城市轨道交通活动断层区域用宽枕板试制及试验研究

徐 红,于 鹏,许正洪,张馨太,张高扬,怯延峰

(1.乌鲁木齐城市轨道集团有限公司,乌鲁木齐 830026； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043； 3.银龙轨道有限公司,天津 300134)

城市轨道交通活动断层区域用宽枕板试制及试验研究

徐 红1,于 鹏2,许正洪3,张馨太1,张高扬2,怯延峰3

(1.乌鲁木齐城市轨道集团有限公司,乌鲁木齐 830026； 2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043； 3.银龙轨道有限公司,天津 300134)

乌鲁木齐城市轨道交通1号线穿越活动断层区域采用的宽枕板是一种新型轨道结构,为验证宽枕板的制造、吊运及其力学特性满足工程需求,对宽枕板进行试制及试验研究。按照先张法预应力结构设计宽枕板,并制定宽枕板试制工艺及型式尺寸检验要求,基于有限元分析方法确定静载试验的检验荷载并进行宽枕板静载抗裂试验。结果表明：按照设计生产工艺制造的宽枕板,其制造误差可以控制在设计允许的范围内,吊运方便且稳定,可以满足工程需求,其静载抗裂特性可以满足工程需求。

城市轨道交通；活动断层；宽枕板；试制；静载试验；抗裂试验

乌鲁木齐市存在多条活动断层，且部分断层在百年内具有活动性，在地质构造作用下可能会产生瞬时空间大变形[1]。在城市轨道交通穿越具有活动性的活动断层时，为降低工程实施风险，设计在结构、防水、接触网、轨道等方面均采取了工程措施，以便在活动断层发生瞬时空间大变形时城市轨道交通工程可以快速、便捷修复。

有砟轨道道砟层是由散粒体道砟颗粒组成，在列车的动荷载作用下，道砟容易流动，造成轨面下沉和扭曲，破坏轨道的几何形位。为了保证行车的安全性和舒适性，需要定期对道砟进行捣固和恢复，这给工务维修增加了难度和工作量[2-3]。尤其在城市地铁中，隧道内施工空间狭小，维护不便，因此地铁中一般采用无砟轨道。但是有砟轨道具有弹性好、能够适应较大变形以及出现问题后易修复的特点，聚氨酯固化道床是一种新型的轨道结构，兼备有有砟轨道和无砟轨道的优点，可在有特定需求的区段铺设[4-5]。无砟轨道中的板式轨道广泛应用于中国、日本、德国、意大利等国的高速铁路中，是一种很有前景的轨道结构形式[6]。板式轨道要求基础坚实的特点决定它应优先应用于隧道和高架桥区段，以及城市地铁等[7]。乌鲁木齐地铁中需要面对轨道处于断裂带大变形区段瞬时变形量大的特点，因此本项目采用了宽枕板与聚氨酯固化道床相结合的方式，保证在大变形的情况下，能够将对轨道的破坏影响控制在较小的范围内，并实现快速修复。

轨道采用的设防方案是采用宽枕板式固化道床，轨道结构自上而下分别为钢轨、扣件、宽枕板、聚氨酯固化道床等。宽枕板轨道横向采用的是轨枕设计理念[8]，轨道板采用单向预应力轨道板[9-10]，其横向设置预应力筋，纵向设置普通钢筋。为验证宽枕板的力学特性满足工程需求，需要对宽枕板进行试制及试验研究[11-12]。

1 宽枕板设计参数

宽枕板为单向预应力混凝土结构，长1.04 m、宽2.2 m、高0.2 m(承轨台处0.23 m)。每块板上布置2对承轨台、4个灌注孔，板侧面布置4个起吊、支撑用螺栓孔。

宽枕板横向布置上下两层共计14根1 570 MPa级φ9 mm的消除应力钢丝，端部设置有锚固板，以降低预应力筋的应力传递长度，预应力钢筋的张拉控制应力为1 020 MPa。纵向布置17根φ10 mm的HRB400级钢筋。

宽枕板混凝土强度等级为C60级。宽枕板外形及配筋设计如图1、图2所示。

图1 宽枕板平面(单位：mm)

图2 宽枕板配筋

2 宽枕板试制

宽枕板试制工作主要包括准备工作、钢筋及预埋件安装、预应力张拉、混凝土浇筑及养护、预应力放张、脱模、封锚砂浆施工等[13]。

宽枕板的试制应首先对原材料进行检验，并对振动台、张拉台座、千斤顶、钢模板等工装设备的工作性能、质量进行检查[14]，确保原材料及所有工装设备检验合格后方可进行宽枕板试制。

在对试制工装设备检验完成后，进行钢模板及钢筋的安装，并对钢筋与预埋件位置偏差进行检验、调整，确保钢筋及预埋件的偏差满足设计要求。钢筋、预埋件安装图及钢筋与预埋件位置偏差检验。钢筋及预埋件位置偏差检验合格后，采用台座法张拉预应力，预应力值采用双控，以张拉力数值为主，系统伸长值作校核。预应力施加应均匀，并且控制张拉速率不应大于4 kN/s，张拉力增至控制值时持荷时间不应少于1 min。张拉完毕后浇筑C60级混凝土，并在振动台上进行振动、抹面。

振动密实后对宽枕板进行蒸汽养护，以缩短宽枕板脱模时间。蒸汽养护应严格按照设计的养护流程、温度控制进行，以免宽枕板内部出现过大的温度梯度，导致宽枕板出现裂纹等现象。宽枕板蒸汽养护过程记录如表1所示。

表1 宽枕板蒸汽养护控制记录

蒸汽养护结束后，进行预应力钢筋放张及脱模，并对宽枕板进行外观及型式尺寸检验，型式尺寸检验内容如图3所示。

图3 宽枕板型式检验内容

经检验，宽枕板型式尺寸误差均在设计公差范围内，可以进行下一步试验。

宽枕板外观及型式尺寸检验合格后，对宽枕板进行水养，养护时间72 h，水温10 ℃。

为确保起吊孔不影响扣件预埋套管抗拔力，宽枕板左右两侧面设计的起吊、支撑用螺栓孔采用非对称形式布置，见图1。待宽枕板养护结束后，在室内进行宽枕板的吊运测试，以验证宽枕板在吊运过程中的稳定性与可靠性是否满足设计要求，确保起吊、支撑用螺栓孔的设计满足工程需求。

根据上述各项检验结果，宽枕板的制造误差可以控制在设计允许的范围内，且其起吊、支撑用螺栓孔的设计可以满足工程需求。

3 宽枕板静载试验研究

3.1 试验条件及仪器设备

(1)试验场地和工装应具有足够的刚度、稳定性和平整度。

(2)宽枕板静载试验应在宽枕板张拉、浇筑混凝土完成28 d后进行。

(3)宽枕板静载试验采用静载试验机或其他加载设备进行[15]。试验机的级别不得低于1级，示值相对误差不得大于±1%；压力传感器的精度应不低于C级，显示仪表最小分度值不大于加载最大量值的1%，示值误差应为±1%F·S，加载用千斤顶校验系数应不大于1.05。

(4)用于观察裂缝的普通放大镜放大倍数不低于10倍，直径不小于50 mm。

(5)测量支承跨度用钢卷尺，其最小分度值应不大于1 mm。

(6)试验所用计量设备、仪器、仪表、钢卷尺等均需经法定计量检定部门检定合格，且在有效期内使用。

3.2 试验步骤

(1)宽枕板安装就位后，用10倍放大镜在宽枕板的上表面及两侧面进行外观检查，并对初始缺陷进行标记。

(2)加载前应对宽枕板的支承状态进行检查，确认支承状态良好后方可加载。加载时各加载点宜同速、同步达到同一荷载值，加载速度应均匀，且单点加载速率不大于0.5 kN/s。

(3)加载荷载至0.2倍的检验荷载时，稳定压力3 min，然后用放大镜观测受拉区裂缝开展情况[16]。如出现异常，则停止加载。

(4)如无异常现象出现，则继续加载至0.4、0.6、0.8倍及1.0倍检验荷载，并分别进行受拉区裂缝开展情况的观测。

3.3 试验图式

宽枕板静载抗裂试验加载图式如图4所示。

图4 宽枕板静载抗裂试验加载图示(单位：mm)

3.4 检验荷载

检验荷载是指在按设计的加载方式加载时，使宽枕板拉应力达到0.7倍的混凝土抗拉强度设计值时的荷载值。宽枕板检验荷载采用有限元方法经逐步试算得出。

(1)模型参数

预应力筋按设计采用1 570 MPa级φ9 mm的消除应力钢丝，张拉控制应力取0.65fptk，即1 020 MPa。弹性模量Ep=2.05×105MPa；泊松比取0.3；密度取7 900 kg/m3。

混凝土为C60级，弹性模量Ec=3.65×104MPa；泊松比取0.2；密度取2 500 kg/m3。C60级混凝土抗拉强度设计值为2.04 MPa，即检验荷载作用下宽枕板混凝土拉应力极值取1.43 MPa。

(2)荷载取值

计算荷载初始值取10 kN，根据有限元计算结果以5 kN逐级递增。

(3)模型简化

为便于建模计算，对有限元模型进行了如下简化[17]：

①模型中没有考虑承轨台、预埋套管及灌注孔的影响；

②没有考虑纵向箍筋的作用；

③预应力传递长度为0。

根据以上参数及简化原则，所建立的有限元模型及预应力筋布置如图5、图6所示。

图5 宽枕板模型

图6 预应力筋布置

(4)计算结果

根据模型加载方式，提取了每级荷载作用下宽枕板中心线上混凝土拉应力(以拉为正)的分布情况，如图7所示(以检验荷载等于40 kN为例)。

图7 宽枕板中心线上混凝土应力分布

各级荷载作用下宽枕板混凝土最大拉应力(以拉为正)的计算结果如图8所示。

图8 各级荷载下宽枕板混凝土最大拉应力

由图8可知：当施加荷载在25 kN以下时，宽枕板混凝土在预应力筋的作用下仍均处于受压状态；当施加荷载在30 kN以上时，宽枕板跨中混凝土开始处于受拉状态；当荷载取40 kN时，混凝土最大拉应力为1.44 MPa，与检验荷载下混凝土的应力极值1.43 MPa相近，误差仅为0.7%。

根据以上分析，本试验中检验荷载取40 kN。

3.5 静载试验及结果

根据静载试验方法及计算得出的检验荷载，进行宽枕板静载抗裂试验，宽枕板静载抗裂试验过程及结果分别如图9及表2所示。

图9 宽枕板静载抗裂试验

表2 宽枕板静抗裂试验结果记录表

根据上述结果可以看出，宽枕板的静载抗裂试验满足设计及工程需求。

4 结论

针对乌鲁木齐城市轨道交通1号线穿越活动断层区域所采用的宽枕板进行了试制试验及静载抗裂试验研究，结论如下。

(1)采用宽枕板与聚氨酯固化道床相结合的方式，可以较好地适应活动断裂带区域轨道交通的需求。

(2)宽枕板的制造误差可以控制在设计允许的范围内，其吊运方便且稳定，可以满足工程需求。

(3)宽枕板的静载抗裂性能可以满足设计要求，按照设计的生产工艺制板可满足工程需求。

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Trial Manufacture and Experimental Research of Broad Sleeper Slab in Active Fault Zone

XU Hong1, YU Peng2, XU Zheng-hong3, ZHANG Xin-tai, ZHANG Gao-yang2, KAI Yan-feng3

(1. Urumqi Urban Rail Group Co., Ltd., Urumqi 830026, China; 2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China; 3. Yinlong Rail Co., Ltd., Tianjin 300134, China)

The broad sleeper slab employed by Urban Rail Transit Line 1 of Urumqi in active fault zone is a new track structure. In order to verify the manufacture, hoisting, transportation as well as mechanical properties of the broad sleeper slab, trial manufacture and experimental research of the broad sleeper slab are carried out. The broad sleeper slab is designed on the basis of pre-tensioning structure, its trail manufacture method and dimension inspection requirements are established. The check load of static test is determined based on FE analysis method, and the static load test of broad sleeper slab is carried out. The results show that based on the production process of the broad sleeper slab, manufacturing error can be controlled within the allowance of design and the slab can be hoisted and transported easily and stably, which meet the requirement of engineering and the characteristics of crack resistance under static load also meet the requirement of engineering.

Urban rail transit; Active fault zone; Broad sleeper slab; Trial manufacture; Static load test; Crack resistance test

1004-2954(2018)01-0064-04

2017-03-21；

2017-04-10

新疆维吾尔自治区软科学研究计划(K52015042)

徐 红(1970—)，女，高级工程师，工学学士，E-mail:564997225@qq.com。

U213.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.201703210003