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A024 武汉大学学报理学版
主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：中南大学;中国铁道学会
出版周期：双月刊
出版地址：湖南省长沙市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1672-7029
国内刊号：43-1423/U
邮发代号：42-59
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：1979
期刊收录：
CA 化学文摘(美)(2009)
中国科学引文数据库(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)
期刊荣誉：
Caj-cd规范获奖期刊
中图分类号： U442.5文献标志码： APier Linear Stiffness Optimization of LargeSpan
大跨高墩长联简支梁桥是铁路无缝线路建设中常用的型式，特别是山区铁路.但跨度超过48 m的简支梁桥墩顶纵向水平线刚度优化设计的研究很少，相关规范中没有规定[1]，且大跨高墩简支梁桥墩台也没有标准图可依.
设计人员设计桥墩时，需不断调整墩身尺寸反复试算，以满足桥上无缝线路要求，不仅设计工作量大，而且人工调整的桥墩线刚度取值不合理，桥墩之间线刚度不协调，导致桥墩设计尺寸偏于保守，桥梁投资不经济.
本文通过建立参数化结构分析模型和优化模型，采用ANSYS提供的零阶优化方法[23]对跨度64 m的高墩长联简支梁桥上无缝线路桥墩线刚度[45]进行了优化，为跨度64 m的简支梁桥墩顶纵向水平线刚度限值提供了参考.1结构参数化模型的建立1.1力学模型桥上无缝线路[6]是一个复杂的结构体系，轨道、主梁、桥墩、基础以及桥梁两侧路基之间相互影响[711]，借鉴桥上无缝线路现有力学模型[1214]，按照钢轨、主梁、桥墩尺寸建立了图1所示的力学模型.
西南交通大学学报第48卷第2期乔建东等：无缝线路大跨简支梁桥桥墩线刚度优化钢轨与主梁上翼缘之间采用线弹簧模拟道碴层，弹簧刚度系数为常数；主梁、桥墩及基础刚度按实际截面选取.为了准确反映钢轨与主梁的协调变形，用刚臂将主梁上翼缘与主梁中性轴、主梁中性轴与支座连接，通过释放约束模拟固定支座和活动支座；采用ANSYS参数化建模，以优化墩顶纵向水平线刚度.
该模型有以下特点：
（1） 采用道床连接弹簧能够模拟道床的竖向阻力和纵向阻力；
（2） 将主梁上、下翼缘与主梁中性轴作刚臂处理，且将实际桥墩及基础纳入力学模型，能够充分模拟钢轨、主梁、桥墩和基础的协调作用机制；
（3） 采用参数化建模，有利于优化设计.1.2桥上无缝线路工程实例以一座拟建客货共线无缝线路单线有碴简支梁桥（图2）为研究对象，桥跨布置为9×64 m预应力混凝土简支箱梁，梁高5 m，墩（从左至右依次为1#～8#墩）高分别为29、41、44、44、47、47、51和43 m；道碴层厚0.65 m，桥上无缝线路结构型式与路基一致，线路道床阻力为常数.
主要设计参数：
（1） 设计荷载：中活载；
（2） 制动力参数：取竖向静活载的10%；
（3） 桥台线刚度：1 500 kN/cm[1]；
（4） 线路纵向阻力：计算伸缩力时，纵向阻力取70 N/cm.计算挠曲力时，若轨面无荷载，纵向阻力取70 N/cm；若轨面有荷载，机车下纵向阻力取110 N/cm，车辆下纵向阻力取70 N/cm[1]；
（5） 有碴轨道混凝土梁温度差：15 ℃[1]；
（6） 设计采用60型钢轨.
根据确定的上述主要设计参数，建立该桥梁的有限元模型.模型中，主梁、桥墩采用Beam188梁单元模拟；钢轨采用Beam4梁单元模拟；钢轨与主梁之间的道碴层以及基础采用Combin14弹簧单元模拟；固定支座和活动支座通过释放梁端约束实现.
验算项目优化前优化后变化率/%规范限值钢轨最大附加拉应力/MPa工况123.325.28.5181工况227.537.235.2781钢轨最大附加压应力/MPa工况153.757.67.2661工况230.133.912.6261墩身混凝土最大压应力/MPa1.974.20113.2016.1墩身混凝土最大拉应力/MPa0.650.707.691.52梁轨快速相对位移/mm2.53.436.004墩顶纵向位移/mm11.013.018.1840墩身混凝土总体积/m314 98912 08919.35—
结果都留有一定的安全储备.因此，本文的优化程序具有较强的通用性.4结语桥墩纵向水平线刚度是桥上无缝线路设计的关键技术参数，桥上无缝线路纵向附加力、梁轨快速相对位移在很大程度上取决于桥墩纵向水平线刚度.为保证轨道结构的安全适用性，应对桥梁墩顶纵向水平线刚度进行限定.
通过APDL参数化语言对ANSYS进行二次开发，建立参数化结构分析模型和优化模型，利用ANSYS提供的零阶优化方法对跨度64 m的高墩长联简支梁桥墩顶纵向水平线刚度进行了优化研究.
优化后桥墩混凝土总用量节约了19.35%，优化效果显著.通过实例计算与分析，建议跨度64 m的高墩长联简支梁桥墩顶纵向水平线刚度限值控制在750 kN/cm以上.此外，采用优化技术，使大跨长联简支梁桥各桥墩的设计自动化，纵向刚度相互协调，提高了设计效率和设计质量.
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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
中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：
一：暗挖法定义
暗挖法，是指在软弱围岩地层中，以改造地质条件为前提，以控制地表沉降为重点，以格栅和锚喷砼作为初期支护手段，遵循“新奥法”理论，按照“十八字”方针（管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测）进行隧道的设计和施工。暗挖的优点：结构形式灵活多变，对地面建筑、道路和地下管线影响不大，拆迁占地少，扰民少，污染城市环境少等。缺点：施工速度慢，喷射混凝土粉尘多，劳动强度大，机械化程度不高，以及高水位地层结构防水比较困难等。
二：地铁矿山法隧道所处的环境
通过对多个矿山暗挖法隧道的调查研究，对不同文地质条件，周边环境下的注浆措施进行分析对比研究结论：在城市地铁中的矿山暗挖法隧道，需根据工程的周边环境，隧道埋置深度，工程及水文地质条件，隧道断面尺寸，结合隧道施工的基本工法，选择合理的注浆参数，对地层及围岩进行必要的加固和止水，减少对周边环境的影响至关重要。
不少地铁隧道，由于埋深浅，处于第四系各种土层，砂层或岩石全，强风化的软弱围岩中，一般地下水位较高，地下水丰富；因此,在矿山法隧道设计和施工中选择合理的辅助施工措施，围岩进行加固和止水，保证隧道的施工安全和减少对周边环境的影响。
三：在矿山暗挖法中排水放在非常重要的地位
但近些年来由于部分建设工作者对地下工程防水存在模糊认识，致使地下工程渗漏水越来越严重。为了规范地下隧道工程防水做法，除建议严格执行国家有关规范外，特提出以下方案。
1、地下防水工程选材条件
1.1地下工程防水的目的
a、防止水对地下维护结构的侵蚀，保证地下建筑物使用年限。
b、防止水对地下建筑空间的侵蚀，保证地下建筑物使用安全。
c、防止渗漏造成地下水土失衡，影响相邻建筑物使用安全。
1.2关于防水层在地下建筑物构造层次中的地位
“混凝土的裂缝是不可避免的”，是对混凝土特性的科学评价。因此，《地下工程防水技术规范》中规定混凝土允许裂缝宽度为0.2mm，这也是合乎情理的。但允许有0.2mm裂缝的混凝土仍称作“结构自防水”是没有道理的。因为从物理概念上说，水分子的直径约0.3×10-6，可以穿过任何肉眼可见的裂缝。肉眼可见的裂缝范围一般以0.005mm为界。那么0.2mm的裂缝肯定要漏水的，被允许有0.2mm裂缝的混凝土，又如何称得上“结构自防水”呢？所以，防水层在地下建筑物主体结构以外的构造层次中，其作用之重要是第一位的，而不能被视为“附加防水层”。
1.3须考虑防水材料与地下建筑物使用同步
由于地下工程是埋于地下的建筑物，将来防水层失效需要翻修的可能性几乎没有。因此，地下工程防水层材料选择尽可能采用能与建筑物设计使用期同步的材料。因为，合成树脂片材在不受大气、臭氧、紫外线、侵蚀的情况下老化非常缓慢。日本、美国等工业发达国家常采用诸如：EVA、PE、PVC防水卷材做复合衬砌防水层。目前已经有35年不失效记录。
一般地下隧道工程设计使用年限为70年，故隧道工程绝大多数采用合成树脂片材（包括均质或复合片材）做全外包防水层。
2.采用合成树脂片材的缺陷和改用埋贴式高分子防水卷材的优势。
2.1采用合成树脂片材做隧道全外包防水的缺陷
合成树脂片材（如HDPE、EVA、PVC）具有耐久、（几十年不降解）防腐，强度高（不易被戳穿），延伸大等优点。但由于采用合成树脂片材做防水层与二次衬砌间不发生任何形式的粘着，它们之间是松铺的，因此，很容易因某个局部破损或不密实而造成窜水、漏水，甚至导致整个工程防水失效。
2.2 改用埋贴式高分子防水卷材做隧道防水层的优势。
埋贴式高分子防水卷材，是在合成树脂片材上涂盖不小于0.5mm厚的自粘胶层而制造的高分子自粘防水卷材。其特点是高分子卷材表面的自粘层与混凝土有很强的粘着力。施工时，先将卷材铺在隧道支护层上，采用捆绑固定法将卷材固定，卷材搭接部位的高分子片材间热焊，使高分子片材形成一个整体。二次衬砌施工前，将卷材表面隔离层揭除，在自粘胶粘结面表面涂敷一层水溶胶，当二次衬砌模注完成，达到设计强度并干燥后，便可达到标准要求（卷材与混凝土粘结强度）的粘结强度。
四：高分子防水卷材施工
常用的埋贴式高分子防水卷材为高分子复合片材两面覆有自粘胶层（即双面卷材）。在应用时，一面与基面粘结，另一面与结构粘结。埋贴式高分子防水卷材应用于明挖法地下室工程，底板垫层和侧墙保护墙是比较平整的，采用外防内贴法；如需采用外防外贴时，可选用单面粘埋贴式高分子防水卷材。
埋贴式高分子防水卷材应用于暗挖法（或矿山法）工程，防水基面是凹凸不平的，施工时是在基面固定自粘片（每块为150㎜×150㎜，每平方米不少于3块均布），然后将卷材整体托起，就位，在一边用25宽镀锌压条固定，再将粘结块压紧压实。卷材主体搭接时可采用垫焊法（卷材可留有搭接边）；也可以采用全粘法（卷材不留垫焊搭接边）。
五：埋贴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，埋贴式高分子防水卷材为双面粘，当施工车托盘将卷材展开托起后，对准基准线就位，然后固定。卷材表面隔离膜（纸）在主体结构浇筑前揭除。底板垫层部位的卷材自粘层表面喷有水溶胶粉，以防粘结。埋贴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，埋贴式高分子防水卷材可以是双面自粘，也可是单面自粘。基面基本干燥的明挖法工程可采用双面自粘埋贴式高分子防水卷材；基面潮湿（无明水）的明挖法工程可采用单面埋贴式高分子防水卷材。
六：结语
随着国民经济的发展，路、铁路隧道工程也越来越多。隧道工程不可避免地要经过含水量较高的地层，以必将受到地下水的有害作用。果没有可靠的防水、堵漏措施，水就会侵人隧道，响其内部结构与附属管线，至危害到隧道的运营和降低隧道使用寿命。所以隧道工程的防排水已经成了隧道施工的关键工序。对长大隧道和穿过富水地层的隧道,防排水显得尤为重要。
[1] 铁道第二勘察设计院.铁路工程设计技术手册#隧道。订版.北京:中国铁道出版社,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.
中图分类号：K826.16文献标识码：A 文章编号：
l 引言
世界第一条地下铁道诞生在1 8 6 3 年的英国伦敦，距现在已有1 30 多年，在这130里，世界地铁交通有了飞速发展。我国从1 9 6 5 年7 月在北京开始修建第一条地铁至今，天津、上海、广州地铁陆续建成，大大缓解了城市交通紧张状况。北京、上海和广州新的地铁线路目前也正在加紧施工，伴随我国国民经济状况的好转，全国20 多个城市酝酿的地铁建设会在不久的将来成为现实。作为地铁施工中不可缺少的地铁测量工作也将会有进一步的发展。
2 地下铁道测量的特点、内容和精度要求
地下铁道是城市公共交通的一种形式，是一项系统工程，它包括地下、地面、高架三种方式的轨道工程体系，在城区它埋设在地下，在郊区它是地面或高架构筑物。
2.1 地下铁道测量特点
(l) 地下铁道工程浩大、投资大、工期长，一个城市地铁建设要根据近期、远期客流量先作总体规划，分期建设。测量工作不仅要考虑全局，也要顾及局部，既要沿每条线路独立布设控制网，又要在线路交叉处有一定数量控制点重合，以保证各相关线路准确衔接。
地铁工程有严格限界规定，为降低工程成本，施工误差裕量已很小，设计采用三维坐标解析法，所以对施工测量精度有较高的要求。
(3) 测量内容多，与地面既有建筑结合紧密。各测量体和线路联接密切，地上、地下测量工作要保证万无一失，除了要进行施工放样，贯通测量以外，还要进行变形监测等项工作。
(4) 测量内容多，与地面既有建筑结合紧密。各测量体和线路联接密切，地上、隧道及车站内的控制点数量多、使用频繁，应做好标志，加强维护，为地铁不同阶段施工及后期测量工作提供基础点位及资料。
(5) 地铁位于城市，沿线高楼林立、车水马龙、能见度差、隧道埋深浅，地表沉降变形等都会给地铁施工测量工作带来很大困难。
2.2 地下铁道测量工作
地下铁道测量包括规划设计、施工设计、施工、竣工和运营阶段全部测绘工作。地下铁道测量工作除了提供各种比例尺地形图与地形数字资料满足规划、设计需要外，还要按设计要求标定地铁线路位置、指导施工、保证所有建、构筑物位置正确并不侵入限界，以及在施工和运营期间对线路、建筑结构、周围环境的稳定状况进行变形监测等[1]。
地下铁道测量的主要工作如下：
(l) 地面、地下平面控制测量和高程控制测量；
(2) 地铁线路带状地形测量和管线调查；
(3) 地铁线路地面定线测量；
(4) 地铁车辆段测量；
(5) 地面、地下联系测量；
(6) 隧道和高架线路施工测量；
(7) 铺轨测量；
(8) 设备安装测量；
(9) 竣工测量；
环境、线路、结构变形测量。
2.3 地下铁道测量的精度及其依据
地下铁道测量的必要精度，这是一个需要研究讨论的题目，北京地下铁道一、二期施工拟定了明挖方法施工测量的精度指标，现在第三期暗挖法施工测量精指标如下：
地面GPS控制网的点位和相对点位误差≤±10mm。
沿地下铁道线路布设的地面精密导线网的点位和相对点位误差≤±8mm。
从精密导线点将坐标传递到竖井旁的近井点的点位误差≤±10mm。
④ 从地面近井点通过竖井向地下隧道内传递坐标的误差≤±5mm。
⑤ 从地下竖井底通过横通道将坐标传递到线路正线隧道内的坐标测量误差≤±5mm。
⑥ 地下隧道内的控制导线最远点的点位误差≤±15mm。（一般为500mm的地下控制支导线)。
⑦ 地面地下高程控制测量精度限差8/L(L为公里数)。
⑧ 从地面向地下隧道内传递高程的误差为≤±3mm。
在建立地面控制网估算精度和贯通测量的精度估算时，还要留些裕量，那么各项测量精度还要适当的提高。
3 地面平面控制网测量
地铁平面控制网分首级GPS控制网和二级精密导线控制网。在满足规范前提下，平面控制网点还应布设合理、灵活，满足工程实际需要。在工程实施阶段，应按原测精度对控制网进行定期全面复测和不定期局部复测，确保网形结构的连续、稳固和使用。因此，点位的选埋和维护是地面测量工作的难点和重点。
3. 1 GPS控制网应收集的基础资料
测区中央子午线、坐标系转换参数、椭球参数、起算点已知坐标、测区高程异常值、测区的平均高程。这些基础数据为保密资料，应严格按照保密协议交接、签收和使用。
3. 2 精密导线网
精密导线点应尽量沿地铁线路布设成直伸形状，形成挂在GPS点上的附合导线、多边形闭合导线或结点网。选点和观测是控制精密导线质量的两个重要因素，工作的重点是精密导线的选点和观测，难点是选点工作。根据地铁线路附近GPS网点位的分布通视情况，车站、竖井的设计位置，经过现场踏勘后可以初步在线路平面图上绘制精密导线网形，根据规范和测区环境条件详细制定出外业测角、测边以及高程联测作业方法等。
3. 3 平面控制网布设形式探讨
近年来，由于设计技术发展、施工工法进步，测量设备更新，根据具体情况布设的平面控制网形式不一，部分指标突破规范要求。如用GPS网一次布设完成平面控制、个别地段加密精密导线点与主网一起施作完成的布网形式，代替地面平面控制网分两级布设； 盾构法施工的广泛应用，区间竖井较少，由此布设的地面精密导线网平均边长远大于350m的规范要求。这些情况结合了工程实际，使用方便，同样满足施工要求[2]。
3. 4 新线建设与已有线路结合部位控制点较差处理
在地铁设计线路的交汇处，新建的地面控制网必须与原网进行联测，会出现同一个点在不同时期的控制网下有不同的坐标，处理坐标较差方法为：高等级起算控制点位尽量选择一致，以减少系统误差。当较差较小时，既有线采用原坐标，新线采用新坐标而对施工加密点、隧道洞内控制点进行强制平差；当较差较大时(不能大于50mm 的规范规定) ，实测交叉部位处既有线路在新线控制网下的中线坐标提交设计进行解决，使设计和施工在一坐标系统下，从而解决控制点较差问题。
4 地下铁道工程测量展望
伴随工程测量技术的变革和进步，地下铁道测量工作也在不断地创新和发展。G PS 定位技术、数字化测图技术、物探方法进行地下管线探测技术、激光准直和扫平仪、全站仪与计算机组合测量和数据处理系统、施工变形测量监控量测自动化系统等新技术都在地下铁道测量中得到应用。随着各学科间的相互渗透和影响，为工程测量提供了新的技术和方法，今后随着国民经济状况的好转，随着城市地铁交通事业的发展，地铁建设的地下铁道工程测量技术也将会从理论到实践，有进一步完善发展，新技术将得到更广泛的应用。
【摘 要】本实用新型的地铁隧道结构形式，包括隧道承压部分、填充材料部分和外部保护层，这种隧道结构通过在隧道管壁之间进行填充新型材料，可以延续使用目前的盾构法，只需改变管片的形式，按照新的结构生产管片，继而以管片的形式进行拼装，不用改变施工工法。新型隧道同时可以根据不同地区的不同地质条件和周边环境要求选择减振为主、减噪为主或防漏水为主的材料，通过中间的材料吸收列车经过时产生的震动与噪音，从而达到减振减噪的效果。
关键词 新型隧道结构；减振减噪；填充材料
0 引言
自地铁开始运行以来,地铁对周边环境的振动影响已经引起人们的关注。①由于机车运行产生的振动通过钢轨、道床结构源源不断的传递到地面建筑物，造成地面建筑物振动，危及建筑物自身安全；一辆列车通过后能够造成地面建筑物振动10s左右，而每小时通过的列车高达30对，因此建筑物振动时间占地铁运营时间的15%左右，长时间的振动严重影响到人们生活、工作及休息；②列车形式产生的振动被多辆列车不断放大后，使隧道内整体道床负荷增加，在振动加速度的作用下，将大部分作用力传递给钢轨扣件，极易使扣件断裂，造成行车安全；产生的振动在传递到隧道结构的同时也在源源不断的传递到车辆本身，影响机车使用寿命，振动也给乘客带来不舒适。因此对于大部分运营里程都在地下的铁路来说，研究地铁振动规律及其控制方法就具有非常重要的意义。
据调查研究显示，铁道部劳动卫生所通过对我国几个典型城市的铁路环境振动的现场实测，考察了铁路沿线居民区受列车运行引起的环境振动污染现状,测试结果表明,离轨道中心线30m之内的振级大部分接近80dB。这超出了《城市区域环境振动标准》(GB 10070-88)规定的城市“混合区”昼间75dB及夜间72dB的要求。这样高的振级将极大地影响地铁沿线居民的日常生活及身心健康。[1]1977年, Rucker对柏林地铁双线区间隧道列车振动进行过试验研究,1979年Dawn和Stan worth研究了铁路运行所产生的地面振动,1982年英国伦敦运输科学顾问室进行了地铁区间隧道振动试验。瑞士联邦铁路和国际铁路联盟(UIC)实验研究所(ORE)从改善线路结构的角度提出了降低地铁列车振动对附近地下及地面结构振动影响的途径。[2]美国G.P.Wills on等提出了通过改善道床结构形式(采用浮置板道床)和改革车辆转向架构造以减少轮轨接触力的方法,降低地铁车辆引起的噪声和振动的建议。[3]因此分析地铁产生振动的原因、研究振动机理、提出减振措施显得十分重要。
本文研究的一种新型的地铁隧道结构形式，这种隧道结构通过在隧道管壁之间进行填充新型材料，选择减振为主、减噪为主或防漏水为主的材料，通过中间的填充材料吸收列车经过时产生的震动与噪音，从而达到减振减噪的效果。
1 创新原理
目前，地铁振动带来的危害不容小觑，解决方案主要分为主动减振和被动减振两种，主动减振主要是通过科技发展，减少制作误差，定期保养维修线路，但这些只能降低振动能量，而不能避免振动，被动减震地铁施工中主要运用的减振方法是采用减振道床，其中包括：一般减振整体道床、橡胶减振垫浮置板整体道床、钢弹簧浮置板道床。地铁的减振措施主要集中在通过道床和扣件来进行，能起到一定的减振效果，但不能达到大范围的减振和减噪作用。因为目前的六种主要隧道结构形式（半衬砌结构，厚拱薄墙衬砌结构，直墙拱形衬砌结构，曲墙衬砌结构，复合衬砌结构，连拱隧道结构）主要都只从受力的角度考虑，没有把受力和减振减噪结合起来考虑的。并且城市土地资源紧缺，由于震动缘故，在两条隧道之间或者隧道与建筑之间需要一定的安全距离，加大了土地用量。居民区旁的隧道还会因为噪音问题给居民带来不便。
本文研究了一种新型的地铁隧道结构形式，其包括隧道承压部分、填充材料部分和外部保护层，这种隧道结构可以延续使用目前的盾构法，只需改变管片的形式，按照新的结构生产管片，继而以管片的形式进行拼装，不用改变施工工法。此新型隧道在原隧道结构上进行改进，使隧道结构在承受各种外力的基础上，能够通过中间的材料吸收列车经过时产生的振动与噪音，从而达到减振减噪的效果。同时，在填充材料的选择上有多种形式，可以根据不同地区的不同地质条件和周边环境要求选择减振为主、减噪为主或防漏水为主的材料，来达到不同的目的。
2 工作原理
本文所研究的新型隧道结构采用的技术方案如下：
在原隧道管片基础上，多加一层填充材料和保护层，可以按照原来管片形式分为3块标准块、2块邻接块、和1块封顶块，也称K块，用原来的施工工法（盾构法）进行隧道开挖和管片的拼装。同时中间填充材料的选择上有多种形式，新型隧道结构的承重部分主要起承受列车重量、隧道管壁自重、各种设备重量及列车经过时的各种力；中间的填充部分可以按不同的功能要求起到减震、降噪、防水等作用；最外面的保护层起保护填充材料和承受周围水土压力的作用。三部分的结合可以使隧道在起承压作用的同时，还可以起到减震、降噪、防水等辅助作用。
3 结束语
在当今地下空间、地下隧道发展技术日新月异的时代，地铁轨道的减振问题已是一种不可避免且不可回避的问题，地铁减振已成为各国地铁建设的主要研究课题。目前我国主要解决的方法是在道床结构与基础结构之间填充具有一定刚度和弹性的物质，如橡胶、弹簧等，各种减振材料的研发。[4]本论文从隧道结构的方面出发，致力于通过隧道自身来降低隧道的振动。本文采取了一种全新的减振形势，超脱于现有的改变轨道形式或扣件形式的技术，从隧道结构的角度出发来达到减振的目的，与现有技术相比，本新型隧道结构具有如下有益效果：
（1）本隧道形式通过隧道管壁来起到减振降噪的作用，而不仅仅是依靠扣减或者道床，会有更加明显的效果。
（2）本隧道形式采用本实用新型隧道结构形式不用改变施工工法，仍就可以使用盾构法，具有显著性应用价值。
（3）本隧道形式可以根据不同地区的不同地质条件来选用以不同功能为主的填充材料，具有较高的灵活性。
参考文献
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传统的混凝土在200年来的发展中，经历了几次大的飞跃，但今天却面临着前所未有的严峻挑战：首先，随着现代科学技术和生产的发展，各种超长、超高、超大型混凝土构筑物，以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构，如高层建筑、跨海大桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有害废物处置工程等的建造需要在不断增加。论文参考。这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不产生缺陷，更要耐久性好，使用寿命长；其次，进入20世纪70年代以来，不少工业发达国家正面临一些钢筋混凝土结构，特别是早年修建的桥梁等基础设施老化问题，需要投入巨资进行维修或更新；最后，混凝土作为用量最大的人造材料，不能不考虑它的使用对生态环境的影响。传统混凝土的原材料都来自天然资源。每用1t水泥，大概需要0．6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石子；每生产1 t硅酸盐水泥约需1．5 t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2，而大气中CO2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。尽管与钢材、铝材、塑料等其它建筑材料相比，生产混凝土所消耗的能源和造成的污染相对较小或小得多，混凝土本身也是一种洁净材料，但由于它的用量庞大，过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。所以未来的混凝土必须是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高强度都意味着节约资源。“高性能混凝土”正是在这种背景下产生的。
高性能混凝土作为一种新的建筑材料，其耐久性为普通混凝土耐久性的两倍以上，可增加混凝土结构安全使用寿命，减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾；可大量利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染；收缩徐变小，适合建造高效预应力结构；高性能混凝土适用于高层、大跨、大体积、大跨桥梁、海底隧道、高速公路及严酷环境中使用的结构物，如核反应堆、海上结构和处于有腐蚀性介质环境的结构等的建筑和修补。其他用于特殊用途的智能高性能混凝土更有着其独特的、其他混凝土难以替代的优势。正因为高性能混凝土具有以上诸多优越性能，自从产生以来，便大放异彩，世界各国对其研究和应用势头的发展十分迅猛。具体如下：
1.高性能混凝土在国外的研究应用现状
1986～1993，法国由政府组织包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等23个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建立了示范工程。1996年，法国公共工程部、教育与研究部又组织了为期4年的国家研究项目“高性能混凝土2000”，投入研究经费550万美元。论文参考。法国修建的3座高性能混凝土的斜拉桥一佩尔蒂大桥以及最近建设的埃洛恩河大桥和诺曼底大桥也都使用了高性能混凝土。论文参考。
1994年，美国联邦政府16个机构联合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在10年内投资2亿美元进行研究和开发 各大州政府也致力于高性能混凝土的推广和应用。在纽约州已建成了100多座具有高性能混凝土桥面的桥梁。在华盛顿州，公路部门正在制定高性能混凝土梁的标准。
目前德国现行的混凝土结构设计规范已达C110级，强度等级为当今世界之最。挪威皇家科技研究院的科学与工程研究基金持续资助高强混凝土和高性能混凝土的研究。丹麦的大贝尔特工程是一座大型的隧道与桥梁连接结构，规定的设计使用寿命为100年。国外的这些抗议应用高性能混凝土的历程，对我们很有启发的参考价值。
2.高性能混凝土在国内的研究应用状况
1992年，吴中伟首次将高性能混凝土介绍到国内。近年来，我国高性能混凝土的研究、应用发展较快。我国是生产和使用混凝土的大国，混凝土的质量在不断地提高，涉足高性能混凝土的研究和应用还是近10年的事。随着高性能混凝土的优越性不断地得到认可，混凝土应用技术的进步，城市建设速度的加快，高性能混凝土获得了迅速发展。
高性能混凝土在实际工程中获得了越来越广泛的应用，尤其是在高层建筑、大跨度桥梁、海上采油平台、矿井工程、海港码头等工程中的应用日益增多。
全国很多研究单位已经研制出普通泵送高性能混凝土、大掺量粉煤灰高性能混凝土、高流态自密实高性能混凝土、纤维增加高性能混凝土、轻骨料高性能混凝土、水下不分散高性能混凝土港工与海工高性能混凝土、高抛纤维高性能混凝土等等，研制出C30-C80的各种强度等级的高性能混凝土和完备的混凝土耐久性检测设备，以及掌握了配套的施工成套技术和各种混凝土耐久性检测技术等。其中具有优异耐久性的C30高性能混凝土即将在地质条件复杂的深圳地铁工程中大规模使用。
3.高性能混凝土的发展趋势
高性能混凝土的发展，不过十几年的时间，习惯了普通混凝土的人们对它的认识还不够，阻碍了高性能混凝土广泛应用。高强高性能混凝土已基本被接受，而中低强度高性能混凝土还没得到工程人员的普遍认可，这就为中低强调高性能混凝土的普及带来很大障碍。同时，人们应该认识到“优质工程必须要高性能”的。
在绿色环保日益深入人心的今天，混凝土能否长期作为最主要的工程结构材料，关键在于能否成为绿色建筑材料，于是高性能混凝土便将承担历史的责任。高性能混凝土能更多的节约水泥熟料，更有效地减少环境污染，同时也能大量降低料耗与能耗；能更多的掺加以工业废渣为主的细掺料，节代熟料，改善环境，减少二次污染；能更大地发挥高性能混凝土的优势，尽量减少水泥与混凝土的用量，达到节省资源、能源与改善环境的目的。
参考文献
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[2]冯乃谦.高性能混凝土[M]，北京:中国建筑工业出版社.
[3]冯乃谦.高性能混凝土的发展与应用[J].施工技术，2003，32(4):1－6.
[4]胡晓波.新型建筑材料讲义.长沙铁道学院.
关键词：天津地铁一号线地铁工程风险分析
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
中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：
天津地铁一号线施工风险分析
天津市是我国四大直辖市之一，是华北地区海路交通枢纽和首都的门户。根据天津市政府最近制订的“三步走”战略发展目标，将要把天津建成中国北方重要的经济中心和国际化港口大都市。经济的发展必然带动城市建设的发展，作为现代化城市的硬件之一――快速轨道交通设施，将成为未来几年中天津城市交通建设的重点。已于2001年开工建设的天津地铁一号线工程是规划中的六条快速轨道交通线之一，计划2005年竣工。对于天津地铁一号线工程在施工中可能遇到的和应该考虑的风险进行分析，将在选择合适的施工方案避免和应对施工风险方面发挥重要的作用。
第一节 施工中可能诱发的环境灾害引起的风险分析
在施工中，由于施工方法不当、准备工作仓猝而造成的事故或对沿线建筑物、地下管线的破坏，也会给地铁工程带来很大的风险。本章就从两方面分析其中的危害和防范措施。
一、施工过程中易发生的各种事故的影响及应对措施
在地铁施工中出现事故对工程的影响是很大的，因为如果由于施工方法不当或施工质量不合格，而造成基坑倒塌、透水、火灾等事故，不但会使工期延长，还可能造成资金损失，使实际所需投资超过预算，给整个工程带来风险。以下举例说明事故的危害。
1994年9月1日上午7时许，某地某大厦靠某马路一侧约40m长基坑围护结构支撑破坏，地下连续墙突然倒塌，该马路路面下陷，面积约500m2，下陷最深处达6～7m。路面下的地下管线，包括电力电缆、电车电缆、煤气管道、自来水管道、雨水管道等遭受严重损坏，煤气大量外溢，大面积停气、停电和停水；交通中断，幸未造成人员伤亡。当时，公安分局调派350余名干警维持秩序，消防局出动百余名消防战士用大口径枪稀释外溢煤气。这是据传媒（1994年9月l日《新民晚报》报道的）一起特大基坑事故。
据事后有关部门调查获悉，该基坑围护结构破坏前已有种种迹象，如：基坑局部超挖，且一挖到底，地面下沉速率达到15cm／d，坑内有涌土现象，表明墙背后有流土正向坑底流动，钢支撑发出吱吱声等等，但是未引起有关人员重视。最终导致事故的发生。
为防止事态发展，当时工地采取了靠该马路边灌注水泥浆、在坑内回填黄砂万吨、加固支撑和立柱、尽快浇注未被破坏部位的底板混凝土等应急措施。
以上实例说明基坑支护结构倒塌带来的危害，属于施工工艺造成的事故。
二、施工过程中对沿线建筑物、道路和地下管线的影响及应对措施
采取盾构法或钻爆法进行隧道施工，连续墙护壁明挖法施工车站，打桩或钻孔灌注桩施工等，都将不同程度的引起地面沉降、深层土体的挤压扰动，导致地面建筑物和地下构筑物开裂破坏、甚至倒塌。有些施工方法还产生大量的粉尘、泥浆、渣土，严重污染环境。打桩、爆破法引起震动、噪声、烟雾等公害，严重影响城市居民正常的工作和生活。在广州地铁的施工过程中，由日本青木株氏会社承担施工的一区间隧道，曾引起局部地面沉陷20cm，遭到业主的罚款。
1、 市区地铁车站的施工
地下连续墙、桩排墙施工时产生泥浆、噪声、振动；井点降水造成地下水位变化及地下水径流和紊流的混乱、水质的变化，引起土层的沉降、密实度、孔隙水压力变化；甚至导致支撑的失稳，连续墙的倒塌，大面积土体的滑移、塌陷；车站深大基坑开挖，引起近旁道路的地下管线开裂。
2、地铁区间隧道的施工
软土盾构法进（出）工作井、转弯（纠偏）、穿越大楼桩群、浅覆土易引起流砂等不良地质现象，钻爆法施工山岭隧道引起振动、烟尘、渣土，断层和强烈破碎带引起冒顶坍落；浅埋暗挖法化学注浆时易引起土性的变化。
地铁区间隧道和车站的施工均会对其周围土层产生扰动，从而引起一定的地层损坏，位于影响区内的建筑物和地下管线必将受到不同程度的不利影响，甚至影响使用安全。其主要影响为：浅地表以下土层竖向和水平向的位移与变形以及地面沉降。地表移动和变形对地面与地下建筑物的影响亦不近相同，在建筑物和地下管线中产生大小不等的附加应力与变形，严重时将导致建筑物和管线的破坏。
通过分析施工时可能对建筑物造成损害的主要因素，包括两方面。一是建筑物自身因素，即建筑物自身结构形式及损坏程度对外部破坏作用具有不同的要求。二是外部因素，包括：（1）隧道开挖及支护方案不当，致使地表发生沉降或隆起变形。（2）竖井开挖不当，会在一定程度上造成地下岩层发生侧向移动。（3）爆破震动的破坏作用。（4）公纪区间地下水含量丰富，地下水流失会造成建筑物的损坏。
因此，在施工中，制定了一系列的施工保护方案，来控制地表沉降、岩体侧向位移、爆破震动对建筑物的影响、对地表建筑物的扰动以及对地下水的处理。
对于地表沉降的控制，在施工中遵循“重勘测、防治水、预加固、强支护、分部挖、短进尺、弱爆破、少扰动、快封闭、勤量测、速反馈、控沉陷”的原则。根据不同地质、断面尺寸等实际情况，选择不同的施工方法及辅助工法，以满足对地表沉降的控制要求。三线大跨度隧道，采用双侧壁导坑分步开挖，先墙后拱法施工，拱部采用注浆大管棚超前支护；喇叭口、双线隧道分别采用中隔壁（CD或CRD）法及双侧壁导坑法施工，注浆小导管超前支护；单线隧道采取短台阶法施工，全风化砂岩及土层人工开挖，人工开挖不了的围岩，采用微差松动爆破人工找面，同时，初期支护紧跟开挖，及早封闭成环，确保围岩稳定，有效控制地表沉降。同时，为确保地表沉降控制在规定范围内，以保证地表建筑物的安全，还需对围岩变形进行模拟计算。计算采用弹塑性非线性有限元法进行（计算过程略），并采用ANSYSV5.5版有限元分析软件对计算结果进行分析，最大位移满足要求。
对于岩体侧向位移的控制，通过采用合理的支护结构和确定合理的竖井开挖顺序以控制位移。1＃、2＃竖井采用格栅钢架喷锚支护，3＃竖井采用人工挖孔咬合桩围护结构，钢筋混凝土内支撑。此两种结构均为整体结构，可有效的防止建筑物地基岩体发生侧向位移而破坏建筑物的地基结构，并可在一定程度上起到防止地下水过度流失的作用。在确定竖井开挖顺序上，以2＃竖井为例，将竖井分成三个作业区，首先平行开挖两侧井区，而后开挖中间井区，开挖落差控制在1.5m~2.0m。每一作业层首先挖取竖井核心土，进尺为1.0m，边墙预留1.0m~1.5m。待核心土挖取完成后，边墙岩体进行跳跃式开挖，开挖长度以格栅钢架长度为准，井壁支护完成后再开挖相临边墙岩体，在每层井壁支护及中隔墙施工完成后，再进行下一循环的施工。
对隧道及地下工程引起环境危害的保护方法分为：积极保护法和工程保护法。积极保护法是在施工之前，根据不同的环境做好施工方案的比较，使得施工对周围环境的干扰最小；工程保护法是在施工过程中，根据对地面沉降和土层扰动的预测，采取不同的方法。盾构和沉管施工应尽量避开建筑群，以免刀盘切割建筑物的钢筋混凝土桩体；地下管线在土体中，随着施工扰动而变形。建筑物的工程保护方法有：地基拖换、主体加固、隔水墙、保护墙、土壤加固等，以减少建筑物的沉降。对地下公用设施管线的保护主要有：跟踪注浆地基加固或开挖暴露并悬吊保护等方法。
第二节 对天津地铁一号线施工方案的整体评价
天津地铁一号线公程是天津市的重点工程，由市政府投资兴建，铁道第三勘测设计院设计。施工方案是经过反复论证和在大量实地调查的基础上制订，方案充分考虑了各种风险因素，提出多种施工方案进行比较，最后根据实际情况和现有机具与技术力量确定施工方法，并准备了充分的防范应对措施。但也存在一些问题，如很多车站和区间隧道的施工方法选择明挖法，这在交通繁忙的天津市区必然会造成交通阻塞和市民出行不便，大量的土方施工会带来很多的尘土，加上天津多风的气候特点，结果是引起大气质量的下降给市民身体造成危害。再有由于天津多年来没有修建地铁，建筑单位缺乏这方面的经验，可以借鉴的资料也不多。这样在应对各种风险时就会增加难度。所以，在既有施工方案的基础上，还应考虑到种种可能发生的风险，并做好相应的准备工作。
结 束 语
随着我国经济的发展，人口数量的增长，城市地面空间正在缩小，交通拥挤的问题越来越突出。城市地下交通资源亟待开发，地铁以其快速、环保、安全的优点，正在成为现代化城市优先发展的交通工具。但由于地铁工程在施工中受多种条件影响，存在很多的风险因素。所以对这些风险进行分析就显得十分重要，所谓“知己知彼，百战百胜”。
我们现在所分析的各种风险，有的是因为自然条件的影响，也有很多是由于现在的施工技术还不成熟，施工机具还不够先进，施工人员素质不高而导致得人为因素影响。随着技术水平的提高和新技术、新机械的发明，地铁施工中的各种风险必将被一一克服。
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那时知道台糖火车的车厢比台铁的小,铁轨也较窄。听人说台糖火车叫做“五分车”,不明白是什么意思。1970年到台北读大学,那时以坐平快车为主,知道台湾的纵贯铁路是日据时期修造的,听人家说这叫做“七分车”,也不明白是什么意思。后来看电影《东方快车谋杀案》,看到洋人的火车竟然有包厢,厢外有通道,觉得洋火车比台湾的火车宽敞。1979年到巴黎第一次坐有包厢的火车,感觉台湾的火车还真窄。1992~1993年在美国,更确定台湾的轨宽有点奇怪。
很惭愧,我一直没去弄清楚五分车、七分车、欧洲车、美国铁轨的宽度有什么差别,为什么会采用这么不同的规格。这件事拖到2001年初,我读到Douglas Puffert(2000)的论文后,才把整个事情弄清楚。
复杂的轨宽
1995年夏,我在慕尼黑大学三个月,在经济史研讨会上认识Puffert,是个温文儒雅的年轻学者,他在斯坦福大学的博士论文(1991),就是以北美铁轨的宽度为主题,在主要的经济史期刊上发表好几篇论文。我从维基百科(Wikipedia)查“轨距”,得到许多具体的数字。
国际上通用的标准轨是143.5厘米,现在欧洲大部分国家都使用标准轨,例外的国家有:爱尔兰与北爱尔兰(160厘米)、西班牙(167.4厘米,正在改为标准轨)、葡萄牙(166.5厘米),阿根廷与智利的轨距是167.6厘米,俄罗斯及邻近国家,以及蒙古、芬兰都是152厘米。
日本的轨距是106.7厘米,日据时期修筑的台湾轨宽也是106.7厘米,这是国际标准轨(143.5厘米)的74%,称为“七分车”。台湾的糖业铁路和阿里山的森林铁路,是76.2厘米的窄轨,是143.5厘米的53%,简称“五分车”。日本在1960年代修建新干线(高速铁路)时,采用143.5厘米的国际宽轨,提高行驶的稳定性。台湾高铁、台北和高雄的捷运,都采用143.5厘米的标准轨。清朝末年中国的铁道,由英国和比利时承建,采用143.5厘米标准轨。
有人说,1937年制定的国际标准轨143.5厘米是英国提出的,这个说法不够准确,待会儿会详细解释。最让人感兴趣的是,为什么143.5厘米的轨宽,会在诸多规格的激烈竞争下脱颖而出?
1835~1890年间,北美(美国与加拿大)至少有9种轨道: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。
为什么会这么复杂?
原因很多,大致有三种。其一是各地区修筑铁路时,铁路工程师的技术来源与传承不一,有些采用英国体系,有些则不是。其二是故意不兼容,阻挡其它地区的农工业产品进入。其三是各地区的地形地势不一,对轨道的需求自然不同。
为什么后来会统一使用145.3厘米,1937年之后这个尺度成为国际标准轨宽呢?这就是本文的要点:说不出合乎逻辑的道理,这是政治与经济交互角力后,一步步发展的结果,这正是典型的path dependence问题(依发展途径而异、受到随机性的因素干扰)。市场机能、竞争、效率、最适合这类的观念,在这个议题上无法发挥功能,因而称为“市场失灵”。
143.5厘米的起源与变迁
美国最早的铁道,是承袭英国的142.2厘米规格,这是18世纪末,在英国矿区发展的原初型铁路,在纽卡斯尔地区最通行。
有位叫史蒂文生的工程师,在斯托克顿和达灵顿之间建造了一条运煤铁道。1826~1830年间,他被任命在利物浦(Liverpool)和曼彻斯特(Manchester)之间建造铁路(L&M),特点是用蒸汽机来推动火车头。这是第一条靠蒸汽机推动的铁路,也是第一条完全依靠运载乘客与货运的铁路,更是第一条与矿冶完全无关的铁路,在铁道史上有显著的开创地位。不知什么原因,史蒂文生把铁轨加宽了1.3厘米,成为143.5厘米,这就是日后国际标准轨的规格。
1826年,史蒂文生在竞争L&M铁路时,他的对手刻意提出167.6厘米的宽轨(加大24.1厘米),但没被采用。史蒂文生的儿子罗伯特,后来在国会的委员会上说:143.5厘米轨宽也不是他父亲订的,而是从家乡地区的系统“承袭”来的。斯迈尔斯是史蒂文生的朋友与早期传记的作者,他说143.5厘米的轨宽,“没有任何科学理论上的依据,纯粹是因为已经有人在用了。”
美国早期的铁路建造者,参观L&M与其他地区的铁道,认为L&M的规格较适合,就把整套工程技术搬回美国。另有一批工程师,1829年参观英国铁路,回国后在巴尔的摩(Baltimore)与俄亥俄(Ohio)之间筑了另一条铁路(B&O),将轨宽改为143.5厘米,目的是要和L&M铁路的火车“接轨”。
但有几批工程师却另有盘算,有些认为152.4厘米较易使用,有些人用144.8厘米,有人坚持147.3厘米也不错。简言之,在最复杂的时候,美国铁路有过9种轨宽并存。
现在回过头来看铁道的发源国英国,他们在建筑Great Western Railways(GWR)时,把轨宽扩大为213.4厘米,几条较短的路线,用其它规格。有些美国工程师,看到铁路老大改为宽轨,为了迎头超越,就把纽约与爱力(Erie)之间的铁路,建为182.9厘米,希望能达到三个目的:最高速、最舒适、最低成本。
但事与愿违,有些人认为167.6厘米就够了。几经实验,19世纪中叶的美国铁道工程师,在考虑火车头的拉牵力之后,觉得还是以152.4～167.6厘米之间较合适。加拿大的铁路学者也有同感,而这正是英国当时采用的轨宽。
1860年之后,又有人感觉宽轨太耗动能,对蒸汽机的负担过重,认为还是老规格较合适。在地势变化较大的地区,其实106.7厘米更合用,因为较容易转弯。在多山的地区,若用91.4厘米宽的铁轨,就不必挖太宽的隧道,可以省下不少成本:91.4厘米的铁路成本,比143.5厘米的建造费用便宜三分之一(枕木、石块、人工、管理都较省)。
建造铁路时,美国政府只负责土地与公共事务,对具体的投资、兴建、技术规范都不插手。如果你是第一位在某个区域的铁道投资者,只要考虑自己喜欢哪种轨宽;第二位投资者,或许也可以自由选择轨宽;但第三位投资者,就必须考虑接轨问题,没有多大选择空间。在这种机制下,美国的铁道系统就出现一项特质:地区性的轨宽整合度很高,但全国性的相似度很低。
简言之,美国的轨宽是由民间工程师决定,而这又受到他们之前的经验影响:或是向英国某个地区学来的,或是依所购买的火车头带动力,来决定轨宽。为什么143.5厘米最后会成为主流?因为采用者最多,滚雪球效应最大。
偶然与必然
换个角度来问:政府为何不出面协调呢?
其实很简单,南北战争之前,有谁能预期日后会建造出全国性的铁路网呢?那时投资铁路的人,只想运载货物和非乘客的人员,从河运抢些生意做,占据某个地区的地盘。他们甚至不想和其它区域的铁路接轨,基本的心态是互不侵扰地盘。加拿大也不希望美国的火车驶入,铁道的规格因而形成割据。现在美加两国的铁路、电话号码、电压、影印纸规格都已统一化,那是很后来的事了。
其实加拿大的国会,很早就知道轨宽标准化的重要性。美国国会把横跨大陆的轨宽选择权,授给林肯总统,他决定采用152.4厘米。但是中西部的铁道业者不愿接受,就和东部的同行结盟,游说国会采用最老式的英国轨宽143.5厘米。
某些较贫困的地区,资本不够,希望采用窄轨,就在1872年另组一个“国家窄轨联盟”:之后全国各地的窄轨,95%采用91.4厘米的规格。在这种“地区性整合度高、全国性相似度低”的结构下,美国的铁道系统,怎么可能在20年内(1866~1886年),就完成规格统一呢?143.5厘米的规格获胜,是因为它有特殊的优越性吗?
其实在1860年代时,谁也不知道143.5厘米会成为日后的国际标准,当时存在9种规格,工程师并无明显的偏好。为何会有统一化的认知呢?主要是各地区的经济发展后,运输量大幅增加,东西两岸的产品与人员相互运送,无法透过较受地域性限制的水运。当时东西横向的铁路,大都采用143.5厘米,产生大者恒大的雪球效应,市场占有率愈来愈高。各地区的铁路公司,在利益的考虑下愈来愈合作:发展跨区的铁道系统,共同管理相互协助,这是推动铁道标准化的重要因素。
大家会问:把原来不是143.5厘米的轨宽,不论是拉宽或缩窄,转换的成本不是很高昂吗?是的,费用看起来是不小,但相对于铁道的总价值,百分比并不高。主要的花费是整修路基,尤其是在扩宽轨道时,如果只是把轨道稍微拉宽或缩小,这属于“移轨”的问题,成本并不高。较贵的部份,是更换为143.5厘米的车厢和火车头(机头)。
1871年时,把俄亥俄和密西西比铁路,从182.9厘米缩为143.5厘米的平均成本,是每英里1066美金,再加上价值5060美金的新车头。到了1885~1886年间,这些成本更低了:更改南方轨道与设备的成本,每英里约只需150美金。把窄轨拉宽的成本,每英里约7500美金。对那些和143.5厘米较接近的轨道,就建造可以调整轮子宽度的车体,来相互通车。一旦整合的意愿明确化,确知每英里的更改成本,占铁道总价值的百分比不高后,20年内很快地就整合完成了。143.5厘米成为美加的标准规格,1937年成为国际标准,沿用到今日。
美国轨宽的故事告诉我们:市场的需求,是规格统一化的重要推手。1880年代统一的143.5厘米,以今日的车头牵动能力而言,并不是最具能源效率的规格;但这已是国际标准,改动不了了。143.5厘米能一统天下,并不在于规格上的优越性,而是历史的偶然造成,并不是最有效率、最具优势的东西,就能存活得最好。这种path dependence的现象,在度量衡上最常见。听说1英尺的定义,就是某位国王鼻尖和手指之间的距离。
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马屁股距离决定轨宽
经济学中有个名词称为“路径依赖”,它类似于物理学中的“惯性”,一旦选择进入某一路径(无论是好的、还是坏的),就可能对这种路径产生依赖。这个美国铁轨的故事,也许有助于我们理解这一概念,并且加深对其后果的印象。
美国铁路两条铁轨之间的标准距离,是4.85英尺。这是一个很奇怪的标准,究竟从何而来的?原来这是英国的铁路标准,因为美国的铁路,最早是由英国人设计建造的。
那么,为什么英国人用这个标准呢?原来英国的铁路,是由建电车轨道的人设计的,而这个4.85英尺,正是电车所用的标准。
电车轨标准又是从哪里来的呢?原来最先造电车的人,以前是造马车的。而他们是用马车的轮宽做标准。
好了,那么,马车为什么要用这个轮距标准呢?因为那时候的马车,如果用任何其它轮距的话,马车的轮子很快就会在英国的老路上撞坏。为什么?因为这些路上的辙迹宽度,为4.85英尺。这些辙迹又是从何而来呢?答案是古罗马人定的,4.85英尺正是罗马战车的宽度。如果任何人用不同的轮宽,在这些路上行车的话,轮子的寿命都不会长。
我们再问:罗马人为什么用4.85英尺,作为战车的轮距宽度呢?原因很简单,这是两匹拉战车的马的屁股宽度。故事到此应该完结了,但事实上还没有完。
地铁工程施工测量的施测环境和条件复杂，要求的施测精度又相当高，必须精心施测和进行成果整理，工程测量成果必须符合相关规范的要求。论文参考网。
地铁工程测量的测量特点
（1）车站包括主体结构、出入口和风道。采用明挖及盖挖顺作法施工方法，施工工艺复杂，工序转换快，地下施测条件差，测量工作量大。
（2）地面导线控制网和高程控制网由地面传递到地下，必须保证精度，且要布设形成检测条件并经常复测控制点。
（3）对于车站主体结构，净宽尺寸在建筑限界之外，还应考虑如下的加宽量：50mm综合施工误差＋H/150钻孔灌注桩施工误差及水平位移。论文参考网。
（4）区间暗挖先通过竖井，再通过横通道分别进入左、右线隧道，并且曲线半径较小，造成了后视距离短、转角多，给正洞内导线延伸带来一定难度。
平面控制测量
根据地铁工程特点，利用建设管理方提供的测量控制点，在场区内按精密导线网布设。
精密导线技术精度要求：导线全长3～5km，平均边长为350m，测角中误差≤±2.5″，最弱点的点位中误差≤±15mm，相邻点的相对点位中误差≤±8mm，方位角闭合差≤±5（n为导线的角度个数）,导线全长相对闭合差≤1/35000；导线点位可充分利用城市已埋设的永久标志，或按城市导线标志埋设。位于车站地区的导线点必须选在基坑开挖影响范围之外，稳定可靠，而且应能与附近的GPS点通视。
车站平面控制测量
利用测设好的平面控制网，以车站的两个轴线方向为基线方向，直接把轴线控制点测设于车站基坑边，经检查复核无误后，设立护桩，利用轴线控制点通过全站仪把车站轴线直接投测到基坑内，并对车站结构进一步进行施工放线。若受场地影响，为保证测量精度，也可按以下分步方法进行测设。
区间暗挖隧道平面控制测量
施工竖井平面尺寸较小，井深多在20米左右，拟采用竖井联系三角形测量,即通过竖井悬挂两根钢丝，由近井点测定与钢丝的距离和角度，从而算得钢丝的坐标以及它们的方位角，然后在井下认为钢丝的坐标和方位角已知，通过测量和计算便可得出地下导线的坐标和方位角，这样就把地上和地下联系起来了。
施工放样测量
施工中的测量控制采用极坐标法进行施测。为了加强放样点的检核条件，可用另外两个已知导线点作起算数据，用同样方法来检测放样点正确与否，或利用全站仪的坐标实测功能，用另两个已知导线点来实测放样点的坐标，放样点理论坐标与检测后的实测坐标X、Y值相差均在±3mm以内，可用这些放样点指导隧道施工。也可用放线两个点，用尺子量测两点的距离进行复核，距离相差在±2mm以内，可用这些点指导隧道施工。
暗挖区间隧道施工放样主要是控制线路设计中线、里程、高程和同步线。隧道开挖时，在隧道中线上安置激光指向仪，调节后的激光代表线路中线或隧道中线的切线或弦线的方向及线路纵断面的坡度。每个洞的上部开挖可用激光指向仪控制标高，下部开挖采用放起拱线标高来控制。施工期间要经常检测激光指向仪的中线和坡度，采用往返或变动两次仪器高法进行水准测量。在隧道初支过程中，架设钢格栅时要严格的控制中线、垂直度和同步线，其中格栅中线和同步线的测量允许误差为±20mm，格栅垂直度允许误差为3°。
高程控制测量
（1）车站高程控制测量
对于车站施工时的高程测量控制，利用复核或增设的水准基点，按精密水准测量要求把高程引测到基坑内，并在基坑内设置水准基点，且不能少于两个，通过基坑内和地面上的水准基点对车站施工进行高程测量控制。
（2）区间隧道高程控制测量
区间隧道高程测量控制，通过竖井采用长钢卷尺导入法把高程传递至井下，向地下传递高程的次数，与坐标传递同步进行。论文参考网。先作趋近水准测量，再作竖井高程传递。
地下控制网平差和中线调整
隧道贯通后，地下导线则由支导线经与另一端基线边联测变成了附合导线，支线水准也变成了附合水准，当闭合差不超过限差规定时，进行平差计算。
按导线点平差后的坐标值调整线路中线点，改点后再进行中线点的检测，直线夹角不符值≤±6″，曲线上折角互差≤±7″，高程亦要使用平差后的成果。
隧道贯通后导线平差的新成果将作为净空测量、调整中线、测设铺轨基标及进行变形监测的起始数据。
参考文献：《城市测量规范》CJJ8
《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》GB50308
《工程测量规范》GB50026
《工程测量》 邵自修 冶金工业出版社 1997
《工程测量》 扬松林 中国铁道出版社 2002
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.219
1 无砟轨道的产生与发展
由于有砟轨道所采用的道砟在列车荷载作用下磨损、搓动，会引起结构较大的变形，因而结构的耐久性较差，维修工作量大，维护费用大。此外道床上的道砟飞溅，同时也增加了运行安全隐患。故而，无砟轨道应育而生。由于其采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构，因而可以有效避免上述有砟轨道的所存在的问题。我国无砟轨道的相关研究几乎与国际同时起步。上世纪末正式进入高速发展阶段。通过，借鉴国外先进经验和技术，同时结合中国自身政治、经济、文化及地理特点，先后研发了一系列无砟轨道结构，其中CRTS系类实际应用最为广泛。
2 板式无砟轨道与双块式的区别
CRTS系列无砟轨道主要分为板式和双块式来大类，可以从预制和现场施工两方面来区别：
双块式无砟轨道在预制厂内预制的是双块式轨枕，其特点是：轨枕通过钢筋桁架将混凝土块连接在一起。现场利用轨排或螺杆调节器等作为辅助工具将双块式轨枕调整到符合要求的平面位置，最后浇筑混凝土将轨枕连成整体即完成双块式轨枕的施工。
板式无砟轨道在预制厂内预制的是轨道板，其特点是：轨道板内布满了多种规格钢筋，一般相当于十根轨枕已经通过混凝土连接到了一起。现场利用精调设备将轨道板调整到符合要求的平面位置，最后向轨道板下方灌注CA砂浆即完成板式无砟轨道的施工。
3 CRTS系列无砟轨道结构特点与优缺点对比
3.1 板式
CRTS系列板式无砟轨道主要有三种，分别称为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。
Ⅰ型板节省建筑材料，自重小且易控制造价较低，且施工简单，此外其轨道板底部的弹性橡胶垫层可以提供很好的减震效果。
Ⅱ型板添加了轨道板之间通过纵向精轧螺纹钢筋连接，使得板端不易变形，行车舒适度得到了提高，此外轨道板由数控机床打磨以确保几何尺寸符合要求，对应位置只能安设对应轨道板，精度得到了提高。
Ⅲ型板在设计之初就考虑了寒冷地区的气候特点，此外在施工中采用了自密实混凝土代替砂浆起支撑和调整的作用，能够部分程度消除施工误差。此外通过门型钢筋使自密实混凝土层与轨道相板连接成为整体通过门型钢筋使自密实混凝土层与轨道相板连接成为整体，增强了结构的整体性，而且设置了上下隔离层，有利于特殊情况下的养护维修。
3.2 双块式
适用性高，经济效益好，施工和管理难度大，但是工人工作效率低。因而也存在一定的局限性。
参考文献：
[1]史青翠.CRTS I 型单元双块式轨道结构研究[D].西南交通大学硕士论文，2011（05）.
