陳睿穎

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，200092，上海//工程師）

地鐵隧道內(nèi)超薄型無砟軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計與試驗

陳睿穎

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，200092，上海//工程師）

有時地鐵軌道結(jié)構(gòu)高度無法滿足正常要求，故需設(shè)計超薄型軌道結(jié)構(gòu)。經(jīng)分析，選擇無枕式整體道床方案更佳。結(jié)合其他薄型軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采用了植筋、選用復(fù)合纖維混凝土等輔助措施，實現(xiàn)了超薄型軌道結(jié)構(gòu)的可實施性。為了驗證荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的承載能力，用4 800 mm長的軌道板進行靜載強度試驗，用3 600 mm長的軌道板進行疲勞加載試驗。試驗結(jié)果表明，在1.5倍列車軸重條件下，軌道板強度的各項指標符合設(shè)計要求。

地鐵；超薄型整體道床；軌道結(jié)構(gòu)高度

在我國城市軌道交通項目建設(shè)過程中，由于存在施工偏差及預(yù)留工程限制，混凝土整體道床厚度多難以滿足正常厚度要求，需減薄道床。例如,上海浦東國際機場捷運T2航站樓指廊范圍內(nèi)預(yù)留的區(qū)間結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空高為4.5 m，寬為8.6 m，經(jīng)測算，其軌道結(jié)構(gòu)高度僅有360 mm的空間，小于GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的560 mm，且該區(qū)段長度較長（約為620 m）。為保證列車通行限界的安全需要，需對既有段的軌道結(jié)構(gòu)進行專項設(shè)計，并進行實驗室靜載試驗和疲勞試驗，以保證超薄型軌道結(jié)構(gòu)的安全運行。

1 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

1.1 道床方案比選

經(jīng)計算，360 mm高薄型軌道結(jié)構(gòu)對應(yīng)的整體道床厚度僅為120～132 mm。相應(yīng)的整體道床方案有2個。

方案一為無枕式整體道床。該結(jié)構(gòu)建筑高度小，可配合帶軌底坡、低高度的特殊扣件使用。施工時，先鑿毛既有結(jié)構(gòu)底板，將鋼軌、扣件按照設(shè)計標高固定好后，整體澆筑道床。道床采用C40混凝土，厚度為120～132 mm，寬度為2 400 mm（如圖1所示）。

方案二為特殊短軌枕式整體道床（如圖2所示）。特殊短軌枕采用C50混凝土預(yù)制。由于高度受限，短軌枕高度采用100 mm，固定扣件用的絕緣套管預(yù)埋在短軌枕中，套管底部局部露出短軌枕。道床采用C40混凝土。軌枕露出道床面高度不小于10 mm。

可見，與方案一相比，方案二不僅多了二次澆筑混凝土接觸面，而且軌枕下道床厚度較小，混凝土澆筑不易搗固，施工質(zhì)量不易保證。故本工程擬采用方案一。

1.2 薄型軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計及輔助措施

鋼軌選用60 kg/m鋼軌；扣件需具備一定的減振性能，能實現(xiàn)軌底坡，且組裝高度較?。ā?1.4 mm）。道床鋼筋加強、加密布置，采用C40混凝土，并在道床2.400 m寬度以外部分也用C40混凝土滿鋪。為增加混凝土二次澆注的粘結(jié)力，施工時對結(jié)構(gòu)底板進行鑿毛處理。

圖1 無枕式整體道床斷面示意圖

圖2 特殊短軌枕式整體道床斷面示意圖

為了保證超薄型道床與既有結(jié)構(gòu)的整體性，還采取了植筋及復(fù)合纖維等輔助措施：

（1）植筋：由于軌道結(jié)構(gòu)厚度不足，為增強結(jié)構(gòu)整體性，故采用植筋手段連接道床和結(jié)構(gòu)底板。植筋進入底板的長度約為280 mm，采用φ14 mm鋼筋。植筋位置應(yīng)盡量避開原結(jié)構(gòu)底板鋼筋位置以免破壞原結(jié)構(gòu)鋼筋，并采用絕緣膠防止雜散電流進入主體結(jié)構(gòu)。

（2）復(fù)合纖維混凝土：為了提高混凝土抗裂能力，也為了減少雜散電流的不利影響，道床混凝土采用絕緣性能較好的復(fù)合纖維混凝土。

2 軌道結(jié)構(gòu)試驗

2.1 試驗?zāi)康募皟?nèi)容

目前超薄型無砟軌道結(jié)構(gòu)在地鐵工程中尚未長區(qū)段應(yīng)用，故有必要對超薄型無枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)的強度和疲勞性能進行室內(nèi)測試；通過試驗驗證理論計算及設(shè)計的合理性及安全性，為超薄型無枕式整體道床軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。

考慮試驗場地條件，試件按照實際尺寸共制作兩塊。一塊試件用于做靜載試驗，長4 800 mm；一塊試件用于做疲勞試驗，長3 600 mm。試件道床板厚132 mm，寬2 400 mm；彈性模量為3.25×104MPa，軸心抗壓強度標準值為26.80 MPa，軸心抗拉強度標準值為2.40 MPa（不考慮材料折減系數(shù)）。

靜載試驗時，在2個加載位置和板中間3個斷面設(shè)置應(yīng)力測試點（見圖3）。除了測試板面混凝土的拉壓應(yīng)力外，還要測試板底及側(cè)面的縱向應(yīng)力。試驗采用雙軸加載，加載間距按地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸距取2.5 m設(shè)置。2個千斤頂分別頂在2道分配梁上同時加載。試驗荷載（單個千斤頂）分別為1倍、2倍和3倍軸重（即160 kN、320 kN和480 kN）。加載過程中若試件出現(xiàn)裂縫，則在5次加載之后繼續(xù)增大荷載，以觀察裂縫發(fā)展情況。每次荷載作用下，將各測點的應(yīng)力與混凝土的設(shè)計允許應(yīng)力值進行對比；若低于設(shè)計值，則是安全的，否則需要采取加強措施。

疲勞試驗采用單軸荷載。荷載作用在板跨中，大小為30～180 kN，荷載循環(huán)300萬次。加載結(jié)束后，以作用位置前后1 m范圍內(nèi)是否出現(xiàn)裂紋作為道床板耐久性的評判標準。

2.2 靜載試驗

2.2.1 各測點應(yīng)力分析

測試時試件板東西向放置，板底側(cè)邊分別對應(yīng)南側(cè)與北側(cè)。測得應(yīng)變后，計算得到各級荷載作用下各點的應(yīng)力值。

荷載從0加載到960 kN時，道床板板底側(cè)邊的縱向應(yīng)力見圖4，道床板板底側(cè)邊的垂向應(yīng)力見圖5，道床板板面的縱向及橫向應(yīng)力分別見圖6～7。較小，拉壓狀態(tài)跟位置有關(guān)。

圖3 道床板試件的應(yīng)力測點及加載位置

圖4 道床板板底側(cè)邊縱向應(yīng)力

圖5 道床板側(cè)邊垂向應(yīng)力

圖6 道床板板面橫向應(yīng)力

圖7 道床板板面縱向應(yīng)力

由圖6可知，當荷載從0增加到960 kN時，道床板各板面測點均處于橫向受壓狀態(tài)，混凝土橫向應(yīng)力基本隨荷載的增加而呈線性增加，斷面3的橫向應(yīng)力較大；當荷載為960 kN時，斷面3的壓應(yīng)力為1.48 MPa，遠小于混凝土軸心抗壓強度標準值26.80 MPa。

由圖7可知，道床板板面各測點均處于縱向受拉狀態(tài)；當荷載小于640 kN時混凝土縱向應(yīng)力基本隨荷載的增加而線性增加；荷載為960 kN時最大板面拉應(yīng)力為1.91 MPa，小于混凝土軸心抗拉強度標準值2.40 MPa。

2.2.2 軌道板裂紋發(fā)展情況分析

圖8為加載過程中軌道板裂縫的分布情況。當加載到480 kN時，軌道板加載梁中間斷面（斷面3）開始出現(xiàn)裂縫；多次循環(huán)加載后，裂縫長度和裂縫寬度均沒有擴展。當荷載大于640 kN時，裂縫數(shù)量增多、裂縫寬度增大，軌道板板側(cè)和頂面均有裂縫出現(xiàn)，且裂縫擴展方向為由板頂向下或由板邊向內(nèi)。當荷載為960 kN時，最大裂縫寬度為0.15 mm。

2.3 軌道板疲勞試驗及扣件錨固螺栓抗拔試驗

疲勞試驗用軌道板板長3 600 mm。試驗單軸荷載為30～180 kN，作用于跨中處。荷載作用頻率為3.5 Hz，疲勞荷載作用次數(shù)為300萬次。試驗結(jié)束后對板面及板周邊進行詳細檢查，無裂紋出現(xiàn)。

由于軌道板較薄，且螺栓套管的錨固長度較短，故試驗時采用鐵路錨固螺栓抗拔儀，選擇試驗軌道板的3個錨固螺栓套管進行抗拔試驗。試驗共拔了3個螺栓。每個螺栓的抗拔力都達到了80 kN，而且套管周圍混凝土無開裂現(xiàn)象，拔后套管狀態(tài)良好?？梢姡奂^固螺栓抗拔性能滿足地鐵相關(guān)規(guī)范要求。

由圖4可知，道床板底側(cè)邊各測點均處于縱向受拉狀態(tài)。當荷載小于480 kN（3倍軸重）時，混凝土縱向應(yīng)力基本隨荷載的增加呈線性增加。加載梁中間斷面（斷面3）板側(cè)的縱向拉應(yīng)力始終大于其它兩個斷面。當荷載為160 kN時，斷面3南側(cè)測點的縱向拉應(yīng)力達2.39 MPa，非常接近C40混凝土的軸心抗拉強度標準值2.40 MPa；其它測點的側(cè)邊縱向應(yīng)力始終小于混凝土軸心抗拉強度標準值。

由圖5可知，道床板側(cè)邊各測點的垂向應(yīng)力均

3 結(jié)論

浦東機場捷運項目T2既有段存在軌道結(jié)構(gòu)高度不足的情況。對此設(shè)計了超薄型軌道結(jié)構(gòu)，確定了軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過方案比選選擇了無枕式整體道床，并采取了植筋及使用復(fù)合纖維混凝土等輔助措施。

經(jīng)過對該超薄型無枕式整體軌道結(jié)構(gòu)進行靜載和疲勞試驗，得出以下結(jié)論：

（1）本工程設(shè)計的超薄型無枕式整體道床的相關(guān)指標滿足規(guī)范要求，具有可行性和可靠性。

圖8 加載過程中軌道板裂縫分布情況

（2）由于本次試驗的道床板為在其他場地澆筑，并運至實驗室試驗的，故試驗軌道板底座基面與試驗臺之間不可避免地會出現(xiàn)貼合緊密或縫隙較大的情況，導(dǎo)致道床板受力情況較為復(fù)雜。實際施工時，道床板會直接澆筑在隧道結(jié)構(gòu)底板上。正常施工質(zhì)量下兩者之間不存在縫隙。可見，此次靜載強度試驗中軌道板的受力情況更為不利?，F(xiàn)場澆筑超薄型軌道板時，板底與基礎(chǔ)的接觸及基礎(chǔ)的穩(wěn)定均是保證超薄型軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

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Design and Experimental Study of Ultra-thin Ballastless Track Structure in Metro Tunnel

CHEN Ruiying

Since the tunnel track structure height cannot meet the normal requirements,the design of ultra-thin track structure is required,and the ballastless track is considered to be the best one.Combined with other designs of thin track structure,supplementary measures like the composite fiber concrete and so on are adopted to make feasible implementation of the ultra-thin track structure.To verify the effectofload bearing capacity ofthe track structure，experimental studies are carried out,including static load strength test with 4 800 mm long slab and fatigue loading test with 3 600 mm long slab.The results show that under the condition of 1.5 times train axle load，the indicators of the strength of the track plate could meet the design requirements.

metro；ultra-thin ballastless track；height of track structure

Author′s address Shanghai Municipal Engineering Design Institute（Group）Co.，Ltd.，200092，Shanghai，China

U213.2+1

10.16037/j.1007-869x.2017.12.020

2017-03-22）