張珍珍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

武漢市軌道交通7號(hào)線(xiàn)一期工程三陽(yáng)路公鐵兩用過(guò)長(zhǎng)江隧道，采用雙孔盾構(gòu)隧道公路與軌道交通合建方案，隧道長(zhǎng)度約2 590 m，隧道內(nèi)徑13.9 m，隧道上層間為公路3條車(chē)道，下層為軌道交通7號(hào)線(xiàn)及電纜廊道、排煙道和逃生通道等；軌道交通7號(hào)線(xiàn)設(shè)計(jì)速度80 km/h(遠(yuǎn)期預(yù)留100 km/h)，6A型車(chē)輛編組，接觸軌供電[1-3]。

公鐵兩用過(guò)江隧道軌道交通線(xiàn)路縱向采用“V”形坡，廢水泵房設(shè)置在隧道最低點(diǎn)。廢水泵房所處斷面上半部埋置在粉細(xì)砂層，下部埋置在弱膠結(jié)礫巖層中，承壓水頭高度約63 m。由于盾構(gòu)半徑大，地質(zhì)條件復(fù)雜，采用常規(guī)的兩盾構(gòu)間聯(lián)絡(luò)橫通道方式設(shè)置廢水泵房，存在江底高水壓下施工涌水、涌砂的高風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。為保證工程安全性、適用性和耐久性，提出利用軌道梁間空隙作為廢水泵房集水池方案。

2 地鐵泵房段軌道梁技術(shù)方案

2.1 總體方案

公鐵兩用過(guò)江隧道軌道交通廢水泵房通過(guò)將一般整體道床沿線(xiàn)路縱向一定長(zhǎng)度設(shè)置成軌道梁結(jié)構(gòu)，利用軌道梁將軌行區(qū)分隔成的3個(gè)空間作為集水池，即軌道梁與隧道壁間、兩根軌道梁之間的空間，同時(shí)利用連通器原理在軌道梁內(nèi)埋設(shè)連通管，將3個(gè)空間進(jìn)行連通以滿(mǎn)足給排水有效容積要求，如圖1所示。

圖1 過(guò)江隧道廢水泵房段軌道梁設(shè)計(jì)

廢水泵房段軌道梁沿線(xiàn)路縱向長(zhǎng)度為10 m，寬度905 mm，高度725 mm；軌道梁橫斷面如圖2所示。軌道梁范圍隧道管片設(shè)置3個(gè)700 mm×700 mm×250 mm的下沉集水坑，對(duì)應(yīng)每個(gè)隧道下沉集水坑位置設(shè)置自吸排水泵，自吸排水泵將軌行區(qū)廢水抽至隧道一側(cè)廢水泵房?jī)?nèi)，再通過(guò)隧道工作井排出。

圖2 軌道梁橫斷面(單位：mm)

2.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

過(guò)江隧道廢水泵房軌道梁結(jié)構(gòu)，由于所處環(huán)境與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)區(qū)別于一般整體道床，設(shè)計(jì)中考慮的關(guān)鍵技術(shù)包括以下3方面。

(1)軌道梁的橫向穩(wěn)定性，考慮到兩片軌道梁為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，相互之間無(wú)橫向聯(lián)系，且與兩側(cè)隧道壁無(wú)接觸，在列車(chē)水平荷載作用下，應(yīng)采取措施保證軌道梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保列車(chē)水平荷載的有效傳遞[7]。

(2)軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耐久性設(shè)計(jì)，軌道梁相比一般滿(mǎn)鋪式整體道床對(duì)道床面進(jìn)行了削弱，且長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，因此應(yīng)針對(duì)軌道梁進(jìn)行受力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(3)軌道梁與隧道、給排水、接觸軌、雜散電流的專(zhuān)業(yè)接口相比普通整體道床有一定區(qū)別，應(yīng)做好接口設(shè)計(jì)；此外，軌道梁間空隙較大，設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施確保運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)期間人員的安全防護(hù)。

3 軌道梁穩(wěn)定性設(shè)計(jì)分析

3.1 主要技術(shù)措施

為保證軌道梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，軌道梁設(shè)計(jì)采取如下措施。

(1)為保證廢水泵房處道床的整體性，軌道梁與前后約1.4 m的整體道床作為一個(gè)道床塊進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，即10 m廢水泵房段采用短軌枕承軌式軌道梁，兩側(cè)1.4 m采用一般滿(mǎn)鋪式整體道床，整個(gè)道床內(nèi)縱向鋼筋貫通設(shè)置，可以保證整體道床縱向連續(xù)性以確保結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性。

(2)軌道梁之間設(shè)置橫梁提高兩軌道梁的橫向穩(wěn)定性，2根軌道梁之間共設(shè)置6根300 mm(寬)×200 mm(高)的橫梁。

(3)軌道梁與隧道管片之間采用植筋錨固方式以確保軌道縱橫向荷載能夠有效傳遞至隧道結(jié)構(gòu)。

軌道梁平縱斷面布置如圖3所示。

圖3 軌道梁平縱斷面布置(單位：m)

3.2 植筋設(shè)計(jì)檢算

軌道梁與隧道管片的植筋設(shè)計(jì)考慮的列車(chē)縱橫向荷載按照GB50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，具體包括列車(chē)橫向搖擺力、曲線(xiàn)列車(chē)離心力、無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌力、列車(chē)牽引制動(dòng)力。計(jì)算條件為：線(xiàn)路坡度為17.338‰，曲線(xiàn)半徑1 200 m；7號(hào)線(xiàn)采用A型車(chē)，軸重160 kN，軸距2.5 m。

(1)列車(chē)橫向搖擺力：按相鄰兩節(jié)車(chē)4個(gè)軸軸重的15%計(jì)，即160 kN×4×0.15=96 kN。

(2)曲線(xiàn)列車(chē)離心力

式中P——列車(chē)垂向荷載；

V——列車(chē)速度；

R——曲線(xiàn)半徑。

(3)無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌力：線(xiàn)路縱向阻力按24 kN/m/軌計(jì)，即10 m泵房范圍內(nèi)無(wú)縫線(xiàn)路鋼軌力為24 kN/m/軌×10 m=240 kN/軌。

(4)列車(chē)制動(dòng)力或牽引力按列車(chē)豎向靜活載的15%計(jì)，即160 kN/2×4×0.15=48 kN/軌。

(5)軌道梁縱橫向荷載合力為546 kN。

管片植筋采用φ16 mm HRB400級(jí)鋼筋，錨固深度125 mm，每根鋼筋抗剪承載力設(shè)計(jì)值為34.6 kN，據(jù)此計(jì)算每根軌道梁的植筋數(shù)量為17根φ16 mm HRB400級(jí)鋼筋。

4 軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)荷載及受力分析

過(guò)江隧道內(nèi)廢水泵房段軌道梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮列車(chē)荷載及混凝土收縮變形。

圖4 軌道梁“梁-體”有限元分析模型

列車(chē)荷載作用下的軌道梁結(jié)構(gòu)受力采用梁-體有限元實(shí)體模型進(jìn)行分析，其中鋼軌采用彈性點(diǎn)支撐梁，扣件采用線(xiàn)性彈簧，軌道梁采用實(shí)體模型，基礎(chǔ)支承采用面彈簧模擬。為消除邊界效應(yīng)，取軌道梁及前后2塊道床板進(jìn)行分析，如圖4所示。地鐵車(chē)輛A型車(chē)軸重160 kN，軸距取為2.5 m，定距15.7 m；豎向列車(chē)荷載動(dòng)載系數(shù)按照2.0取值，列車(chē)豎向設(shè)計(jì)荷載160 kN。扣件垂向剛度為30 kN/mm，隧道支承剛度1 200 MPa/m[8-11]。列車(chē)荷載按照分別作用于軌道梁梁端和梁中進(jìn)行分析，取最不利工況，列車(chē)荷載作用下軌道梁的單位長(zhǎng)度的彎矩如表1所示。

表1 列車(chē)荷載作用下軌道梁的彎矩 kN·m

軌道梁混凝土收縮變形影響按照等效降溫10 ℃考慮[12-13]。軌道梁降溫10 ℃時(shí)的縱向拉應(yīng)力為

σw=Ec·at·ΔTc=3.4 MPa

式中Ec——軌道梁混凝土的彈性模量；

at——混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)；

ΔTc——溫度變化幅度。

4.2 結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

為使軌道梁在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性要求，應(yīng)對(duì)軌道梁在設(shè)計(jì)荷載即列車(chē)荷載及混凝土收縮的作用下完成結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，進(jìn)行鋼筋應(yīng)力和裂紋寬度的檢算。

軌道梁在列車(chē)荷載和混凝土等效降溫作用下主要承受彎矩和軸向拉力，采用HRB400級(jí)鋼筋，C40混凝土，鋼筋保護(hù)層厚度40 mm，設(shè)計(jì)檢算中裂縫寬度按照0.2 mm進(jìn)行控制。軌道梁的配筋及鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度檢算結(jié)果見(jiàn)表2[14-19]，其中縱向配筋為軌道梁寬度范圍，橫向配筋為每個(gè)枕跨范圍。

表2 軌道梁結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，為滿(mǎn)足鋼筋應(yīng)力、混凝土裂縫寬度要求，軌道梁縱向鋼筋配筋率應(yīng)不小于0.25%，橫向鋼筋配筋率不小于0.2%，同時(shí)考慮軌道梁高度725 mm，應(yīng)在軌道梁的兩個(gè)側(cè)面設(shè)置縱向構(gòu)造鋼筋。

5 相關(guān)接口設(shè)計(jì)

廢水泵房段軌道梁與相關(guān)專(zhuān)業(yè)的接口設(shè)計(jì)主要包括與隧道、給排水系統(tǒng)、雜散電流、接觸軌等專(zhuān)業(yè)的接口，以及后期運(yùn)營(yíng)期間的安全防護(hù)。

(1)與隧道專(zhuān)業(yè)的接口設(shè)計(jì)，為保證軌道梁與隧道管片的有效連接，需在隧道管片設(shè)置連接鋼筋，連接鋼筋通過(guò)植筋膠植入隧道管片，植筋之前應(yīng)結(jié)合主筋探測(cè)情況及管片內(nèi)弧面上的主筋定位標(biāo)識(shí)，嚴(yán)禁傷及鋼筋。

(2)與給排水系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，為保證軌道梁間3個(gè)空間的連通，應(yīng)在軌道梁內(nèi)埋設(shè)連通鑄鐵管；廢水泵房段給排水專(zhuān)業(yè)通過(guò)抽水泵管伸入隧道管片預(yù)留下沉集水坑將軌道梁間廢水排走，抽水管直徑100 mm，軌道梁在梁表面對(duì)應(yīng)下沉集水坑位置預(yù)留橫向150 mm寬，130 mm高的溝槽以便于抽水管的安放；此外，為避免廢水泵房段存在淤堵，在泵房段上游道床中心水溝設(shè)置沉沙坑。

(3)與雜散電流防護(hù)的接口設(shè)計(jì)，為提高軌道絕緣性能，廢水泵房段軌道梁除滿(mǎn)足一般道床扣件絕緣、道床面低于鋼軌底面最小值為70 mm、利用道床結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流鋼筋外，還應(yīng)滿(mǎn)足隧道管片植筋采用環(huán)氧涂層鋼筋，且施工中植筋與道床鋼筋不得連接；此外，作為軌道梁間連通管的預(yù)埋鑄鐵管應(yīng)進(jìn)行涂刷絕緣漆[20]。

(4)與接觸軌專(zhuān)業(yè)的接口設(shè)計(jì)，本工程采用接觸軌供電方式，接觸軌采用一體化軌枕安裝技術(shù)，由于廢水泵房段軌道梁寬度僅900 mm寬，因此在泵房段范圍不設(shè)置接觸軌加長(zhǎng)枕，接觸軌在該10 m范圍進(jìn)行局部斷開(kāi)。

(5)運(yùn)營(yíng)期間養(yǎng)護(hù)維修人員安全防護(hù)，由于軌道梁間空隙較大，運(yùn)營(yíng)期間養(yǎng)護(hù)維修存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，在軌道梁與隧道壁、兩軌道梁間設(shè)置蓋板以便于人員通行。

6 結(jié)論

本文提出了公鐵兩用大盾構(gòu)過(guò)江隧道地鐵廢水泵房段利用軌道梁間空隙作為集水池時(shí)軌道梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)計(jì)算分析，得出如下結(jié)論。

(1)軌道梁作為地鐵廢水泵房集水池，長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，其斷面相比一般整體道床進(jìn)行了削弱，與兩側(cè)隧道壁無(wú)接觸，獨(dú)立受力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性要求均區(qū)別于一般整體道床。因此，在軌道梁設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮軌道梁的整體性和穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及耐久性設(shè)計(jì)、相關(guān)專(zhuān)業(yè)接口設(shè)計(jì)。

(2)針對(duì)軌道梁穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，提出將軌道梁與相鄰兩側(cè)一定長(zhǎng)度范圍的滿(mǎn)鋪式整體道床作為整塊道床設(shè)計(jì)，以保證結(jié)構(gòu)整體性；通過(guò)在軌道梁間設(shè)置橫梁增加橫向穩(wěn)定性；采用隧道管片植筋方式保證軌道梁縱橫向荷載的有效傳遞。

(3)采用“梁-體”有限元模型對(duì)列車(chē)荷載作用下的軌道梁進(jìn)行了受力分析，考慮列車(chē)荷載、混凝土收縮作用影響進(jìn)行軌道梁的結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)；軌道梁縱向鋼筋配筋率應(yīng)不小于0.25%，橫向鋼筋配筋率不小于0.2%，同時(shí)應(yīng)設(shè)置縱向構(gòu)造鋼筋。

(4)考慮軌道梁與一般整體道床的結(jié)構(gòu)差異，細(xì)化完成與隧道、給排水、雜散電流、接觸軌等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的特殊接口設(shè)計(jì)。