地铁小半径曲线外股短轨枕道混凝土加固

近年来，我国很多城市地铁在运营维护中，出现了一些有可能引起安全隐患的病害，小半径曲线外股短轨枕道床素混凝土（无受力筋）极易抗拉破坏脱落就是其中之一。本文以深圳地铁运营中遇到的实际病害问题为例进行分析，并提出解决方案。

1 工程概况及病害实例分析

深圳地铁一期华强路至岗厦区间左线上行K6+645～K6+758.6 采用弹性短轨枕式整体道床，隧道断面型式为内径φ×壁厚h=5.4m×0.3m 圆形盾构隧道，位于半径R=400m 圆曲线和缓和曲线上，线路纵坡+3.53‰，每公里配置1760 对弹性短轨枕。曲线最大超高值120mm，采取外轨抬高一半和内轨降低一半设置，整体道床每隔12.5m 设置一处伸缩缝。

经现场踏勘，发现华强路至岗厦区间左线上行K6+645～K6+758.6 曲线外股短轨枕道床混凝土开裂脱落，轨枕橡胶套靴外侧面外露至靴底，连续破损后影响行车安全。原因初步分析如下：①水沟加大为截面矩形，与设计圆形水沟不符；②脱落外股短轨枕道床混凝土内未见纵向钢筋，设计纵向钢筋上下各1根HRB335φ14mm 螺纹钢。病害初步定性为建设施工遗留问题。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 受力分析检算

按最不利荷载简化受力计算模型（见图1），取地铁列车和定员乘客为研究对象。

图1 地铁运行受力分析图

重量m_g＝527.64×10³×10N＝5.2764×10⁶N，重心高度h＝1000mm， 钢轨中心距s＝1435+71＝
1506mm，道床坡度tgθ=120/1506=0.08，最大速度v＝80km/h＝22.2m/s，曲线半径R=400m。

由列车曲线运行轮轨关系有：F_内＝0。

X 水平受力：N_内·sinθ＋N_外·sinθ＋F_外·cosθ＝m·v²/R （1）

Y 铅直受力：N_内·cosθ＋N_外·cosθ－F_外·sinθ－m_g＝0 （2）

重心C 力矩平衡：N_内·s/2－N_外·s/2＋F_外·h＝0（3）

由（1）～（3）式，经计算有：

N_外＝m_g/ (2 cosθ)+ (m·v²/R·cosθ－m_g·sinθ)·(tgθ/2－h/s)=2.496×10⁶N

F_外＝m·v2/R·cosθ－mg·sinθ=2.280×10⁵N

N_内＝m_g/ (2 cosθ)+ (m·v²/R·cosθ－mg·sinθ)·(tgθ/2+h/s)=2.799×10⁶N

列车编组6 节车厢，每节车厢2 个转向架，一个转向架2 个轮对。曲线运行时，某个瞬间外股受力全部集中作用转向架1 个轮对上，单个外股短轨枕最大瞬间力：󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

n_外＝N_外/12＝2.08×10⁵N

f_外＝F_外/12＝1.90×10⁴N

故单个外股短轨枕最大水平瞬间冲击力：f＝n_外·sinθ＋f_外·cosθ＝3.56×10⁴N。

假定外股短轨枕道床混凝土只受均布荷载作用，取矩形截面s＝宽×高＝0.29m×0.11m＝0.032m²，

均布拉应力σ=3.56×10⁴N/0.032m²=1.11MPa。

因混凝土厚6cm＜30cm，折减后，C30 混凝土抗拉强度设计值（σ）＝1.43MPa×0.8＝1.14MPa。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

考虑列车曲线运行受力复杂性及轮轨关系复杂性，取安全系数1.3，1.3·σ＝1.44MPa，故1.3·σ>（σ）。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

结论：小半径曲线外股短轨枕道床素混凝土（无受力筋）极易抗拉破坏脱落，并造成安全隐患。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

3 整治方案

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利用曲线超高单侧排水，华岗区间左线上行K6+645～K6+758.6 采取先植筋后混凝土填充水沟，保留原伸缩缝。施工工艺流程：钻孔→清孔→钢材除锈→植筋胶配制→植筋→固化保护→混凝土凿毛→冲洗→钢筋网→设置伸缩缝→浇筑水沟混凝土→混凝土养护→施做横向排水沟。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

为阻止外股短轨枕受离心力作用向外滑移，每个短轨枕紧贴水沟壁竖向植筋2 根L=25cm HRB335φ14mm 螺纹钢（有效深度15cm），相邻短轨枕中间近水平植筋1 根L=（40+11.6）cm HRB335φ14mm 螺纹钢（带135°弯钩，有效深度30cm），内钩1 根纵向HRB335φ14mm 螺纹钢。为提高新老混凝土黏结力，既有水沟底面竖向植筋HRB335φ10mm 螺纹钢10cm ×10cm 梅花型布置。钻孔孔径18mm（HRB335φ14mm）和14mm（HRB335φ10）。植筋严禁损伤盾构管片。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

植筋胶用量计算：

W=π/4×(D²-d²)×L×V×k

式中，W 为每个锚孔胶泥用量，g；D 为钻孔直径，cm；󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

d 为杆体直径，cm；L 为锚固长度，cm；V 为胶泥比重，取2.1；k 为富裕系数，取1.15。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

为防止填充混凝土开裂，既有水沟中间布设HPB235φ6mm@10cm×10cm 钢筋网。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

混凝土初凝终凝二次收面，表面光滑平顺，2%坡向边墙以便排水。曲线两端道床施做横向矩形排水沟，宽×深＝150mm×100mm，连通内外侧排水沟。混凝土浇筑14d 内，列车限速25km/h，以减轻混凝土振动，每24h 养护一次。整个整治区间圆形隧道曲线地段整体道床图见图2。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

图2 整治区间圆形隧道曲线地段整体道床图（单位：mm）

4 整治效果及结论

采取植筋浇筑混凝土填充水沟法，明显改善了小半径曲线外股短轨枕道床混凝土受力性能。经半年运营，深圳地铁一期华强路至岗厦区间左线上行K6+645～K6+758.6 曲线段未出现外股短轨枕道床混凝土开裂脱落现象，说明整治效果显著。

本文分析及整治方案将小半径曲线道床混凝土开裂脱落病害消除在建设期内，为地铁运营提供安全保证。󠄐󠄹󠅀󠄪󠄢󠄡󠄦󠄞󠄧󠄣󠄞󠄢󠄡󠄦󠄞󠄡󠄩󠄧󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

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文章来源：

摘录《地铁小半径曲线外股短轨枕道混凝土加固浅析》朱志强，曾亿何（深圳市地铁有限公司运营分公司，广东深圳518040）