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A024 武漢大學學報理學版
主管單位：中華人民共和國教育部
主辦單位：中南大學;中國鐵道學會
出版周期：雙月刊
出版地址：湖南省長沙市
語
種：中文
開
本：大16開
國際刊號：1672-7029
國內刊號：43-1423/U
郵發代號：42-59
發行范圍：國內外統一發行
創刊時間：1979
期刊收錄：
CA 化學文摘(美)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊：
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽：
Caj-cd規范獲獎期刊
中圖分類號： U442.5文獻標志碼： APier Linear Stiffness Optimization of LargeSpan
大跨高墩長聯簡支梁橋是鐵路無縫線路建設中常用的型式，特別是山區鐵路.但跨度超過48 m的簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度優化設計的研究很少，相關規范中沒有規定[1]，且大跨高墩簡支梁橋墩臺也沒有標準圖可依.
設計人員設計橋墩時，需不斷調整墩身尺寸反復試算，以滿足橋上無縫線路要求，不僅設計工作量大，而且人工調整的橋墩線剛度取值不合理，橋墩之間線剛度不協調，導致橋墩設計尺寸偏于保守，橋梁投資不經濟.
本文通過建立參數化結構分析模型和優化模型，采用ANSYS提供的零階優化方法[23]對跨度64 m的高墩長聯簡支梁橋上無縫線路橋墩線剛度[45]進行了優化，為跨度64 m的簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度限值提供了參考.1結構參數化模型的建立1.1力學模型橋上無縫線路[6]是一個復雜的結構體系，軌道、主梁、橋墩、基礎以及橋梁兩側路基之間相互影響[711]，借鑒橋上無縫線路現有力學模型[1214]，按照鋼軌、主梁、橋墩尺寸建立了圖1所示的力學模型.
西南交通大學學報第48卷第2期喬建東等：無縫線路大跨簡支梁橋橋墩線剛度優化鋼軌與主梁上翼緣之間采用線彈簧模擬道碴層，彈簧剛度系數為常數；主梁、橋墩及基礎剛度按實際截面選取.為了準確反映鋼軌與主梁的協調變形，用剛臂將主梁上翼緣與主梁中性軸、主梁中性軸與支座連接，通過釋放約束模擬固定支座和活動支座；采用ANSYS參數化建模，以優化墩頂縱向水平線剛度.
該模型有以下特點：
（1） 采用道床連接彈簧能夠模擬道床的豎向阻力和縱向阻力；
（2） 將主梁上、下翼緣與主梁中性軸作剛臂處理，且將實際橋墩及基礎納入力學模型，能夠充分模擬鋼軌、主梁、橋墩和基礎的協調作用機制；
（3） 采用參數化建模，有利于優化設計.1.2橋上無縫線路工程實例以一座擬建客貨共線無縫線路單線有碴簡支梁橋（圖2）為研究對象，橋跨布置為9×64 m預應力混凝土簡支箱梁，梁高5 m，墩（從左至右依次為1#～8#墩）高分別為29、41、44、44、47、47、51和43 m；道碴層厚0.65 m，橋上無縫線路結構型式與路基一致，線路道床阻力為常數.
主要設計參數：
（1） 設計荷載：中活載；
（2） 制動力參數：取豎向靜活載的10%；
（3） 橋臺線剛度：1 500 kN/cm[1]；
（4） 線路縱向阻力：計算伸縮力時，縱向阻力取70 N/cm.計算撓曲力時，若軌面無荷載，縱向阻力取70 N/cm；若軌面有荷載，機車下縱向阻力取110 N/cm，車輛下縱向阻力取70 N/cm[1]；
（5） 有碴軌道混凝土梁溫度差：15 ℃[1]；
（6） 設計采用60型鋼軌.
根據確定的上述主要設計參數，建立該橋梁的有限元模型.模型中，主梁、橋墩采用Beam188梁單元模擬；鋼軌采用Beam4梁單元模擬；鋼軌與主梁之間的道碴層以及基礎采用Combin14彈簧單元模擬；固定支座和活動支座通過釋放梁端約束實現.
驗算項目優化前優化后變化率/%規范限值鋼軌最大附加拉應力/MPa工況123.325.28.5181工況227.537.235.2781鋼軌最大附加壓應力/MPa工況153.757.67.2661工況230.133.912.6261墩身混凝土最大壓應力/MPa1.974.20113.2016.1墩身混凝土最大拉應力/MPa0.650.707.691.52梁軌快速相對位移/mm2.53.436.004墩頂縱向位移/mm11.013.018.1840墩身混凝土總體積/m314 98912 08919.35—
結果都留有一定的安全儲備.因此，本文的優化程序具有較強的通用性.4結語橋墩縱向水平線剛度是橋上無縫線路設計的關鍵技術參數，橋上無縫線路縱向附加力、梁軌快速相對位移在很大程度上取決于橋墩縱向水平線剛度.為保證軌道結構的安全適用性，應對橋梁墩頂縱向水平線剛度進行限定.
通過APDL參數化語言對ANSYS進行二次開發，建立參數化結構分析模型和優化模型，利用ANSYS提供的零階優化方法對跨度64 m的高墩長聯簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度進行了優化研究.
優化后橋墩混凝土總用量節約了19.35%，優化效果顯著.通過實例計算與分析，建議跨度64 m的高墩長聯簡支梁橋墩頂縱向水平線剛度限值控制在750 kN/cm以上.此外，采用優化技術，使大跨長聯簡支梁橋各橋墩的設計自動化，縱向剛度相互協調，提高了設計效率和設計質量.
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Abstract: the subway tunnel waterproof underground method is one of the important factors of success or failure. The leakage of the tunnel is highlighted in tunnel construction quality problems and solve the issues to be further. Type of method with China's rapid development of urban rail traffic, underground mining method tunnel is more and more, this paper aims to analysis in underground mining method in the tunnel construction the characteristics of various auxiliary measures, suitable conditions, the use of waterproof facilities.
Keywords: the subway tunnel; Waterproof facilities; Concealed excavation method
中圖分類號：U45文獻標識碼：A 文章編號：
一：暗挖法定義
暗挖法，是指在軟弱圍巖地層中，以改造地質條件為前提，以控制地表沉降為重點，以格柵和錨噴砼作為初期支護手段，遵循“新奧法”理論，按照“十八字”方針（管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測）進行隧道的設計和施工。暗挖的優點：結構形式靈活多變，對地面建筑、道路和地下管線影響不大，拆遷占地少，擾民少，污染城市環境少等。缺點：施工速度慢，噴射混凝土粉塵多，勞動強度大，機械化程度不高，以及高水位地層結構防水比較困難等。
二：地鐵礦山法隧道所處的環境
通過對多個礦山暗挖法隧道的調查研究，對不同文地質條件，周邊環境下的注漿措施進行分析對比研究結論：在城市地鐵中的礦山暗挖法隧道，需根據工程的周邊環境，隧道埋置深度，工程及水文地質條件，隧道斷面尺寸，結合隧道施工的基本工法，選擇合理的注漿參數，對地層及圍巖進行必要的加固和止水，減少對周邊環境的影響至關重要。
不少地鐵隧道，由于埋深淺，處于第四系各種土層，砂層或巖石全，強風化的軟弱圍巖中，一般地下水位較高，地下水豐富；因此,在礦山法隧道設計和施工中選擇合理的輔助施工措施，圍巖進行加固和止水，保證隧道的施工安全和減少對周邊環境的影響。
三：在礦山暗挖法中排水放在非常重要的地位
但近些年來由于部分建設工作者對地下工程防水存在模糊認識，致使地下工程滲漏水越來越嚴重。為了規范地下隧道工程防水做法，除建議嚴格執行國家有關規范外，特提出以下方案。
1、地下防水工程選材條件
1.1地下工程防水的目的
a、防止水對地下維護結構的侵蝕，保證地下建筑物使用年限。
b、防止水對地下建筑空間的侵蝕，保證地下建筑物使用安全。
c、防止滲漏造成地下水土失衡，影響相鄰建筑物使用安全。
1.2關于防水層在地下建筑物構造層次中的地位
“混凝土的裂縫是不可避免的”，是對混凝土特性的科學評價。因此，《地下工程防水技術規范》中規定混凝土允許裂縫寬度為0.2mm，這也是合乎情理的。但允許有0.2mm裂縫的混凝土仍稱作“結構自防水”是沒有道理的。因為從物理概念上說，水分子的直徑約0.3×10-6，可以穿過任何肉眼可見的裂縫。肉眼可見的裂縫范圍一般以0.005mm為界。那么0.2mm的裂縫肯定要漏水的，被允許有0.2mm裂縫的混凝土，又如何稱得上“結構自防水”呢？所以，防水層在地下建筑物主體結構以外的構造層次中，其作用之重要是第一位的，而不能被視為“附加防水層”。
1.3須考慮防水材料與地下建筑物使用同步
由于地下工程是埋于地下的建筑物，將來防水層失效需要翻修的可能性幾乎沒有。因此，地下工程防水層材料選擇盡可能采用能與建筑物設計使用期同步的材料。因為，合成樹脂片材在不受大氣、臭氧、紫外線、侵蝕的情況下老化非常緩慢。日本、美國等工業發達國家常采用諸如：EVA、PE、PVC防水卷材做復合襯砌防水層。目前已經有35年不失效記錄。
一般地下隧道工程設計使用年限為70年，故隧道工程絕大多數采用合成樹脂片材（包括均質或復合片材）做全外包防水層。
2.采用合成樹脂片材的缺陷和改用埋貼式高分子防水卷材的優勢。
2.1采用合成樹脂片材做隧道全外包防水的缺陷
合成樹脂片材（如HDPE、EVA、PVC）具有耐久、（幾十年不降解）防腐，強度高（不易被戳穿），延伸大等優點。但由于采用合成樹脂片材做防水層與二次襯砌間不發生任何形式的粘著，它們之間是松鋪的，因此，很容易因某個局部破損或不密實而造成竄水、漏水，甚至導致整個工程防水失效。
2.2 改用埋貼式高分子防水卷材做隧道防水層的優勢。
埋貼式高分子防水卷材，是在合成樹脂片材上涂蓋不小于0.5mm厚的自粘膠層而制造的高分子自粘防水卷材。其特點是高分子卷材表面的自粘層與混凝土有很強的粘著力。施工時，先將卷材鋪在隧道支護層上，采用捆綁固定法將卷材固定，卷材搭接部位的高分子片材間熱焊，使高分子片材形成一個整體。二次襯砌施工前，將卷材表面隔離層揭除，在自粘膠粘結面表面涂敷一層水溶膠，當二次襯砌模注完成，達到設計強度并干燥后，便可達到標準要求（卷材與混凝土粘結強度）的粘結強度。
四：高分子防水卷材施工
常用的埋貼式高分子防水卷材為高分子復合片材兩面覆有自粘膠層（即雙面卷材）。在應用時，一面與基面粘結，另一面與結構粘結。埋貼式高分子防水卷材應用于明挖法地下室工程，底板墊層和側墻保護墻是比較平整的，采用外防內貼法；如需采用外防外貼時，可選用單面粘埋貼式高分子防水卷材。
埋貼式高分子防水卷材應用于暗挖法（或礦山法）工程，防水基面是凹凸不平的，施工時是在基面固定自粘片（每塊為150㎜×150㎜，每平方米不少于3塊均布），然后將卷材整體托起，就位，在一邊用25寬鍍鋅壓條固定，再將粘結塊壓緊壓實。卷材主體搭接時可采用墊焊法（卷材可留有搭接邊）；也可以采用全粘法（卷材不留墊焊搭接邊）。
五：埋貼式高分子防水卷材暗挖法工程施工
在暗挖法工程防水施工中，埋貼式高分子防水卷材為雙面粘，當施工車托盤將卷材展開托起后，對準基準線就位，然后固定。卷材表面隔離膜（紙）在主體結構澆筑前揭除。底板墊層部位的卷材自粘層表面噴有水溶膠粉，以防粘結。埋貼式高分子防水卷材明挖法工程施工在明挖法工程防水施工中，埋貼式高分子防水卷材可以是雙面自粘，也可是單面自粘?；婊靖稍锏拿魍诜üこ炭刹捎秒p面自粘埋貼式高分子防水卷材；基面潮濕（無明水）的明挖法工程可采用單面埋貼式高分子防水卷材。
六：結語
隨著國民經濟的發展，路、鐵路隧道工程也越來越多。隧道工程不可避免地要經過含水量較高的地層，以必將受到地下水的有害作用。果沒有可靠的防水、堵漏措施，水就會侵人隧道，響其內部結構與附屬管線，至危害到隧道的運營和降低隧道使用壽命。所以隧道工程的防排水已經成了隧道施工的關鍵工序。對長大隧道和穿過富水地層的隧道,防排水顯得尤為重要。
[1] 鐵道第二勘察設計院.鐵路工程設計技術手冊#隧道。訂版.北京:中國鐵道出版社,1999.
Abstract: China's subway project visit the amount of work in recent years have made great development of advanced measurement techniques to be applied in the survey work in the subway. The article describes the MTR measurement features and application of new measurement technology at work.
Keywords: Underground Railroad; measurements.
中圖分類號：K826.16文獻標識碼：A 文章編號：
l 引言
世界第一條地下鐵道誕生在1 8 6 3 年的英國倫敦，距現在已有1 30 多年，在這130里，世界地鐵交通有了飛速發展。我國從1 9 6 5 年7 月在北京開始修建第一條地鐵至今，天津、上海、廣州地鐵陸續建成，大大緩解了城市交通緊張狀況。北京、上海和廣州新的地鐵線路目前也正在加緊施工，伴隨我國國民經濟狀況的好轉，全國20 多個城市醞釀的地鐵建設會在不久的將來成為現實。作為地鐵施工中不可缺少的地鐵測量工作也將會有進一步的發展。
2 地下鐵道測量的特點、內容和精度要求
地下鐵道是城市公共交通的一種形式，是一項系統工程，它包括地下、地面、高架三種方式的軌道工程體系，在城區它埋設在地下，在郊區它是地面或高架構筑物。
2.1 地下鐵道測量特點
(l) 地下鐵道工程浩大、投資大、工期長，一個城市地鐵建設要根據近期、遠期客流量先作總體規劃，分期建設。測量工作不僅要考慮全局，也要顧及局部，既要沿每條線路獨立布設控制網，又要在線路交叉處有一定數量控制點重合，以保證各相關線路準確銜接。
地鐵工程有嚴格限界規定，為降低工程成本，施工誤差裕量已很小，設計采用三維坐標解析法，所以對施工測量精度有較高的要求。
(3) 測量內容多，與地面既有建筑結合緊密。各測量體和線路聯接密切，地上、地下測量工作要保證萬無一失，除了要進行施工放樣，貫通測量以外，還要進行變形監測等項工作。
(4) 測量內容多，與地面既有建筑結合緊密。各測量體和線路聯接密切，地上、隧道及車站內的控制點數量多、使用頻繁，應做好標志，加強維護，為地鐵不同階段施工及后期測量工作提供基礎點位及資料。
(5) 地鐵位于城市，沿線高樓林立、車水馬龍、能見度差、隧道埋深淺，地表沉降變形等都會給地鐵施工測量工作帶來很大困難。
2.2 地下鐵道測量工作
地下鐵道測量包括規劃設計、施工設計、施工、竣工和運營階段全部測繪工作。地下鐵道測量工作除了提供各種比例尺地形圖與地形數字資料滿足規劃、設計需要外，還要按設計要求標定地鐵線路位置、指導施工、保證所有建、構筑物位置正確并不侵入限界，以及在施工和運營期間對線路、建筑結構、周圍環境的穩定狀況進行變形監測等[1]。
地下鐵道測量的主要工作如下：
(l) 地面、地下平面控制測量和高程控制測量；
(2) 地鐵線路帶狀地形測量和管線調查；
(3) 地鐵線路地面定線測量；
(4) 地鐵車輛段測量；
(5) 地面、地下聯系測量；
(6) 隧道和高架線路施工測量；
(7) 鋪軌測量；
(8) 設備安裝測量；
(9) 竣工測量；
環境、線路、結構變形測量。
2.3 地下鐵道測量的精度及其依據
地下鐵道測量的必要精度，這是一個需要研究討論的題目，北京地下鐵道一、二期施工擬定了明挖方法施工測量的精度指標，現在第三期暗挖法施工測量精指標如下：
地面GPS控制網的點位和相對點位誤差≤±10mm。
沿地下鐵道線路布設的地面精密導線網的點位和相對點位誤差≤±8mm。
從精密導線點將坐標傳遞到豎井旁的近井點的點位誤差≤±10mm。
④ 從地面近井點通過豎井向地下隧道內傳遞坐標的誤差≤±5mm。
⑤ 從地下豎井底通過橫通道將坐標傳遞到線路正線隧道內的坐標測量誤差≤±5mm。
⑥ 地下隧道內的控制導線最遠點的點位誤差≤±15mm。（一般為500mm的地下控制支導線)。
⑦ 地面地下高程控制測量精度限差8/L(L為公里數)。
⑧ 從地面向地下隧道內傳遞高程的誤差為≤±3mm。
在建立地面控制網估算精度和貫通測量的精度估算時，還要留些裕量，那么各項測量精度還要適當的提高。
3 地面平面控制網測量
地鐵平面控制網分首級GPS控制網和二級精密導線控制網。在滿足規范前提下，平面控制網點還應布設合理、靈活，滿足工程實際需要。在工程實施階段，應按原測精度對控制網進行定期全面復測和不定期局部復測，確保網形結構的連續、穩固和使用。因此，點位的選埋和維護是地面測量工作的難點和重點。
3. 1 GPS控制網應收集的基礎資料
測區中央子午線、坐標系轉換參數、橢球參數、起算點已知坐標、測區高程異常值、測區的平均高程。這些基礎數據為保密資料，應嚴格按照保密協議交接、簽收和使用。
3. 2 精密導線網
精密導線點應盡量沿地鐵線路布設成直伸形狀，形成掛在GPS點上的附合導線、多邊形閉合導線或結點網。選點和觀測是控制精密導線質量的兩個重要因素，工作的重點是精密導線的選點和觀測，難點是選點工作。根據地鐵線路附近GPS網點位的分布通視情況，車站、豎井的設計位置，經過現場踏勘后可以初步在線路平面圖上繪制精密導線網形，根據規范和測區環境條件詳細制定出外業測角、測邊以及高程聯測作業方法等。
3. 3 平面控制網布設形式探討
近年來，由于設計技術發展、施工工法進步，測量設備更新，根據具體情況布設的平面控制網形式不一，部分指標突破規范要求。如用GPS網一次布設完成平面控制、個別地段加密精密導線點與主網一起施作完成的布網形式，代替地面平面控制網分兩級布設； 盾構法施工的廣泛應用，區間豎井較少，由此布設的地面精密導線網平均邊長遠大于350m的規范要求。這些情況結合了工程實際，使用方便，同樣滿足施工要求[2]。
3. 4 新線建設與已有線路結合部位控制點較差處理
在地鐵設計線路的交匯處，新建的地面控制網必須與原網進行聯測，會出現同一個點在不同時期的控制網下有不同的坐標，處理坐標較差方法為：高等級起算控制點位盡量選擇一致，以減少系統誤差。當較差較小時，既有線采用原坐標，新線采用新坐標而對施工加密點、隧道洞內控制點進行強制平差；當較差較大時(不能大于50mm 的規范規定) ，實測交叉部位處既有線路在新線控制網下的中線坐標提交設計進行解決，使設計和施工在一坐標系統下，從而解決控制點較差問題。
4 地下鐵道工程測量展望
伴隨工程測量技術的變革和進步，地下鐵道測量工作也在不斷地創新和發展。G PS 定位技術、數字化測圖技術、物探方法進行地下管線探測技術、激光準直和掃平儀、全站儀與計算機組合測量和數據處理系統、施工變形測量監控量測自動化系統等新技術都在地下鐵道測量中得到應用。隨著各學科間的相互滲透和影響，為工程測量提供了新的技術和方法，今后隨著國民經濟狀況的好轉，隨著城市地鐵交通事業的發展，地鐵建設的地下鐵道工程測量技術也將會從理論到實踐，有進一步完善發展，新技術將得到更廣泛的應用。
【摘 要】本實用新型的地鐵隧道結構形式，包括隧道承壓部分、填充材料部分和外部保護層，這種隧道結構通過在隧道管壁之間進行填充新型材料，可以延續使用目前的盾構法，只需改變管片的形式，按照新的結構生產管片，繼而以管片的形式進行拼裝，不用改變施工工法。新型隧道同時可以根據不同地區的不同地質條件和周邊環境要求選擇減振為主、減噪為主或防漏水為主的材料，通過中間的材料吸收列車經過時產生的震動與噪音，從而達到減振減噪的效果。
關鍵詞 新型隧道結構；減振減噪；填充材料
0 引言
自地鐵開始運行以來,地鐵對周邊環境的振動影響已經引起人們的關注。①由于機車運行產生的振動通過鋼軌、道床結構源源不斷的傳遞到地面建筑物，造成地面建筑物振動，危及建筑物自身安全；一輛列車通過后能夠造成地面建筑物振動10s左右，而每小時通過的列車高達30對，因此建筑物振動時間占地鐵運營時間的15%左右，長時間的振動嚴重影響到人們生活、工作及休息；②列車形式產生的振動被多輛列車不斷放大后，使隧道內整體道床負荷增加，在振動加速度的作用下，將大部分作用力傳遞給鋼軌扣件，極易使扣件斷裂，造成行車安全；產生的振動在傳遞到隧道結構的同時也在源源不斷的傳遞到車輛本身，影響機車使用壽命，振動也給乘客帶來不舒適。因此對于大部分運營里程都在地下的鐵路來說，研究地鐵振動規律及其控制方法就具有非常重要的意義。
據調查研究顯示，鐵道部勞動衛生所通過對我國幾個典型城市的鐵路環境振動的現場實測，考察了鐵路沿線居民區受列車運行引起的環境振動污染現狀,測試結果表明,離軌道中心線30m之內的振級大部分接近80dB。這超出了《城市區域環境振動標準》(GB 10070-88)規定的城市“混合區”晝間75dB及夜間72dB的要求。這樣高的振級將極大地影響地鐵沿線居民的日常生活及身心健康。[1]1977年, Rucker對柏林地鐵雙線區間隧道列車振動進行過試驗研究,1979年Dawn和Stan worth研究了鐵路運行所產生的地面振動,1982年英國倫敦運輸科學顧問室進行了地鐵區間隧道振動試驗。瑞士聯邦鐵路和國際鐵路聯盟(UIC)實驗研究所(ORE)從改善線路結構的角度提出了降低地鐵列車振動對附近地下及地面結構振動影響的途徑。[2]美國G.P.Wills on等提出了通過改善道床結構形式(采用浮置板道床)和改革車輛轉向架構造以減少輪軌接觸力的方法,降低地鐵車輛引起的噪聲和振動的建議。[3]因此分析地鐵產生振動的原因、研究振動機理、提出減振措施顯得十分重要。
本文研究的一種新型的地鐵隧道結構形式，這種隧道結構通過在隧道管壁之間進行填充新型材料，選擇減振為主、減噪為主或防漏水為主的材料，通過中間的填充材料吸收列車經過時產生的震動與噪音，從而達到減振減噪的效果。
1 創新原理
目前，地鐵振動帶來的危害不容小覷，解決方案主要分為主動減振和被動減振兩種，主動減振主要是通過科技發展，減少制作誤差，定期保養維修線路，但這些只能降低振動能量，而不能避免振動，被動減震地鐵施工中主要運用的減振方法是采用減振道床，其中包括：一般減振整體道床、橡膠減振墊浮置板整體道床、鋼彈簧浮置板道床。地鐵的減振措施主要集中在通過道床和扣件來進行，能起到一定的減振效果，但不能達到大范圍的減振和減噪作用。因為目前的六種主要隧道結構形式（半襯砌結構，厚拱薄墻襯砌結構，直墻拱形襯砌結構，曲墻襯砌結構，復合襯砌結構，連拱隧道結構）主要都只從受力的角度考慮，沒有把受力和減振減噪結合起來考慮的。并且城市土地資源緊缺，由于震動緣故，在兩條隧道之間或者隧道與建筑之間需要一定的安全距離，加大了土地用量。居民區旁的隧道還會因為噪音問題給居民帶來不便。
本文研究了一種新型的地鐵隧道結構形式，其包括隧道承壓部分、填充材料部分和外部保護層，這種隧道結構可以延續使用目前的盾構法，只需改變管片的形式，按照新的結構生產管片，繼而以管片的形式進行拼裝，不用改變施工工法。此新型隧道在原隧道結構上進行改進，使隧道結構在承受各種外力的基礎上，能夠通過中間的材料吸收列車經過時產生的振動與噪音，從而達到減振減噪的效果。同時，在填充材料的選擇上有多種形式，可以根據不同地區的不同地質條件和周邊環境要求選擇減振為主、減噪為主或防漏水為主的材料，來達到不同的目的。
2 工作原理
本文所研究的新型隧道結構采用的技術方案如下：
在原隧道管片基礎上，多加一層填充材料和保護層，可以按照原來管片形式分為3塊標準塊、2塊鄰接塊、和1塊封頂塊，也稱K塊，用原來的施工工法（盾構法）進行隧道開挖和管片的拼裝。同時中間填充材料的選擇上有多種形式，新型隧道結構的承重部分主要起承受列車重量、隧道管壁自重、各種設備重量及列車經過時的各種力；中間的填充部分可以按不同的功能要求起到減震、降噪、防水等作用；最外面的保護層起保護填充材料和承受周圍水土壓力的作用。三部分的結合可以使隧道在起承壓作用的同時，還可以起到減震、降噪、防水等輔助作用。
3 結束語
在當今地下空間、地下隧道發展技術日新月異的時代，地鐵軌道的減振問題已是一種不可避免且不可回避的問題，地鐵減振已成為各國地鐵建設的主要研究課題。目前我國主要解決的方法是在道床結構與基礎結構之間填充具有一定剛度和彈性的物質，如橡膠、彈簧等，各種減振材料的研發。[4]本論文從隧道結構的方面出發，致力于通過隧道自身來降低隧道的振動。本文采取了一種全新的減振形勢，超脫于現有的改變軌道形式或扣件形式的技術，從隧道結構的角度出發來達到減振的目的，與現有技術相比，本新型隧道結構具有如下有益效果：
（1）本隧道形式通過隧道管壁來起到減振降噪的作用，而不僅僅是依靠扣減或者道床，會有更加明顯的效果。
（2）本隧道形式采用本實用新型隧道結構形式不用改變施工工法，仍就可以使用盾構法，具有顯著性應用價值。
（3）本隧道形式可以根據不同地區的不同地質條件來選用以不同功能為主的填充材料，具有較高的靈活性。
參考文獻
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［2］黃娟,彭立敏,,施成華.隧道振動響應研究進展[J].中國鐵道科學,2009(30)2:60-65.
傳統的混凝土在200年來的發展中，經歷了幾次大的飛躍，但今天卻面臨著前所未有的嚴峻挑戰：首先，隨著現代科學技術和生產的發展，各種超長、超高、超大型混凝土構筑物，以及在嚴酷環境下使用的重大混凝土結構，如高層建筑、跨海大橋、海底隧道、海上采油平臺、核反應堆、有毒有害廢物處置工程等的建造需要在不斷增加。論文參考。這些混凝土工程施工難度大，使用環境惡劣、維修困難，因此要求混凝土不但施工性能要好，盡量在澆筑時不產生缺陷，更要耐久性好，使用壽命長；其次，進入20世紀70年代以來，不少工業發達國家正面臨一些鋼筋混凝土結構，特別是早年修建的橋梁等基礎設施老化問題，需要投入巨資進行維修或更新；最后，混凝土作為用量最大的人造材料，不能不考慮它的使用對生態環境的影響。傳統混凝土的原材料都來自天然資源。每用1t水泥，大概需要0．6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子；每生產1 t硅酸鹽水泥約需1．5 t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應的原因之一。盡管與鋼材、鋁材、塑料等其它建筑材料相比，生產混凝土所消耗的能源和造成的污染相對較小或小得多，混凝土本身也是一種潔凈材料，但由于它的用量龐大，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴重影響環境和天然景觀。所以未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強度都意味著節約資源。“高性能混凝土”正是在這種背景下產生的。
高性能混凝土作為一種新的建筑材料，其耐久性為普通混凝土耐久性的兩倍以上，可增加混凝土結構安全使用壽命，減少造成修補或拆除的浪費和建筑垃圾；可大量利用工業副產品和廢棄物，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對環境的污染；收縮徐變小，適合建造高效預應力結構；高性能混凝土適用于高層、大跨、大體積、大跨橋梁、海底隧道、高速公路及嚴酷環境中使用的結構物，如核反應堆、海上結構和處于有腐蝕性介質環境的結構等的建筑和修補。其他用于特殊用途的智能高性能混凝土更有著其獨特的、其他混凝土難以替代的優勢。正因為高性能混凝土具有以上諸多優越性能，自從產生以來，便大放異彩，世界各國對其研究和應用勢頭的發展十分迅猛。具體如下：
1.高性能混凝土在國外的研究應用現狀
1986～1993，法國由政府組織包括政府研究機構、高等院校、建筑公司等23個單位開展了“混凝土新方法”的研究項目，進行高性能混凝土的研究，并建立了示范工程。1996年，法國公共工程部、教育與研究部又組織了為期4年的國家研究項目“高性能混凝土2000”，投入研究經費550萬美元。論文參考。法國修建的3座高性能混凝土的斜拉橋一佩爾蒂大橋以及最近建設的埃洛恩河大橋和諾曼底大橋也都使用了高性能混凝土。論文參考。
1994年，美國聯邦政府16個機構聯合提出了一個在基礎設施工程建設中應用高性能混凝土的建議，并決定在10年內投資2億美元進行研究和開發 各大州政府也致力于高性能混凝土的推廣和應用。在紐約州已建成了100多座具有高性能混凝土橋面的橋梁。在華盛頓州，公路部門正在制定高性能混凝土梁的標準。
目前德國現行的混凝土結構設計規范已達C110級，強度等級為當今世界之最。挪威皇家科技研究院的科學與工程研究基金持續資助高強混凝土和高性能混凝土的研究。丹麥的大貝爾特工程是一座大型的隧道與橋梁連接結構，規定的設計使用壽命為100年。國外的這些抗議應用高性能混凝土的歷程，對我們很有啟發的參考價值。
2.高性能混凝土在國內的研究應用狀況
1992年，吳中偉首次將高性能混凝土介紹到國內。近年來，我國高性能混凝土的研究、應用發展較快。我國是生產和使用混凝土的大國，混凝土的質量在不斷地提高，涉足高性能混凝土的研究和應用還是近10年的事。隨著高性能混凝土的優越性不斷地得到認可，混凝土應用技術的進步，城市建設速度的加快，高性能混凝土獲得了迅速發展。
高性能混凝土在實際工程中獲得了越來越廣泛的應用，尤其是在高層建筑、大跨度橋梁、海上采油平臺、礦井工程、海港碼頭等工程中的應用日益增多。
全國很多研究單位已經研制出普通泵送高性能混凝土、大摻量粉煤灰高性能混凝土、高流態自密實高性能混凝土、纖維增加高性能混凝土、輕骨料高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工與海工高性能混凝土、高拋纖維高性能混凝土等等，研制出C30-C80的各種強度等級的高性能混凝土和完備的混凝土耐久性檢測設備，以及掌握了配套的施工成套技術和各種混凝土耐久性檢測技術等。其中具有優異耐久性的C30高性能混凝土即將在地質條件復雜的深圳地鐵工程中大規模使用。
3.高性能混凝土的發展趨勢
高性能混凝土的發展，不過十幾年的時間，習慣了普通混凝土的人們對它的認識還不夠，阻礙了高性能混凝土廣泛應用。高強高性能混凝土已基本被接受，而中低強度高性能混凝土還沒得到工程人員的普遍認可，這就為中低強調高性能混凝土的普及帶來很大障礙。同時，人們應該認識到“優質工程必須要高性能”的。
在綠色環保日益深入人心的今天，混凝土能否長期作為最主要的工程結構材料，關鍵在于能否成為綠色建筑材料，于是高性能混凝土便將承擔歷史的責任。高性能混凝土能更多的節約水泥熟料，更有效地減少環境污染，同時也能大量降低料耗與能耗；能更多的摻加以工業廢渣為主的細摻料，節代熟料，改善環境，減少二次污染；能更大地發揮高性能混凝土的優勢，盡量減少水泥與混凝土的用量，達到節省資源、能源與改善環境的目的。
參考文獻
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[4]胡曉波.新型建筑材料講義.長沙鐵道學院.
關鍵詞：天津地鐵一號線地鐵工程風險分析
Abstract:
The subway construction risk analysis, is the need of the development of the subway construction should be there. For tianjin metro speaking, risk analysis is more important. Tianjin nearly twenty years there are such a large-scale underground engineering construction, the construction technology and experience in the national level is relatively backward; And because the geological condition, the influence of various factors, to the subway construction causes a lot of difficulties. This paper first to influence the tianjin metro engineering construction of major factors are analyzed, and the causes of the formation of risk analysis and the harm caused, prevent and solve the method; Then this paper to tianjin metro construction scheme in the overall evaluation.
Keywords: tianjin metro subway engineering risk analysis
中圖分類號：TU74文獻標識碼：A文章編號：
天津地鐵一號線施工風險分析
天津市是我國四大直轄市之一，是華北地區海路交通樞紐和首都的門戶。根據天津市政府最近制訂的“三步走”戰略發展目標，將要把天津建成中國北方重要的經濟中心和國際化港口大都市。經濟的發展必然帶動城市建設的發展，作為現代化城市的硬件之一――快速軌道交通設施，將成為未來幾年中天津城市交通建設的重點。已于2001年開工建設的天津地鐵一號線工程是規劃中的六條快速軌道交通線之一，計劃2005年竣工。對于天津地鐵一號線工程在施工中可能遇到的和應該考慮的風險進行分析，將在選擇合適的施工方案避免和應對施工風險方面發揮重要的作用。
第一節 施工中可能誘發的環境災害引起的風險分析
在施工中，由于施工方法不當、準備工作倉猝而造成的事故或對沿線建筑物、地下管線的破壞，也會給地鐵工程帶來很大的風險。本章就從兩方面分析其中的危害和防范措施。
一、施工過程中易發生的各種事故的影響及應對措施
在地鐵施工中出現事故對工程的影響是很大的，因為如果由于施工方法不當或施工質量不合格，而造成基坑倒塌、透水、火災等事故，不但會使工期延長，還可能造成資金損失，使實際所需投資超過預算，給整個工程帶來風險。以下舉例說明事故的危害。
1994年9月1日上午7時許，某地某大廈靠某馬路一側約40m長基坑圍護結構支撐破壞，地下連續墻突然倒塌，該馬路路面下陷，面積約500m2，下陷最深處達6～7m。路面下的地下管線，包括電力電纜、電車電纜、煤氣管道、自來水管道、雨水管道等遭受嚴重損壞，煤氣大量外溢，大面積停氣、停電和停水；交通中斷，幸未造成人員傷亡。當時，公安分局調派350余名干警維持秩序，消防局出動百余名消防戰士用大口徑槍稀釋外溢煤氣。這是據傳媒（1994年9月l日《新民晚報》報道的）一起特大基坑事故。
據事后有關部門調查獲悉，該基坑圍護結構破壞前已有種種跡象，如：基坑局部超挖，且一挖到底，地面下沉速率達到15cm／d，坑內有涌土現象，表明墻背后有流土正向坑底流動，鋼支撐發出吱吱聲等等，但是未引起有關人員重視。最終導致事故的發生。
為防止事態發展，當時工地采取了靠該馬路邊灌注水泥漿、在坑內回填黃砂萬噸、加固支撐和立柱、盡快澆注未被破壞部位的底板混凝土等應急措施。
以上實例說明基坑支護結構倒塌帶來的危害，屬于施工工藝造成的事故。
二、施工過程中對沿線建筑物、道路和地下管線的影響及應對措施
采取盾構法或鉆爆法進行隧道施工，連續墻護壁明挖法施工車站，打樁或鉆孔灌注樁施工等，都將不同程度的引起地面沉降、深層土體的擠壓擾動，導致地面建筑物和地下構筑物開裂破壞、甚至倒塌。有些施工方法還產生大量的粉塵、泥漿、渣土，嚴重污染環境。打樁、爆破法引起震動、噪聲、煙霧等公害，嚴重影響城市居民正常的工作和生活。在廣州地鐵的施工過程中，由日本青木株氏會社承擔施工的一區間隧道，曾引起局部地面沉陷20cm，遭到業主的罰款。
1、 市區地鐵車站的施工
地下連續墻、樁排墻施工時產生泥漿、噪聲、振動；井點降水造成地下水位變化及地下水徑流和紊流的混亂、水質的變化，引起土層的沉降、密實度、孔隙水壓力變化；甚至導致支撐的失穩，連續墻的倒塌，大面積土體的滑移、塌陷；車站深大基坑開挖，引起近旁道路的地下管線開裂。
2、地鐵區間隧道的施工
軟土盾構法進（出）工作井、轉彎（糾偏）、穿越大樓樁群、淺覆土易引起流砂等不良地質現象，鉆爆法施工山嶺隧道引起振動、煙塵、渣土，斷層和強烈破碎帶引起冒頂坍落；淺埋暗挖法化學注漿時易引起土性的變化。
地鐵區間隧道和車站的施工均會對其周圍土層產生擾動，從而引起一定的地層損壞，位于影響區內的建筑物和地下管線必將受到不同程度的不利影響，甚至影響使用安全。其主要影響為：淺地表以下土層豎向和水平向的位移與變形以及地面沉降。地表移動和變形對地面與地下建筑物的影響亦不近相同，在建筑物和地下管線中產生大小不等的附加應力與變形，嚴重時將導致建筑物和管線的破壞。
通過分析施工時可能對建筑物造成損害的主要因素，包括兩方面。一是建筑物自身因素，即建筑物自身結構形式及損壞程度對外部破壞作用具有不同的要求。二是外部因素，包括：（1）隧道開挖及支護方案不當，致使地表發生沉降或隆起變形。（2）豎井開挖不當，會在一定程度上造成地下巖層發生側向移動。（3）爆破震動的破壞作用。（4）公紀區間地下水含量豐富，地下水流失會造成建筑物的損壞。
因此，在施工中，制定了一系列的施工保護方案，來控制地表沉降、巖體側向位移、爆破震動對建筑物的影響、對地表建筑物的擾動以及對地下水的處理。
對于地表沉降的控制，在施工中遵循“重勘測、防治水、預加固、強支護、分部挖、短進尺、弱爆破、少擾動、快封閉、勤量測、速反饋、控沉陷”的原則。根據不同地質、斷面尺寸等實際情況，選擇不同的施工方法及輔助工法，以滿足對地表沉降的控制要求。三線大跨度隧道，采用雙側壁導坑分步開挖，先墻后拱法施工，拱部采用注漿大管棚超前支護；喇叭口、雙線隧道分別采用中隔壁（CD或CRD）法及雙側壁導坑法施工，注漿小導管超前支護；單線隧道采取短臺階法施工，全風化砂巖及土層人工開挖，人工開挖不了的圍巖，采用微差松動爆破人工找面，同時，初期支護緊跟開挖，及早封閉成環，確保圍巖穩定，有效控制地表沉降。同時，為確保地表沉降控制在規定范圍內，以保證地表建筑物的安全，還需對圍巖變形進行模擬計算。計算采用彈塑性非線性有限元法進行（計算過程略），并采用ANSYSV5.5版有限元分析軟件對計算結果進行分析，最大位移滿足要求。
對于巖體側向位移的控制，通過采用合理的支護結構和確定合理的豎井開挖順序以控制位移。1＃、2＃豎井采用格柵鋼架噴錨支護，3＃豎井采用人工挖孔咬合樁圍護結構，鋼筋混凝土內支撐。此兩種結構均為整體結構，可有效的防止建筑物地基巖體發生側向位移而破壞建筑物的地基結構，并可在一定程度上起到防止地下水過度流失的作用。在確定豎井開挖順序上，以2＃豎井為例，將豎井分成三個作業區，首先平行開挖兩側井區，而后開挖中間井區，開挖落差控制在1.5m~2.0m。每一作業層首先挖取豎井核心土，進尺為1.0m，邊墻預留1.0m~1.5m。待核心土挖取完成后，邊墻巖體進行跳躍式開挖，開挖長度以格柵鋼架長度為準，井壁支護完成后再開挖相臨邊墻巖體，在每層井壁支護及中隔墻施工完成后，再進行下一循環的施工。
對隧道及地下工程引起環境危害的保護方法分為：積極保護法和工程保護法。積極保護法是在施工之前，根據不同的環境做好施工方案的比較，使得施工對周圍環境的干擾最??；工程保護法是在施工過程中，根據對地面沉降和土層擾動的預測，采取不同的方法。盾構和沉管施工應盡量避開建筑群，以免刀盤切割建筑物的鋼筋混凝土樁體；地下管線在土體中，隨著施工擾動而變形。建筑物的工程保護方法有：地基拖換、主體加固、隔水墻、保護墻、土壤加固等，以減少建筑物的沉降。對地下公用設施管線的保護主要有：跟蹤注漿地基加固或開挖暴露并懸吊保護等方法。
第二節 對天津地鐵一號線施工方案的整體評價
天津地鐵一號線公程是天津市的重點工程，由市政府投資興建，鐵道第三勘測設計院設計。施工方案是經過反復論證和在大量實地調查的基礎上制訂，方案充分考慮了各種風險因素，提出多種施工方案進行比較，最后根據實際情況和現有機具與技術力量確定施工方法，并準備了充分的防范應對措施。但也存在一些問題，如很多車站和區間隧道的施工方法選擇明挖法，這在交通繁忙的天津市區必然會造成交通阻塞和市民出行不便，大量的土方施工會帶來很多的塵土，加上天津多風的氣候特點，結果是引起大氣質量的下降給市民身體造成危害。再有由于天津多年來沒有修建地鐵，建筑單位缺乏這方面的經驗，可以借鑒的資料也不多。這樣在應對各種風險時就會增加難度。所以，在既有施工方案的基礎上，還應考慮到種種可能發生的風險，并做好相應的準備工作。
結 束 語
隨著我國經濟的發展，人口數量的增長，城市地面空間正在縮小，交通擁擠的問題越來越突出。城市地下交通資源亟待開發，地鐵以其快速、環保、安全的優點，正在成為現代化城市優先發展的交通工具。但由于地鐵工程在施工中受多種條件影響，存在很多的風險因素。所以對這些風險進行分析就顯得十分重要，所謂“知己知彼，百戰百勝”。
我們現在所分析的各種風險，有的是因為自然條件的影響，也有很多是由于現在的施工技術還不成熟，施工機具還不夠先進，施工人員素質不高而導致得人為因素影響。隨著技術水平的提高和新技術、新機械的發明，地鐵施工中的各種風險必將被一一克服。
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那時知道臺糖火車的車廂比臺鐵的小,鐵軌也較窄。聽人說臺糖火車叫做“五分車”,不明白是什么意思。1970年到臺北讀大學,那時以坐平快車為主,知道臺灣的縱貫鐵路是日據時期修造的,聽人家說這叫做“七分車”,也不明白是什么意思。后來看電影《東方快車謀殺案》,看到洋人的火車竟然有包廂,廂外有通道,覺得洋火車比臺灣的火車寬敞。1979年到巴黎第一次坐有包廂的火車,感覺臺灣的火車還真窄。1992~1993年在美國,更確定臺灣的軌寬有點奇怪。
很慚愧,我一直沒去弄清楚五分車、七分車、歐洲車、美國鐵軌的寬度有什么差別,為什么會采用這么不同的規格。這件事拖到2001年初,我讀到Douglas Puffert(2000)的論文后,才把整個事情弄清楚。
復雜的軌寬
1995年夏,我在慕尼黑大學三個月,在經濟史研討會上認識Puffert,是個溫文儒雅的年輕學者,他在斯坦福大學的博士論文(1991),就是以北美鐵軌的寬度為主題,在主要的經濟史期刊上發表好幾篇論文。我從維基百科(Wikipedia)查“軌距”,得到許多具體的數字。
國際上通用的標準軌是143.5厘米,現在歐洲大部分國家都使用標準軌,例外的國家有:愛爾蘭與北愛爾蘭(160厘米)、西班牙(167.4厘米,正在改為標準軌)、葡萄牙(166.5厘米),阿根廷與智利的軌距是167.6厘米,俄羅斯及鄰近國家,以及蒙古、芬蘭都是152厘米。
日本的軌距是106.7厘米,日據時期修筑的臺灣軌寬也是106.7厘米,這是國際標準軌(143.5厘米)的74%,稱為“七分車”。臺灣的糖業鐵路和阿里山的森林鐵路,是76.2厘米的窄軌,是143.5厘米的53%,簡稱“五分車”。日本在1960年代修建新干線(高速鐵路)時,采用143.5厘米的國際寬軌,提高行駛的穩定性。臺灣高鐵、臺北和高雄的捷運,都采用143.5厘米的標準軌。清朝末年中國的鐵道,由英國和比利時承建,采用143.5厘米標準軌。
有人說,1937年制定的國際標準軌143.5厘米是英國提出的,這個說法不夠準確,待會兒會詳細解釋。最讓人感興趣的是,為什么143.5厘米的軌寬,會在諸多規格的激烈競爭下脫穎而出?
1835~1890年間,北美(美國與加拿大)至少有9種軌道:91.4厘米、106.7厘米、143.5厘米、144.8厘米、147.3厘米、152.4厘米、162.6厘米、167.6厘米、182.9厘米。
為什么會這么復雜?
原因很多,大致有三種。其一是各地區修筑鐵路時,鐵路工程師的技術來源與傳承不一,有些采用英國體系,有些則不是。其二是故意不兼容,阻擋其它地區的農工業產品進入。其三是各地區的地形地勢不一,對軌道的需求自然不同。
為什么后來會統一使用145.3厘米,1937年之后這個尺度成為國際標準軌寬呢?這就是本文的要點:說不出合乎邏輯的道理,這是政治與經濟交互角力后,一步步發展的結果,這正是典型的path dependence問題(依發展途徑而異、受到隨機性的因素干擾)。市場機能、競爭、效率、最適合這類的觀念,在這個議題上無法發揮功能,因而稱為“市場失靈”。
143.5厘米的起源與變遷
美國最早的鐵道,是承襲英國的142.2厘米規格,這是18世紀末,在英國礦區發展的原初型鐵路,在紐卡斯爾地區最通行。
有位叫史蒂文生的工程師,在斯托克頓和達靈頓之間建造了一條運煤鐵道。1826~1830年間,他被任命在利物浦(Liverpool)和曼徹斯特(Manchester)之間建造鐵路(L&M),特點是用蒸汽機來推動火車頭。這是第一條靠蒸汽機推動的鐵路,也是第一條完全依靠運載乘客與貨運的鐵路,更是第一條與礦冶完全無關的鐵路,在鐵道史上有顯著的開創地位。不知什么原因,史蒂文生把鐵軌加寬了1.3厘米,成為143.5厘米,這就是日后國際標準軌的規格。
1826年,史蒂文生在競爭L&M鐵路時,他的對手刻意提出167.6厘米的寬軌(加大24.1厘米),但沒被采用。史蒂文生的兒子羅伯特,后來在國會的委員會上說:143.5厘米軌寬也不是他父親訂的,而是從家鄉地區的系統“承襲”來的。斯邁爾斯是史蒂文生的朋友與早期傳記的作者,他說143.5厘米的軌寬,“沒有任何科學理論上的依據,純粹是因為已經有人在用了?！?/p>
美國早期的鐵路建造者,參觀L&M與其他地區的鐵道,認為L&M的規格較適合,就把整套工程技術搬回美國。另有一批工程師,1829年參觀英國鐵路,回國后在巴爾的摩(Baltimore)與俄亥俄(Ohio)之間筑了另一條鐵路(B&O),將軌寬改為143.5厘米,目的是要和L&M鐵路的火車“接軌”。
但有幾批工程師卻另有盤算,有些認為152.4厘米較易使用,有些人用144.8厘米,有人堅持147.3厘米也不錯。簡言之,在最復雜的時候,美國鐵路有過9種軌寬并存。
現在回過頭來看鐵道的發源國英國,他們在建筑Great Western Railways(GWR)時,把軌寬擴大為213.4厘米,幾條較短的路線,用其它規格。有些美國工程師,看到鐵路老大改為寬軌,為了迎頭超越,就把紐約與愛力(Erie)之間的鐵路,建為182.9厘米,希望能達到三個目的:最高速、最舒適、最低成本。
但事與愿違,有些人認為167.6厘米就夠了。幾經實驗,19世紀中葉的美國鐵道工程師,在考慮火車頭的拉牽力之后,覺得還是以152.4～167.6厘米之間較合適。加拿大的鐵路學者也有同感,而這正是英國當時采用的軌寬。
1860年之后,又有人感覺寬軌太耗動能,對蒸汽機的負擔過重,認為還是老規格較合適。在地勢變化較大的地區,其實106.7厘米更合用,因為較容易轉彎。在多山的地區,若用91.4厘米寬的鐵軌,就不必挖太寬的隧道,可以省下不少成本:91.4厘米的鐵路成本,比143.5厘米的建造費用便宜三分之一(枕木、石塊、人工、管理都較省)。
建造鐵路時,美國政府只負責土地與公共事務,對具體的投資、興建、技術規范都不插手。如果你是第一位在某個區域的鐵道投資者,只要考慮自己喜歡哪種軌寬;第二位投資者,或許也可以自由選擇軌寬;但第三位投資者,就必須考慮接軌問題,沒有多大選擇空間。在這種機制下,美國的鐵道系統就出現一項特質:地區性的軌寬整合度很高,但全國性的相似度很低。
簡言之,美國的軌寬是由民間工程師決定,而這又受到他們之前的經驗影響:或是向英國某個地區學來的,或是依所購買的火車頭帶動力,來決定軌寬。為什么143.5厘米最后會成為主流?因為采用者最多,滾雪球效應最大。
偶然與必然
換個角度來問:政府為何不出面協調呢?
其實很簡單,南北戰爭之前,有誰能預期日后會建造出全國性的鐵路網呢?那時投資鐵路的人,只想運載貨物和非乘客的人員,從河運搶些生意做,占據某個地區的地盤。他們甚至不想和其它區域的鐵路接軌,基本的心態是互不侵擾地盤。加拿大也不希望美國的火車駛入,鐵道的規格因而形成割據。現在美加兩國的鐵路、電話號碼、電壓、影印紙規格都已統一化,那是很后來的事了。
其實加拿大的國會,很早就知道軌寬標準化的重要性。美國國會把橫跨大陸的軌寬選擇權,授給林肯總統,他決定采用152.4厘米。但是中西部的鐵道業者不愿接受,就和東部的同行結盟,游說國會采用最老式的英國軌寬143.5厘米。
某些較貧困的地區,資本不夠,希望采用窄軌,就在1872年另組一個“國家窄軌聯盟”:之后全國各地的窄軌,95%采用91.4厘米的規格。在這種“地區性整合度高、全國性相似度低”的結構下,美國的鐵道系統,怎么可能在20年內(1866~1886年),就完成規格統一呢?143.5厘米的規格獲勝,是因為它有特殊的優越性嗎?
其實在1860年代時,誰也不知道143.5厘米會成為日后的國際標準,當時存在9種規格,工程師并無明顯的偏好。為何會有統一化的認知呢?主要是各地區的經濟發展后,運輸量大幅增加,東西兩岸的產品與人員相互運送,無法透過較受地域性限制的水運。當時東西橫向的鐵路,大都采用143.5厘米,產生大者恒大的雪球效應,市場占有率愈來愈高。各地區的鐵路公司,在利益的考慮下愈來愈合作:發展跨區的鐵道系統,共同管理相互協助,這是推動鐵道標準化的重要因素。
大家會問:把原來不是143.5厘米的軌寬,不論是拉寬或縮窄,轉換的成本不是很高昂嗎?是的,費用看起來是不小,但相對于鐵道的總價值,百分比并不高。主要的花費是整修路基,尤其是在擴寬軌道時,如果只是把軌道稍微拉寬或縮小,這屬于“移軌”的問題,成本并不高。較貴的部份,是更換為143.5厘米的車廂和火車頭(機頭)。
1871年時,把俄亥俄和密西西比鐵路,從182.9厘米縮為143.5厘米的平均成本,是每英里1066美金,再加上價值5060美金的新車頭。到了1885~1886年間,這些成本更低了:更改南方軌道與設備的成本,每英里約只需150美金。把窄軌拉寬的成本,每英里約7500美金。對那些和143.5厘米較接近的軌道,就建造可以調整輪子寬度的車體,來相互通車。一旦整合的意愿明確化,確知每英里的更改成本,占鐵道總價值的百分比不高后,20年內很快地就整合完成了。143.5厘米成為美加的標準規格,1937年成為國際標準,沿用到今日。
美國軌寬的故事告訴我們:市場的需求,是規格統一化的重要推手。1880年代統一的143.5厘米,以今日的車頭牽動能力而言,并不是最具能源效率的規格;但這已是國際標準,改動不了了。143.5厘米能一統天下,并不在于規格上的優越性,而是歷史的偶然造成,并不是最有效率、最具優勢的東西,就能存活得最好。這種path dependence的現象,在度量衡上最常見。聽說1英尺的定義,就是某位國王鼻尖和手指之間的距離。
鏈接:
馬屁股距離決定軌寬
經濟學中有個名詞稱為“路徑依賴”,它類似于物理學中的“慣性”,一旦選擇進入某一路徑(無論是好的、還是壞的),就可能對這種路徑產生依賴。這個美國鐵軌的故事,也許有助于我們理解這一概念,并且加深對其后果的印象。
美國鐵路兩條鐵軌之間的標準距離,是4.85英尺。這是一個很奇怪的標準,究竟從何而來的?原來這是英國的鐵路標準,因為美國的鐵路,最早是由英國人設計建造的。
那么,為什么英國人用這個標準呢?原來英國的鐵路,是由建電車軌道的人設計的,而這個4.85英尺,正是電車所用的標準。
電車軌標準又是從哪里來的呢?原來最先造電車的人,以前是造馬車的。而他們是用馬車的輪寬做標準。
好了,那么,馬車為什么要用這個輪距標準呢?因為那時候的馬車,如果用任何其它輪距的話,馬車的輪子很快就會在英國的老路上撞壞。為什么?因為這些路上的轍跡寬度,為4.85英尺。這些轍跡又是從何而來呢?答案是古羅馬人定的,4.85英尺正是羅馬戰車的寬度。如果任何人用不同的輪寬,在這些路上行車的話,輪子的壽命都不會長。
我們再問:羅馬人為什么用4.85英尺,作為戰車的輪距寬度呢?原因很簡單,這是兩匹拉戰車的馬的屁股寬度。故事到此應該完結了,但事實上還沒有完。
地鐵工程施工測量的施測環境和條件復雜，要求的施測精度又相當高，必須精心施測和進行成果整理，工程測量成果必須符合相關規范的要求。論文參考網。
地鐵工程測量的測量特點
（1）車站包括主體結構、出入口和風道。采用明挖及蓋挖順作法施工方法，施工工藝復雜，工序轉換快，地下施測條件差，測量工作量大。
（2）地面導線控制網和高程控制網由地面傳遞到地下，必須保證精度，且要布設形成檢測條件并經常復測控制點。
（3）對于車站主體結構，凈寬尺寸在建筑限界之外，還應考慮如下的加寬量：50mm綜合施工誤差＋H/150鉆孔灌注樁施工誤差及水平位移。論文參考網。
（4）區間暗挖先通過豎井，再通過橫通道分別進入左、右線隧道，并且曲線半徑較小，造成了后視距離短、轉角多，給正洞內導線延伸帶來一定難度。
平面控制測量
根據地鐵工程特點，利用建設管理方提供的測量控制點，在場區內按精密導線網布設。
精密導線技術精度要求：導線全長3～5km，平均邊長為350m，測角中誤差≤±2.5″，最弱點的點位中誤差≤±15mm，相鄰點的相對點位中誤差≤±8mm，方位角閉合差≤±5（n為導線的角度個數）,導線全長相對閉合差≤1/35000；導線點位可充分利用城市已埋設的永久標志，或按城市導線標志埋設。位于車站地區的導線點必須選在基坑開挖影響范圍之外，穩定可靠，而且應能與附近的GPS點通視。
車站平面控制測量
利用測設好的平面控制網，以車站的兩個軸線方向為基線方向，直接把軸線控制點測設于車站基坑邊，經檢查復核無誤后，設立護樁，利用軸線控制點通過全站儀把車站軸線直接投測到基坑內，并對車站結構進一步進行施工放線。若受場地影響，為保證測量精度，也可按以下分步方法進行測設。
區間暗挖隧道平面控制測量
施工豎井平面尺寸較小，井深多在20米左右，擬采用豎井聯系三角形測量,即通過豎井懸掛兩根鋼絲，由近井點測定與鋼絲的距離和角度，從而算得鋼絲的坐標以及它們的方位角，然后在井下認為鋼絲的坐標和方位角已知，通過測量和計算便可得出地下導線的坐標和方位角，這樣就把地上和地下聯系起來了。
施工放樣測量
施工中的測量控制采用極坐標法進行施測。為了加強放樣點的檢核條件，可用另外兩個已知導線點作起算數據，用同樣方法來檢測放樣點正確與否，或利用全站儀的坐標實測功能，用另兩個已知導線點來實測放樣點的坐標，放樣點理論坐標與檢測后的實測坐標X、Y值相差均在±3mm以內，可用這些放樣點指導隧道施工。也可用放線兩個點，用尺子量測兩點的距離進行復核，距離相差在±2mm以內，可用這些點指導隧道施工。
暗挖區間隧道施工放樣主要是控制線路設計中線、里程、高程和同步線。隧道開挖時，在隧道中線上安置激光指向儀，調節后的激光代表線路中線或隧道中線的切線或弦線的方向及線路縱斷面的坡度。每個洞的上部開挖可用激光指向儀控制標高，下部開挖采用放起拱線標高來控制。施工期間要經常檢測激光指向儀的中線和坡度，采用往返或變動兩次儀器高法進行水準測量。在隧道初支過程中，架設鋼格柵時要嚴格的控制中線、垂直度和同步線，其中格柵中線和同步線的測量允許誤差為±20mm，格柵垂直度允許誤差為3°。
高程控制測量
（1）車站高程控制測量
對于車站施工時的高程測量控制，利用復核或增設的水準基點，按精密水準測量要求把高程引測到基坑內，并在基坑內設置水準基點，且不能少于兩個，通過基坑內和地面上的水準基點對車站施工進行高程測量控制。
（2）區間隧道高程控制測量
區間隧道高程測量控制，通過豎井采用長鋼卷尺導入法把高程傳遞至井下，向地下傳遞高程的次數，與坐標傳遞同步進行。論文參考網。先作趨近水準測量，再作豎井高程傳遞。
地下控制網平差和中線調整
隧道貫通后，地下導線則由支導線經與另一端基線邊聯測變成了附合導線，支線水準也變成了附合水準，當閉合差不超過限差規定時，進行平差計算。
按導線點平差后的坐標值調整線路中線點，改點后再進行中線點的檢測，直線夾角不符值≤±6″，曲線上折角互差≤±7″，高程亦要使用平差后的成果。
隧道貫通后導線平差的新成果將作為凈空測量、調整中線、測設鋪軌基標及進行變形監測的起始數據。
參考文獻：《城市測量規范》CJJ8
《地下鐵道、輕軌交通工程測量規范》GB50308
《工程測量規范》GB50026
《工程測量》 邵自修 冶金工業出版社 1997
《工程測量》 揚松林 中國鐵道出版社 2002
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.219
1 無砟軌道的產生與發展
由于有砟軌道所采用的道砟在列車荷載作用下磨損、搓動，會引起結構較大的變形，因而結構的耐久性較差，維修工作量大，維護費用大。此外道床上的道砟飛濺，同時也增加了運行安全隱患。故而，無砟軌道應育而生。由于其采用混凝土、瀝青混合料等整體基礎取代散粒碎石道床的軌道結構，因而可以有效避免上述有砟軌道的所存在的問題。我國無砟軌道的相關研究幾乎與國際同時起步。上世紀末正式進入高速發展階段。通過，借鑒國外先進經驗和技術，同時結合中國自身政治、經濟、文化及地理特點，先后研發了一系列無砟軌道結構，其中CRTS系類實際應用最為廣泛。
2 板式無砟軌道與雙塊式的區別
CRTS系列無砟軌道主要分為板式和雙塊式來大類，可以從預制和現場施工兩方面來區別：
雙塊式無砟軌道在預制廠內預制的是雙塊式軌枕，其特點是：軌枕通過鋼筋桁架將混凝土塊連接在一起?，F場利用軌排或螺桿調節器等作為輔助工具將雙塊式軌枕調整到符合要求的平面位置，最后澆筑混凝土將軌枕連成整體即完成雙塊式軌枕的施工。
板式無砟軌道在預制廠內預制的是軌道板，其特點是：軌道板內布滿了多種規格鋼筋，一般相當于十根軌枕已經通過混凝土連接到了一起?，F場利用精調設備將軌道板調整到符合要求的平面位置，最后向軌道板下方灌注CA砂漿即完成板式無砟軌道的施工。
3 CRTS系列無砟軌道結構特點與優缺點對比
3.1 板式
CRTS系列板式無砟軌道主要有三種，分別稱為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。
Ⅰ型板節省建筑材料，自重小且易控制造價較低，且施工簡單，此外其軌道板底部的彈性橡膠墊層可以提供很好的減震效果。
Ⅱ型板添加了軌道板之間通過縱向精軋螺紋鋼筋連接，使得板端不易變形，行車舒適度得到了提高，此外軌道板由數控機床打磨以確保幾何尺寸符合要求，對應位置只能安設對應軌道板，精度得到了提高。
Ⅲ型板在設計之初就考慮了寒冷地區的氣候特點，此外在施工中采用了自密實混凝土代替砂漿起支撐和調整的作用，能夠部分程度消除施工誤差。此外通過門型鋼筋使自密實混凝土層與軌道相板連接成為整體通過門型鋼筋使自密實混凝土層與軌道相板連接成為整體，增強了結構的整體性，而且設置了上下隔離層，有利于特殊情況下的養護維修。
3.2 雙塊式
適用性高，經濟效益好，施工和管理難度大，但是工人工作效率低。因而也存在一定的局限性。
參考文獻：
[1]史青翠.CRTS I 型單元雙塊式軌道結構研究[D].西南交通大學碩士論文，2011（05）.
