李 昕，楊明輝，張沐然，王紹華，韋 凱

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031)

近年來，隨著我國城市軌道交通的迅速發(fā)展，無砟軌道的結(jié)構(gòu)形式得到了快速發(fā)展。作為無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一的單元板式軌道，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、施工與維護方便等特點，在我國鋪設(shè)里程較長[1-2]。為了適應(yīng)軟土地區(qū)城市軌道交通的快速發(fā)展，保證行車安全，亟需研究適用于地鐵大沉降地段易修復(fù)的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，其對工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義和價值。

目前，在引進(jìn)、消化吸收國外無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我國初步建立了高速鐵路無砟軌道設(shè)計、計算理論，并確定了雙塊式、CRTS I型板式、CRTS II型板式和新型單元板式四種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式[3]。以上研究主要為高鐵線路無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，適用于地鐵的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式尚沒有統(tǒng)一規(guī)范。由于高速鐵路與地鐵線路所處的環(huán)境不同，并考慮到線路等級、成本等因素，可否直接采用或借鑒高速鐵路線路的結(jié)構(gòu)形式有待考證，且對于軟土地區(qū)發(fā)生沉降后適用于城市軌道交通天窗時間短、空間有限等特點的修復(fù)方法有待研究，因此有必要研究一種易維修、適用于沿海地區(qū)大沉降地段的軌道結(jié)構(gòu)及其修復(fù)方案。其中，楊明輝[4]總結(jié)了6種適用于城市軌道交通軟土地區(qū)發(fā)生沉降后的修復(fù)方案，認(rèn)為扣件調(diào)整方案，施工時間最短，一次性投入的成本最少，但其調(diào)整量有限，不大于30 mm。當(dāng)基礎(chǔ)變形超出扣件調(diào)整量時針對調(diào)整道床高程的修復(fù)方法，主要有路基注漿、基床表層注漿和砂漿層厚度調(diào)整等[5-6]，其中調(diào)整砂漿層厚度的修復(fù)方法因其施工簡便、精度高的特點，可滿足無砟軌道高平順性的要求。該方法主要有灌注快硬水泥砂漿等方式，在灌注填充材料前需拆除扣件系統(tǒng)，通過特定裝置將軌道板抬升至目標(biāo)高度，操作要求較高[4-6]。由于以上處理方案受地鐵天窗時間等的限制存在不足之處，有必要研究一種易于維修的修復(fù)方案?；谏鲜霾蛔?，陳醉[7]提出灌注快硬高強度材料的注漿方法抬升軌道板。當(dāng)軌道板抬升到位后，灌注的漿料在板底形成永久支撐，再填注快速修復(fù)砂漿，達(dá)到對軌道板快速抬升修復(fù)的目的。

鑒于此，本文提出2種適應(yīng)于地鐵大沉降地段易修復(fù)板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，建立了易修復(fù)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的非線性有限元模型，分析其在直、曲線段的承載能力，并在此基礎(chǔ)上考慮在大沉降地段為保持正常的幾何形位而填充結(jié)構(gòu)層后結(jié)構(gòu)的適用性，以期為今后適用于沉降地段的板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計提供新思路。

1 易修復(fù)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

易修復(fù)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由軌道板、限位凸臺和混凝土基座等幾部分組成。其中，混凝土基座上每間隔一定距離布置凸型擋臺對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平限位，且作為無砟軌道鋪設(shè)和整正時的測量基準(zhǔn)點。板式無砟軌道結(jié)構(gòu)水平力的傳遞方式與傳統(tǒng)軌道不同，對于填充結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)，主要是通過凸形擋臺的彎曲變形和填充層的剪切變形來承受[8]。對于有限位結(jié)構(gòu)的無砟軌道形式，趙磊[9]通過研究梁端限位凸臺傷損破壞過程，指出限位凸臺是無砟軌道結(jié)構(gòu)受力的薄弱環(huán)節(jié)，主要功能是限制軌道板的水平位移，承受水平荷載。因此有必要對板式無砟軌道限位結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力分析。

本文主要介紹2種適用于某區(qū)間圓形隧道可調(diào)道床墊浮置板板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。軌面至隧道底部的距離為860 mm，采用DTⅥ2-1型扣件及薄型短軌枕，扣件高度40 mm，以4.8 m標(biāo)準(zhǔn)道床塊(軌道板長4.7 m，板與板之間設(shè)置板縫寬為100 mm)為例示意。

軌道板尺寸為4 700 mm×2 500 mm×374 mm(長×寬×厚)，為開口型設(shè)計，中部開口尺寸3 140 mm×400 mm(長×寬)，四個角做100 mm×100 mm倒角處理。開口上部預(yù)留3 300 mm×560 mm×25 mm(長×寬×厚)蓋板槽用于安裝蓋板。

為實現(xiàn)道床板的順利頂起，在每塊道床板預(yù)埋4個頂升預(yù)埋件，頂升預(yù)埋件的設(shè)置便于后期維護施工，待隧道沉降穩(wěn)定后，將道床板頂起至設(shè)計高度，道床板與基座間空隙采用樹脂砂漿或聚合物水泥砂漿填充。

方案1每塊軌道板設(shè)置4處限位凸臺，凸臺凸向道床板，凸臺高130 mm，凸臺底面尺寸400 mm×350 mm，頂面尺寸400 mm×330 mm，如圖1(a)所示；為減少限位結(jié)構(gòu)個數(shù)且方便抬升后對準(zhǔn)軌道板，提出方案2為每塊軌道板設(shè)置2處限位凸臺，如圖1(b)所示，凸臺凸向道床板，限位結(jié)構(gòu)尺寸同方案1。

圖1 軌道板平面布置(單位：mm)

2 仿真模型建立與參數(shù)選定

板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、軌道板、限位凸臺和底座板組成，利用Workbench有限元軟件分別建立2種方案的三維空間模型，并以限位結(jié)構(gòu)為主要研究對象進(jìn)行安全性分析。

2.1 軌道結(jié)構(gòu)模型采用單元

為了有效正確地分析軌道結(jié)構(gòu)的受力，避免邊界效應(yīng)建立3塊軌道板模型，研究中間一塊板的受力情況。易修復(fù)板式無砟軌道有限元模型采用單元如下：

(1)鋼軌采用有限應(yīng)變點支撐梁Beam188單元進(jìn)行模擬；

(2)扣件等效成彈性元件，用彈簧單元Combin14進(jìn)行模擬；

(3)軌道板、限位凸臺和底座板按照實際尺寸采用三維實體單元Solid187進(jìn)行模擬；

3.具有較強的實效性。輔導(dǎo)員可以將就業(yè)指導(dǎo)工作融入學(xué)生日常教育管理之中，這樣會有較強的實效性。具體方法有：一是利用主題討論、經(jīng)驗交流等形式，給學(xué)生介紹往屆畢業(yè)生的就業(yè)去向、政策和形勢；二是引導(dǎo)學(xué)生積極參與文體活動、科技競賽、社會實踐、就業(yè)實習(xí)等，增強他們的就業(yè)競爭力；三是建立學(xué)生就業(yè)檔案，及時了解學(xué)生就業(yè)后的心態(tài)和需求，盡可能地提供相應(yīng)幫助。

(4)軌道板和底座板之間采用接觸單元Conta174和目標(biāo)單元Targe170，以此模擬軌道板和底座板之間的滑移和摩擦，摩擦系數(shù)取0.7。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)模型參數(shù)和荷載取值

本文模型中計算參數(shù)結(jié)合文獻(xiàn)[10]和GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》等確定，具體量值如表1所示。

以地鐵B型車為例，計算荷載參數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)[11]中相關(guān)參數(shù)，地鐵B型車軸重120 kN，固定軸距為2.3 m，考慮軌道板結(jié)構(gòu)設(shè)計的最不利荷載，垂向荷載取為3倍靜輪重，即180 kN，橫向荷載取為0.8倍輪重，即48 kN[12]，經(jīng)過驗算發(fā)現(xiàn)荷載位于凸臺正上方時對限位結(jié)構(gòu)受力最為不利，2種方案有限元模型及加載位置如圖2所示。對于發(fā)生沉降后的結(jié)構(gòu)需考慮填充結(jié)構(gòu)層后對軌道結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行分析，其中填充層的厚度取為60 mm，彈性模量取為1 GPa[13-15]。

表1 軌道結(jié)構(gòu)模型計算參數(shù)

圖2 軌道板有限元模型加載示意

3 有限元計算及結(jié)果分析

3.1 計算工況

本文提出的2種無砟軌道結(jié)構(gòu)形式與以往的軌道結(jié)構(gòu)形式受力不同，2種結(jié)構(gòu)最主要的區(qū)別在于限位結(jié)構(gòu)不同，因此限位結(jié)構(gòu)作為薄弱環(huán)節(jié)成為設(shè)計的關(guān)鍵。

在直線地段，軌道結(jié)構(gòu)主要受到垂向列車荷載；在曲線地段，軌道結(jié)構(gòu)受橫向力和垂向力共同作用。由于2種方案限位方式不同，因此分別對2種方案直、曲線段有無填充層進(jìn)行安全性分析，具體計算工況見表2。

表2 計算工況

3.2 無填充時軌道結(jié)構(gòu)安全性分析3.2.1 直線段受力分析

在正常情況下，對2種方案在直線段的受力情況進(jìn)行安全性分析，其中基座的拉壓應(yīng)力云圖如圖3所示，基座的最大應(yīng)力及鋼軌最大位移如表3所示。

圖3 無填充時直線段底座應(yīng)力

表3 無填充時2種方案直線段受力情況

由圖3及表3可知，在直線段沒有填充結(jié)構(gòu)層時2種方案基座最大拉應(yīng)力分別為0.041，0.042 MPa，基座的最大壓應(yīng)力分別為0.329，0.306 MPa。在直線地段，軌道結(jié)構(gòu)主要受到垂向列車荷載，2種結(jié)構(gòu)在垂直方向受力相似。2種方案鋼軌最大位移分別為1.991，1.988 mm，可以得知2種結(jié)構(gòu)對鋼軌位移影響較小。

3.2.2 曲線段安全性分析

在正常情況下，對2種方案在曲線段的受力情況進(jìn)行安全性分析，限位結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力及鋼軌最大位移如表4所示。

圖4 無填充時曲線段限位結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由圖4及表4可知，在曲線段沒有填充層結(jié)構(gòu)層時，2種方案限位結(jié)構(gòu)所受拉壓應(yīng)力均在承載能力范圍內(nèi)，其中最大拉應(yīng)力分別為0.1，0.375 MPa，可以得知限位結(jié)構(gòu)對于承擔(dān)橫向力起到重要作用。2種方案鋼軌的最大位移分別為2.440，2.438 mm可以得知2種結(jié)構(gòu)對鋼軌位移影響較小。

表4 無填充時2種方案曲線段受力

3.3 填充后軌道結(jié)構(gòu)安全性分析3.3.1 直線段受力分析

在發(fā)生沉降進(jìn)行修復(fù)后，對2種方案在直線段的受力情況進(jìn)行安全性分析，其中填充層的等效應(yīng)力云圖如圖5所示，填充層、基座的最大應(yīng)力及鋼軌最大位移如表5所示。

圖5 填充后直線段填充層等效應(yīng)力

表5 填充后2種方案直線段受力

由圖5及表5可知，在直線段填充厚60 mm結(jié)構(gòu)層后，原來由基座承受的應(yīng)力現(xiàn)在由填充結(jié)構(gòu)層和基座共同承擔(dān)，分擔(dān)了傳至底座板的應(yīng)力，填充結(jié)構(gòu)層后對基座受力有利。2種方案基座最大拉應(yīng)力分別減小至0.024，0.037 MPa，最大壓應(yīng)力分別減小至0.178，0.176 MPa，填充層承受最大拉應(yīng)力分別為0.014，0.01 MPa，最大壓應(yīng)力分別為0.178，0.176 MPa，均在其可承受荷載范圍內(nèi)。2種方案鋼軌最大位移分別為1.994，1.992 mm，可以得知2種結(jié)構(gòu)對鋼軌位移影響較小。

3.3.2 曲線段受力分析

在發(fā)生沉降進(jìn)行修復(fù)后，對2種方案在曲線段的受力情況進(jìn)行安全性分析，其中限位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖6所示，填充層、限位結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力及鋼軌最大位移如表6所示。

圖6 填充后曲線段限位結(jié)構(gòu)應(yīng)力

表6 填充后2種方案曲線段受力

由圖6及表6可知，在曲線段填充結(jié)構(gòu)層后受力均增大，其中方案1最大拉應(yīng)力為0.174 MPa，方案2限位結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力0.65 MPa，所以說，填充結(jié)構(gòu)層后對結(jié)構(gòu)受力來說更為不利，成為結(jié)構(gòu)安全性檢算的關(guān)鍵。方案1、方案2填充層所受最大等效受力較小，分別為0.232，0.198 MPa，應(yīng)力均在填充層可承受范圍內(nèi)。2種方案鋼軌最大位移分別為2.593，2.792 mm，可以得知2種結(jié)構(gòu)對鋼軌位移影響較小。

3.4 限位結(jié)構(gòu)安全性分析

由于限位結(jié)構(gòu)主要承受水平力，為了進(jìn)一步探究限位方式對軌道結(jié)構(gòu)的影響，考慮在最不利情況下僅受橫向力作用時，對2種方案在填充后進(jìn)行受力分析更加突出2種方案的受力區(qū)別。其中限位結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖7所示，最大應(yīng)力如表7所示。

圖7 填充后僅受橫向力限位結(jié)構(gòu)受力

由圖7及表7可知，僅在橫向力作用下對2種方案考慮最不利情況進(jìn)行受力分析可知，填充60 mm厚結(jié)構(gòu)層后，方案1最大拉應(yīng)力為0.533 MPa，方案2最大拉應(yīng)力已超出限位結(jié)構(gòu)的承載能力1.71 MPa，說明限位結(jié)構(gòu)對于橫向力分擔(dān)的重要性。在需要進(jìn)行水平限位的軌道結(jié)構(gòu)中因重視限位結(jié)構(gòu)的設(shè)置，其對于保證軌道結(jié)構(gòu)的安全性具有重要的意義。

表7 填充后2種方案僅受橫向力時限位結(jié)構(gòu)受力 MPa

4 結(jié)論

在引進(jìn)、消化吸收國外無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了2種針對地鐵沉降地段的易修復(fù)板式無砟軌道形式，其主要區(qū)別在于限位結(jié)構(gòu)的不同，其中方案1為板下設(shè)置4處限位凸臺，方案2為板下設(shè)置2處限位凸臺。結(jié)論如下。

(1)針對富水軟土地區(qū)的城市軌道交通工程，本文的易修復(fù)板式無砟軌道采用中心排水溝，能更好地適應(yīng)現(xiàn)場實際環(huán)境的大流量排水需求，且軌道板中頂升預(yù)埋件結(jié)構(gòu)能夠在出現(xiàn)路基較大沉降后的地鐵天窗時間內(nèi)對其進(jìn)行快速填充修復(fù)，可有效提高施工維護效率。

(2)在正常無填充情況下，2種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案均能滿足軌道結(jié)構(gòu)安全設(shè)計要求。發(fā)生沉降進(jìn)行填充修復(fù)后，直、曲線段在列車荷載作用下對鋼軌位移影響較小，但曲線段處橫向荷載對限位結(jié)構(gòu)受力影響顯著增大。在相同大沉降填充條件下，從限位結(jié)構(gòu)受力方面來看，板下4凸臺方案明顯小于板下2凸臺方案。因此，限位結(jié)構(gòu)安全性檢算是填充修護軌道設(shè)計的關(guān)鍵。

(3)在進(jìn)行地鐵易修復(fù)板式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合實際工程應(yīng)用的特點開展工作，確保在最不利荷載工況下單塊軌道板范圍內(nèi)限位結(jié)構(gòu)受力的對稱均勻，且盡量避免在長期使用條件下對軌道板的橫向穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的整體安全性及耐久性問題。

綜上，地鐵沉降地段易修復(fù)板式無砟軌道限位推薦采用板下設(shè)置4凸臺的設(shè)計方案。