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（中铁一局集团新运工程有限公司 陕西 咸阳 712000）
【摘 要】西安地铁2号线需穿越10条地裂缝，为消除地裂缝垂直位移对轨道结构产生的严重不平顺性及地铁运营安全的影响，地裂缝区段轨道结构采用可调式短框架轨道板。本文通过受力分析，证明对于可调式框长架板轨道，部分垫板脱空不会对轨道结构产生破坏，通过加强巡检，优化轨道板调高方式，可以确保行车安全，同时可克服短框架板造成的对轨道平顺性和乘客舒适性的影响。
【关键词】西安地铁；轨道；可调式框架板；受力分析
Xi'an Metro adjustable frame stress analysis of slab track
Gong Jun-chao
(China Railway First Group Xin-Yun Engineering Co., Ltd Xianyang Shanxi 712000)
【Abstract】Xi'an Metro Line 2 through 10 need to crack, to crack for the elimination of vertical displacement of the track structure produced by severe irregularity of the impact and safety of subway operation, the track section to crack a short frame structure with adjustable track board. In this paper, stress analysis, proven adjustable frame for long frame plate track, part of the plate off the air will not cause damage to the track structure, by strengthening the inspection, the track plate to increase the optimal way to ensure traffic safety, while overcoming the short framework of the plate caused by the track and ride comfort of passengers
【Key words】Xi'an Metro;Track;Adjustable frame plate;Stress analysis
1 西安地铁可调式框架轨道板设计简介
1.1 西安地裂缝概况及对地铁轨道结构的影响。西安地裂缝是一种国内比较少见的、特殊的地区性地质灾害。西安地铁二号线是国内首次穿越地裂缝的轨道交通线，其他城市已经运营的轨道交通尚无此情况。
地裂缝是西安地区的特殊地质现象，自20世纪50年代以来，西安市已发现地裂缝13条，大的地面沉降凹槽7个。西安地铁2号线穿越10条地裂缝，1个地面沉降凹槽(小寨沉降槽)。
西安地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，而水平错动量则很小；地裂缝垂直活动速率多为5～30mm/a，最大者超过56mm/a；水平引张位移中等，引张速率为2～10mm/a；扭动量最小，速率为1～3mm/a。
地铁穿越地裂缝地带需要线路、限界、结构、轨道等多个相关专业协同采取措施，以确保地铁的运营安全；西安地裂缝的位移中最为强烈的垂直位移会使轨道道床产生错台，影响轨道的平顺性，影响地铁的运营安全，必须采取措施加以解决。
1.2 地裂缝区段轨道结构的设计要求。据地裂缝相关专题研究报告，最大可能垂直位移量达到了600mm，因此必须设计一种轨道结构能够满足调整最大600mm的垂直位移。（1）轨道结构能最大限度的适应地裂缝变形，并能保证列车安全运行。（2）轨道结构随地裂缝变形后，易于调整和维修，维护工作量小，并能利用地铁夜间停运期间迅速完成轨道调整维修(包括其它专业设备的维修)。
1.3 西安地铁地裂缝区段采取的轨道结构。可调式框架板轨道结构是北京城建设计院专为西安地铁地裂缝地段研制的专用轨道结构，可以较好的适应西安地裂缝变形，调整量可超过600mm。可调式框架板轨道结构由分开式扣件、预应力混凝土框架式轨道板、板下可调支座、侧向限位胶垫、钢筋混凝土挡台及混凝土基础等组成，如图1。该结构特点为：（1）框架轨道板为轻型预应力结构，方便现场安装和浇筑混凝土道床，施工技术成熟。（2）框架轨道板中部空间较大，便于日常维修或地裂缝发生变形时进行调整。（3）框架板的中部外侧设置限位榫，用于限制框架板的纵向爬行。（4）框架板轨道地段道床采用中心排水沟。
1.4 可调式框架轨道板的理论长度设计及可能存在的问题。西安地铁二号线一期工程，在最初设计框架板时，框架板的理论长度为5000mm（根据国内外施工实践证明轨道板的长度越长，线路的平顺性和稳定性就越好，如我国高铁普遍采用的CRTSⅠ型板的长度就是5000mm，在北京地铁、广州地铁广泛应用的梯形轨枕的长度则为7500mm），下部设8处支承垫板。在初步设计预评审中，专家认为单块框架板下设8处支承垫板时，若因基础不均匀沉降而导致某一块或几块垫板脱空时，工务巡检不一定能及时发现并进行垫高处理，可能导致框架板难以稳定，从而存在一定的安全隐患。
图1 可调式框架板轨道
图2 可调式框架板平面图 由于西安地铁的特殊性，可调式框架板需要在地裂缝发生变形（最大变形量为600mm）时进行调高，单靠扣件系统及加厚铁垫板无法实现调整量，必须在板下加设调高垫块(支承垫板)，原设计的调高垫块根据变形量范围分别采用50mm的橡塑垫块和100mm的混凝土垫块两种垫块来进行调整，在变形51～100mm范围内采用橡塑垫块进行调整时，无法及时在支承垫块之间灌注混凝土，而且变形调整的周期较长，致使在较长一段时间内框架板的支承需要依靠8个支承垫块来实现，确实存在着专家们提出的问题。为解决专家们提出的垫板脱空问题，西安地铁二号线一期工程采用的可调式框架板的理论长度修改为2500mm，下部设4处支承垫板。
图3 可调式框架板断面图
表1 模拟计算典型工况
1.5 理论长度5000mm的可调式长框架板型式尺寸。理论长度5000mm框架板的平面图如图2、框架板断面图如图3，框架板的型式尺寸如下：(1)框架板理论长度设计为5000mm，实际长度为4960mm，板与板之间的缝宽为20mm，两端及中部各设1道宽350mm的横梁，使其形成框架。(2)框架板宽2100mm，其中左右股钢轨下板宽均为600mm；板厚180mm～200mm，其顶部设1/30的横向坡，以形成轨底坡。 (3) 框架板一端两侧各设1个350×200mm的限位榫，用于框架板的纵向定位及防止轨道结构爬行。(4)每块框架板设置8对扣件，在框架板预制时直接将扣件尼龙套管预埋在其中。(5)框架板混凝土强度等级采用C60，沿纵向采用双层预应力配筋，根据初步分析和计算，上、下层预应力钢筋各为8根5螺旋肋预应力钢丝，横梁的弯矩很小，故采用非预应力配筋。(6)框架板设4个运输、安装及发生变形后调整用的吊钩。(7)框架板顶部设8个复合水泥盖板，以方便巡道及紧急疏散行走。
2. 分析计算
图4 5m长可调式框架板
表2 钢轨和轨道板的受力与变形计算结果
2.1 模型建立对于理论长度5000mm的框架板，采用Ansys进行分析计算，钢轨和轨道板均采用三维实体单元模拟，连接钢轨和轨道板的16个扣件采用弹簧和阻尼模拟，轨道板下方有8个支承垫块，在支承垫块范围内的轨道板单元下部施加约束模拟支承垫块的约束与支撑作用，钢轨和轨道板共计划分113660个单元，其中钢轨划分52864个单元，如图4所示。
2.2 计算工况。为了分析地裂缝引起的轨道板和钢轨受力与变形，以支承垫块与轨道板脱离模拟地基的不均匀沉降，在钢轨上施加地铁列车荷载。综合分析各种情况可知，考虑各种可能性，共用17种典型工况模拟地裂缝引起轨道板下8个支承垫块的沉降情况，详见表1。
西安地铁的设计车速为80km/h，车辆选用B型车，每列车均采用3动3拖6辆编组，其典型的荷载图式如图5所示。由于框架式轨道板的有效长度为4.96m，故作用在每一块框架式轨道板上的荷载最多只有4个轮载(某车辆一个转向架上的4个轮载或某车辆第二个转向架的后两个轮载加上相邻车辆第一个转向架的前两个轮载。按照最不利情况考虑，取其超载时动车的轴重13.52t)，对于每一种工况通过试算分析其最不利荷载位置，然后按照最不利荷载位置进行加载计算钢轨的最大应力和轨道板的最大应力和挠度。
图5 地铁B型列车典型荷载图式2.3 计算结果及分析。钢轨为CHN60型钢轨，扣件为DTVI-2型，容许应力为363MPa；框架式轨道板为C60混凝土，其容许拉应力为3.0MPa。表2 为各种工况下在最不利位置加载情况下计算得到的钢轨轨底的最大拉应力和轨道板底部最大拉应力及其最大挠度，计算中未计入温度应力、冲击系数和列车制动力等因素，没有考虑混凝土轨道板的预应力效应。
分析表2中的数据可得出如下结论：(1)轨底最大拉应力出现在1#、2#和3#等三个支承垫块发生沉降的工况，其值为167.27MPa，远小于钢轨的容许拉应力，如计入温度应力和动荷载效应，钢轨仍然是安全的。(2)框架式轨道板板底最大拉应力出现在1#和2#两个支承垫块发生沉降的工况，其值为1.986MPa，与容许值相比，富余量不大，若计入动荷载效应和预应力效应，仍然是安全的。(3)框架式轨道板最大挠度出现的工况为2#、3#、4#、6#和7#支承垫块沉降，其值为2.887mm，轨道板的挠度在行车情况下表现为动态不平顺，这不仅严重影响行车舒适性，且对于列车行车安全性有一定威胁。计算结果表明，框架式轨道板中间的某一个支承垫块沉降对钢轨、轨道板和行车的影响都不大，而轨道板边上支承垫块沉降的影响要严重许多，最不利的则是连续的两个或三个支承垫块都发生沉降。
3. 结论与建议
3.1 即使出现了最不利的不均匀沉降，钢轨的应力也不会达到容许值，而扣件将先于钢轨破坏，故为了防止扣件损坏，宜将扣件螺栓的扭矩减小30N·m左右，并及时检查扣件的状态发现轨道板下支承垫块的沉降情况。
3.2 如果框架式轨道板的预压应力达到0.50 MPa以上，即使在最不利情况下，轨道板也不会开裂。
3.3 建立实时监测系统，及时发现支承垫块的不均匀沉降，特别是靠近轨道板边上支承垫块的沉降和连续多个支承垫块沉降，并根据沉降监测总结的规律，酌情提高轨道检查频率，杜绝达到5mm以上的“三角坑”出现。
3.4 为了保证地铁列车的行车安全性与舒适性，轨道板与支承垫块之间的空隙达到3mm时，就应该采用调高垫板和充填式垫板局部调整；累计达到5mm时，则应该进行整块板的协调调整，确保轨道准确的几何形位。
3.5 采用5m长可调式框架轨道板的方案是可行的，在后期养护与维修中必须细化方案，对于地裂缝引起的不均匀沉降做到“及时发现、预案充分、措施得当、可调可控” ，确保地铁列车运行的安全性与舒适性。
参考文献
［1］ 铁道第一勘测设计院.西安地铁2号线可行性研究报告［R］.2005.
［2］ 北京城建设计院.西安地铁2号线初步设计(轨道工程)［R］.2006.
［3］ 卞菊梅，冯希杰，张芝霞.西安地裂缝灾害现状及防治［J］.1999,(6)12-18.
［4］ 樊红卫.西安地铁2号线穿越地裂缝技术措施［J］.都市快轨交通，2008(4):3-8.
【摘 要】西安地铁2号线需穿越10条地裂缝，为消除地裂缝垂直位移对轨道结构产生的严重不平顺性及地铁运营安全的影响，地裂缝区段轨道结构采用可调式短框架轨道板。本文通过受力分析，证明对于可调式框长架板轨道，部分垫板脱空不会对轨道结构产生破坏，通过加强巡检，优化轨道板调高方式，可以确保行车安全，同时可克服短框架板造成的对轨道平顺性和乘客舒适性的影响。
【关键词】西安地铁；轨道；可调式框架板；受力分析
Xi'an Metro adjustable frame stress analysis of slab track
Gong Jun-chao
(China Railway First Group Xin-Yun Engineering Co., Ltd Xianyang Shanxi 712000)
【Abstract】Xi'an Metro Line 2 through 10 need to crack, to crack for the elimination of vertical displacement of the track structure produced by severe irregularity of the impact and safety of subway operation, the track section to crack a short frame structure with adjustable track board. In this paper, stress analysis, proven adjustable frame for long frame plate track, part of the plate off the air will not cause damage to the track structure, by strengthening the inspection, the track plate to increase the optimal way to ensure traffic safety, while overcoming the short framework of the plate caused by the track and ride comfort of passengers
【Key words】Xi'an Metro;Track;Adjustable frame plate;Stress analysis
1 西安地铁可调式框架轨道板设计简介
1.1 西安地裂缝概况及对地铁轨道结构的影响。西安地裂缝是一种国内比较少见的、特殊的地区性地质灾害。西安地铁二号线是国内首次穿越地裂缝的轨道交通线，其他城市已经运营的轨道交通尚无此情况。
地裂缝是西安地区的特殊地质现象，自20世纪50年代以来，西安市已发现地裂缝13条，大的地面沉降凹槽7个。西安地铁2号线穿越10条地裂缝，1个地面沉降凹槽(小寨沉降槽)。
西安地裂缝带基本具有统一的三维空间运动变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平扭动。其中以垂直位移量为最大，南北拉张量次之，而水平错动量则很小；地裂缝垂直活动速率多为5～30mm/a，最大者超过56mm/a；水平引张位移中等，引张速率为2～10mm/a；扭动量最小，速率为1～3mm/a。
地铁穿越地裂缝地带需要线路、限界、结构、轨道等多个相关专业协同采取措施，以确保地铁的运营安全；西安地裂缝的位移中最为强烈的垂直位移会使轨道道床产生错台，影响轨道的平顺性，影响地铁的运营安全，必须采取措施加以解决。
1.2 地裂缝区段轨道结构的设计要求。据地裂缝相关专题研究报告，最大可能垂直位移量达到了600mm，因此必须设计一种轨道结构能够满足调整最大600mm的垂直位移。（1）轨道结构能最大限度的适应地裂缝变形，并能保证列车安全运行。（2）轨道结构随地裂缝变形后，易于调整和维修，维护工作量小，并能利用地铁夜间停运期间迅速完成轨道调整维修(包括其它专业设备的维修)。
1.3 西安地铁地裂缝区段采取的轨道结构。可调式框架板轨道结构是北京城建设计院专为西安地铁地裂缝地段研制的专用轨道结构，可以较好的适应西安地裂缝变形，调整量可超过600mm。可调式框架板轨道结构由分开式扣件、预应力混凝土框架式轨道板、板下可调支座、侧向限位胶垫、钢筋混凝土挡台及混凝土基础等组成，如图1。该结构特点为：（1）框架轨道板为轻型预应力结构，方便现场安装和浇筑混凝土道床，施工技术成熟。（2）框架轨道板中部空间较大，便于日常维修或地裂缝发生变形时进行调整。（3）框架板的中部外侧设置限位榫，用于限制框架板的纵向爬行。（4）框架板轨道地段道床采用中心排水沟。
1.4 可调式框架轨道板的理论长度设计及可能存在的问题。西安地铁二号线一期工程，在最初设计框架板时，框架板的理论长度为5000mm（根据国内外施工实践证明轨道板的长度越长，线路的平顺性和稳定性就越好，如我国高铁普遍采用的CRTSⅠ型板的长度就是5000mm，在北京地铁、广州地铁广泛应用的梯形轨枕的长度则为7500mm），下部设8处支承垫板。在初步设计预评审中，专家认为单块框架板下设8处支承垫板时，若因基础不均匀沉降而导致某一块或几块垫板脱空时，工务巡检不一定能及时发现并进行垫高处理，可能导致框架板难以稳定，从而存在一定的安全隐患。
图1 可调式框架板轨道
图2 可调式框架板平面图 由于西安地铁的特殊性，可调式框架板需要在地裂缝发生变形（最大变形量为600mm）时进行调高，单靠扣件系统及加厚铁垫板无法实现调整量，必须在板下加设调高垫块(支承垫板)，原设计的调高垫块根据变形量范围分别采用50mm的橡塑垫块和100mm的混凝土垫块两种垫块来进行调整，在变形51～100mm范围内采用橡塑垫块进行调整时，无法及时在支承垫块之间灌注混凝土，而且变形调整的周期较长，致使在较长一段时间内框架板的支承需要依靠8个支承垫块来实现，确实存在着专家们提出的问题。为解决专家们提出的垫板脱空问题，西安地铁二号线一期工程采用的可调式框架板的理论长度修改为2500mm，下部设4处支承垫板。
图3 可调式框架板断面图
表1 模拟计算典型工况
1.5 理论长度5000mm的可调式长框架板型式尺寸。理论长度5000mm框架板的平面图如图2、框架板断面图如图3，框架板的型式尺寸如下：(1)框架板理论长度设计为5000mm，实际长度为4960mm，板与板之间的缝宽为20mm，两端及中部各设1道宽350mm的横梁，使其形成框架。(2)框架板宽2100mm，其中左右股钢轨下板宽均为600mm；板厚180mm～200mm，其顶部设1/30的横向坡，以形成轨底坡。 (3) 框架板一端两侧各设1个350×200mm的限位榫，用于框架板的纵向定位及防止轨道结构爬行。(4)每块框架板设置8对扣件，在框架板预制时直接将扣件尼龙套管预埋在其中。(5)框架板混凝土强度等级采用C60，沿纵向采用双层预应力配筋，根据初步分析和计算，上、下层预应力钢筋各为8根5螺旋肋预应力钢丝，横梁的弯矩很小，故采用非预应力配筋。(6)框架板设4个运输、安装及发生变形后调整用的吊钩。(7)框架板顶部设8个复合水泥盖板，以方便巡道及紧急疏散行走。
2. 分析计算
图4 5m长可调式框架板
表2 钢轨和轨道板的受力与变形计算结果
2.1 模型建立对于理论长度5000mm的框架板，采用Ansys进行分析计算，钢轨和轨道板均采用三维实体单元模拟，连接钢轨和轨道板的16个扣件采用弹簧和阻尼模拟，轨道板下方有8个支承垫块，在支承垫块范围内的轨道板单元下部施加约束模拟支承垫块的约束与支撑作用，钢轨和轨道板共计划分113660个单元，其中钢轨划分52864个单元，如图4所示。
2.2 计算工况。为了分析地裂缝引起的轨道板和钢轨受力与变形，以支承垫块与轨道板脱离模拟地基的不均匀沉降，在钢轨上施加地铁列车荷载。综合分析各种情况可知，考虑各种可能性，共用17种典型工况模拟地裂缝引起轨道板下8个支承垫块的沉降情况，详见表1。
西安地铁的设计车速为80km/h，车辆选用B型车，每列车均采用3动3拖6辆编组，其典型的荷载图式如图5所示。由于框架式轨道板的有效长度为4.96m，故作用在每一块框架式轨道板上的荷载最多只有4个轮载(某车辆一个转向架上的4个轮载或某车辆第二个转向架的后两个轮载加上相邻车辆第一个转向架的前两个轮载。按照最不利情况考虑，取其超载时动车的轴重13.52t)，对于每一种工况通过试算分析其最不利荷载位置，然后按照最不利荷载位置进行加载计算钢轨的最大应力和轨道板的最大应力和挠度。
图5 地铁B型列车典型荷载图式2.3 计算结果及分析。钢轨为CHN60型钢轨，扣件为DTVI-2型，容许应力为363MPa；框架式轨道板为C60混凝土，其容许拉应力为3.0MPa。表2 为各种工况下在最不利位置加载情况下计算得到的钢轨轨底的最大拉应力和轨道板底部最大拉应力及其最大挠度，计算中未计入温度应力、冲击系数和列车制动力等因素，没有考虑混凝土轨道板的预应力效应。
分析表2中的数据可得出如下结论：(1)轨底最大拉应力出现在1#、2#和3#等三个支承垫块发生沉降的工况，其值为167.27MPa，远小于钢轨的容许拉应力，如计入温度应力和动荷载效应，钢轨仍然是安全的。(2)框架式轨道板板底最大拉应力出现在1#和2#两个支承垫块发生沉降的工况，其值为1.986MPa，与容许值相比，富余量不大，若计入动荷载效应和预应力效应，仍然是安全的。(3)框架式轨道板最大挠度出现的工况为2#、3#、4#、6#和7#支承垫块沉降，其值为2.887mm，轨道板的挠度在行车情况下表现为动态不平顺，这不仅严重影响行车舒适性，且对于列车行车安全性有一定威胁。计算结果表明，框架式轨道板中间的某一个支承垫块沉降对钢轨、轨道板和行车的影响都不大，而轨道板边上支承垫块沉降的影响要严重许多，最不利的则是连续的两个或三个支承垫块都发生沉降。
3. 结论与建议
3.1 即使出现了最不利的不均匀沉降，钢轨的应力也不会达到容许值，而扣件将先于钢轨破坏，故为了防止扣件损坏，宜将扣件螺栓的扭矩减小30N·m左右，并及时检查扣件的状态发现轨道板下支承垫块的沉降情况。
3.2 如果框架式轨道板的预压应力达到0.50 MPa以上，即使在最不利情况下，轨道板也不会开裂。
3.3 建立实时监测系统，及时发现支承垫块的不均匀沉降，特别是靠近轨道板边上支承垫块的沉降和连续多个支承垫块沉降，并根据沉降监测总结的规律，酌情提高轨道检查频率，杜绝达到5mm以上的“三角坑”出现。
3.4 为了保证地铁列车的行车安全性与舒适性，轨道板与支承垫块之间的空隙达到3mm时，就应该采用调高垫板和充填式垫板局部调整；累计达到5mm时，则应该进行整块板的协调调整，确保轨道准确的几何形位。
3.5 采用5m长可调式框架轨道板的方案是可行的，在后期养护与维修中必须细化方案，对于地裂缝引起的不均匀沉降做到“及时发现、预案充分、措施得当、可调可控” ，确保地铁列车运行的安全性与舒适性。
参考文献
［1］ 铁道第一勘测设计院.西安地铁2号线可行性研究报告［R］.2005.
［2］ 北京城建设计院.西安地铁2号线初步设计(轨道工程)［R］.2006.
［3］ 卞菊梅，冯希杰，张芝霞.西安地裂缝灾害现状及防治［J］.1999,(6)12-18.
［4］ 樊红卫.西安地铁2号线穿越地裂缝技术措施［J］.都市快轨交通，2008(4):3-8.