常衛(wèi)華,魏周春,林士財(cái)

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

西安地裂縫是一種國(guó)內(nèi)較少見(jiàn)的、特殊地區(qū)性地質(zhì)病害，是以隱伏斷裂構(gòu)造發(fā)育為基礎(chǔ)，過(guò)量開(kāi)采地下水為誘因，二者共同作用的結(jié)果。地裂縫有垂直位移、水平張拉和水平扭動(dòng)3個(gè)方向的活動(dòng)，其中，以垂直位移最為強(qiáng)烈。地裂縫活動(dòng)方式為蠕動(dòng)，主要表現(xiàn)為地裂縫的南側(cè)(上盤(pán))下降，北側(cè)(下盤(pán))上升[1-4]。

西安地鐵地裂縫設(shè)防段一般鋪設(shè)可調(diào)式框架板，軌道通過(guò)在框架板下填充混凝土墊塊來(lái)實(shí)現(xiàn)軌面上調(diào)，最大上調(diào)量500 mm。但在西安地鐵1、2、3、4號(hào)線的運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)，框架板整體道床軌道結(jié)構(gòu)沉降量過(guò)大時(shí)，原抬升方案在實(shí)操過(guò)程中存在諸多弊端，按原方案在抬升過(guò)程中4臺(tái)液壓千斤頂不能同步，導(dǎo)致框架板4個(gè)角受力不均，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致框架板出現(xiàn)破壞性裂紋，在夜間天窗時(shí)間不能按時(shí)完成操作等問(wèn)題。

目前，西安地鐵地裂縫設(shè)防段均采用上調(diào)式軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整，整體道床僅能單一的調(diào)高軌面高程，調(diào)整方式單一。

結(jié)合地裂縫框架板結(jié)構(gòu)目前存在的不足，研發(fā)一種地裂縫段可快速升降的新型無(wú)砟軌道，該結(jié)構(gòu)將具有調(diào)整功能的支座應(yīng)用于軌道地裂縫結(jié)構(gòu)，調(diào)整措施方便，僅通過(guò)調(diào)整支座就能實(shí)現(xiàn)軌面調(diào)整。

1 研究背景

以西安市地鐵8號(hào)線工程為例，線路全長(zhǎng)49.9 km，是西安市首條環(huán)線地鐵，共穿越15條地裂縫，涉及19個(gè)區(qū)間，地裂縫共穿越線路25處。與地鐵8號(hào)線相交的15條地裂縫年活動(dòng)速率均小于10 mm/a，大多為1～5 mm/a。

地鐵8號(hào)線王家墳站后與f4地裂縫相交，預(yù)計(jì)百年內(nèi)最大垂直位移為300 mm。若采用傳統(tǒng)的上調(diào)式軌道結(jié)構(gòu)，地裂縫調(diào)線調(diào)坡段與7號(hào)、8號(hào)線聯(lián)絡(luò)線道岔沖突，如圖1所示。為避免地裂縫調(diào)線調(diào)坡段與聯(lián)絡(luò)線道岔沖突，實(shí)現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線功能，f4地裂縫調(diào)線調(diào)坡段需調(diào)整到地裂縫下盤(pán)(地裂縫北側(cè))[5-6]，需研發(fā)新的下調(diào)式軌道結(jié)構(gòu)，即隨著地裂縫變形的發(fā)生，軌道結(jié)構(gòu)通過(guò)一定措施來(lái)降低軌面高程，最大下調(diào)量需達(dá)到300 mm。

2 研究現(xiàn)狀

西安地鐵地裂縫設(shè)防段一般地段及與中等減振重合地段采用可調(diào)式框架板結(jié)構(gòu)；地裂縫設(shè)防段與高等減振重合地段采用梯形軌枕[7]；地裂縫設(shè)防段與特殊減振重合地段采用減振墊碎石道床結(jié)構(gòu)[8]。

2.1 可調(diào)式框架板結(jié)構(gòu)

可調(diào)式框架板軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、彈性分開(kāi)式扣件、預(yù)應(yīng)力混凝土框架式軌道板、板下可調(diào)支座、側(cè)向限位橡膠墊、鋼筋混凝土擋臺(tái)及混凝土基礎(chǔ)等組成，如圖2所示，理論上最大高程調(diào)整量500 mm[9-12]。

圖2 可調(diào)式框架板軌道

框架板軌道調(diào)高主要通過(guò)調(diào)高墊塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)高墊塊方式分為2種：厚50 mm塑料調(diào)高墊板及厚100 mm預(yù)制鋼筋混凝土調(diào)高墊塊，每次調(diào)整量為50 mm。當(dāng)調(diào)高量不足50 mm時(shí)，采用扣件調(diào)高墊板及加厚鐵墊板，當(dāng)調(diào)高量為50 mm的整數(shù)倍時(shí)，采用塑料調(diào)高墊板，當(dāng)調(diào)高量累計(jì)達(dá)到100 mm的整數(shù)倍時(shí)，撤出塑料調(diào)高墊板，采用預(yù)制鋼筋混凝土調(diào)高墊塊，如圖3所示。塑料調(diào)高墊板最多只設(shè)1層，調(diào)高量超過(guò)200 mm后，其下采用預(yù)制鋼筋混凝土調(diào)高墊塊層疊。

圖3 調(diào)整大于100 mm時(shí)的可調(diào)框架板道床

2.2 梯形軌枕

梯形軌枕為預(yù)制鋼筋混凝土縱梁支撐軌道結(jié)構(gòu)，由預(yù)應(yīng)力縱向長(zhǎng)梁和鋼軌形成復(fù)合軌道，兩個(gè)縱向長(zhǎng)梁中間用鋼管連接形成框架，在預(yù)應(yīng)力縱向長(zhǎng)梁下設(shè)置彈性聚氨酯支墊，使其浮于混凝土基礎(chǔ)之上，如圖4所示，屬輕型化浮置板軌道結(jié)構(gòu)[13]。

圖4 梯形軌枕

梯形軌枕與框架板式軌道的調(diào)整方式類似，通過(guò)抬升軌枕后，在彈性墊板下部墊高或者灌注砂漿袋，可方便地實(shí)現(xiàn)所需的大調(diào)高量。該結(jié)構(gòu)即可滿足調(diào)整需求，又可實(shí)現(xiàn)高等減振效果，適用于地裂縫高等減振段。

2.3 減振墊碎石道床結(jié)構(gòu)

有砟道床由于采用散體道砟，便于校正線路平縱斷面，能充分適應(yīng)活動(dòng)斷層的變形。軌道不平順可通過(guò)抬道或落砟、搗固枕下道砟加以找平，軌道方向錯(cuò)亂可通過(guò)撥道予以調(diào)整，其施工及調(diào)整相對(duì)整體道床而言較為簡(jiǎn)單。

有砟道床方案的不足之處在于軌道幾何形位不易保持且維修量較大，在前后均為無(wú)砟軌道的情況下插入較短的有砟軌道，運(yùn)營(yíng)期間將產(chǎn)生線路局部不平順，養(yǎng)護(hù)維修困難，且有砟軌道與整體道床之間剛度差異大，需設(shè)彈性過(guò)渡段，從而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的彈性過(guò)渡頻繁。

目前，國(guó)內(nèi)地鐵活動(dòng)斷層處采用下調(diào)式軌道結(jié)構(gòu)工程實(shí)例較少，因此，研究新型下調(diào)式軌道結(jié)構(gòu)十分必要，該結(jié)構(gòu)可使地裂縫調(diào)線調(diào)坡段位于下盤(pán)，為線路方案提供更多選擇[14-19]。

3 可快速升降軌道結(jié)構(gòu)

3.1 軌道結(jié)構(gòu)組成

軌道結(jié)構(gòu)包括鋼軌、扣件、框架式軌道板、支座及調(diào)整層等，如圖5～圖7所示，鋼軌頂面高程可達(dá)到0～-300 mm的無(wú)級(jí)調(diào)整。該結(jié)構(gòu)可滿足軌道交通日常運(yùn)營(yíng)的各項(xiàng)功能需求，當(dāng)基礎(chǔ)工程發(fā)生大變形后，支座上帶有蝸桿渦輪驅(qū)動(dòng)螺紋調(diào)高結(jié)構(gòu)，通過(guò)人工或電機(jī)對(duì)蝸桿驅(qū)動(dòng)，蝸桿撥動(dòng)渦輪，渦輪與螺套一起旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿在螺套內(nèi)做垂直上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的無(wú)級(jí)高度調(diào)整。在不影響正常運(yùn)營(yíng)的條件下，利用鐵路運(yùn)營(yíng)天窗時(shí)間完成維修工作。

圖5 可快速升降軌道結(jié)構(gòu)

圖6 軌道結(jié)構(gòu)橫斷面

圖7 可快速升降軌道結(jié)構(gòu)平面

3.2 框架板

框架式軌道板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，框架板上預(yù)留空間需確保進(jìn)行板下支座的操作、維護(hù)，橫向兩側(cè)設(shè)有用于限制縱橫向位移的限位凸臺(tái)，嵌入兩側(cè)混凝土基礎(chǔ)中，限制軌道板的縱向爬行，如圖8所示。

圖8 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架軌道板

3.3 支座

支座應(yīng)達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)。

(1)支座通過(guò)人工或電動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整。

(2)支座調(diào)整范圍+10 mm～-300 mm。

(3)在有限時(shí)間和空間的前提下形成一套快速安裝調(diào)整更換技術(shù)方案。

支座的可調(diào)支撐設(shè)計(jì)由兩部分組成，由上至下分別為大轉(zhuǎn)角抗拉球型支座結(jié)構(gòu)、蝸桿渦輪驅(qū)動(dòng)螺紋調(diào)高結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 可快速升降軌道結(jié)構(gòu)支座

支座的可調(diào)支撐設(shè)計(jì)具體作用如下。

(1)大轉(zhuǎn)角抗拉球型支座結(jié)構(gòu)，采用改性超高分子量聚乙烯滑板的球型支座結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的支撐力傳遞和水平方向的限位及水平力傳遞，適應(yīng)線路高度調(diào)整引起的大轉(zhuǎn)角應(yīng)變，適應(yīng)軌道板結(jié)構(gòu)在溫度作用下的應(yīng)變位移，在抽出墊板時(shí)起到上下連接的作用。

(2)蝸桿渦輪驅(qū)動(dòng)螺紋調(diào)高結(jié)構(gòu)，通過(guò)渦輪與螺套一起旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)螺桿在螺套內(nèi)做垂直上下運(yùn)動(dòng)，蝸桿渦輪選用自鎖結(jié)構(gòu)，輸入旋轉(zhuǎn)停止即蝸桿渦輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，確保螺桿在任一調(diào)整位置不會(huì)因上部荷載作用而運(yùn)動(dòng)；此外，在螺套上部設(shè)置有自鎖式偏心螺母，高度調(diào)整前解鎖螺母，調(diào)整結(jié)束后鎖緊螺母，確保機(jī)構(gòu)的二次鎖緊狀態(tài)。上部荷載通過(guò)螺桿直接傳遞給螺母，然后傳遞至底板及下部結(jié)構(gòu)，確保在非調(diào)整運(yùn)營(yíng)期蝸桿渦輪不承受豎向荷載的任何分力，確保機(jī)構(gòu)正常荷載的傳遞。

支座已通過(guò)室內(nèi)豎向承載力試驗(yàn)測(cè)試，在最大豎向荷載450 kN作用下，豎向變形僅0.96 mm，結(jié)構(gòu)滿足安全性要求。

3.4 軌道結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

基礎(chǔ)工程出現(xiàn)變形后，應(yīng)根據(jù)變形量大小及形態(tài)選擇對(duì)應(yīng)的調(diào)整方案。軌道結(jié)構(gòu)的高低調(diào)整分兩種情況。

(1)日常維護(hù)中通過(guò)扣件系統(tǒng)調(diào)整。

(2)當(dāng)基礎(chǔ)變形超過(guò)扣件的調(diào)整量，采用安裝在框架板下的渦輪驅(qū)動(dòng)式支座調(diào)整高低。支座調(diào)整可采用人工或電動(dòng)方式，調(diào)整范圍+10～-300 mm。目前，該支座已完成初步方案的試制、試驗(yàn)工作，支座調(diào)整措施方便，承載力滿足功能需求。

框架板兩側(cè)設(shè)置2層厚150 mm混凝土，層與層之間設(shè)土工布隔離，待下降到一定高度，拆除混凝土層，保證滿足限界要求。

4 結(jié)語(yǔ)

可快速升降軌道結(jié)構(gòu)將可調(diào)整支座與軌道板結(jié)合，研發(fā)了地裂縫下調(diào)式軌道結(jié)構(gòu)，由單一的上調(diào)式軌道升級(jí)為上、下均可調(diào)整的軌道結(jié)構(gòu)，調(diào)整量可根據(jù)地裂縫最大變形量進(jìn)行定制，該結(jié)構(gòu)總結(jié)了地裂縫段既有軌道結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，克服了調(diào)整困難、養(yǎng)護(hù)不便等缺點(diǎn)，同時(shí)解決了西安地鐵8號(hào)線工程中的建設(shè)難題。

在后續(xù)地鐵建設(shè)中，可快速升降的軌道結(jié)構(gòu)可使土建結(jié)構(gòu)預(yù)留的地裂縫垂向設(shè)防位移減半，優(yōu)化土建結(jié)構(gòu)斷面大小，節(jié)省工程投資，為后續(xù)軌道交通穿越地裂縫段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。