韓朝霞

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的影響分析

韓朝霞

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

摘要：受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)空間狹小限制及施工誤差影響，盾構(gòu)中浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題在施工過程中普遍出現(xiàn)。為了研究此問題對(duì)浮置板受力和隔振效果的影響，本文針對(duì)目前此問題的常用處理措施，利用有限元軟件建模分析這些措施對(duì)浮置板受力和隔振效果的影響。最終得出降低道床板厚度、減小隔振器縱向間距會(huì)增大浮置板1階固有頻率、降低浮置板的低頻隔振效率，尤其道床板厚度的降低對(duì)浮置板隔振效果影響較大；隔振器縱橫向間距減小會(huì)減小道床板內(nèi)的拉、壓應(yīng)力，隔振器剛度增大會(huì)增大道床板內(nèi)的應(yīng)力。除此之外，目前的常用處理措施也會(huì)影響道床基底排水、浮置板施工及后期養(yǎng)護(hù)維修。

關(guān)鍵詞：地鐵；鋼彈簧浮置板；盾構(gòu)；軌道結(jié)構(gòu)高度

隨著城市軌道交通的大力發(fā)展，地鐵極大地方便了人們的出行，但同時(shí)也帶來了振動(dòng)、噪聲、景觀等一系列問題。鋼彈簧浮置板軌道是目前減振效果較好的軌道結(jié)構(gòu)，在線路距離振動(dòng)敏感點(diǎn)較近及下穿敏感建筑時(shí)應(yīng)用較多[1-4]。同時(shí)在線路下穿或靠近建筑時(shí)，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)更加安全、快捷、環(huán)境影響小。因此，目前在地質(zhì)條件允許的條件下，多個(gè)城市地鐵采用了盾構(gòu)隧道鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)。

但由于盾構(gòu)施工存在一定的誤差，導(dǎo)致鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度往往不足，甚至調(diào)線調(diào)坡后仍存在鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的情況，因此針對(duì)盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題，以國內(nèi)某城市地鐵應(yīng)用的盾構(gòu)鋼彈簧浮置板為例進(jìn)行研究[5-9]。

1盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)

鋼彈簧浮置板軌道主要由鋼軌、扣件、軌枕、鋼筋混凝土道床、隔振器、排水溝、排水管、檢查孔、橡膠密封條、剪力鉸、鋼筋混凝土基底等組成，圖1所示為國內(nèi)某地鐵線路應(yīng)用的盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道。

圖1　盾構(gòu)鋼彈簧浮置板橫斷面(單位：mm)

2軌道結(jié)構(gòu)高度不足的影響

該城市盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留軌道結(jié)構(gòu)高度為840 mm，但是由于盾構(gòu)施工誤差等原因，實(shí)際的軌道結(jié)構(gòu)高度往往不是840 mm。當(dāng)實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)高度比設(shè)計(jì)大時(shí)，在滿足基底排水順暢條件下，加厚鋼筋混凝土基底。當(dāng)實(shí)際軌道結(jié)構(gòu)高度不足時(shí)，則會(huì)給鋼彈簧浮置板的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營維修帶來很大影響。

(1)影響基底厚度及排水。鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足時(shí)，須減小道床下基底的厚度，進(jìn)而影響基底鋼筋的布置及道床下中心水溝的設(shè)置。

(2)影響隔振器的安裝。軌道結(jié)構(gòu)高度不足進(jìn)一步加重時(shí)，須將隔振器向線路中心移動(dòng)，減小隔振器的橫向間距，甚至降低隔振器的高度。進(jìn)而影響鋼彈簧浮置板的受力和隔振效果，給隔振器的安裝和維修帶來不便。

(3)降低道床板厚度。當(dāng)基底鋼筋混凝土厚度降低后軌道結(jié)構(gòu)高度仍不足時(shí)，須降低道床板的厚度，減小浮置板的參振質(zhì)量，增大浮置板的固有頻率，進(jìn)而影響浮置板的隔振效果。

3軌道結(jié)構(gòu)高度不足的常用處理措施

目前針對(duì)盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足的常用處理措施如下。

(1)降低基底鋼筋混凝土厚度，但是需保證基底水溝排水通暢，如果水溝深度不夠，需研究上游排水順接。

(2)道床板厚度和隔振器橫向間距不變，降低隔振器高度。降低隔振器套筒時(shí)優(yōu)先保證隔振器剛度和阻尼不變，降低外套筒的高度。

(3)縮小隔振器橫向間距。將隔振器向線路中心線方向移動(dòng)，縮小隔振器橫向間距，但是需考慮隔振器位于鋼軌下方時(shí)，會(huì)對(duì)隔振器的施工及維修帶來不便。

(4)降低道床板厚度。道床板厚度降低會(huì)影響鋼彈簧浮置板的隔振效果。

其次，在結(jié)構(gòu)侵限嚴(yán)重的情況下還可能取消短軌枕減小軌下凈空，以增大道床厚度，增加凸臺(tái)，改變隔振器的縱向布置間距等其他措施。

4模型計(jì)算

利用有限元模型分析軌道結(jié)構(gòu)高度不足時(shí)，采取降低道床板厚度、減小隔振器剛度和隔振器縱橫向布置間距對(duì)鋼彈簧浮置板的受力和隔振效果的影響。

4.1有限元模型的建立(圖2)

以某城市地鐵已鋪設(shè)的盾構(gòu)鋼彈簧浮置板整體道床為例，利用ANSYS有限元軟件建立盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道有限元模型。軌道長度取60 m，為消除邊界效應(yīng)兩端再延伸鋼軌長度各50 m。鋼軌采用Euler梁?jiǎn)卧M，扣件和鋼彈簧采用線性彈簧單元，道床板采用實(shí)體單元模擬，相鄰浮置板通過耦合節(jié)點(diǎn)模擬剪力鉸相連。各部件參數(shù)見表1。

圖2　盾構(gòu)鋼彈簧浮置板有限元模型

鋼軌60kg/m扣件DTⅥ2型扣件浮置板長度/m厚度/mm25320鋼彈簧隔振器垂向剛度/(N/m)阻尼比6.3×1060.07

鋼彈簧浮置板隔振器的縱向按1.2 m+1.8 m的間隔布置，隔振器的中心橫向間距為1.9 m。

列車荷載采用地鐵B型車(軸重140 kN，固定軸距2.2 m)，取1個(gè)軸重荷載進(jìn)行加載。

4.2隔振器橫向間距減小的影響

盾構(gòu)內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道，在軌道結(jié)構(gòu)高度不足時(shí)，受盾構(gòu)結(jié)構(gòu)斷面影響，常會(huì)縮小隔振器的橫向間距。在某城市地鐵的鋪設(shè)過程中，受結(jié)構(gòu)侵限影響，隔振器的橫向間距曾由1.9 m調(diào)整到最小1.6 m。

為研究隔振器橫向間距的影響，本節(jié)計(jì)算時(shí)控制道床板幾何尺寸為不變量。

從表2和圖3可以看出，隔振器橫向間距減小，道床板的最大拉壓應(yīng)力減小，板的受力更加集中，受力均勻性下降。從圖4隔振器間距分別為1.9 m、1.7 m、1.6 m時(shí)，浮置板的隔振效率基本相同可以得出，隔振器橫向間距減小不影響浮置板的隔振效果。

根據(jù)某城市盾構(gòu)內(nèi)浮置板隔振器的安裝情況，當(dāng)隔振器橫向間距小于1.86 m時(shí)，隔振器將進(jìn)入軌下位置，在隔振器安裝、浮置板頂升以及隔振器檢查維修時(shí)需先拆除鋼軌，給施工和運(yùn)營帶來不便。

表2　不同隔振器橫向間距下道床板最大拉、壓應(yīng)力

圖3　不同隔振器橫向間距下道床板應(yīng)力云圖

圖4　不同隔振器橫向間距下浮置板的隔振效率

4.3道床板厚度降低的影響

當(dāng)減小盾構(gòu)內(nèi)鋼彈簧浮置板的基底厚度后，軌道結(jié)構(gòu)高度仍不足時(shí)，須適當(dāng)降低道床板的高度，某城市地鐵應(yīng)用的鋼彈簧浮置板道床板厚度由設(shè)計(jì)的320 mm最小降低為270 mm。

通過計(jì)算道床板厚度分別為320、290、270 mm時(shí)道床板的最大拉壓應(yīng)力(表3)，可以看出隨著板厚減小，道床板內(nèi)的最大拉應(yīng)力逐漸增大，而道床板內(nèi)的最大壓應(yīng)力則先減小后增大。

表3　不同道床板厚度時(shí)浮置板最大拉、壓應(yīng)力

從圖5板厚為320、290、270 mm時(shí)浮置板的隔振效率可以看出，隨著板厚減小，浮置板的1階固有頻率逐漸增大，板厚由320 mm減小為270 mm，浮置板1階固有頻率增大1 Hz。從圖6基底的振動(dòng)加速度導(dǎo)納可以看出，在大于1階固有頻率的頻段，道床板厚度越小，傳遞到基底的振動(dòng)加速度越大，通過計(jì)算振動(dòng)加速度級(jí)得出板厚由320 mm降低到290 mm，基底的振動(dòng)最大降低12 dB(頻率：68 Hz時(shí))；由320 mm降低到270 mm，基底的振動(dòng)最大降低14 dB(頻率為68 Hz)。

圖5　不同道床板厚度時(shí)浮置板的隔振效率

圖6　不同道床板厚度時(shí)基底的加速度

4.4隔振器剛度變化的影響

某城市鋪設(shè)的浮置板隔振器剛度共包含5.7×106N/m和6.3×106N/m兩種，現(xiàn)研究采用這兩種不同剛度的隔振器，對(duì)浮置板受力和隔振效果的影響。

從表4兩種隔振器剛度下道床板內(nèi)最大拉、壓應(yīng)力可以看出，隔振器剛度減小，道床板內(nèi)的最大拉應(yīng)力增大。從圖7可以看出，隔振器剛度為5.7×106N/m時(shí)，浮置板的1階固有頻率較剛度為6.3×106N/m時(shí)小，因此隔振效果更好；但由于隔振器剛度變化不大，浮置板的1階固有頻率變化幅值不足1 Hz，通過計(jì)算傳遞到基底的振動(dòng)加速度得出，兩種隔振器剛度下，基底振動(dòng)最大相差1.4 dB。

表4　不同隔振器剛度時(shí)道床板最大拉、壓應(yīng)力

圖7　鋼彈簧剛度不同時(shí)浮置板的隔振效率

4.5隔振器縱向間距減小的影響

盾構(gòu)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足，導(dǎo)致道床板厚度減小時(shí)，為減小浮置板的縱向彎矩，隔振器縱向間距相應(yīng)也減小。目前鋼彈簧浮置板隔振器沿線路方向的縱向間距一般為1.2 m+1.8 m和1.2 m，下面研究兩種不同隔振器縱向間距下，浮置板受力和隔振效果。從表5和圖8中可以看出，隔振器按1.2 m間距布置較1.2 m+1.8 m布置，道床板內(nèi)的最大拉壓應(yīng)力減小，但浮置板1階固有頻率增大，隔振效率減低，根據(jù)振動(dòng)加速度級(jí)計(jì)算基底的振動(dòng)最大相差2.9 dB。

表5　不同隔振器縱向間距時(shí)道床板最大拉、壓應(yīng)力

圖8　不同隔振器縱向間距時(shí)浮置板的隔振效率

5結(jié)論

以某城市地鐵為例，就盾構(gòu)內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度的常用處理措施，建立有限元模型分析這些處理措施對(duì)浮置板受力和隔振效果的影響，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)浮置板隔振效果的影響：降低道床板厚度、減小隔振器縱向間距，則增大浮置板1階固有頻率、降低浮置板隔振效率；減小隔振器剛度，減小浮置板1階固有頻率；隔振器橫向間距減小不影響浮置板的隔振效果。綜上，由于工程實(shí)際中隔振器剛度變化幅值小，對(duì)浮置板的隔振效果影響不大；降低板厚對(duì)浮置板隔振效果的影響較大。

(2)對(duì)浮置板受力的影響：隔振器縱橫向間距減小會(huì)減小道床板內(nèi)的拉、壓應(yīng)力，隔振器剛度增大會(huì)增大道床板內(nèi)的應(yīng)力。當(dāng)浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足時(shí)需綜合考慮板厚、隔振器剛度及隔振器間距對(duì)浮置板內(nèi)應(yīng)力的影響，減小浮置板內(nèi)的拉壓應(yīng)力。

常用處理措施會(huì)改變浮置板內(nèi)部的受力及浮置板的隔振效果，工程應(yīng)用中須保證浮置板的使用壽命及其隔振效果滿足環(huán)評(píng)要求。目前解決盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題除采用上述常用處理措施，還須考慮浮置板道床基底排水、施工精度、隔振器安裝以及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修等一系列問題，在解決軌道結(jié)構(gòu)高度不足問題的同時(shí)，也要保證鋼彈簧浮置板的應(yīng)用效果[10-15]。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GJJ/T191—2012浮置板軌道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB11/T838—2011地鐵噪聲與振動(dòng)控制規(guī)范[S].北京:北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2012.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[5]劉道通.鋼彈簧浮置板軌道施工[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2007(6):31-34.

[6]張宏亮，谷愛軍，張丁盛.鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)在不同頻段的隔振效率[J].都市快軌交通，2008(3):41-44.

[7]蔣崇達(dá)，雷曉燕.鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析[J].城市軌道交通研究，2013(11):25-31.

[8]陳楊，徐錫江，李成輝，李春霞.盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)高度探討[J].鐵道建筑，2009(10):92-94.

[9]劉建利.鋼彈簧浮置板的現(xiàn)有不足分析及優(yōu)化建議[J].都市快軌交通，2014(6):97-100.

[10]M.F.M. Hussein， H.E.M. Hunt. A numerical model for calculating vibration due to a harmonic moving load on a floating-slab track with discontinuous slabs in an underground railway tunnel[J]. Journal of Sound and Vibration， 2009，321(1):363-374.

[11]吳信岑.浮置板軌道工程施工管理與控制[J].中國高新技術(shù)企業(yè)， 2011(1):141-143.

[12]張宏亮.隧道內(nèi)鋼彈簧浮置板軌道振動(dòng)特性及其對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)[D].北京:北京交通大學(xué)，2008.

[13]韓朝霞，孫方遒，谷愛軍.道岔區(qū)鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)靜力分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2014，58(1)：1-5.

[14]王建立，王進(jìn)，尹學(xué)軍，張寶才.盾構(gòu)中鋼彈簧浮置板道床的設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(10):29-32.

[15]王建，王建立.北京地鐵10號(hào)線一期工程浮置板地段系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(7)：25-28.

Impact Analysis of Insufficient Height of Steel-spring Floating-slab Track Structure in Shield

HAN Zhao-xia

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251， China)

Abstract：Influenced by the narrow space of shield and the error in shield construction， insufficient height of steel-spring floating-slab track structure in shield generally occurs during the construction. In order to study the influence on the floating slab stress and vibration isolation effect in this context， the finite element model is established to analyze the commonly used countermeasures. The results show that decreasing the height of slab and reducing the longitudinal spacing between isolators may increase the inherent frequency and reduce the vibration isolation efficiency in low frequency of floating slab especially the height of slab is lowered. Reducing the longitudinal and horizontal spacing between isolators will decrease the tensile stress and pressure stress of slab， while increasing isolator stiffness will increase the stress of slab. In addition， the current commonly used countermeasures may also affect the water drainage under the slab， the floating slab construction and the maintenance.

Key words：Subway; Steel-spring floating-slab; Shield; Height of track structure

中圖分類號(hào)：U213

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.005

文章編號(hào)：1004-2954(2016)04-0017-04

作者簡(jiǎn)介：韓朝霞(1988—)，女，助理工程師，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)城市軌道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：11121376@bjtu.edu.cn。

收稿日期：2015-12-08； 修回日期：2015-12-15