吳 俊

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

中國(guó)早期建設(shè)的城市軌道交通線路，限于當(dāng)時(shí)認(rèn)知和技術(shù)水平等歷史條件，在技術(shù)規(guī)范、評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)和技術(shù)措施等方面均存在一定不足，投入運(yùn)營(yíng)后部分地段存在振動(dòng)噪聲擾民問(wèn)題[1]。在中國(guó)大力推進(jìn)建設(shè)和諧社會(huì)的背景下，切實(shí)保障地鐵沿線居民的生活質(zhì)量，針對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路的環(huán)境敏感地段，開(kāi)展道床減振升級(jí)改造工作既是有必要的，也是緊迫的任務(wù)。但是目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)將既有普通道床改造為減振道床的工程先例。鑒于道床減振升級(jí)改造需要對(duì)既有道床進(jìn)行破除，并重新澆筑新的軌下基礎(chǔ)，在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通，因此相關(guān)設(shè)計(jì)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。本文以某線改造為契機(jī)開(kāi)展了運(yùn)營(yíng)線路隧道內(nèi)道床減振升級(jí)改造方法的研究。

1 隧道內(nèi)道床減振措施選型

目前中國(guó)道床減振措施主要有梯形軌枕軌道、隔離式減振墊道床、鋼彈簧浮置板道床等[2-5]。以上三種道床減振措施均已在中國(guó)城市軌道交通工程中廣泛應(yīng)用。

1.1 梯形軌枕軌道

梯形軌枕浮置板軌道由 PC 制縱梁和鋼管制的橫向連接管構(gòu)成。其工作原理是在軌枕底部和側(cè)面分別安裝減振墊和緩沖墊，使其浮于混凝土整體道床之上，實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)質(zhì)量－彈簧系統(tǒng)的構(gòu)想，以達(dá)到減振目的。該軌道結(jié)構(gòu)減振效果可達(dá) 10 dB。

1.2 隔離式減振墊道床

隔離式減振墊道床將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于減振墊上，通過(guò)減振墊將道床板與周?chē)Y(jié)構(gòu)全部隔離開(kāi)，構(gòu)成質(zhì)量－彈簧隔振系統(tǒng)。作用在鋼軌上的力傳遞給浮置于減振墊上的道床板，道床板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來(lái)抵消車(chē)輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載，只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過(guò)彈性支承傳遞到基礎(chǔ)墊層中去。道床板受力后，在慣性作用下將受到的力均勻地分布在減振墊上，再通過(guò)減振墊進(jìn)行緩沖，吸收能量，達(dá)到隔振減振的目的。該軌道結(jié)構(gòu)減振效果可達(dá) 10～15 dB。

1.3 鋼彈簧浮置板道床

鋼彈簧浮置板道床是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上，距離基礎(chǔ)墊層頂面 30 mm 或 40 mm，構(gòu)成質(zhì)量－彈簧隔振系統(tǒng)。這種軌道結(jié)構(gòu)具有很好的減振效果，可分為固體阻尼和液體阻尼兩類(lèi)。固體阻尼類(lèi)減振效果至少可達(dá)到 15 dB，液體阻尼類(lèi)減振效果至少可達(dá) 18 dB。

減振升級(jí)改造應(yīng)優(yōu)先考慮嚴(yán)重超標(biāo)地段(超標(biāo)量大于15 dB)，鋼彈簧浮置板道床的減振效果要優(yōu)于梯形軌枕軌道及隔離式減振墊道床[6]，因此本次改造設(shè)計(jì)選用鋼彈簧浮置板道床。

同時(shí)結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路隧道內(nèi)道床減振升級(jí)改造的特點(diǎn)宜采用預(yù)制裝配式浮置板法[7]進(jìn)行施工?？蓪?shí)現(xiàn)浮置板的快速鋪設(shè)，從而有效縮短軌道改造施工工期。

2 預(yù)制浮置板道床型式尺寸

2.1 既有預(yù)制浮置板道床偏差適應(yīng)能力分析

上海城市軌道交通單圓盾構(gòu)隧道管片內(nèi)壁直徑為Φ5500 mm，其中建筑限界一般規(guī)定為Φ5200 mm，相應(yīng)軌道高度為735 mm(至限界圓下同)。圓形盾構(gòu)隧道浮置板地段道床范圍內(nèi)將建筑限界由Φ5200 mm擴(kuò)寬至Φ5400 mm，相應(yīng)軌道高度由735 mm增至835 mm。結(jié)合盾構(gòu)尺寸及軌道結(jié)構(gòu)高度目前上海新線建設(shè)中常用的預(yù)制浮置板尺寸為長(zhǎng)3600 mm×寬2700 mm×厚325 mm(標(biāo)準(zhǔn)板)；盾構(gòu)偏差較大地段預(yù)制板尺寸為長(zhǎng)3600 mm×寬2540 mm×厚325 mm(窄型板)。

標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制板和窄型預(yù)制板可適應(yīng)的土建施工誤差，如圖1所示。

圖1 既有預(yù)制浮置板道床偏差適應(yīng)能力圖 Figure 1 Deviation adaptability chart of existing floating slab track bed

從圖中可以看出，即使采用窄型板，當(dāng)水平誤差為0時(shí)其豎向誤差允許值也只能達(dá)到90 mm左右，即最小軌道結(jié)構(gòu)高度需要達(dá)到790 mm。既有線普通道床設(shè)計(jì)時(shí)最小軌道結(jié)構(gòu)高度一般按740 mm控制，已有的窄型板仍無(wú)法與既有線普通道床軌道結(jié)構(gòu)高度相匹配。

2.2 隧道內(nèi)薄型預(yù)制浮置板道床研究

為使預(yù)制浮置板道床的軌道結(jié)構(gòu)高度與既有線普通道床相匹配，必須在預(yù)制板的板厚、板寬方面有所突破，同時(shí)滿(mǎn)足高等減振需求，以實(shí)現(xiàn)減振改造目的。已有工程應(yīng)用案例的窄型預(yù)制板(長(zhǎng)3600 mm×寬2540 mm×厚325 mm)，每延米板重約2 t。其斷面如圖2所示。

圖2 窄型預(yù)制浮置板道床斷面圖 Figure 2 Cross section of narrow prefabricated floating slab track bed

建議在此基礎(chǔ)上對(duì)該板型進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，形成與盾構(gòu)隧道普通道床軌道結(jié)構(gòu)高度(740 mm)相匹配的薄型預(yù)制浮置板。其具體尺寸暫定為板寬2540 mm、板厚275 mm、板長(zhǎng)3600 mm。為增加板重保證減振效果在兩軌間增設(shè)寬1000 mm、高160 mm凸臺(tái)，每延米板重可與窄型預(yù)制板接近。設(shè)計(jì)固有頻率10 Hz (僅考慮板自重條件下)，減振效果在15 dB以上[8-9]。隧道內(nèi)薄型浮置板道床斷面圖如圖3所示。

圖3 隧道內(nèi)薄型浮置板道床斷面圖 Figure 3 Cross section of thin floating slab track bed in tunnel

3 預(yù)制浮置板道床基底

3.1 現(xiàn)澆基底方案

采用鋼筋混凝土常規(guī)基底，可選用速硬混凝土，快速形成強(qiáng)度，以便盡早鋪設(shè)預(yù)制板。同時(shí)為增強(qiáng)基底抗裂性能，可在混凝土當(dāng)中摻入復(fù)合纖維素(混凝土中摻入纖維1 kg/m3)。

3.2 預(yù)制基底方案

為盡量減少混凝土澆筑量、縮短新道床的施工時(shí)間，研究了預(yù)制基底方案，同時(shí)考慮到不同道床斷面下的基底厚度及寬度不盡相同，故擬采用預(yù)制基底+二次澆注的方式。預(yù)制基底方案如圖4所示。

圖4 預(yù)制基底方案 Figure 4 Prefabricated base scheme

但是目前尚未找到合適的二次澆注材料，可保證預(yù)制基底與盾構(gòu)管片的可靠連接，特別是在曲線超高地段。故暫采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土基底方案，同時(shí)繼續(xù)對(duì)預(yù)制基底方案進(jìn)行研究。

4 排水方案

浮置板道床采用中心水溝，水溝深度為軌面下695 mm，普通道床側(cè)向水溝深度一般為軌面下374 mm。為將浮置板道床中心水溝內(nèi)的水引入下游普通道床側(cè)溝內(nèi)，本次分別研究了過(guò)渡段排水及設(shè)泵排水方案。

4.1 過(guò)渡段排水方案

過(guò)渡段排水方案是在浮置板道床下游普通道床范圍內(nèi)設(shè)置一定長(zhǎng)度的短軌枕道床中心水溝，通過(guò)過(guò)渡段內(nèi)線路縱坡與中心水溝的坡度差，將浮置板道床中心水溝內(nèi)的水引入下游道床表面?zhèn)认蚺潘疁蟽?nèi)，如圖5所示。

圖5 過(guò)渡段排水方案 Figure 5 Drainage scheme of transition section

4.2 設(shè)泵排水方案

在浮置板道床下游一端普通道床范圍內(nèi)設(shè)置中心集水坑，集水坑尺寸為500 mm×500 mm×500 mm，坑內(nèi)設(shè)泵。浮置板道床中心水溝內(nèi)的水排入集水坑后通過(guò)水泵強(qiáng)排入道床側(cè)向水溝，如圖6所示。

圖6 設(shè)泵排水方案 Figure 6 Pump drainage scheme

4.3 方案比選

以上兩個(gè)排水方案均有其優(yōu)缺點(diǎn)，可結(jié)合改造地段的工程特點(diǎn)進(jìn)行選擇，方案對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 排水方案對(duì)比Table 1 Comparsion of drainage schemes

5 施工方案

5.1 既有道床破除

為提高破除效率，減少施工垃圾，既有道床破除擬采用分段切割、頂推破除法[10]，如圖7和圖8所示。

圖7 分段切割 Figure 7 Segmented cutting

圖8 頂推破除 Figure 8 Pushing and breaking

5.2 道床切割深度

為保證在既有道床分段切割過(guò)程中不破壞盾構(gòu)管片，需要測(cè)算出每個(gè)切割位置的道床厚度，以此來(lái)確定道床切割深度。首先結(jié)合盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，使用水平尺測(cè)量法計(jì)算出理論道床厚度，在此基礎(chǔ)上結(jié)合盾構(gòu)全斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，預(yù)留合理的安全距離后確定道床切割深度。

具體步驟如下：

1)用d=4.3 m的加長(zhǎng)水平尺搭靠在隧道的管壁上，水平尺保持水平狀態(tài)。

2)用卷尺量取切割位置混凝土面到水平尺的垂直距離c、切割位置到水平尺中心的水平距離a。

3)計(jì)算隧道中心到水平尺的距離b==1.7146 m(r取2.75 m)，如圖9所示。

圖9 水平尺測(cè)量法 Figure 9 Spirit level measurement

4)整體道床任意點(diǎn)的道床厚度計(jì)算公式h=，如圖10所示。

圖10 道床厚度計(jì)算示意 Figure 10 Schematic diagram of ballast bed thickness calculation

5)結(jié)合盾構(gòu)全斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，預(yù)留合理的安全距離后確定道床切割深度。

道床切割深度的確定同時(shí)還需要考慮盾構(gòu)管片的變形。通過(guò)對(duì)本次改造段的全斷面測(cè)量數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)隧道的收斂變形在盾構(gòu)中部最大，往盾頂及盾底呈逐步縮小趨勢(shì)，實(shí)測(cè)盾構(gòu)中部最大收斂變形為26 mm?？紤]預(yù)留一定的施工安全距離及測(cè)量誤差，道床切割深度按理論計(jì)算道床厚度減去50 mm(安全距離)確定，即整體道床任意點(diǎn)的道床切割深度計(jì)算公式L=h–s(s=50 mm)。

5.3 不斷軌施工方案

既有線在道床改造工程中往往需要切斷長(zhǎng)鋼軌，采用短軌過(guò)渡，施工結(jié)束后再恢復(fù)長(zhǎng)鋼軌。該方案不僅施工效率低，而且焊接質(zhì)量難以保證。為盡量避免既有長(zhǎng)鋼軌被切斷，結(jié)合改造方案研發(fā)了一種鋼軌接駁器，通過(guò)鋼軌接駁器的應(yīng)用提出既有線改造施工不斷軌方案。

5.3.1 鋼軌接駁器結(jié)構(gòu)組成

鋼軌接駁器主要由特種尖軌、臺(tái)板及螺栓組成，如圖11所示。

圖11 鋼軌接駁器平面圖 Figure 11 Rail connector plan

5.3.2 方案簡(jiǎn)述

解開(kāi)100 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的扣件，然后將既有長(zhǎng)鋼軌外撥留出施工作業(yè)空間，同時(shí)在長(zhǎng)鋼軌外撥起訖點(diǎn)安裝鋼軌接駁器。特種尖軌的一端與既有長(zhǎng)鋼軌連接固定，在既有長(zhǎng)鋼軌1上開(kāi)設(shè)有螺栓孔，在特種尖軌2、3上也分別開(kāi)設(shè)有對(duì)應(yīng)大小的螺栓孔，通過(guò)在螺栓孔內(nèi)擰入螺栓實(shí)現(xiàn)特種尖軌2、3分別與對(duì)應(yīng)的既有長(zhǎng)鋼軌1之間可拆卸式的連接固定，便于在改造完成后拆除特種尖軌2、3。特種尖軌頂貼在既有長(zhǎng)鋼軌的內(nèi)側(cè)面，臺(tái)板支撐在特種尖軌的下方，特種尖軌被限位于既有長(zhǎng)鋼軌與臺(tái)板之間。另一端連接工具短軌朝改造方向延伸，特種尖軌和工具短軌配合構(gòu)成施工車(chē)輛通行線路。其布置形式如圖12所示。

圖12 不斷軌方案鋼軌接駁器布置示意 Figure 12 Layout of rail connector for continuous rail scheme

通過(guò)鋼軌接駁器的應(yīng)用，一方面實(shí)現(xiàn)了在不切斷既有長(zhǎng)鋼軌的條件下完成道床結(jié)構(gòu)的改造，降低了施工的影響，保證列車(chē)運(yùn)營(yíng)的正常進(jìn)行；另一方面也實(shí)現(xiàn)了施工車(chē)輛通行線路的搭建，為施工提供了極大的便利，增加了施工效率，縮短了施工耗時(shí)。

5.3.3 取得效果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明不斷軌方案可行。100 m的外撥長(zhǎng)度是根據(jù)外撥距離并考慮地下線最不利工況(300 m曲線半徑升(降)溫10°)，再結(jié)合鋼軌容許應(yīng)力[11]確定的。但在實(shí)際操作中也發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)100 m長(zhǎng)的工具軌需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，因此在不斷軌方案基礎(chǔ)上又研究了局部斷軌方案。其平面布置如圖13所示。

圖13 局部斷軌方案鋼軌接駁器布置示意 Figure 13 Layout of rail connector for partial rail breaking scheme

局部斷軌方案的操作步驟和不斷軌方案基本一致，只是在改造點(diǎn)附近增加了一處斷軌點(diǎn)，通過(guò)理論計(jì)算不斷軌方案只需25 m的鋼軌外撥長(zhǎng)度即可滿(mǎn)足外撥距離的要求。不斷軌方案和局部斷軌方案均有其優(yōu)缺點(diǎn)，在改造施工中可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。

5.4 臨時(shí)線路恢復(fù)方案

考慮到運(yùn)營(yíng)線路工況復(fù)雜多變，為確保在突發(fā)情況下能隨時(shí)恢復(fù)通車(chē)，施工期間應(yīng)有保證列車(chē)通行的臨時(shí)過(guò)渡措施，改造地段限速按40 km/h考慮。通過(guò)方案比選，最終選定采用架設(shè)鋼枕來(lái)實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的臨時(shí)線路恢復(fù)[12]，如圖14所示。

圖14 臨時(shí)軌道過(guò)渡方案示意 Figure 14 Schematic diagram of temporary track transition scheme

鋼枕具有強(qiáng)度高，架設(shè)快等優(yōu)點(diǎn)，在改造工程中使用極大地提高了施工速度，同時(shí)能夠保證列車(chē)的安全通行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鋼枕上鋪設(shè)鋼軌后列車(chē)安全通過(guò)速度，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了檢算，均滿(mǎn)足列車(chē)安全通行的要求。

6 專(zhuān)業(yè)接口

6.1 信號(hào)設(shè)備

1)計(jì)軸器。鋼軌拆裝時(shí)不拆除計(jì)軸器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，與鋼軌同步拆下后續(xù)與鋼軌同步安裝。

2)信標(biāo)。制造鋼枕時(shí)考慮信標(biāo)安裝及固定位置制作簡(jiǎn)易托架，白天運(yùn)營(yíng)時(shí)段內(nèi)通過(guò)托架將信標(biāo)固定于兩軌間。

6.2 供電設(shè)備

1)均流線。在道床改造期間取消聯(lián)絡(luò)通道附近的均流電纜，通過(guò)車(chē)站端頭井位置的均流電纜來(lái)平衡兩軌間電流差，道床減振升級(jí)改造全部完成后恢復(fù)。

2)續(xù)流線。在接頭夾板范圍外兩側(cè)預(yù)留塞釘孔，改造時(shí)與接頭夾板同步拆裝。

3)雜散電流。改造期間不考慮雜散電流，改造完成后恢復(fù)雜散電流收集網(wǎng)。

改造前還需做好管片上各種既有設(shè)備的保護(hù)工作，保證在改造過(guò)程中各設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方面的隧道內(nèi)道床減振措施選型、預(yù)制浮置板道床型式尺寸、預(yù)制浮置板道床基底、排水方案，施工方面的既有道床破除、道床切割深度、不斷軌施工方案、臨時(shí)線路恢復(fù)方案及對(duì)其他專(zhuān)業(yè)接口影響的研究，最終可形成一套適用于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路隧道內(nèi)道床減振升級(jí)改造的方法。下一步通過(guò)試驗(yàn)段驗(yàn)證，進(jìn)一步形成成套的施工工藝、 施工籌劃建議及風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策，可為軌道交通類(lèi)似軌道改造工程提供借鑒。