丁兆锋

(中铁磁浮交通投资建设有限公司,武汉 430060)

1 概述

中低速磁浮[1-4]低置结构是指介于高架结构和地下结构之间线路结构，主要由轨道梁结构和路基工程组成。长沙磁浮快线正线区间及车辆段采用了6段低置结构，总长约为1.2 km，其中两段为填方路堤，路堤高度为3.5 m左右。这是国内外首次将低置结构用于中低速磁浮运营线路，打破了国内外专家普遍认为的磁浮轨道交通不宜采用低置结构通行的技术瓶颈，提高了中低速磁浮交通对地质条件、地形条件等的适用性，降低了工程造价，技术上也在国内外保持了领先优势。

长沙磁浮快线低置结构的关键技术主要包括轨道梁的梁型、截面尺寸、结构设计、垫层、防错台构造等，以及路基工程中的路基面宽度、基床厚度、线间排水构造等。上述关键技术标准主要基于株洲试验线、唐山试验线以及西南交通大学、国防科技大学的有关研究成果[5-10]，并借鉴了铁路路基相关技术标准[11-14]进行制定。由于当时关于低置结构的研究尚处于初步研究阶段，制定的一些关键技术标准存在一些问题，主要表现为存在技术缺陷、设计偏于保守、工程投资偏高等。针对这些问题进行了理论分析和研究，并提出了优化措施，为中低速磁浮低置结构技术标准的推广和应用提供参考。

2 关键技术标准

2.1 轨道梁

长沙磁浮快线低置结构地段采用了两种形式的轨道梁[9]，详见图1，一种是实心梁，主要用于正线，其优点是便于施工；一种是框柱梁，主要用于车辆段，其优点是便于站后设备管线过轨和安装。

图1 轨道梁立体示意

两种轨道梁的主要技术标准如下。

(1)采用凸字形截面，分为下部基础基座和上部梁体，下部基座底宽为2.0 m，高为0.3 m，全部埋置在路基上，上部梁体宽1.3 m，高0.7 m；轨道梁标准节长为11.6 m，是轨枕间距的整倍数。

(2)轨道梁节间伸缩缝处于梁底设置限位板防错台构造，详见图2，限位板长2.6 m，高0.35 m，宽0.7 m，限位板梁端设高0.2 m，宽0.3 m的凸台。

(3)轨道梁按弹性地基梁和容许应力法设计，设计荷载[15]主要包括列车及轨道荷载、结构自重、温度荷载、摇摆力、离心力、牵引制动力等。

(4)梁底铺设0.1 m厚的C15混凝土垫层，垫层内铺设1层φ8 mm@200 mm的钢筋网。

图2 限位板防错台构造示意

2.2 路基工程

长沙磁浮快线低置结构的标准横断面详见图3，路基工程的主要技术标准如下。

(1)路肩宽度，即路肩与轨道梁基础底座边缘的距离，不小于2.5 m，双线地段标准路基面宽度为11.4 m，线间距4.4 m。

(2)基床表层为0.3 m厚级配碎石，基床表层以下采用A、B组填料，并采用基床底层压实标准填筑，填料技术要求及压实标准与高速铁路标准相同。

(3)线间排水采用设置线间沟和集水井的方式进行排放。线间沟为矩形截面，截面尺寸为0.4 m×0.6 m，纵向每50 m设置一处集水井，集水井为矩形截面，截面尺寸为0.6 m×0.7 m，集水井底部埋设内径150 mm的镀锌钢管，按4%的排水横坡将集水井内汇水引入路基两侧排水沟中。

图3 长沙磁浮快线低置结构标准横断面示意(单位：m)

3 存在问题分析

3.1 轨道梁

3.1.1 梁型

轨道梁采用实心梁或框柱梁，主要存在以下问题。

(1)实心梁的自重大、对地基承载力要求较高、浪费圬工材料，双线地段线间汇水无法向两侧路肩排放。

(2)框柱梁结构轻便，节省材料，但由于柱，纵、 横系梁都是小型构件，每个构件需单独立模板浇筑，工序繁琐，施工期长，施工费用高[16]。

3.1.2 防错台构造

轨道梁节间伸缩缝处采用限位板防错台构造，主要存在以下问题。

(1)限位板与轨道梁为搭接连接，尺寸较大，使得弹性地基在限位板处出现刚度突变，梁端与踏板搭接处出现较大的应力集中现象，搭接处在动荷载作用下反复磨损，对结构的耐久性产生不利影响。

(2)轨道梁自振频率与限位板自振频率不一致，磁浮列车走行过程中，限位板受动荷载影响较大，受力不均匀且存在反复作用的弯折力矩，容易出现疲劳损坏和不利的变形。

(3)限位板改变了轨道梁弹性地基梁的边界条件，使得轨道梁的边界条件介于弹性地基梁和简支梁之间的一种受力状态，对轨道梁的抗振性能产生不利影响。

(4)限位板利于控制路基差异沉降变形，对路基差异隆起变形限位作用将失效。

3.1.3 垫层

轨道梁基底铺设混凝土垫层的目的是作为轨道梁的施工平台，起到找平层的作用，主要存在以下问题。

(1)垫层位于基床范围内，直接承受列车动荷载作用，同时也起到力的传递作用，属于主体受力结构，但长沙磁浮快线采用的垫层设计不满足主体受力结构条件：采用构造设计，未进行力学计算和结构设计；采用C15混凝土不满足主体受力结构的耐久性要求；保护层厚度仅为4.2 cm，在某些环境条件下混凝土最小保护层厚度不满足设计要求。

(2)垫层厚度仅为0.1 m，位于半刚性基床与刚性轨道梁之间，其受力极不均匀，在动荷载反复作用下宜出现疲劳破坏，不利于基床防水，且改变了其对轨道梁的支撑条件，影响轨道梁受力和使用性能。

3.2 路基工程

3.2.1 路肩宽度

长沙磁浮快线低置结构地段路肩宽度主要参考了高速铁路设计规范及铁路路基支挡结构设计规范。高速铁路无砟轨道路肩宽度为2.6 m，挡墙位于稳定土层斜坡底面时，挡墙趾部距地面的水平距离不小于2.5 m。据此规定了长沙磁浮快线低置结构地段路肩宽度不小于2.5 m。

长沙磁浮快线低置结构与高速铁路无砟轨道路基及位于稳定土层斜坡底面的挡墙工程在受力及工程条件方面均存在较大差异，因此参照确定的标准存在一定的不合理性，主要差异分析如下。

(1)高速铁路无砟轨道路基的路肩宽度取2.6 m，其目的是为了满足接触网限界以及电缆槽摆放需求，且高速铁路荷载远大于中低速磁浮荷载，除却满足限界及站后设备安装功能而言，路肩宽度不小于1.5 m即可。

(2)挡墙，特别是高墙，要承受较大的水平土压力，位于天然土层斜坡时，为了确保挡墙基础稳定性要求，规定墙趾距离地面水平距离不小于2.5 m，而轨道梁的水平荷载仅有摇摆力和离心力，远小于挡墙所承受的土压力，同时天然土层强度也远小于路基填筑土体强度。因此，长沙磁浮快线低置结构地段路肩宽度取为2.5 m偏于保守，存在较大的优化空间。

3.2.2 基床厚度

长沙磁浮快线基本表层厚度为0.3 m，采用级配碎石填筑，基床表层以下均采用基床底层填料及压实标准填筑，基床底层最大填筑厚度约为3.2 m，远大于高速铁路基床底层厚度2.3 m，这一结果过于保守。

3.2.3 线间排水

长沙磁浮快线低置结构地段，路基面中心设0.4 m×0.6 m排水沟，线间汇水引入线间排水沟，纵向每50 m设置一处集水井，集水井截面尺寸采用0.6 m×0.7 m，然后采用内径150 mm的镀锌钢管，按4%的排水横坡将集水井内汇水引入路基两侧排水沟中。采用线间沟排水有以下缺点。

(1)线间沟与集水井需在路基施工完毕后实施，实施时需在路基结构内切割或开挖基坑，对路基结构产生较大的扰动，镀锌钢管需预埋，对路基填方施工有一定的干扰。

(2)线间沟及集水井均为钢筋混凝土结构，工程投资较大，且需现场钢筋绑扎、立模板、浇筑混凝土和养护等，施工工序较为复杂，施工周期长。

(3)集水井与镀锌钢管埋入路基面以下一般不小于1.5 m，运营过程中不宜检修。

(4)路堑地段为确保镀锌管内排水排入侧沟内，需加深侧沟沟底高程，导致路堑断面开挖深度增大，增加了土石方工程和投资。

4 优化措施研究

4.1 轨道梁

4.1.1 梁型

鉴于长沙磁浮快线采用的实心梁浪费圬工材料，采用的框柱梁工序繁琐，可采用如图4所示的U形梁。

图4 U形梁示意

U形梁由基础底座和悬臂梁组成，可与轨排钢结构组成钢混框架结构，共同承担磁浮车辆荷载。与实心梁相比能够有效节省混凝土和钢筋用量，与框柱梁相比施工工序简单，模板易于安装和拆除，同时易于检修和维护，U形梁内部空间可用于安装站后管线，过轨可通过在悬臂梁内预埋过轨管来实现；另外悬梁臂的底部设有泄水孔用于将U形轨道梁中间的水排出。

4.1.2 防错台构造

路基变形包括沉降变形和隆起变形，轨道梁节间防错台构造对差异沉降变形和差异隆起变形都要起到控制作用，如图5所示的传力杆构造可实现上述功能。传力杆采用光圆钢筋制作，包括锚固段和自由段，自由段榫入钢管制作的套管内，套管端部留有空隙，保证自由段可沿水平方向伸缩，便于释放轨道梁收缩徐变以及温升温降产生的应力，其他方向保持约束，可起到力的传递作用。

图5 传力杆示意

传力杆构造[17-19]在铁路的U形槽工程、无砟轨道工程，公路的混凝土路面工程以及市政工程中的船槽工程中大量使用，是一种成熟可靠的技术。该技术用于轨道梁可避免差异沉降和差异隆起导致轨道梁发生错台，同时使得轨道梁下地基应力变的较为均匀，避免地基出现刚度突变和应力集中现象，提高轨道梁的抗振性能。

4.1.3 垫层

无砟轨道铁路路基段，轨道结构的基础底座以级配碎石基床表层为施工平台，直接在基床表层之上浇筑而成；悬臂挡墙底板、U形槽底板等也以碎石垫层作为找平层，效果优良；同时，碎石垫层与基床表层均属于半刚性材料，也有利于列车动荷载的传递和扩散。轨道梁基底的混凝土垫层可改用碎石垫层，垫层按主体受力结构设计，其技术标准可执行基床表层相关标准，同时为了保证垫层的平整性，可掺入5%的水泥填筑。

4.2 路基工程

4.2.1 路肩宽度

根据有关研究中低速磁浮的路肩宽度不由边坡稳定性所决定，保证一定的路基宽度主要是为了满足养护维修、放置设备等功能需求[1]。中低速磁浮采用接触轨供电，接触轨放置在轨道梁上，通信信号电缆也可以以轨道梁为载体，不存在接触网限界及电缆槽位置问题。综合考虑高速铁路、城际铁路等轨道交通的最小路肩宽度(表1)，并结合中低速磁浮的养护维修通道设置，建议中低速磁浮低置结构地段路肩宽度可取为1.5 m。

表1 路肩宽度统计 m

4.2.2 基床厚度

中低速磁浮列车及轨道荷载作用在基床上的均布静荷载约为20 kPa，该荷载通过轨道梁传递到基床顶面，应力重分布后，乘以扩大系数2.0，最大基底静应力约为40 kPa，这一荷载强度小于且接近城际无砟轨道铁路作用在路基面上的荷载47.8 kPa，而中低速磁浮与城际铁路无砟轨道对于基床的设计理论、弹性变形控制指标等基本一致：基床底面的动应力与自重应力之比在0.2以下，路基面动位移控制在1 mm。中低速磁浮的基床厚度理论上与城际铁路无砟轨道路基基床厚度1.8 m相当。因此中低速磁浮基床厚度可取为1.8 m，其中基床表层厚度为0.3 m，基床底层厚度为1.5 m，这一结果略偏于保守。

4.2.3 线间排水

长沙磁浮快线低置结构地段轨道梁标准长度为11.6 m，其上部梁体节间缝宽30 cm，参照无砟轨道线间排水的经验[20]，利用节间缝进行线间排水可以满足设计要求，排水构造如图6所示：于线间在上部梁体之间铺设纤维混凝土排水层，排水层横坡2%；上部梁体节间缝设置横向排水通道，采用水泥砂浆设置不小于2%的横坡与排水层横坡顺接；下部梁体2 cm宽伸缩缝内采用不透水填缝料；为了避免线间汇水下渗，排水层下采用防水卷材防水层，防水层下采用细石混凝土作为防水层的保护层；在下游采用混凝土砌筑分流凸台，确保线间汇水从节间缝排出。上述排水构造利用轨道梁上部梁体节间缝排水，避免了对路基二次开挖，同时施工工序简单，投资节省，排水效果优良。

图6 节间缝排水构造

长沙磁浮快线优化后的低置结构标准横断面示意见图7。

图7 优化后低置结构标准横断面示意(单位：m)

5 结论

针对长沙磁浮快线低置结构关键技术标准存在的问题进行了理论分析和研究，并提出了优化措施。研究成果及结论如下。

(1)低置结构地段轨道梁宜采用U形梁，轨道梁节间伸缩缝处宜采用传力杆防错台措施，轨道梁基底宜设置碎石垫层，施工时可掺5%水泥填筑。

(2)路肩宽度一般取为1.5 m，当两侧路肩有信号灯等站后设备时，可局部加宽路基面，以满足站后设备安装要求。

(3)路基基床厚度可采用1.8 m，其中基床表层厚度为0.3 m，基床底层厚度为1.5 m。

(4)线间汇水宜利用轨道梁上部梁体的节间缝进行排水，同时线间回填层顶面应做好防排水措施。