武廣鐵路客運專線無砟軌道精確定位施工方法要點

湯曉光,胡云凌

(1.武廣鐵路客運專線有限責任公司,武漢 430077;2.德國海特坎普軌道公司,德國波鴻 44809)

1 軌道結構形式及特點

CRTSI型雙塊式無砟軌道系統結構由鋼軌、扣件、軌枕、鋼筋混凝土道床板組成,路基區段加設水硬性支承層,其標準斷面見圖1。橋梁上則將道床板澆筑在帶限位凸臺的橋面保護層上面,兩者之間用中間層隔離。

與德國傳統的無砟軌道相比,采用的預制雙塊式軌枕件與現澆混凝土之間結合面減小,對裂縫均勻分布和裂縫寬度控制更為有利,結構整體性提高,結構高度降低。

路基上,在縱向不設置伸縮縫,同時便于現場連續澆筑混凝土,有利于線路動力性能穩定。橋梁上,直接在橋面保護層上設置限位凸臺,方向朝上,便于施工,同時減少積水和冰凍對營運狀態帶來的負面影響。

武廣客運專線設計速度的目標值為 350 k m/h,因此,對軌道線形的平順性提出了極高的要求,軌距、軌向、高低和水平等誤差均在毫米級范圍內。合理的施工方案,特別是軌道精確定位工藝,嚴格的施工過程質量控制十分重要。

圖1 路基雙塊式無砟軌道系統標準斷面(單位:mm)

2 施工總體方案

武廣客運專線武漢工程試驗段是武廣先期進行的無砟軌道試驗段,由海特坎普軌道公司與中鐵八局聯合進行鋪設,結合現場試驗段物流條件,制訂了簡單有效的軌道施工方案。

2.1 軌道縱向施工

在鋪設無砟軌道時使用與永久鋪設的長鋼軌型號一致的工具軌(約 25 m長)組裝軌排,然后進行軌道定位,混凝土澆筑完畢后,將工具軌和其它工裝倒運到下一個施工作業面的前端,重復進行軌排組裝,軌道定位和混凝土澆筑工作,形成一個縱向軌道施工流水作業線。

2.2 軌道豎向施工

采用從上至下施工方案,即根據設計線型首先對軌排上面的鋼軌進行精調定位,然后再澆筑下面道床板混凝土。其優點是鋼軌定位一次到位,能夠在最短時間內獲得軌道精度,滿足平順性要求。

2.3 工裝

盡量采用通用型工裝和小型特殊工裝,避免盲目開發和使用大型特殊工裝,節約成本。無論工裝的自動化程度如何,都必須滿足軌道精確定位和調整作業的需要。

2.4 測量

測設軌道施工精密測量控制網 CPⅢ和 PCP永久觀測點,要求使用高精度全站儀和軌道檢測小車,以及先進的平差軟件。在軌道鋪設流水作業過程中,必須制訂周密的的測量流程,配合軌道精確定位和調整作業。

2.5 鋪設步驟

以軌道精確定位和調整為主線,無砟軌道鋪設可以大致分為以下幾個步驟:測設控制測量網→軌排組裝→初步定位(粗調)→精確定位(精調)→混凝土澆筑前的最后檢測→支撐螺桿→彈條的拆卸→竣工測量。

3 軌道精確定位施工主要措施

3.1 測量控制網

3.1.1 CPⅢ控制測量網

結合德國無砟軌道測量經驗和中國無砟軌道測量規定,檢測 CPⅡ平面控制樁和二等高程控制樁,精度應該符合規范要求。在 CPⅡ點位間距不大于1 000 m的情況下,可利用現有的 CPⅡ控制點測設 CPⅢ精確控制測量網,其點間距為 150～200 m,用自由設站法測設。

高程應通過精密水準測量的方法來確定。軌道沿線現有的高程基準點(BSII)均可用作進行 CPⅢ測點的高程測設的連接點。CPⅢ控制網的三維點可用于線上結構與線下結構的放線工作,具體見圖2。

3.1.2 測設 PCP點

永久控制點(PCP)是德國鐵路測量規范中 PS4控制網的四等控制點。PCP控制點分布于軌道兩側,每兩測點之間的距離為 50～60 m。這些 PCP點通常通過螺栓安裝在接觸網支柱上。如果在測量的時候沒有接觸網支柱可以利用,需要使用替代方案,如橋梁上可以設置在防撞墻上,路基段則在接觸網支柱基礎上設置臨時混凝土短柱。

PCP點是對 CPⅢ網的最終加密,在軌道施工階段,作為自由設站的控制點。因此,所有點應一次測量完成,并必須使用高精度的全站儀和水準儀,見圖3。

每次利用 8個 PCP點來完成自由設站后,全站儀會給出各點的坐標和高程。根據此結果,測量員可判斷控制網是否產生缺陷,是否有必要進行控制點復測。

對于破壞的控制點應作出標記,并告知其它測量人員破壞點的信息。另外要求每站兩側至少各有三個可用控制點,確保數據可靠。

圖2 CPⅢ控制網示意

圖3 PCP點示意

3.2 軌排組裝

3.2.1 軌枕的運輸和正確擺放

雙塊式軌枕在運送過程中要采用妥當的方式搬運、存放,避免對軌枕造成任何損壞,特別要防止鋼筋桁架發生塑性變形。綁扎帶應該綁在承軌臺的位置,絕對不能綁在中間的鋼筋桁架上。這對于保證軌道幾何形態特別是軌距和軌底坡是十分重要的。

在擺放軌枕時候,用全站儀等測量設備放樣軌道設計中線。然后將軌枕按照設計間距垂直于中線擺放,軌枕中心偏離中線不大于 5 cm。質檢工程師應再次檢查軌枕,確認合格的軌枕可以用于安裝,不合格的應該搬離施工現場。

3.2.2 安裝工具軌

使用工具軌的目的是為了臨時組裝軌排,保證澆筑道床板后換鋪長鋼軌時軌道的幾何形位滿足設計要求。工具軌運抵現場后,需要對其進行檢查驗收,杜絕使用已經變形或有缺陷的鋼軌。

安裝工具軌過程中,鋼軌接頭處用魚尾板連接,兩鋼軌的軌頭和軌底都要對齊。軌縫應該落在兩根軌枕的中間,不能落在承軌臺上。工具軌的準確長度需要根據軌枕間距來設計,并預留軌縫,為溫度變化鋼軌伸長預留空間。同時,鋼軌接縫間距不宜太大,否則使兩鋼軌難以對齊,給焊接和調整帶來多余工作量。

重復使用工具軌時,需檢查工具軌是否清潔干凈,清除上次使用時附在上面的混凝土,特別注意軌底。倒運工具軌過程中,需要小心防止鋼軌變形。

3.2.3 緊固扣件

武廣客運專線工程試驗段采用了 Vossloh300-1U扣件。使用電動扳手擰緊扣件時,扭力矩為 120 N·m(SKL 15B型彈條)或 180 N·m(SKL 15型彈條),鋼軌兩側應同時施加扭矩。扣件彈條應該扣在干凈的鋼軌軌底上面,且扣件彈條中間部分與軌底縫隙應在 0.1～0.5 mm之間。

鋪設長軌后,軌枕螺栓的扭矩先扭至 250 N·m。過早施加過大的扭矩會損壞扣件(尤其是軌枕內的預埋套筒),影響扣件使用壽命,會增加后期精調和維護工作。

3.3 初步定位(粗調)

3.3.1 安裝調整螺桿支架

緊固扣件后,軌枕與工具軌整體形成軌排。在相鄰軌枕中間的鋼軌軌底上,安裝螺桿支架。螺桿支架用來支承軌排,同時用于軌排豎向定位和調整,因此又稱為豎向調整螺桿支架。

建議每 3根軌枕安裝 1個螺桿支架,且對稱于軌道中心線安裝。若支架間距過大(大于 3根軌枕),鋼軌撓度增加,影響線形。特殊情況下,支架可以相隔 2根軌枕,比如鋼軌接縫處,但不宜少于 2根軌枕,見圖4和圖5。

圖4 安裝螺桿支架

圖5 安裝鋼軌接頭附近的螺桿支架

3.3.2 豎向初步定位

安裝好螺桿支架后,對軌排進行頂升作業。頂升軌排時,以經緯儀等傳統測量儀器作指導,使用具有微調功能的手搖齒條起道機對稱支承軌底,將軌排逐步提升到設計高度下方 0～5 mm。使用的齒條起道機必須有毫米級別的調整功能,可升可降,設有保證豎向位置安全的鎖定裝置。

齒條起道機間距為 9根軌枕,將第一個齒條起道機放在距軌排端部最近的第 1根軌枕和第 2根軌枕之間。頂升工作沿軌道方向依次進行,當前面軌排頂升到位后,立即將相鄰的螺桿支架中的螺桿著地,使之支承受力,再繼續下一齒條起道機處的頂升,避免前后軌道高差過大。

3.3.3 橫向初步定位

當軌排高度調整到設計高程以下 5 mm后,用全站儀測量軌排中線,使之與設計位置偏差在 ±2 mm內。然后,每 3根軌枕安置一個橫向調整地錨,并與鋼筋桁架焊接相連,固定在支承層中,以保證軌排橫向穩定。為確保軌排在豎向和縱向的可動性,要求地錨上的孔徑要比穿過的螺栓直徑大,見圖6。

圖6 橫向調節地錨

橋梁上需要安裝橫向支撐桿,支撐桿的一端固定在防撞墻上,另一端則直接連接在豎向調整螺桿支架上,其數量和間距與螺桿支架相同。該工具可用來于初步橫向定位,可以重復使用。全站儀換站后,需和前一站的測段搭接,搭接長度不少于 10根軌枕,以減小設站誤差的影響。綁扎鋼筋后,安裝模板。模板的支撐系統一定要和軌排的支撐系統相互獨立,以防模板的變形或移位對軌排的位置產生影響。

3.4 精確定位(精調)

3.4.1 測量工具

測量設備采用具有自動搜索、跟蹤目標功能,能實時計算、傳輸數據的測量系統,一般包括高精度全站儀和軌道檢測小車。

測量設站時采用自由設站法,以測站附近 4對永久觀測點為坐標控制點,全站儀自動平差計算出測站的位置。

軌檢小車和全站儀之間的無線通訊,能實時將測量結果顯示在終端設備上,包括軌向、軌距、水平、超高、調整量大小和調整方向等測量信息。測量調整人員可據此對軌道進行調整,十分方便。

3.4.2 精調工裝

1)豎向調整螺桿支架。針對使用的螺桿支架作了改進和優化,新型的螺桿支架具有精度高(能以 0.1 mm級別進行豎向調整),適應性強(超高區段可無級調整),以及重量輕的特點,見圖5。支承軌排時,螺桿的下面需要墊中間打磨了圓形凹槽的小鐵片,保持調整時螺桿尖端位置不變,也使得澆筑混凝土過程中軌排更穩定。

2)橫向調整地錨。作為支承層上軌道橫向定位的關鍵工裝,橫向調整地錨的最小調整量可以到 0.1 mm,而且橫向調整不影響軌排在縱向和豎向的微調,見圖6。

3)橫向支撐桿。針對橋梁上使用的橫向支撐桿,進行了改進和試制;新型的支撐桿輕巧靈活,橫向可推可拉,能以 0.1 mm的級別精確調整軌向,見圖7。

圖7 橋梁上軌排橫向定位調節用支撐桿

無論路基上還是橋梁上,上述豎向和橫向調整裝置相互獨立,互不干擾。施工中所采用的豎向調整螺桿和兩種橫向調整工具簡單實用,在路基區段、橋梁區段、直線區段和曲線超高區段都能保證軌排在混凝土澆筑過程中的穩定,是軌道精確定位的重要措施之一。

3.4.3 精調

精調工作需檢查每個支撐螺桿處軌道的位置和高程,用軌檢小車顯示數據,通過豎向調整螺桿,橫向調整地錨或橫向支撐桿,將軌排調到線型允許的誤差范圍內。

3.4 纖毛蟲病。1985年前后，生產種苗的牙鲆稚魚中發生了一種纖毛蟲寄生蟲病，該病引起了養殖魚類的大量死亡。

全站儀的自動對準系統可以將誤差減小到最低限度。為了降低角度誤差的影響,設站時,全站儀應設在軌檢小車棱鏡運行的軌跡線上。軌檢小車與測站間的最大距離約為 50～70 m,具體遠近視測量環境優劣而定。

測量時,軌檢小車向著全站儀推行,至距離全站儀約 10 m處停止測量,將全站儀搬至下一站。下一測站設站時,至少使用前一站使用過的 4個永久觀測點。且小車需后退至少 10根軌枕。比較兩站搭接段的測量結果,如兩者較差超限,測量人員需查找原因,及時更正。如測量新的區段,必須測量已澆筑道床至少 10根軌枕區域。自由設站之后,在軌檢小車開始測量前,照準測量一個 CPⅢ點。在測量完該段換站之前,對同一點再次測量。比較兩次的測量結果,兩者的差值不應大于 1.5 mm,測量人員由此可判斷,測量過程中測站位置是否產生變動。

精調軌道時,軌道的平順性是調整工作的核心。對于軌距,軌向,高低和水平等控制值,只有控制相鄰螺桿之間變化在 0.3 mm以內,才能保證在竣工測量時,獲得一個合格的,可接受的平順性高的線型。

雖然區間軌道和道岔鋪設采用的是同一坐標系統,但是兩者通常由不同作業隊伍施工,鋪設時間也往往不同,因此道岔前后應預留足夠長度的區間軌道,保證兩者之間軌道平順過渡。

3.5 澆筑混凝土之前的最后測量檢查

澆筑混凝土之前,還需對軌排的幾何形位作最后檢測確認,確認軌排未產生位移或沉降。測量工作應在澆筑混凝土之前 6 h內完成。

最后檢查時,每根軌枕處均要進行數據采集,軌距,軌向,高低和水平等控制值,相鄰軌枕之間變化最好控制在 0.3 mm以內。需做細微調整的地方,可以再通過豎向螺桿和調向地錨或支撐桿進行調整。

3.6 松卸螺桿和扣件彈條

混凝土初凝時,先用扳手將豎向調整螺桿松動 1圈。然后用電動扳手同時松動鋼軌兩側扣件。擰松了螺桿以后,還需要拆掉魚尾板。

擰松螺桿、扣件,拆掉魚尾板是為了防止因溫度變化引起鋼軌伸縮,進而帶動軌枕移位,和剛澆筑的混凝土分離,產生過寬的裂縫,影響線型穩定。

3.7 竣工測量

澆筑混凝土后 3 d應再進行一次軌道線型竣工測量。這是已經澆筑混凝土區段質量反饋的主要方式,這道工序不是為了記錄而測量,而是為未來修正工作提供信息資料,特別是通過這次竣工測量,在可以澆筑下一區段混凝土之前及時發現問題,糾正錯誤,為提高軌道精度不斷找到改善的辦法。

無論粗調、精調、最終檢查,還是竣工檢測,要求必須使用軌距尺校正軌檢小車系統(針對超高以及軌距),保證軌檢小車系統能在精度要求范圍內工作。測量工作開始前和結束時,測量人員必須對小車車輪進行清潔檢查。同時要確保鋼軌在測量工作開始前已完成清潔工作。

在運輸之后,三角架和全站儀要在新環境里至少放置 20 min,以便三腳架適應外界氣溫,然后再對全站儀進行校準。否則軌道調整有可能因為全站儀位置的變化而受到負面的影響。設站時盡量降低三角架的高度,加強全站儀的穩定性,提高測量精度。設置自由站與開始進行軌檢小車測量之間的間隔時間宜在 40 m in內。

4 施工質量過程控制

為實現預期的高精度線型和高質量要求,必須建立嚴格的質量過程管理程序。建立施工過程檢查計劃,包括檢查計劃流程圖與現場檢查表。現場檢查表應列舉每一施工階段的詳細檢查項目,反映現場各項目的狀況,工程相關各方可從檢查表上直觀了解現場的具體情況。

為確保工程質量,施工單位需建立并執行自查機制。現場施工人員和質量管理人員均要對施工情況進行檢查,確認其是否滿足施工工藝和質量要求。監理單位必須確認檢查結果,同意進行下一道工序。

在定位施工中應注意檢查以下影響軌道精度和線型的問題:①軌縫無魚尾板、軌縫太大或魚尾板不起作用,夾具太弱,②軌底不干凈,影響換鋪長鋼軌后的線型,甚至造成吊板,③螺桿間距不規則,有時太大,有時太小④軌距撐桿造成軌枕桁架變形,軌底坡改變、軌距擋塊固定不正確。這些問題直接影響軌道精度和線型,影響后期靜態和動態檢測。

5 精確定位控制效果

武漢工程試驗段采用了上述工藝和精確定位方法,嚴格進行過程管理,長鋼軌鋪設之后,超限點只有0.6%,見表1。高低調整墊板均在 ±1 mm以內,僅占總數的 0.3%。調整軌向軌距僅僅使用了一對 2 mm軌距擋塊,其余均為 1 mm,調整量僅約為 0.47%。

表1 武漢工程試驗段軌道精調調整件使用情況統計

中鐵十一局施工的赤壁段雙線約 20 k m無砟軌道,依據上述定位精調方法進行改造調整,從各階段精調數據的變化表明,在短期內,軌道施工的各項精度指標都在逐漸進步,見表2。尤其是軌道的平順性指標,改善效果特別顯著。通過改進工藝,加強過程管理,澆筑道床板后的扣件調整量大大下降,最終的調整用量約為 2%。

表2 精調指標變化

6 結語

武廣客運專線武漢試驗段雙塊式無砟軌道的施工經驗表明,采用從上至下施工方案,即根據設計線型對軌排上面的鋼軌進行精調定位后,再澆筑下面道床板混凝土,可以達到軌道定位一次到位的目的,大大減少道床板澆筑后的軌道精調作業量,減少精調時間和調整件數量。

該施工方法工序和工裝簡單明確,易于掌握,值得廣泛推行的無砟軌道施工方法。只要能建立一支相對穩定的施工隊伍,培訓工人掌握并熟悉掌握該工藝、嚴格遵守每個階段作業步驟,遵循檢測計劃程序,雙塊式軌道的建設過程將成為一個簡單的,不斷重復的流水作業,軌道精度就都能夠得到保證,滿足靜態和動態檢測平順性要求。

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