城市轨道交通整体道床沉降修复技术

杨明辉

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都　610031)



城市轨道交通整体道床沉降修复技术

杨明辉

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031)

摘要：介绍城市轨道交通整体道床沉降的修复技术。以某城市轨道线路整体道床沉降为例,提出道床沉降修复原则,推导出轨道抬高量的理论公式,优化线路竖曲线半径,减少道床整治范围。提出并分析6种道床修复方案及特点,阐述新埋短枕方案的工艺原理、施工注意事项等。通过近1年运营实践,道床状态完好如新,验证该修复技术是可行的、可靠的。

关键词：轨道交通；整体道床；沉降；修复

1概述

城市轨道交通盾构隧道的联络通道在软土地层施工一般采用冻结法，即沿开挖断面周边布置与联络通道方向基本平行的冻结孔，然后在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封水性好的冻土帷幕，在冻土帷幕的保护下进行通道暗挖施工。联络通道主体结构施工完毕后，停止供冷，土体自然解冻，解冻过程中会引起联络通道附近隧道的沉降[1-3]。如沉降未趋于稳定就铺设整体道床，后期道床将跟随隧道一起沉降，引起轨道不平顺，影响行车安全。小量的沉降可通过轨道扣件修复，一旦沉降量超过扣件的调整能力(最大调高量一般为30 mm)，就需要对轨道道床进行整治修复，才能满足轨道平顺性要求。本文阐述某城市轨道线路运营前，轨道线形监测发现盾构隧道联络通道附近整体道床沉降30余mm后的修复技术，该区段线路及轨道设计概况如图1所示。

图1　联络通道附近线路及轨道设计概况(单位：m)

2道床沉降修复原则

结合工程实施的可行性、运营养护的可持续性，整体道床的沉降修复应遵循以下原则：

(1)结合轨道线形监测数据，优化线路设计，以降低轨道抬高量，减少道床整治范围，尽量少扰动既有轨道结构。

(2)为适应将来运营维修需要，原则上需预留+20 mm以上扣件调高裕量，超出此裕量范围时需进行道床整治。即钢轨抬高量超过10 mm的道床进行整治修复，抬高量低于10 mm的可采用扣件调整。

(3)道床修复方案应保证道床的耐久性好，施工便利，轨底坡等施工质量易控。

(4)道床修复方案应使轨底与道床空隙满足断轨等伤损时快速安装钢轨急救器需要，不得影响工务抢修作业。

(5)道床整治修复作业应快捷，修补材料应尽快形成强度，缩短修复作业时间。

3线路设计优化

为保证行车平顺和乘客舒适度，《地铁设计规范》(GB50157—2013)规定，线路纵断面的变坡点处，当两相邻坡段的坡度代数差≥2‰时，应设圆曲线形的竖曲线连接[4]，如图2所示。其半径与行车速度有关，速度愈高，要求半径愈大。根据城市轨道交通实际行车速度多小于80 km/h，其采用竖曲线半径较小，规范规定正线区间一般情况5 000 m，困难情况2 500 m。

图2　圆曲线形的竖曲线

已知线路设计坡度、变坡点里程及高程，根据竖曲线的几何要素公式[5-6]可以推导出

当DK在DKc～DKa范围时，h=hc+(DK-DKc)×i1;

当DK在DKb～DKd范围时，h=hd+(DK-DKd)×i2;

式中R——线路竖曲线半径，m；

Δi——相邻坡段坡度代数差的绝对值，Δ=│i1-i2│，i1、i2上坡取“+”号，下坡取“-”号，‰；

DK——对应点的设计里程，km；

h——对应点的设计轨面高程，m；

h测——钢轨现状实测高程，m；

T——竖曲线切线长度，m；

Δh——轨道抬高量，正值表示相对于现状钢轨需抬高，负值表示需降低，mm。

根据轨道线形监测数据及图1所示的轨道设计及线路条件，将坡度、里程和高程等参数代入上述公式，试取竖曲线半径4 000、3 500、3 000 m，可计算得出不同竖曲线半径下的轨道抬高量见表1。

表1　不同竖曲线半径下轨道抬高量　mm

从表1可以看出：(1)原设计线路条件下轨道需最大抬高量33.8 mm，已超出扣件调高30 mm的能力，因此该区段必须进行道床整治修复；(2)竖曲线半径对轨道抬高量和道床整治区段长度影响较大，竖曲线半径越小轨道抬高量越小，需要整治的范围也越小。尤其从原设计调整为4 000 m，整治长度减少了23 m，大大减小了道床整治工程量。但竖曲线半径太小，影响行车舒适性，而且会有部分区段钢轨为负抬高量，扣件无法直接实现其要求。

4道床修复方案分析

基于上述线路优化成果，结合本线实际情况提出以下道床修复方案。

(1)道床凿除方案。即对整治范围的整体道床全部凿除后重新浇筑道床，能彻底解决道床沉降病害，保证整体道床的稳定性和耐久性。但是施工时间长，可能影响线路开通运营时间；一次性投入的成本较大。

(2)扣件调整方案。如采用设置3 000 m竖曲线半径方案，全部采用轨道扣件修复可满足线路平顺性要求，其扣件调高最大值为13.6 mm，可不扰动道床结构，保证整体道床的稳定性和耐久性。施工时间最短，一次性投入的成本最少。但较小的竖曲线半径影响行车舒适性；里程为DK11+641.79处调高量为-1.0 mm，负抬高量需要修磨轨枕；且后期采用减小竖曲线半径来适应道床沉降的裕量很小。

(3)新埋短枕方案。切除整治范围轨枕，按设计轨面高程，重新埋入短枕并采用聚合物水泥砂浆浇筑形成道床结构，能保证承轨台、轨底坡施工质量，钢轨轨底与道床面间隙也满足工务抢修需要。但整体道床的稳定性和耐久性有一定影响。施工时间、施工难度和一次性投入成本一般。

(4)枕间增设承轨台方案。在既有轨枕空间凿除宽270 mm×长640 mm×深90 mm以上道床混凝土，布设承轨台钢筋网片，按设计轨面高程吊装扣件及套管，重新浇筑聚合物水泥砂浆承轨台形成道床结构，既有轨枕可保留备用。施工时间和一次性投入成本一般。但影响道床耐久性，后期可能产生承轨台与原道床混凝土分层，承轨台开裂、掉块等病害；轨底与道床面间隙也不能满足工务抢修需要。

(5)道床面直埋套管方案。凿除深度40～50 mm道床面和轨枕面混凝土，钻孔取出原轨枕套管，放入道床和承轨钢筋网片，按设计轨面高程吊装扣件及套管，浇筑聚合物水泥砂浆道床，承轨面和道床面平齐，不设承轨台。此方案施工简单，但影响道床耐久性，后期可能产生新老道床混凝土分层等病害；轨底与道床面间隙也不能满足工务抢修需要。施工时间和一次性投入成本较大。

(6)注浆抬高道床板方案[7-8]。在道床板内沿线路方向一定间隔布设注浆孔，采用注浆机通过注浆管将水泥或环氧浆液以一定压力灌注到轨道与盾构结构的离缝或空隙中，浆液以充填、渗透和挤密等方式排挤离缝中的水、空气和其他杂质，充填其位置并缓缓抬高轨面，边注浆边监测，直到恢复至设计高程。此方法适用于道床基底脱空、翻浆冒泥等病害整治，可在天窗时间完成，不影响运营。但是注浆过程中轨面高程控制很难，施工要求高，难度大，施工工期长。

5道床整治修复技术

根据线路优化及道床修复方案优缺点分析，确定采用竖曲线半径4 000 m和新埋短枕方案(图3)，道床整治区段长度适中，施工质量易控，预留扣件调高和线路优化裕量充足，满足运营维修和抢险需要。

图3　新埋短枕方案横断面、平面布置

5.1　施工工艺

(1)拆除整治范围扣件，并适量抬升、拨移钢轨。

(2)采用混凝土切割锯或小型破碎机等器具，将整治范围的轨枕从混凝土道床中取出，凿除道床范围按保证新安装轨枕底部有40～50 mm深的空间，轨枕四周有70～80 mm宽的空间为准。清理凿除区域道床混凝土碎屑、浮浆、灰尘等杂物。

(3)放入新短轨枕，轨枕四角钻孔植入N1螺纹钢筋，植入深度70 mm以上，植筋胶技术性能需满足表2要求；然后轨枕四周设N2、N3上下两层钢筋，并与植入的N1钢筋和轨枕伸出钢筋焊接，其余按原道床结构布置钢筋。

表2　植筋胶技术性能要求

(4)按设计轨面高程确定钢轨位置，吊装短枕及扣件，检查轨枕周边的空间是否满足要求。支立道床模板。

(5)精细调整钢轨高程、轨底坡、超高、左右位置等几何形位，并固定。

(6)再次清理凿除区域道床混凝土碎屑、灰尘等杂物。

(7)在道床切除区域、轨枕四周和底部混凝土暴露面涂刷底涂材料，以加强新旧混凝土的粘结。底涂材料选用聚合物水泥净浆或专用界面剂。

(8)计量并配制聚合物水泥砂浆。聚合物水泥砂浆要求低收缩性、早强、粘结性能和流动性好，需满足表3要求[9]。

表3　聚合物水泥砂浆性能参数要求

注：1.JTJ/T 271《港口工程混凝土粘接修补技术规程》

2.DL/T 5126《聚合物改性水泥砂浆试验规程》

(9)浇筑聚合物水泥砂浆，应使砂浆自轨枕一侧向另外一侧自然流动，待充填轨枕底部振捣密实后，方可向前继续浇筑。将砂浆面刮平，与相邻道床表面平齐，并打扫干净。

(10)砂浆养护，抗压强度达到30 MPa及以上后，精调线路，恢复线路。

5.2　施工注意事项

(1)凿除道床应采用小型机具设备，避免对邻近道床产生扰动和破坏。

(2)整治道床所增设的钢筋网应与原道床杂散电流收集网可靠连通。

(3)为增强轨枕与道床的连接强度，提高耐久性，轨枕四周离承轨面50 mm以下范围可轻微凿毛。

(4)拆除扣件及抬升钢轨中，注意钢轨应力的放散，避免出现钢轨硬弯等损伤。

(5)如轨枕间道床被破坏，应剔除破坏道床，把N3钢筋连通设置，并在枕间增加1根N2钢筋。

5.3　施工资源配置

(1)机具配置。轨道平板车2辆，混凝土切割机2把，空压机2台，鼓风机2台，调轨支架10套，砂浆搅拌机2台，小型振捣棒3台，备用75 kW发电机1台。

(2)人力配置。施工现场管理7人，凿除道床混凝土10名，钢筋工6名，模板工4名，线路工4名，砂浆搅拌5人，道床浇筑及抹面8人，其余搬运、清扫等杂工5名。

6结论及建议

自2014年7月该区段整体道床沉降修复完成，经过了近1年运营实践的考验，其车辆通过该区段的动力学指标和舒适度指标优秀，现场检测也未发现新老道床混凝土分层、道床裂纹、短枕松动等任何病害，道床状态完好如新，如图4所示。

图4　道床沉降修复后运营近1年的现场照片

实践证明，城市轨道交通整体道床沉降采用优化线路设计，减少道床整治范围，并采用新埋短枕方案及其修复材料是可行的、可靠的，对今后类似道床沉降修复的设计和施工均有重要的参考和指导意义。同时，结合此次整体道床沉降修复的经验，对轨道设计和施工提出以下建议：

(1)轨道施工严格执行沉降稳定后方可铺轨的原则，如工期紧张则可采用混凝土“支墩法”、“工字钢法”等铺设临时过渡轨的方法；

(2)积累联络通道沉降数据，分析沉降规律，预测工后沉降量，在整体道床施工时轨面预留好沉降量；

(3)道床修复所用的短枕建议在制造时，轨枕混凝土初凝前冲洗掉轨枕四周的水泥浆，露出粗骨料，加强新老混凝土粘结力，提高道床耐久性；

(4)在盾构穿越淤泥土质、联络通道等沉降量大的区段研发并铺设新型调高量大的轨道结构。

参考文献：

[1]王晖，竺维彬.软土地层地铁盾构隧道联络通道冻结法施工控制技术研究[J].现代隧道技术，2004，41(3)：17-21.

[2]郝润霞，刘欣宇.冻结法联络通道施工对隧道的影响分析[J].四川建筑科学研究，2014，40(2)：361-370.

[3]王志良，申林方，李明宇.冻结法施工的地铁旁通道实测数据分析[J].地下空间与工程学报，2010，6(1)：138-143.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50157—2013地铁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[5]易思蓉.铁道工程[M].2版.北京：中国铁道出版社，2011：414-416.

[6]欧阳全裕，姜传治.地铁地下线凹形竖曲线最低点位置及高程的确定[J].铁道标准设计，2007(12)：14-18.

[7]马伟斌，李红海，郭胜，等.铁路隧道内无砟轨道结构病害检测与快速修复技术[J].中国铁路，2011(9)：29-32.

[8]沈赞.地铁运营隧道道床上浮应急及整治研究[J].广东土木与建筑，2014(5)：62-64.

[9]中国铁道科学研究院.TG/GW 115—2012高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2012.

Renovation Techniques for Monolithic Concrete Track Settlement of Urban Rail TransitYANG Ming-hui

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Abstract：The paper introduces the renovation techniques for monolithic concrete track settlement in urban rail transit. With reference to the monolithic concrete track settlement in rail transit of a city, principles for repairing track settlement are put forward, the theoretical formula of track raising is derived, the vertical curve line radius is optimized to reduce the workload of track raising. Six schemes for track raising and their features are proposed and analyzed. The technical principles and operating attentions for newly buried short sleeper are described. After nearly one year operation, the track remains perfect, which justifies the feasibility and reliability of the renovation techniques.

Key words：Rail transit; Monolithic concrete track; Settlement; Renovation

中图分类号：U213.2+41

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.005

文章编号：1004-2954(2016)02-0023-05

作者简介：杨明辉(1979—)，男，高级工程师，2005年毕业于西南交通大学车辆工程专业，工学硕士，E-mail:ymh208@163.com。

收稿日期：2015-05-29； 修回日期：2015-07-10