预制技术在地铁轨道工程的应用

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摘要：为探索预制技术在地铁轨道工程中的应用前景，文章系统分析地铁轨道工程既有建造技术存在的问题，探讨预制轨道技术应用的意义，并对地铁预制轨道关键技术进行分析。相关研究可为地铁轨道工程预制装配的结构设计提供参考和借鉴。

关键词：地铁；轨道工程；预制技术

1预制装配技术应用的意义

1.1适应宏观装配式建筑的发展

《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》[1]、省市各级政府以及建设主管部门等政策文件中均要求：要加大工程建筑行业的预制装配率，加强技术创新，强化建筑材料标准、部品部件标准、工程标准之间的衔接。逐步建立完善覆盖设计、生产、施工和使用维护全过程的装配式建筑标准规范体系。为贯彻落实国家、地方政府以及各级建设主管部门关于大力发展装配式建筑理念，地铁应向着绿色、生态、环保、健康等方向发展。针对地铁轨道工程，预制装配技术将是一个很好的契合点，预制板式无砟轨道技术成熟可靠，可有效提高轨道精度和平顺性，便于无砟轨道的维修和保养。“十三五”以来，国家提出了“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念[2]。在此背景下，采用预制板式无砟轨道结构，实现地铁轨道设计施工的标准化、工厂化和机械化，提高轨道结构整体技术水平，是改善作业环境、提高施工效率、实现轨道设计施工可持续发展的必由之路，将带来十分显著的经济和社会效益。

1.2适应城市地铁快速发展

随着社会经济的迅猛发展，城市化进程逐步加快，城市人口大幅增多，城市规划范围逐步扩大[3-4]。提高经济发展水平、提高出行便利性、缓解道路交通拥堵、减少燃油汽车尾气排放及降低汽车噪声污染等诸多诉求为地铁的发展注入了活力。在行业高速发展背景下，地铁呈现出规划超前、建设体量大、建设周期短等特征。预制装配技术由于施工速度快的特点，可很好地适应城市地铁快速发展。

1.3满足轨道工程技术进步需要

随着人们对地铁平稳性、舒适性要求的提高，近年来越来越多地铁采用了装配式轨道结构，北京、上海、广州、深圳等城市相继采用预制装配式轨道。预制装配技术在高速铁路（以下简称“高铁”）上已大面积运用且已形成比较完善的体系。高铁线路顺直，结构空间大，主要运行于非城市区，这些外部条件决定了预制装配式轨道结构简单，型式单一，实施便利，如图1所示。直接将高铁预制装配技术照搬进入地铁是不够的，针对地铁轨道工程，预制装配技术所面临的挑战包括线路条件较差、隧道空间狭小、疏散要求严格、减振需求苛刻、专业接口复杂[5]、维保难度极大等，如图2所示，由此衍生出诸多需要研究及分析的关键问题，这些问题也推动地铁轨道工程技术的进步。

2地铁轨道工程既有建造技术现状问题

2.1轨道现浇道床存在问题

目前，地铁中大部分采用的是现浇整体道床，从施工和运营情况来看，均存在一些问题，归纳分析如下。（1）施工进度慢。现场绑扎钢筋、浇筑混凝土，混凝土养护均需要时间，各工序搭接时间长。（2）施工空间狭小。大量工序现场进行，浇筑混凝土量大，粉尘严重，钢筋焊接焊烟大，工作环境差。（3）工序复杂。现场工作包括10多道工序，受工作面空间限制，各工序只能依次进行，难以实现施工机械化。（4）污染上部结构。人工浇筑、赶工期，易造成钢轨、扣件脏污，后期清理极易破坏扣件的防锈层，造成永久伤害。（5）混凝土搅拌站一般离市区较远，存在运输距离长的问题，同时运输车在市区内只能晚上通行，运输效率低，对交通秩序造成影响。（6）混凝土下轨排井及运至浇筑现场过程中易出现浆石分离现象，导致混凝土铺设质量普遍较低。（7）运营过程中常常出现整体道床开裂、掉块等现象，影响轨道结构耐久性。（8）道床板更换时，需切割伤损道床、布设钢筋等复杂的工艺流程，对前后道床板施工干扰大，可维修性差。以上问题客观存在且难以避免，采用预制技术是一个可行且有效的办法。

2.2既有预制轨道技术存在问题

国内上海、广州、深圳等城市针对预制板式无砟轨道技术开展了一些尝试性研究。但也出现了一些问题[6-7]，归纳分析如下。（1）预制装配率不高。既有的地铁预制轨道技术虽然经过了系统化研究、试验段验证，技术相对成熟，但在特殊工点仍采用现浇方式，这与大力发展装配式建筑的目标有一定差距。（2）轨道高度较现浇道床高。装配式轨道为“预制轨道板-调整层-底座”层状结构体系，为保证两侧具有一定深度和宽度的排水沟，装配式轨道需要的轨道高度比现浇道床要高。（3）自密实混凝土性能及施工技术要求较普通混凝土高，混凝土性能受外界条件影响大，拌制、运输和灌注各个环节均需严格把控。（4）由于土工布位置较低，一旦水沟深度不足，隔离层易进水引起道床病害。（5）预制轨道板相较于现浇道床结构，每公里造价约增加150万元，每组道岔增加约20万元。（6）目前，运营维护经验积累较少。针对上述问题，在充分借鉴和吸收高速铁路预制装配技术、既有地铁预制板式轨道技术的基础上，力争在地铁装配式无砟轨道技术方面寻求大的突破，这既是适应建筑工程装配式技术进步的需要，同时也是响应国家在创新装配式建筑设计方面的要求。

3预制技术在地铁轨道工程中的关键技术分析

各城市地铁采用的预制轨道板技术基本都在高铁CRTSⅢ型板的基础上研发适用于地铁的预制板式无砟轨道。基本设计理念还是沿用由上而下设置分层结构体系，结构组成为预制轨道板、调整层、现浇底座（或无），根据不同的轨道结构形式，可将预制板式无砟轨道大致分为普通预制板式无砟轨道、减振型预制板式无砟轨道[8]。结合地铁工程建设特点，有必要就不同预制轨道结构形式对不同隧道断面的适应性、是否采用预应力、平竖曲线如何实现、预制减振轨道如何保证减振能力等关键点进行分析。

3.1预制轨道空间适应性因素分析

地铁设计速度低且运行于城市空间，由此导致地铁空间的局限性大，要实现在狭小的空间中采用预制轨道结构，需综合考虑以下适应性因素。（1）当设计轨道板宽度时，需预留足够轨道边沟宽度。若边沟宽度有限，线路偏移时，水沟排水断面小，特别在曲线地段，过水断面会进一步缩小，易出现排水困难现象。（2）受盾构空间限制，预制轨道板道床土工布隔离层距离水沟底较近，隔离层存在浸泡风险。（3）容差能力差，调线调坡和施工困难。由于预制轨道板施工精度高，对线路空间位置有一定要求，这就要求盾构需严格控制施工误差，对于侵限较大的地方，预制板轨道调整能力有限，不利于调线调坡和施工。预制板轨道受控于线下基础条件、空间线形变化、轨道减振等诸多因素，需统筹做好预制板轨道结构设计。根据调研情况，结合制图分析，地铁使用轨道板的盾构最小内径为5500mm。

3.2预制轨道板预应力选型分析

预应力轨道板通过对预应力钢筋进行张拉，利用钢筋的回缩，使轨道板预先受压。当轨道板承受由外荷载产生拉应力时，首先需抵消轨道板中的预压应力，使其不产生拉应力或拉应力小于混凝土抗拉强度，从而提高轨道板承载能力，使其延缓或不出现裂纹，确保轨道板的耐久性[8]。非预应力轨道板采用普通钢筋混凝土结构，在制造、施工和运营过程中由于受各种荷载共同作用，可能出现不同程度的裂纹。由于裂缝宽度在钢筋锈蚀中的作用历来颇有争议，而轨道板的使用寿命长达百年，因此轨道板的耐久性值得重点关注。根据轨道结构理论研究可知，仅在列车荷载作用下，轨道板所受弯曲应力较小。轨道板所受到的应力主要来自于整体温度变化、温度梯度荷载以及混凝土收缩作用。在隧道内，温度变化幅度较小，在露天的地面及高架段，由于环境温度变化较大，整体温度变化和温度梯度的叠加作用更加明显，非预应力轨道板裂纹产生几率明显加大。从工程经济性角度考虑，地下线可采用普通钢筋混凝土预制板的结构形式，高架线和地面线可采用预应力钢筋混凝土预制板的结构形式。

3.3预制减振轨道减振能力保证措施

地铁线路穿越城市的核心区域，由于列车运行时的振动会给临近区域的居民楼、精密仪器室、高校、古代建筑群等造成一定影响，因此需要全线进行环境影响评估，进而形成分级减振需求地段表，轨道减振措施设计的完整性和准确性对地铁建设有重要影响。目前道床减振方式均是质量-弹簧减振系统，道床质量的配重对减振能力影响很大，采用现浇施工方式时可以结合空间情况提高轨道配重[9-10]。若采用预制道床板减振技术，相比于传统的现浇道床，预制减振道床板宽减少约30%，重量减少约35%，减振效果将大幅降低。为保证预制减振道床的减振效果良好，应合理布置隔振元件及设计动力学参数，合理进行板端连接结构设计，尽可能增加浮置板配重，形成不低于既有现浇道床长度的纵连结构，从而大幅度增加浮置板稳定性并降低自振频率，提升减振效果。

3.4设计接口处理措施

地铁设计是一个多专业协调配合的大型综合设计体系，涉及相关专业的接口多且复杂，与轨道系统相关的专业主要涉及线路、限界、隧道、建筑、结构、供电、信号、通信、给排水、动力及照明等。预制轨道结构受制于预制板厂制周期长、精度要求高、铺设位置固定等因素，涉及接口问题应超前细致规划，应坚持“服从统一组织协调、各专业紧密配合”的原则，力求做到：“预留预埋不直接从预制轨道板中穿过，尽量从预制板下穿过或预制板端预留过轨板缝隙”。

4结论

未来，轨道交通行业将进一步推进装配式建筑理念，地铁作为城市发展的主动脉，遇到了极好的发展契机。为贯彻相关政策同时也助推地铁向着绿色、生态、环保、健康等方向发展，地铁轨道工程将逐步大面积采用预制板式无砟轨道。为了更好地利用预制轨道技术为地铁轨道工程的建造提质增效，需结合地铁建设特点，将预制轨道技术更好地、更贴合地运用到地铁工程中。采用预制板式无砟轨道结构，实现地铁轨道设计施工的标准化、工厂化和机械化，提高轨道结构整体技术水平，是改善作业环境、提高施工效率、实现地铁轨道设计施工可持续发展的必由之路，将带来十分显著的经济和社会效益。

作者：王根平 郝远行 邓希 单位：中铁二院工程集团有限责任公司