地鐵線路U型槽區段軌道設置鋼支墩的維修方案及其力學特性研究*

張婭敏

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢；2.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，430063，武漢∥高級工程師)

在城市軌道交通線路的隧道洞口處，通常設置連接地面線和地下線的U型槽敞口地段。為保證雨水隨線路坡度從地面線流入地下隧道的雨水泵房，在U型槽位置的整體道床處設置兩條橫向排水溝，形成截水溝處雙柱一體式整體道床。由于線路在服役過程中列車荷載長期作用等因素，導致部分截水溝處的整體道床出現與下部隧道結構垂向分層及水平位移現象，并造成軌道不平順從而影響乘車舒適度和列車的正常運行。當變形較為嚴重時，將會導致軌道幾何形位出現重大偏差，影響列車安全運行，因此及時對整體道床進行整治更換是非常必要的。

針對目前常用的整體道床無砟軌道結構，國內外學者對其常見病害類型進行了歸納總結，主要有道床板裂紋、掉塊、上拱和基礎變形等，并提出了針對更換道床的修復方法[1-5]。在以上修復方法中，現澆混凝土的養護需要一定時間，而地鐵運行的天窗時間短，無法實現封閉路線進行集中整治。因此，現有的維修方法難以保證列車的正常運營。

本文參考高鐵動車段內的鋼支墩結構，針對城市軌道交通U型槽位置整體道床出現開裂分層的問題，提出設置鋼支墩結構的臨時支承維修方案，并通過建立有限元模型對列車靜荷載和動荷載作用下，鋼支墩的受力變形情況和軌道結構的動力響應結果進行分析，從而使其滿足在道床整治更換期間列車正常運營行車的條件。本文研究可為地鐵線路U型槽地段軌道結構類似病害的整治提供借鑒與參考。

1 鋼支墩設計

圖1 U型槽敞口段設計圖Fig.1 Design drawing of U-shaped groove open section

U型槽寬度為4.9 m，高度為4.4 m，其中，雨水泵房寬度為4.0 m，高度為4.0 m。U形槽地段軌道結構高度設計值為560 mm，考慮到施工誤差及后期精調需要，鋼支墩組裝完成后的高度為630 mm。在對U型槽位置立柱式整體道床進行整治時，為保證整治期間列車的安全平穩運行，在立柱式整體道床兩側各增加一排鋼支墩結構，由于U型槽位置寬度為1 500 mm，結合原道床寬度450 mm，確定鋼支墩間距為1 000 mm。剩余鋼支墩與排水溝之間的高度由聚合物混凝土材料填充，如圖1所示。

鋼支墩材料為Q235鋼，使用鋼型材和鋼板焊接而成，下部通過錨桿與聚合物混凝土材料(通過鋼筋錨入150 mm)，上部通過調高墊板調整至設計高度后，安裝單趾彈條扣件系統，然后通過高強度螺柱和大六角螺母將扣件系統與支墩牢固連接，其設計圖如圖2所示。

圖2 鋼支墩結構設計圖Fig.2 Design drawing of steel abutment structure

2 力學分析

2.1 靜力分析

為研究鋼支墩結構的受力特性，通過有限元軟件，采用實體單元對鋼支墩進行模擬，不考慮鋼支墩自身錯動，有限元模型如圖3所示。鋼支墩采用線彈性模型進行模擬，其材料參數如表1所示。

圖3 鋼支墩有限元模型Fig.3 Finite element model of steel abutment

表1 鋼支墩有限元模型材料參數

列車軸重為14 t，設列車動載系數為1.5。將鋼軌對鋼支墩的作用力等效為垂向力和橫向力，分別為105 kN和84 kN，并將其換算為均布荷載施加至有限元模型。由鋼支墩有限元模型計算得到的垂向位移和等效應力云圖分別如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知：在列車荷載作用下，結構整體應力水平偏低，應力較高處位于鋼支墩下部與底板連接處，其值為82.10 MPa，遠小于Q235鋼的屈服強度235 MPa；最大垂向位移為0.16 mm，位于鋼軌底部的鋼支墩頂板處，均滿足使用要求。

圖4 鋼支墩垂向位移云圖Fig.4 Nephogram of vertical displacement of steel abutment

圖5 鋼支墩等效應力云圖Fig.5 Nephogram of equivalent stress of steel abutment

2.2 動力學分析

基于動力學仿真軟件將下部基礎進行剛度換算，建立車輛-軌道耦合動力學模型，如圖6所示。計算得到鋼軌位移時程曲線，然后將其作為荷載激勵導入三維有限元模型，采用動力隱式算法[6]獲得在列車動荷載作用下，鋼支墩軌道結構的動力響應結果。為確保計算結果準確，除扣件采用彈簧單元模擬外，其余部件均采用實體單元模擬，主要參數如表2所示。

圖6 車輛-軌道耦合動力學模型Fig.6 Vehicle-track coupling dynamic model

表2 軌道結構計算參數Tab.2 Calculation parameters of track structure

圖7 軌道結構有限元模型Fig.7 Finite element model of track structure

所建立的三維有限元模型如圖7所示。基于以上模型，根據現場運營情況，列車在經過U型槽地段時速度為25 km/h，同時結合線路設計時速80 km/h，分別計算當速度為80 km/h和25 km/h時的軌道結構動力響應結果，如圖8～11所示。

圖8 鋼軌垂向加速度時程圖Fig.8 Time-history diagram of rail vertical acceleration

圖9 軌道結構垂向位移時程圖

圖10 鋼支墩等效應力時程圖

由圖8和圖9可知，當列車運行速度分別為80 km/h和25 km/h時，鋼軌垂向加速度最大值分別為76.25 m/s2和5.88 m/s2。由于軌道結構垂向位移主要與軌道結構剛度有關，所以當列車速度變化時，軌道結構垂向位移變化較小，鋼軌、鋼支墩和底座的垂向位移最大值分別為0.53 mm、0.08 mm和0.03 mm，均滿足軌道平順性的要求。

圖11 底座最大主應力時程圖

由圖10和圖11可知，當列車運行速度分別為80 km/h和25 km/h時，鋼支墩等效應力最大值分別為23.24 MPa和23.22 MPa，相差較小，且遠小于Q235鋼的屈服強度235.00 MPa；混凝土底座的主應力最大值分別為0.68 MPa和0.47 MPa，均小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71MPa。

3 施工流程

在對發生分層及位移病害的截水溝處整體道床進行拆除置換的過程中，將雙柱一體式整體道床范圍內的道床板全部破除，重新澆筑道床并安裝軌枕和扣件。根據既有線改造特點，采用“軌頂標高確定、鋼支墩安裝、道床板鑿除、道床板澆筑”的施工方法，主要施工流程如下：

1) 施工前應對施工線路進行現場測量，確定軌頂設計標高后,把既有基標控制樁引測到線路的兩側隧道壁上，作為施工的控制點。

2) 排水槽內清理干凈后，將鋼支墩與鋼軌間采用扣件聯接，鋼支墩通過錨桿與現場澆筑的聚合物混凝土底座進行連接，如圖12所示。

圖12 鋼支墩結構設計示意圖Fig.12 Schematic diagram of steel abutment structure design

3) 將立柱式整體道床置換范圍兩側各10 m范圍內的扣件復緊，然后將中間位置道床板鑿除，取出軌枕。

4) 將隧道仰拱回填層表面鑿毛，然后對其混凝土碎片沖洗干凈，并在仰拱上采取植筋措施。

5) 在鑿除后的立柱式整體道床位置鋪設縱橫向鋼筋，然后在兩側支立模板。同時，對鋼軌和軌枕進行精調，采用聚合物混凝土澆筑道床板混凝土，灌注之后立即對軌道幾何形位進行檢查并及時調整。

6) 在立柱式整體道床澆筑達到設計強度并完成軌道精調后，拆除鋼支墩及其下方底座。

4 結語

針對城市軌道交通U型槽位置整體道床出現開裂分層的問題，提出設置臨時支承的鋼支墩結構維修方案，并通過建立有限元模型對列車靜荷載和動荷載作用下，鋼支墩的受力變形情況和軌道結構動力響應結果進行分析，主要獲得以下結論：

1) 通過對鋼支墩進行靜力分析發現，在最不利荷載作用下，鋼支墩結構最大應力為82.10 MPa，最大垂向位移為0.16 mm。整體應力水平較低，變形較小，均滿足正常使用要求。

2) 通過對鋼支墩進行動力分析發現，當列車運行速度分別為80 km/h和25 km/h時，鋼軌垂向加速度最大值分別為76.25 m/s2和5.88 m/s2，鋼軌、鋼支墩和底座的垂向位移最大值分別為0.53 mm、0.08 mm和0.03 mm，均滿足軌道平順性的要求。

3) 鋼支墩等效應力最大值分別為23.24 MPa和23.22 MPa，遠小于Q235鋼的屈服強度235.00 MPa；混凝土底座的主應力最大值分別為0.68 MPa和0.47 MPa，均小于C40混凝土抗拉強度設計值1.71 MPa，鋼支墩和底座的受力均滿足使用要求。

4) 該維修方法施工作業過程簡單，無需進行鋼軌切割和拆卸作業，減少了維修期間對既有線路條件及軌道設備的干擾，同時為道床的養護提供了充足時間，保障了列車的正常運營。