盾构钢弹簧浮置板轨道结构高度不足的影响分析

韩朝霞

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)



盾构钢弹簧浮置板轨道结构高度不足的影响分析

韩朝霞

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

摘要：受盾构结构空间狭小限制及施工误差影响，盾构中浮置板轨道结构高度不足问题在施工过程中普遍出现。为了研究此问题对浮置板受力和隔振效果的影响，本文针对目前此问题的常用处理措施，利用有限元软件建模分析这些措施对浮置板受力和隔振效果的影响。最终得出降低道床板厚度、减小隔振器纵向间距会增大浮置板1阶固有频率、降低浮置板的低频隔振效率，尤其道床板厚度的降低对浮置板隔振效果影响较大；隔振器纵横向间距减小会减小道床板内的拉、压应力，隔振器刚度增大会增大道床板内的应力。除此之外，目前的常用处理措施也会影响道床基底排水、浮置板施工及后期养护维修。

关键词：地铁；钢弹簧浮置板；盾构；轨道结构高度

随着城市轨道交通的大力发展，地铁极大地方便了人们的出行，但同时也带来了振动、噪声、景观等一系列问题。钢弹簧浮置板轨道是目前减振效果较好的轨道结构，在线路距离振动敏感点较近及下穿敏感建筑时应用较多[1-4]。同时在线路下穿或靠近建筑时，盾构结构更加安全、快捷、环境影响小。因此，目前在地质条件允许的条件下，多个城市地铁采用了盾构隧道钢弹簧浮置板轨道结构。

但由于盾构施工存在一定的误差，导致钢弹簧浮置板轨道结构高度往往不足，甚至调线调坡后仍存在钢弹簧浮置板轨道结构高度不足的情况，因此针对盾构中钢弹簧浮置板轨道结构高度不足问题，以国内某城市地铁应用的盾构钢弹簧浮置板为例进行研究[5-9]。

1盾构中钢弹簧浮置板轨道结构

钢弹簧浮置板轨道主要由钢轨、扣件、轨枕、钢筋混凝土道床、隔振器、排水沟、排水管、检查孔、橡胶密封条、剪力铰、钢筋混凝土基底等组成，图1所示为国内某地铁线路应用的盾构钢弹簧浮置板轨道。

图1　盾构钢弹簧浮置板横断面(单位：mm)

2轨道结构高度不足的影响

该城市盾构中钢弹簧浮置板设计时预留轨道结构高度为840 mm，但是由于盾构施工误差等原因，实际的轨道结构高度往往不是840 mm。当实际轨道结构高度比设计大时，在满足基底排水顺畅条件下，加厚钢筋混凝土基底。当实际轨道结构高度不足时，则会给钢弹簧浮置板的设计、施工及运营维修带来很大影响。

(1)影响基底厚度及排水。钢弹簧浮置板轨道结构高度不足时，须减小道床下基底的厚度，进而影响基底钢筋的布置及道床下中心水沟的设置。

(2)影响隔振器的安装。轨道结构高度不足进一步加重时，须将隔振器向线路中心移动，减小隔振器的横向间距，甚至降低隔振器的高度。进而影响钢弹簧浮置板的受力和隔振效果，给隔振器的安装和维修带来不便。

(3)降低道床板厚度。当基底钢筋混凝土厚度降低后轨道结构高度仍不足时，须降低道床板的厚度，减小浮置板的参振质量，增大浮置板的固有频率，进而影响浮置板的隔振效果。

3轨道结构高度不足的常用处理措施

目前针对盾构中钢弹簧浮置板轨道结构高度不足的常用处理措施如下。

(1)降低基底钢筋混凝土厚度，但是需保证基底水沟排水通畅，如果水沟深度不够，需研究上游排水顺接。

(2)道床板厚度和隔振器横向间距不变，降低隔振器高度。降低隔振器套筒时优先保证隔振器刚度和阻尼不变，降低外套筒的高度。

(3)缩小隔振器横向间距。将隔振器向线路中心线方向移动，缩小隔振器横向间距，但是需考虑隔振器位于钢轨下方时，会对隔振器的施工及维修带来不便。

(4)降低道床板厚度。道床板厚度降低会影响钢弹簧浮置板的隔振效果。

其次，在结构侵限严重的情况下还可能取消短轨枕减小轨下净空，以增大道床厚度，增加凸台，改变隔振器的纵向布置间距等其他措施。

4模型计算

利用有限元模型分析轨道结构高度不足时，采取降低道床板厚度、减小隔振器刚度和隔振器纵横向布置间距对钢弹簧浮置板的受力和隔振效果的影响。

4.1有限元模型的建立(图2)

以某城市地铁已铺设的盾构钢弹簧浮置板整体道床为例，利用ANSYS有限元软件建立盾构钢弹簧浮置板轨道有限元模型。轨道长度取60 m，为消除边界效应两端再延伸钢轨长度各50 m。钢轨采用Euler梁单元模拟，扣件和钢弹簧采用线性弹簧单元，道床板采用实体单元模拟，相邻浮置板通过耦合节点模拟剪力铰相连。各部件参数见表1。

图2　盾构钢弹簧浮置板有限元模型

钢轨60kg/m扣件DTⅥ2型扣件浮置板长度/m厚度/mm25320钢弹簧隔振器垂向刚度/(N/m)阻尼比6.3×1060.07

钢弹簧浮置板隔振器的纵向按1.2 m+1.8 m的间隔布置，隔振器的中心横向间距为1.9 m。

列车荷载采用地铁B型车(轴重140 kN，固定轴距2.2 m)，取1个轴重荷载进行加载。

4.2隔振器横向间距减小的影响

盾构内钢弹簧浮置板轨道，在轨道结构高度不足时，受盾构结构断面影响，常会缩小隔振器的横向间距。在某城市地铁的铺设过程中，受结构侵限影响，隔振器的横向间距曾由1.9 m调整到最小1.6 m。

为研究隔振器横向间距的影响，本节计算时控制道床板几何尺寸为不变量。

从表2和图3可以看出，隔振器横向间距减小，道床板的最大拉压应力减小，板的受力更加集中，受力均匀性下降。从图4隔振器间距分别为1.9 m、1.7 m、1.6 m时，浮置板的隔振效率基本相同可以得出，隔振器横向间距减小不影响浮置板的隔振效果。

根据某城市盾构内浮置板隔振器的安装情况，当隔振器横向间距小于1.86 m时，隔振器将进入轨下位置，在隔振器安装、浮置板顶升以及隔振器检查维修时需先拆除钢轨，给施工和运营带来不便。

表2　不同隔振器横向间距下道床板最大拉、压应力

图3　不同隔振器横向间距下道床板应力云图

图4　不同隔振器横向间距下浮置板的隔振效率

4.3道床板厚度降低的影响

当减小盾构内钢弹簧浮置板的基底厚度后，轨道结构高度仍不足时，须适当降低道床板的高度，某城市地铁应用的钢弹簧浮置板道床板厚度由设计的320 mm最小降低为270 mm。

通过计算道床板厚度分别为320、290、270 mm时道床板的最大拉压应力(表3)，可以看出随着板厚减小，道床板内的最大拉应力逐渐增大，而道床板内的最大压应力则先减小后增大。

表3　不同道床板厚度时浮置板最大拉、压应力

从图5板厚为320、290、270 mm时浮置板的隔振效率可以看出，随着板厚减小，浮置板的1阶固有频率逐渐增大，板厚由320 mm减小为270 mm，浮置板1阶固有频率增大1 Hz。从图6基底的振动加速度导纳可以看出，在大于1阶固有频率的频段，道床板厚度越小，传递到基底的振动加速度越大，通过计算振动加速度级得出板厚由320 mm降低到290 mm，基底的振动最大降低12 dB(频率：68 Hz时)；由320 mm降低到270 mm，基底的振动最大降低14 dB(频率为68 Hz)。

图5　不同道床板厚度时浮置板的隔振效率

图6　不同道床板厚度时基底的加速度

4.4隔振器刚度变化的影响

某城市铺设的浮置板隔振器刚度共包含5.7×106N/m和6.3×106N/m两种，现研究采用这两种不同刚度的隔振器，对浮置板受力和隔振效果的影响。

从表4两种隔振器刚度下道床板内最大拉、压应力可以看出，隔振器刚度减小，道床板内的最大拉应力增大。从图7可以看出，隔振器刚度为5.7×106N/m时，浮置板的1阶固有频率较刚度为6.3×106N/m时小，因此隔振效果更好；但由于隔振器刚度变化不大，浮置板的1阶固有频率变化幅值不足1 Hz，通过计算传递到基底的振动加速度得出，两种隔振器刚度下，基底振动最大相差1.4 dB。

表4　不同隔振器刚度时道床板最大拉、压应力

图7　钢弹簧刚度不同时浮置板的隔振效率

4.5隔振器纵向间距减小的影响

盾构钢弹簧浮置板轨道结构高度不足，导致道床板厚度减小时，为减小浮置板的纵向弯矩，隔振器纵向间距相应也减小。目前钢弹簧浮置板隔振器沿线路方向的纵向间距一般为1.2 m+1.8 m和1.2 m，下面研究两种不同隔振器纵向间距下，浮置板受力和隔振效果。从表5和图8中可以看出，隔振器按1.2 m间距布置较1.2 m+1.8 m布置，道床板内的最大拉压应力减小，但浮置板1阶固有频率增大，隔振效率减低，根据振动加速度级计算基底的振动最大相差2.9 dB。

表5　不同隔振器纵向间距时道床板最大拉、压应力

图8　不同隔振器纵向间距时浮置板的隔振效率

5结论

以某城市地铁为例，就盾构内钢弹簧浮置板轨道结构高度的常用处理措施，建立有限元模型分析这些处理措施对浮置板受力和隔振效果的影响，得出以下结论。

(1)对浮置板隔振效果的影响：降低道床板厚度、减小隔振器纵向间距，则增大浮置板1阶固有频率、降低浮置板隔振效率；减小隔振器刚度，减小浮置板1阶固有频率；隔振器横向间距减小不影响浮置板的隔振效果。综上，由于工程实际中隔振器刚度变化幅值小，对浮置板的隔振效果影响不大；降低板厚对浮置板隔振效果的影响较大。

(2)对浮置板受力的影响：隔振器纵横向间距减小会减小道床板内的拉、压应力，隔振器刚度增大会增大道床板内的应力。当浮置板轨道结构高度不足时需综合考虑板厚、隔振器刚度及隔振器间距对浮置板内应力的影响，减小浮置板内的拉压应力。

常用处理措施会改变浮置板内部的受力及浮置板的隔振效果，工程应用中须保证浮置板的使用寿命及其隔振效果满足环评要求。目前解决盾构中钢弹簧浮置板轨道结构高度不足问题除采用上述常用处理措施，还须考虑浮置板道床基底排水、施工精度、隔振器安装以及运营养护维修等一系列问题，在解决轨道结构高度不足问题的同时，也要保证钢弹簧浮置板的应用效果[10-15]。

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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

中图分类号：U213

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.005

文章编号：1004-2954(2016)04-0017-04

作者简介：韩朝霞(1988—)，女，助理工程师，2014年毕业于北京交通大学城市轨道工程专业，工学硕士，E-mail：11121376@bjtu.edu.cn。

收稿日期：2015-12-08； 修回日期：2015-12-15