離層易進水引起道床病害。

（5）預制軌道板相較于現澆道床結構，每公里造價約增加150萬元，每組道岔增加約20萬元。

（6）目前，運營維護經驗積累較少。

針對上述問題，在充分借鑒和吸收高速鐵路預制裝配技術、既有地鐵預制板式軌道技術的基礎上，力爭在地鐵裝配式無砟軌道技術方面尋求大的突破，這既是適應建筑工程裝配式技術進步的需要，同時也是響應國家在創新裝配式建筑設計方面的要求。

3 預制技術在地鐵軌道工程中的關鍵技術分析

各城市地鐵采用的預制軌道板技術基本都在高鐵CRTSⅢ型板的基礎上研發適用于地鐵的預制板式無砟軌道。基本設計理念還是沿用由上而下設置分層結構體系，結構組成為預制軌道板、調整層、現澆底座（或無），根據不同的軌道結構形式，可將預制板式無砟軌道大致分為普通預制板式無砟軌道、減振型預制板式無砟軌道[8]。

結合地鐵工程建設特點，有必要就不同預制軌道結構形式對不同隧道斷面的適應性、是否采用預應力、平豎曲線如何實現、預制減振軌道如何保證減振能力等關鍵點進行分析。

3.1 預制軌道空間適應性因素分析

地鐵設計速度低且運行于城市空間，由此導致地鐵空間的局限性大，要實現在狹小的空間中采用預制軌道結構，需綜合考慮以下適應性因素。

（1）當設計軌道板寬度時，需預留足夠軌道邊溝寬度。若邊溝寬度有限，線路偏移時，水溝排水斷面小，特別在曲線地段，過水斷面會進一步縮小，易出現排水困難現象。

（2）受盾構空間限制，預制軌道板道床土工布隔離層距離水溝底較近，隔離層存在浸泡風險。

（3）容差能力差，調線調坡和施工困難。由于預制軌道板施工精度高，對線路空間位置有一定要求，這就要求盾構需嚴格控制施工誤差，對于侵限較大的地方，預制板軌道調整能力有限，不利于調線調坡和施工。

預制板軌道受控于線下基礎條件、空間線形變化、軌道減振等諸多因素，需統籌做好預制板軌道結構設計。根據調研情況，結合制圖分析，地鐵使用軌道板的盾構最小內徑為5500 mm。

3.2 預制軌道板預應力選型分析

預應力軌道板通過對預應力鋼筋進行張拉，利用鋼筋的回縮，使軌道板預先受壓。當軌道板承受由外荷載產生拉應力時，首先需抵消軌道板中的預壓應力，使其不產生拉應力或拉應力小于混凝土抗拉強度，從而提高軌道板承載能力，使其延緩或不出現裂紋，確保軌道板的耐久性[8]。非預應力軌道板采用普通鋼筋混凝土結構，在制造、施工和運營過程中由于受各種荷載共同作用，可能出現不同程度的裂紋。由于裂縫寬度在鋼筋銹蝕中的作用歷來頗有爭議，而軌道板的使用壽命長達百年，因此軌道板的耐久性值得重點關注。

根據軌道結構理論研究可知，僅在列車荷載作用下，軌道板所受彎曲應力較小。軌道板所受到的應力主要來自于整體溫度變化、溫度梯度荷載以及混凝土收縮作用。在隧道內，溫度變化幅度較小，在露天的地面及高架段，由于環境溫度變化較大，整體溫度變化和溫度梯度的疊加作用更加明顯，非預應力軌道板裂紋產生幾率明顯加大。從工程經濟性角度考慮，地下線可采用普通鋼筋混凝土預制板的結構形式，高架線和地面線可采用預應力鋼筋混凝土預制板的結構形式。

3.3 預制減振軌道減振能力保證措施

地鐵線路穿越城市的核心區域，由于列車運行時的振動會給臨近區域的居民樓、精密儀器室、高校、古代建筑群等造成一定影響，因此需要全線進行環境影響評估，進而形成分級減振需求地段表，軌道減振措施設計的完整性和準確性對地鐵建設有重要影響。

目前道床減振方式均是質量-彈簧減振系統，道床質量的配重對減振能力影響很大，采用現澆施工方式時可以結合空間情況提高軌道配重[9-10]。若采用預制道床板減振技術，相比于傳統的現澆道床，預制減振道床板寬減少約30%，重量減少約35%，減振效果將大幅降低。為保證預制減振道床的減振效果良好，應合理布置隔振元件及設計動力學參數，合理進行板端連接結構設計，盡可能增加浮置板配重，形成不低于既有現澆道床長度的縱連結構，從而大幅度增加浮置板穩定性并降低自振頻率，提升減振效果。

3.4 設計接口處理措施

地鐵設計是一個多專業協調配合的大型綜合設計體系，涉及相關專業的接口多且復雜，與軌道系統相關的專業主要涉及線路、限界、隧道、建筑、結構、供電、信號、通信、給排水、動力及照明等。預制軌道結構受制于預制板廠制周期長、精度要求高、鋪設位置固定等因素，涉及接口問題應超前細致規劃，應堅持“服從統一組織協調、各專業緊密配合”的原則，力求做到：“預留預埋不直接從預制軌道板中穿過，盡量從預制板下穿過或預制板端預留過軌板縫隙”。

4 結論

未來，軌道交通行業將進一步推進裝配式建筑理念，地鐵作為城市發展的主動脈，遇到了極好的發展契機。為貫徹相關政策同時也助推地鐵向著綠色、生態、環保、健康等方向發展，地鐵軌道工程將逐步大面積采用預制板式無砟軌道。為了更好地利用預制軌道技術為地鐵軌道工程的建造提質增效，需結合地鐵建設特點，將預制軌道技術更好地、更貼合地運用到地鐵工程中。采用預制板式無砟軌道結構，實現地鐵軌道設計施工的標準化、工廠化和機械化，提高軌道結構整體技術水平，是改善作業環境、提高施工效率、實現地鐵軌道設計施工可持續發展的必由之路，將帶來十分顯著的經濟和社會效益。