城市軌道交通軌道工程接口設(shè)計(jì)分析
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摘要:軌道工程作為城市軌道交通設(shè)計(jì)及建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，起到了承上啟下的作用。軌道工程設(shè)計(jì)中，與其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)接口眾多，例如結(jié)構(gòu)、給排水、工藝等。結(jié)合深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)的設(shè)計(jì)及施工配合經(jīng)驗(yàn)，對(duì)預(yù)制軌道板設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)、線(xiàn)路、綜合管線(xiàn)專(zhuān)業(yè)的接口問(wèn)題，區(qū)間軌道排水設(shè)計(jì)與給排水專(zhuān)業(yè)、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的接口問(wèn)題，車(chē)輛段立柱式檢查坑道床與工藝專(zhuān)業(yè)的接口問(wèn)題進(jìn)行了探討，并就已出現(xiàn)的接口問(wèn)題提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。
關(guān)鍵詞:軌道；接口設(shè)計(jì)；預(yù)制軌道板；排水；立柱式檢查坑
近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)處于蓬勃發(fā)展當(dāng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年—2020年，城市軌道交通新增運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到6560km，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)城市軌道交通累計(jì)運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到7395km［1］。地鐵設(shè)計(jì)工作一般分為前期工程設(shè)計(jì)、土建工程設(shè)計(jì)及站后工程設(shè)計(jì)，其中軌道工程介于土建工程與站后工程之間，是土建與站后極其重要的銜接專(zhuān)業(yè)［2］。軌道工程的施工圖設(shè)計(jì)工作一般滯后于土建工程設(shè)計(jì)，但稍微先于站后設(shè)備工程設(shè)計(jì)。因此，在土建工程展開(kāi)施工圖設(shè)計(jì)前，做好相關(guān)的接口控制，是確保后期軌道工程設(shè)計(jì)及施工順利推進(jìn)的關(guān)鍵。在軌道工程設(shè)計(jì)開(kāi)始前，梳理清楚相關(guān)站后設(shè)備工程的接口要求，是確保站后設(shè)備工程設(shè)計(jì)順利推進(jìn)的關(guān)鍵。因此，接口設(shè)計(jì)在整個(gè)地鐵工程設(shè)計(jì)過(guò)程中是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。本文將結(jié)合深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)的軌道工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及施工配合經(jīng)驗(yàn)，提出部分典型的接口問(wèn)題，并就相關(guān)問(wèn)題提出優(yōu)化處理建議。
1預(yù)制軌道板接口問(wèn)題
為適應(yīng)深圳地鐵預(yù)制裝配式建造要求，積極踐行“綠色建造”理念，深圳地鐵積極推廣預(yù)制軌道板在深圳地鐵中的應(yīng)用。從工程實(shí)體的施工質(zhì)量、建設(shè)項(xiàng)目全壽命周期成本及后期的養(yǎng)護(hù)維修便利性等方面綜合考慮，預(yù)制軌道板明顯優(yōu)于現(xiàn)澆整體道床軌道［3］。根據(jù)深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)的施工統(tǒng)計(jì)，在鋼彈簧浮置板道床地段，預(yù)制軌道板的施工效率可達(dá)60m/作業(yè)面/d，相較于傳統(tǒng)的鋼筋籠法25m/工作面/d的施工效率有極大提升。預(yù)制軌道板雖然有其優(yōu)勢(shì)，但是其施工靈活性相比于現(xiàn)澆道床差。因?yàn)榈罔F施工相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)接口眾多，為確保接口準(zhǔn)確，在前期預(yù)制板設(shè)計(jì)中，必須予以提前考慮。
1．1預(yù)制軌道板與土建設(shè)計(jì)接口
地鐵軌道施工與國(guó)鐵的一個(gè)重要區(qū)別在于施工環(huán)境。地鐵軌道主要鋪設(shè)于地下，施工空間狹小，極大的制約了施工效率［4］，因此預(yù)制軌道板的尺寸設(shè)計(jì)除了應(yīng)該考慮受力條件外，還應(yīng)考慮與車(chē)站設(shè)計(jì)尺寸、隧道設(shè)計(jì)尺寸的匹配性，否則將導(dǎo)致預(yù)制軌道板安裝困難甚至無(wú)法安裝。深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為D5400mm，隧道結(jié)構(gòu)限界為D5200mm，隧道施工誤差允許值為100mm。為確保減振性能，10號(hào)線(xiàn)高等減振地段預(yù)制軌道板設(shè)計(jì)斷面尺寸為2400mm×260mm，預(yù)制軌道板下黏貼有30mm厚的減振墊。設(shè)計(jì)要求土建結(jié)構(gòu)預(yù)留軌道結(jié)構(gòu)高度為820mm(軌面至限界圓)。軌道板與隧道結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。以上尺寸設(shè)計(jì)在工程實(shí)踐中出現(xiàn)了以下兩個(gè)問(wèn)題:1)在不考慮隧道施工誤差的情況下，軌道板下自密實(shí)混凝土調(diào)整層厚度能夠滿(mǎn)足100mm的設(shè)計(jì)要求。但是在實(shí)際施工中，盾構(gòu)施工誤差是不可避免的，一旦盾構(gòu)發(fā)生上浮，將使得自密實(shí)混凝土層厚度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2)預(yù)制軌道板下角與隧道壁距離過(guò)近，在施工過(guò)程中，軌道板的精調(diào)是通過(guò)精調(diào)爪(如圖2所示)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，過(guò)小的空間致使精調(diào)爪安裝存在諸多困難。為解決上述困難，線(xiàn)路調(diào)線(xiàn)調(diào)坡對(duì)高等減振地段開(kāi)展了大量的調(diào)線(xiàn)調(diào)坡設(shè)計(jì)工作，無(wú)形中增大了設(shè)計(jì)工作量。針對(duì)上述出現(xiàn)的問(wèn)題，提出如下建議:1)調(diào)整盾構(gòu)選型尺寸。為適應(yīng)預(yù)制軌道板的安裝需求，建議在初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軌道設(shè)計(jì)即穩(wěn)定接口要求，盾構(gòu)內(nèi)徑按照不小于5．5m進(jìn)行設(shè)計(jì);2)優(yōu)化預(yù)制軌道板設(shè)計(jì)。預(yù)制軌道板的優(yōu)化設(shè)計(jì)有以下兩種思路。一是減小軌道板斷面寬度，將軌道板斷面寬度縮小為2．2m(見(jiàn)圖3);二是對(duì)軌道板下角處進(jìn)行倒角設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖4)。以上兩種設(shè)計(jì)均能在滿(mǎn)足減振性能的前提下，有效應(yīng)對(duì)盾構(gòu)施工誤差對(duì)自密實(shí)混凝土土層厚度及軌道板安裝帶來(lái)的困難。深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)鋼彈簧預(yù)制板設(shè)計(jì)斷面尺寸為2700mm×340mm，如圖5所示。當(dāng)該預(yù)制板在車(chē)站地段安裝時(shí)，需通過(guò)小型鋪軌龍門(mén)吊調(diào)運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，再對(duì)照線(xiàn)路中心線(xiàn)落入準(zhǔn)確的位置。在實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，因線(xiàn)路中心線(xiàn)距離站臺(tái)板邊緣為1600mm，因此軌道板邊緣距離站臺(tái)板邊緣的距離僅250mm，該寬度小于龍門(mén)吊走行軌安裝寬度及龍門(mén)吊自身寬度，因此軌道板運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，無(wú)法直接落至設(shè)計(jì)中心線(xiàn)位置，需要再人工橫向推動(dòng)約200mm，增加了施工難度(見(jiàn)圖6)。從施工角度來(lái)看，預(yù)制軌道板寬度越小，施工越便利。但是浮置板設(shè)計(jì)不能僅考慮施工便利，還需要滿(mǎn)足預(yù)制軌道板受力以及浮置板的減振要求。根據(jù)相關(guān)線(xiàn)路的既有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在車(chē)站地段將預(yù)制板寬度縮小至2500mm，能夠滿(mǎn)足車(chē)站地段的減振要求，且有利于施工便利。優(yōu)化方案如圖7所示。
1．2預(yù)制軌道板與過(guò)軌管設(shè)計(jì)接口
地鐵工程軌道結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)的過(guò)軌管線(xiàn)多、預(yù)留管溝多、涉及專(zhuān)業(yè)多［5］。在地鐵10號(hào)線(xiàn)中，考慮到預(yù)制軌道板采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，埋設(shè)過(guò)軌管對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)存在諸多不利，因此本線(xiàn)在設(shè)計(jì)中，將存在過(guò)軌管的位置均將預(yù)制軌道板調(diào)整為現(xiàn)澆道床。圖8為深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)某區(qū)間的鋼彈簧浮置板道床設(shè)計(jì)圖。為滿(mǎn)足過(guò)軌管設(shè)置要求，板554為現(xiàn)澆道床。據(jù)施工反饋，因預(yù)制板地段中現(xiàn)澆道床的存在，施工中在推進(jìn)到現(xiàn)澆道床部分，存在調(diào)整施工工藝、龍門(mén)吊邊跨等工作，嚴(yán)重制約施工進(jìn)度。且通過(guò)工程完工后的設(shè)計(jì)回訪發(fā)現(xiàn)，全線(xiàn)有大量預(yù)留的過(guò)軌管并未使用，大量過(guò)軌管仍然直接從道床面敷設(shè)穿過(guò)。鑒于以上的實(shí)際情況，建議:1)嚴(yán)格控制道床范圍內(nèi)的過(guò)軌管數(shù)量及管徑，在前期設(shè)計(jì)中，即提出要求，要求過(guò)軌管應(yīng)盡量從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍內(nèi)過(guò)軌;2)根據(jù)預(yù)制板工廠方面的反饋信息，過(guò)軌管直接在預(yù)制板工廠預(yù)制時(shí)進(jìn)行埋設(shè)是可行的，因此建議設(shè)計(jì)中采用預(yù)制板直接埋設(shè)過(guò)軌管的方式進(jìn)行過(guò)軌管設(shè)置，盡量減少預(yù)制板段出現(xiàn)現(xiàn)澆道床的數(shù)量。1．3預(yù)制軌道板與線(xiàn)路設(shè)計(jì)接口在城市軌道交通中，為降低預(yù)制軌道板的制造成本，布置在曲線(xiàn)地段的預(yù)制軌道板承軌臺(tái)仍然按照直線(xiàn)布置，即曲線(xiàn)地段采用“以直代曲”的設(shè)計(jì)思路。在該設(shè)計(jì)思路下，曲線(xiàn)地段預(yù)制軌道板的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度就是必須要考慮的要點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，軌道板設(shè)計(jì)不宜過(guò)短，過(guò)短的軌道板將降低線(xiàn)路的整體性，在浮置板道床地段軌道板長(zhǎng)度的選取尚需考慮動(dòng)力效應(yīng)及振動(dòng)衰減。從受力角度方面分析，我國(guó)高速鐵路常用軌道板長(zhǎng)度在3．6m～6．5m［3］，也即每塊軌道板布置6對(duì)～11對(duì)承軌臺(tái)。在曲線(xiàn)地段軌道板設(shè)計(jì)中，下限按照布置6對(duì)承軌臺(tái)考慮。同時(shí)，曲線(xiàn)地段軌道板長(zhǎng)度也不宜過(guò)長(zhǎng)。在城市軌道線(xiàn)路中，正線(xiàn)線(xiàn)路最小設(shè)計(jì)曲線(xiàn)半徑為350m，困難情況下不小于300m［6］。過(guò)長(zhǎng)的軌道板長(zhǎng)度將使得曲線(xiàn)地段軌道板矢距加大，扣件偏離線(xiàn)路中心線(xiàn)的距離均需通過(guò)扣件自身來(lái)調(diào)整，這就無(wú)形中減小了后期運(yùn)營(yíng)階段的扣件可調(diào)整量(見(jiàn)圖9)。曲線(xiàn)地段軌道板基于“以直代曲”原則，采用半矢法布板，即按軌道板第2組扣件中心線(xiàn)處線(xiàn)路中心線(xiàn)與軌道板中心線(xiàn)偏離值為0布置，其余扣件中心線(xiàn)處矢距通過(guò)扣件調(diào)整［2］。并以2mm的矢距作為極限控制值確定曲線(xiàn)地段軌道板的長(zhǎng)度。以下對(duì)一塊軌道板布置6對(duì)承軌臺(tái)以及7對(duì)承軌臺(tái)2種方案進(jìn)行比選，承軌臺(tái)中心線(xiàn)間距均為600mm。2種方案下各曲線(xiàn)半徑條件時(shí)的承軌臺(tái)矢距如下。由表1，表2可知，一塊軌道板上布置6對(duì)承軌臺(tái)時(shí)，軌道板能夠適應(yīng)350m以上曲線(xiàn)半徑的工況;一塊軌道板布置7對(duì)承軌臺(tái)時(shí)，軌道板能夠適應(yīng)450m以上曲線(xiàn)半徑的工況。因此，建議城市軌道交通中，曲線(xiàn)地段軌道板按照布置6對(duì)承軌臺(tái)的方案進(jìn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，即軌道板長(zhǎng)度在3．6m左右較為合適。
2軌行區(qū)排水接口問(wèn)題
軌行區(qū)的排水主要通過(guò)道床排水溝來(lái)解決。道床排水溝起到了軌行區(qū)積水的引流作用，將區(qū)間水引至廢水泵房處，以順利排出區(qū)間水。城市軌道交通中，受減振影響，一般存在多種道床型式，其水溝類(lèi)型也不一樣。以深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)為例，共存在6種道床類(lèi)型，分別為普通地段現(xiàn)澆道床、減振扣件地段現(xiàn)澆道床、普通地段預(yù)制板道床、梯形軌枕道床、預(yù)制板式道床墊浮置板道床、預(yù)制板式鋼彈簧浮置板道床。各類(lèi)型道床的水溝溝底標(biāo)高如表3所示。不同道床間的排水過(guò)渡，屬于軌道設(shè)計(jì)內(nèi)部接口問(wèn)題，一般做法是通過(guò)設(shè)置中心水溝排水過(guò)渡段來(lái)解決。中心水溝過(guò)渡段的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為:其中，L為中心水溝排水過(guò)渡長(zhǎng)度，mm;C2為上游浮置板地段水溝溝底至軌面的高差，mm;C1為下游普通道床地段水溝溝底至軌面的高差，mm;i為水溝過(guò)渡段處的線(xiàn)路縱坡。與土建等外部專(zhuān)業(yè)存在的主要接口問(wèn)題有以下兩個(gè):1)廢水泵房接入口管底高程高于道床排水溝溝底高程。該情況主要出現(xiàn)在浮置板道床地段，因浮置板道床水溝溝底高程相較于普通道床更低，如果接口管理不到位，極有可能出現(xiàn)廢水泵房接入管管底高程高于道床水溝溝底高程的情況。過(guò)往的接口管理中，軌道專(zhuān)業(yè)往往會(huì)針對(duì)不同的道床類(lèi)型，提出不同地段的廢水泵房接入管管底高程要求。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該提法極易造成相關(guān)接口專(zhuān)業(yè)誤解，不易做到接口管理的準(zhǔn)確性。因此建議:在初步設(shè)計(jì)階段，軌道專(zhuān)業(yè)在對(duì)給排水、結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)提出廢水泵房接入管管底高程的統(tǒng)一要求，可要求在盾構(gòu)區(qū)間，廢水泵房接入口管底高程不得高于－750mm(相對(duì)于軌面)，在車(chē)站及礦山法地段，廢水泵房管底應(yīng)緊貼結(jié)構(gòu)底板或仰拱回填層設(shè)置。只要廢水泵房接入管管底高程足夠低，軌行區(qū)積水排入廢水泵房也越容易。2)當(dāng)出現(xiàn)區(qū)間在上游、車(chē)站在下游，上游區(qū)間設(shè)計(jì)為浮置板道床、下游車(chē)站設(shè)計(jì)為普通道床，且浮置板道床設(shè)計(jì)終點(diǎn)正好截止于離車(chē)站端頭不遠(yuǎn)處時(shí)，容易出現(xiàn)區(qū)間水溝無(wú)法順接至車(chē)站內(nèi)廢水泵房處的情況。如果上游為預(yù)制板式鋼彈簧浮置板道床，中心水溝溝底高程為－750mm。車(chē)站地段為普通道床，結(jié)構(gòu)底板高程為－580mm(相對(duì)于軌面)，為使得上游區(qū)間的中心水溝能夠順接至車(chē)站，則在浮置板道床設(shè)計(jì)終點(diǎn)至車(chē)站端頭的這段距離內(nèi)，中心水溝至少應(yīng)抬升至不低于車(chē)站結(jié)構(gòu)底板高程，也即－580mm，抬升高度至少應(yīng)為170mm。假設(shè)上游水溝過(guò)渡段線(xiàn)路縱坡為19‰，參考上述式(1)，浮置板設(shè)計(jì)終點(diǎn)至車(chē)站端頭的距離至少應(yīng)為10m。當(dāng)該段距離不足10m時(shí)，則將發(fā)生水溝無(wú)法順接至車(chē)站的情形，如圖10所示。為避免該情況的發(fā)生，建議:凡是出現(xiàn)上游區(qū)間為浮置板道床、下游車(chē)站為普通道床的情況，且浮置板道床設(shè)計(jì)終點(diǎn)距離車(chē)站端頭較近、可能發(fā)生排水過(guò)渡段長(zhǎng)度不足的時(shí)候，建議將下游車(chē)站的軌道結(jié)構(gòu)高度統(tǒng)一加大至不小于750mm。由此造成的軌道工程數(shù)量的變動(dòng)，應(yīng)在設(shè)計(jì)概算里加以考慮。
3立柱式檢查坑道床接口問(wèn)題
車(chē)輛段庫(kù)內(nèi)停車(chē)列檢庫(kù)地段，一般采用立柱式檢查坑整體道床。立柱凈距是確保車(chē)輛維修人員正常維修作業(yè)的保證，因此一般設(shè)計(jì)中，工藝專(zhuān)業(yè)會(huì)對(duì)立柱凈距提出要求。在深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)涼帽山車(chē)輛基地中，按照工藝要求，立柱橫向凈距為1200mm。受該凈距要求影響，扣件無(wú)法布置于立柱中心位置，致使立柱處于偏心受壓狀態(tài)。更為不利的是，扣件錨固螺栓距離立柱邊緣較近，理論上僅有約41mm的保護(hù)層厚度，考慮到施工誤差，有時(shí)甚至不足41mm?，F(xiàn)場(chǎng)施工也發(fā)現(xiàn)，在立柱式檢查坑地段，立柱出現(xiàn)了部分開(kāi)裂情況，影響軌道結(jié)構(gòu)使用壽命及安全(見(jiàn)圖11～圖13)?；谏鲜鲆殉霈F(xiàn)的問(wèn)題，建議:在前期土建設(shè)計(jì)中，協(xié)調(diào)工藝專(zhuān)業(yè)將立柱間距調(diào)整為1100m。根據(jù)調(diào)研情況，在相關(guān)線(xiàn)路車(chē)輛基地中，已有部分車(chē)輛基地注意到該問(wèn)題，已將立柱間距由原設(shè)計(jì)1200m調(diào)整為1100m，該間距同樣能夠滿(mǎn)足車(chē)輛檢修人員的正常檢修作業(yè)。
4結(jié)語(yǔ)
本文結(jié)合筆者在深圳地鐵10號(hào)線(xiàn)當(dāng)中的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出了軌道工程設(shè)計(jì)與土建設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、線(xiàn)路設(shè)計(jì)、給排水設(shè)計(jì)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)存在的接口問(wèn)題。同時(shí)結(jié)合施工配合經(jīng)驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)中不利于施工的方面，提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。相關(guān)建議總結(jié)如下:1)為提高預(yù)制軌道板對(duì)盾構(gòu)區(qū)間的適應(yīng)性，在內(nèi)徑5200mm的盾構(gòu)區(qū)間中，建議預(yù)制板寬度按照2200mm設(shè)計(jì)，或?qū)︻A(yù)制板角點(diǎn)進(jìn)行倒角設(shè)計(jì);2)在車(chē)站地段的浮置軌道板寬度，在滿(mǎn)足減振需求的前提下，建議按照寬度不超過(guò)2500mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，以避免現(xiàn)場(chǎng)軌道板吊裝運(yùn)輸?shù)轿缓蟮亩螜M向移動(dòng);3)為避免頻繁的預(yù)制板段、現(xiàn)澆段的交叉設(shè)計(jì)，建議過(guò)軌管在預(yù)制板內(nèi)預(yù)埋;4)為提高預(yù)制軌道板對(duì)曲線(xiàn)的適應(yīng)性，同時(shí)考慮到軌道板不宜過(guò)短，建議曲線(xiàn)地段軌道板按照3．6m長(zhǎng)(即6對(duì)承軌臺(tái))進(jìn)行設(shè)計(jì);5)為避免區(qū)間排水受阻的問(wèn)題，凡是出現(xiàn)上游區(qū)間為浮置板道床、下游車(chē)站為普通道床的情況，且浮置板道床設(shè)計(jì)終點(diǎn)距離車(chē)站端頭較近、可能發(fā)生排水過(guò)渡段長(zhǎng)度不足的時(shí)候，建議將下游車(chē)站的軌道結(jié)構(gòu)高度統(tǒng)一加大至不小于750mm;6)車(chē)輛段庫(kù)內(nèi)立柱式檢查坑地段，建議立柱橫向凈距按照1．2m進(jìn)行設(shè)計(jì)，已保證扣件能位于立柱中心，避免扣件套管保護(hù)層厚度過(guò)小的問(wèn)題。
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作者：黃河山 單位：中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司
