軌道道床新型排水結合結構關鍵技術研究

邢 民，劉華輝，張 亮，路陽陽，董 波

（1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510000；2.東莞市軌道一號線建設發展有限公司，廣東東莞 523000）

1 引言

隨著城市化發展和對地下空間的深入開發，城市軌道交通作為城市公共交通最為主流的綠色出行模式，對推動城市的建設發展和社會的進步具有重大深遠的意義。城市軌道交通工程是在地下建造的重要工程，投入經費高，建造周期較長，施工速度較慢，同時對安全性要求較高，各個建造環節間溝通協調需求較多。以上因素使城市軌道交通工程的整個建設過程比較復雜。區間隧道滲漏水造成軌道道床上浮現象逐漸顯露，輕則影響隧道正常速度運營，重則導致道床變形，造成巨大經濟損失和人身財產安全隱患。因此，隧道防、排水的設計、施工就顯得尤為重要[1-2]。

2 國內外隧道防、排水措施現狀

2.1 國內現狀

國內隧道施工主要遵循防水為主、排水為輔的設計理念，確立以混凝土結構自防水為根本、接縫防水為重點、設置附加防水層為輔助措施的結構防水體系。排水方案的設計理念和措施基本上只針對隧道拱頂及側壁的滲漏水問題，通過道床兩側的水溝進行疏導，還沒有針對隧道結構和道床結構結合部位滲漏水顯著有效的排水措施。目前，國內部分城市軌道交通區間隧道存在運營期隧道結構底板滲漏水的問題。處理不當易造成道床起拱上抬、軌道變形，甚至導致列車不能以正常速度運行[3-4]。

2.2 國外現狀

國外城市軌道交通暗挖隧道基本都遵循防水為主、防排結合的理念開展設計和施工。

日本城市軌道交通暗挖隧道多采用盾構法施工，盾構隧道設計理念和國內基本一致，采用管片結構自防水、接縫防水、施工期間隨挖隨注漿、后期補充注漿的組合措施開展隧道防水施工，主動排水相關措施不多見。

法國、瑞士、奧地利、英國、美國等歐美國家城市軌道交通采用盾構法施工的暗挖隧道防、排水方案設計理念也和國內類似，采用新奧法或礦山法施工的隧道也多采用聚氯乙烯、聚乙烯等防水卷材進行隧道防水。針對隧道結構滲漏水造成道床起拱問題，采取主動排水的措施也不多見[4-6]。

2.3 研究意義

一般情況下，城市軌道交通區間隧道線路敷設較深，工程地質與水文地質情況較復雜，暗挖隧道開挖成型后再按地下水文情況重新調整而造成運營期隧道結構底板滲漏水的情況相當普遍。地下水滲漏通過隧道結構后會在軌道道床下部聚集，累積一定壓力后會引起軌道道床上抬變形，同時受列車運行動靜荷載的反復振動作用，會產生翻漿冒泥，道床結構變形嚴重時列車需要進行限速運行。因此，必須通過一定治理措施來穩定結構變形。在設計階段，通過在隧道與道床結構結合部位設置新型結合結構形成排水通道可及時排出地下滲漏水，從而有效降低滲漏水對軌道道床結構產生的變形危害，達到確保結構安全、降低運營風險的目的。此舉對地鐵區間運營安全及后期維護等具有重要的影響意義，同時具有較好的經濟效應、較高的應用價值和顯著的社會效應[7-10]。

3 新型排水結構設計

3.1 設計理念

城市軌道交通隧道滲漏水是道床脫空的主要誘因。為防止道床下部的長期積水，擬研究一種隧道與道床結構結合部位的新型排水結合結構。該結構可在道床內部形成排水通道，及時排出滲漏水，避免道床剝離隧道后，發展為道床脫空狀態。

對隧道與道床結構結合部位的新型排水結合結構設計包括外部幾何尺寸和內部構造部分。同時，研究列車動荷載作用下排水結合結構本身的抗變形能力，以及排水結合結構在道床下的不同布置方式對道床力學性能的影響。

3.2 設計方案

擬設計的新型排水結合結構設置在道床以下、隧道襯砌以上的位置。為達到最佳使用效果，需確定該排水結構的外部幾何尺寸和內部構造，以滿足隧道滲漏水的排水要求。新型排水結合結構所在位置與內部構造初步設計如圖1 所示。

圖1 排水通道設計大樣

針對不同排水通道設計方案，分析隧道結構中排水結構以不同數量布置在道床下時道床結構的動力學響應，包括道床的變形、道床的振動加速度、隧道壁的振動加速度、鋼軌位移。根據相關規范確定以上各項數值是否符合實際應用要求。其中，曲線段軌道結構將根據隧道線形設置超高，并施以橫向力模擬列車對鋼軌施加的橫向作用。

開展方案初步模擬分析研究，針對排水通道方案，采用多種設置方式：a 方案為單預留滲水通道空間方案；b 方案為多預留滲水通道空間方案，不同通道通過滲水管進行連通，增加排水效率；c 方案采用道床底部澆筑滲透性材料作為滲水通道；d 方案采用預留滲水通道與澆筑滲透性材料組合方案。各方案排水通道具體設計如圖2 所示。

圖2 排水通道多組合設計

4 有限元分析

4.1 建立模型范圍

在本次模擬中，依據后期實際應用盾構區間隧道管片及道床圖紙，對隧道及軌道結構各部分幾何模型進行適當的簡化，如圖3 所示。根據相關規范及前一部分透水混凝土試驗確定軌道結構各部分的材料參數。設置多種透水混凝土層排水通道結構尺寸，分析道床在列車荷載作用下的力學響應，了解道床在不同尺寸排水結構設置下的應力和變形狀態。對比相關指標，比選出滿足受力要求且排水性能較好的新型結合結構的設計方案。

圖3 各方案幾何模型

利用ABAQUS 有限元分析軟件建立含排水結構的道床隧道有限元模型，采用車輛-軌道耦合模型，計算列車動荷載，在本次模型模擬計算中，建立3 個基本假設。

（1）模型中的外荷載只考慮豎向輪載，以列車軸重乘以動載系數得到。

（2）不考慮結構的損傷，材料設置為線彈性。

（3）模型中考慮道床與管片結構的自重。

4.2 模型參數選擇

在有限元模型中各材料簡化為線彈性材料，其中管片與軌枕為C50 混凝土，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 420 kg/m3。道床普通混凝土層與透水混凝土層為C35 混凝土，彈性模量E=34.5 GPa，泊松比μ=0.2，密度ρ=2 390 kg/m3。

模型中各部件間采用“tie”約束將所有自由度綁定。

本次模擬作用于模型的外荷載為列車荷載。車輛實際作用于軌道上的荷載為動荷載，其值受各種干擾因素影響，如軌道不平順、列車運行速度等。本次模擬采用準靜態形式確定輪軌的沖擊力，即通過靜輪載乘以動載系數來確定動輪載。動載系數取2.5。按項目實際軌道車輛列車軸重14 t，設計輪重7 t。荷載施加面積取實際軌枕大小450 mm×270 cm，軌枕間距600 mm。

4.3 模擬結果

為探究列車荷載作用下，不同尺寸排水結構形式道床的力學響應。需提出相應的比選指標。本次模擬以道床普通混凝土層及透水混凝土層最大拉應力是否達到混凝土抗拉強度為限值，同時考慮軌道結構在列車荷載下的變形；兼顧道床配筋與結構排水效果，提出5 項比選指標，分別為道床頂面豎向位移，普通混凝土層最大拉、壓應力，透水混凝土層最大拉、壓應力。

本次模擬只針對不同排水通道結構受力計算分析影響，對不同方案的滲水性能實驗室結果后續根據現場試驗進行分析對比，研究結果如下表1 所示。

表1 各方案模擬計算結果表

4.4 模擬結果分析

根據提出的4 種新型結合結構的設計方案，利用ABAQUS 有限元分析軟件對4 種方案進行建模計算，通過比選道床位移及強度指標，確定現有方案的安全性均滿足規范要求。

對比方案a 與方案b，在道床普通混凝土層底部設置多個排水通道后，道床豎向最大位移增加17%，道床最大拉應力增加24%。多個排水通道雖能兼顧道床底部縱縫排水的需求，但對道床截面承載能力削弱較大，不建議選取方案b 的多排水通道方案。

對比方案a 與方案c，在道床結構中加入透水混凝土后，在列車荷載作用下道床頂面最大豎向位移沒有變化。道床普通混凝土層最大拉、壓應力的變化也可忽略不計。因此建議采用加入透水混凝土層的方案c。

對比方案c 與方案d，當設置排水通道后，在列車荷載作用下道床頂面最大豎向位移沒有變化。道床普通混凝土層最大拉應力下降0.8%，最大壓應力增加0.4%，透水混凝土層最大拉應力增加22.7%，最大壓應力增加12.4%。增設排水通道對道床承載能力削減有限，道床混凝土拉、壓應力均遠小于混凝土軸心抗拉、抗壓強度設計值。因此方案d 結構安全，同時具有更優排水性能。

考慮道床底部縱縫排水、鋼筋布置與排水量的需求，建議后續試驗研究根據方案d，采用預留排水通道與滲水通道組合方案進行排水試驗性能分析。重點研究滲水通道材料和預防通道阻塞處理等措施，以滿足滲水通道耐久性要求，以及排水通道材料、縱向排水通道銜接及相關檢修通道處理措施。

5 結語

研究隧道結構和道床結構結合部位的排水設計理念、設計措施工藝及方法，可以指導城市地鐵建設過程中的道床預保護工作，減少道床在運營期出現滲漏、滲漏水在軌道下部聚集引起的軌道上臺現象，避免造成運營限速和嚴重狀態下的運營安全事故，具有較強的應用價值和顯著的社會效應。根據后續試驗成果，可全國推廣應用，為城市軌道交通安全、運營及維護提供保障。