王羽杰 董光輝

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300000)

1 概述

城市軌道交通地下線區(qū)間排水設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，與軌道專業(yè)設(shè)計(jì)接口較多。通常情況下，排水專業(yè)設(shè)計(jì)會(huì)要求將區(qū)間廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道合建，在線路最低點(diǎn)處設(shè)置泵房，將上游軌道道床排水溝中的廢水收集到泵房集水井后進(jìn)而排出。但當(dāng)區(qū)間長(zhǎng)度不大于600 m或聯(lián)絡(luò)通道處土建施工風(fēng)險(xiǎn)較大等特殊情況下，會(huì)取消聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)置，同時(shí)取消泵房。北京、天津及寧波等城市地鐵在地下線個(gè)別區(qū)間取消了聯(lián)絡(luò)通道和泵房，規(guī)避了土建施工作業(yè)的高風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和排水方案提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，須做特殊方案設(shè)計(jì)，以滿足區(qū)間排水、消除水患的要求。

2 工程概況

天津地鐵5號(hào)線呈南北走向，北起北辰區(qū)雙街，南至西青區(qū)梨園頭，為中心城區(qū)東南半環(huán)的外部填充線。正線全長(zhǎng)34.685 km，其中地下線為34.026 km，地面線為0.399 km，U型槽0.260 km。共設(shè)28座車站，其中地下站27座，地面站1座，在雙街和梨園頭分別設(shè)停車場(chǎng)和車輛段各1座。

天津賓館—腫瘤醫(yī)院區(qū)間位于市區(qū)繁華地段，起訖里程為K26+510～K27+440，長(zhǎng)度0.930 km，與6號(hào)線并行。線路左、右線上下重疊，側(cè)穿育水南里、賓水里等居民小區(qū)。根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告要求，該區(qū)間均采用了鋼彈簧浮置板減振道床。

區(qū)間線路縱坡呈“V”形設(shè)計(jì)，設(shè)最低點(diǎn)一處。左線區(qū)間最低點(diǎn)里程為K26+698，見(jiàn)圖1；右線區(qū)間最低點(diǎn)里程為K27+126。左線最低點(diǎn)兩側(cè)坡度為16.6‰，25.4‰ ，豎曲線半徑為5 000 m。右線最低點(diǎn)兩側(cè)坡度為25.0‰，15.8‰ ，豎曲線半徑為5 000 m。

天津賓館—腫瘤醫(yī)院區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，線路上下重疊，與6號(hào)線并行，聯(lián)絡(luò)通道和泵房施工風(fēng)險(xiǎn)較高，且冷凍法施工工期較長(zhǎng)。綜合考慮以上因素，并通過(guò)專家論證后，決定在線路最低點(diǎn)處取消聯(lián)絡(luò)通道和泵房的設(shè)置。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天津賓館—腫瘤醫(yī)院區(qū)間根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告要求，采用鋼彈簧浮置板減振道床，軌道結(jié)構(gòu)高度940 mm(至管片)，軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

鋼軌：60 kg/m，U75V材質(zhì)；

軌枕：預(yù)制薄型短軌枕；

扣件：ZX-2型扣件；

道床：固體阻尼鋼彈簧浮置板整體道床。

鋼彈簧浮置板道床采用C40混凝土、現(xiàn)澆單元板設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)板長(zhǎng)度25 m、厚度340 mm，板縫寬度30 mm。采用內(nèi)置式剪力鉸聯(lián)接，內(nèi)置式隔振器采用2-3-2布置。浮置板軌道結(jié)構(gòu)固有頻率8.5 Hz，減振效果15 dB。

3.2 軌道特殊排水設(shè)計(jì)方案

3.2.1排水方案研究

區(qū)間最低點(diǎn)兩側(cè)為鋼彈簧浮置板整體道床，采用重力流、中心水溝排水設(shè)計(jì)，水溝深度740 mm(至軌面)、寬度350 mm。

左線最低點(diǎn)位于單元板Z8范圍，右線最低點(diǎn)位于單元板Y-25范圍。根據(jù)給排水專業(yè)設(shè)計(jì)提資要求：

1)軌道設(shè)計(jì)需預(yù)留排水泵安裝和檢修條件；

2)道床集水坑有效容積不小于排水泵15 min～20 min的抽水量[1]。

根據(jù)給排水設(shè)計(jì)接口要求及浮置板道床設(shè)計(jì)特點(diǎn)，同時(shí)采取板上和板下結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。板上按照滿足排水泵安裝檢修條件，設(shè)長(zhǎng)600 mm(縱向)×寬500 mm(橫向)的長(zhǎng)孔7個(gè)，間距600 mm。板下基底道床按照抽水量，將最低點(diǎn)兩側(cè)16 m范圍的中心水溝寬度增加至700 mm、深度增加至840 mm(至軌面),作為道床集水坑使用,見(jiàn)圖2。

上述道床排水設(shè)計(jì)方案獲得給排水設(shè)計(jì)同意。

3.2.2道床受力檢算

由于該區(qū)間為特殊減振地段，軌道設(shè)計(jì)方案需同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)安全和減振達(dá)標(biāo)兩個(gè)條件。首先計(jì)算結(jié)構(gòu)安全，分浮置板道床和基底道床兩部分。

1)浮置板道床開(kāi)孔后受力檢算。

采用有限元建立模型(見(jiàn)圖3)，進(jìn)行浮置板應(yīng)力和裂縫計(jì)算。計(jì)算參數(shù)：B型車(6輛編組)軸重14 t；設(shè)計(jì)最高速度80 km/h；動(dòng)荷載系數(shù)為2.0。浮置板道床：C40混凝土、HRB400鋼筋。

經(jīng)計(jì)算分析，車輛車輪行駛在開(kāi)孔的兩端時(shí)，浮置板開(kāi)孔部分受到的彎矩最大，最大值為161 kN·m ；車輛車輪行駛在開(kāi)孔部分時(shí)，浮置板開(kāi)孔部分受到的剪力最大，最大值為168 kN。

a.驗(yàn)算應(yīng)力。

根據(jù)《橋規(guī)》5.1.3，C40混凝土?xí)r候n取8。

故x的二次方程式為：x2+193.27x-32 854.93=0?x=108.78 mm。

求內(nèi)力偶臂：

內(nèi)力偶臂長(zhǎng)：

Z=h0-x+y=233.46 mm。

鋼筋受拉應(yīng)力：

混凝土中的最大壓應(yīng)力：

受壓鋼筋中的應(yīng)力：

經(jīng)過(guò)以上檢驗(yàn)，鋼筋及混凝土受力均滿足要求。

b.中性軸處剪應(yīng)力計(jì)算。

c.計(jì)算裂縫寬度。

《橋規(guī)》中規(guī)定可以用下式檢驗(yàn)鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂寬度：

其中，K1=0.8，K2=1.3，r=1.2。

受拉鋼筋的有效配筋率：

滿足要求。

2)基底道床受力檢算。

隧道壁C50彈性模量3.45×1010N/m2，浮置板和基底混凝土C40彈性模量3.25×1010N/m2，混凝土泊松比取0.2(取自規(guī)范GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)。為減小因邊界產(chǎn)生的反射波的影響，隧道邊界采用彈簧模擬，剛度2×105N/m。

水溝下部混凝土厚度100 m，此時(shí)水溝深度224 mm(至軌面840 mm)。水溝底部，最大應(yīng)力為758 kPa，位于水溝底部?jī)蓚?cè)，見(jiàn)圖4。

理論計(jì)算結(jié)果0.758 MPa小于混凝土受拉強(qiáng)度1.7 MPa，且滿足規(guī)范CJJ8/T 191—2012浮置板軌道技術(shù)規(guī)范中條文解釋第34頁(yè)，條文3.3.4中“基底除受力要求外，還需考慮排水要求，通常的排水溝深度不宜小于100 mm，且溝底的混凝土厚度不應(yīng)小于100 mm”的要求。

3)減振性能計(jì)算。

分別建立浮置板—隧道模型和整體道床—隧道模型。施加列車荷載，分析在不同頻率時(shí)不同軌道結(jié)構(gòu)隧道壁振動(dòng)加速度級(jí)。根據(jù)計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度計(jì)算公式(1)計(jì)算浮置板相對(duì)整體道床的Z振級(jí)減少量，如表1所示。

計(jì)權(quán)振動(dòng)加速度計(jì)算公式：

(1)

其中，VL為振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)，dB；Li為每個(gè)頻帶的振動(dòng)加速度級(jí)，dB；ai為各個(gè)頻帶的計(jì)權(quán)因子，dB。

表1 各類區(qū)域Z振級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值

由表1可知，在列車通過(guò)時(shí)理論計(jì)算情況下，所設(shè)計(jì)的鋼彈簧浮置板相對(duì)于普通整體道床振動(dòng)加速度級(jí)減少量為19.97 dB，采用HJ 453—2008環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則[2]標(biāo)準(zhǔn)計(jì)權(quán)，Z振級(jí)理論減少量為15.7 dB，減振效果滿足設(shè)計(jì)和環(huán)評(píng)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通工程的日益發(fā)展，地下線短區(qū)間和復(fù)雜地質(zhì)施工風(fēng)險(xiǎn)大的情況也會(huì)逐漸增加，除天津地鐵外，北京、寧波等城市地鐵也在個(gè)別區(qū)間取消了聯(lián)絡(luò)通道和廢水泵房。本文中的道床排水設(shè)計(jì)特殊點(diǎn)在于區(qū)間最低點(diǎn)位于鋼彈簧浮置板減振道床，采用中心暗溝排水，方案既要保證列車通過(guò)時(shí)的軌道結(jié)構(gòu)安全性，又要保證浮置板開(kāi)孔后的減振效果，同時(shí)還得滿足運(yùn)營(yíng)后的水泵檢修。其他城市地鐵地下線區(qū)間無(wú)泵房處道床排水設(shè)計(jì)可根據(jù)工程實(shí)際情況，綜合比選后參考設(shè)計(jì)。