北京市軌道交通大興線梯形軌枕機械鋪設法施工技術

張大偉，蔡魯泉，賀建峰

(中鐵一局集團新運工程有限公司,陜西咸陽 712000)

1 工程特點

北京地鐵大興線軌道工程2標段共鋪設3段梯形軌枕無砟軌道,累計線路長度2 270 m,分別分布在清源路站—黃村西大街站間、義和莊站—韓園子站間和韓園子站—天宮院站間,其中韓天區間共計鋪設雙線累計1 520 m。該工程的工期異常緊張,根據業主要求，計劃梯形軌枕施工要在11 d內完成,采用現有工法無法按期完成。且梯形軌枕單元預制塊為定尺直線形式,實現梯形軌枕無砟軌道位于曲線地段線路的圓順有一定技術難度。此外,韓天區間運輸線路較為復雜,車站端部人防門位于曲線上,人防門處的門框寬度(凈寬3600 mm)較小,軌道運輸平板在通過人防門時很可能出現梯形軌枕軌排橫向失穩,施工運輸困難。

2 現有工法缺點

地下線梯形軌枕無砟軌道現有的施工工法為人工散鋪法,即在正線機械鋪軌到達前,通過預留下料口吊裝線路料,再通過人工倒運至鋪軌作業面、人工卸料、架軌、泵送混凝土等環節實現軌道預鋪,此方法存在功效低(進度25 m/d)、易受外界因素制約以及人工作業過程中存在安全隱患等問題[1]。

3 工法改進論證和試驗

若將現有工法改為機械鋪設法,需對諸多環節進行論證及試驗,如現有龍門架及小鋪軌龍門吊的吊裝能力、軌排的基地拼裝、洞內的運輸、現場軌道架設等都是未知因素。

3.1 龍門架及小鋪軌龍門吊的吊裝能力復核

基地設置的龍門架垂直額定吊裝噸位為10 t(凈跨度L=17 m)、普通軌排整體質量為13 t左右,而4節梯形軌枕組裝成25 m軌排后的整體質量勢必大于13 t,因此龍門架的吊裝能力需進一步復核。梯形軌枕軌排由4片單元預制塊、2根25 m標準軌、80套彈條Ⅱ-Ⅰ型扣件、9套鋼軌支撐架以及軌排吊具組成,質量組成分析如下

G=Z+B+K+J+D=17.07 t

(1)

式中G——軌排總質量;

Z——梯形軌枕單元預制塊質量,Z=4×3=12 t;

B——2根標準軌質量,B=1.5×2=3 t;

K——扣件總質量,K=80×0.015=1.2 t;

J——鋼軌支撐架總質量,J=9×0.07=0.63 t;

D——吊具總質量,0.24 t。

吊裝能力檢算：當龍門架以0.2 m/s的速度勻速行駛時可認為龍門架承受靜態荷載。當垂直靜態撓度

2臺龍門架額定吊裝能力為200 kN,每臺分擔荷載為85.035 kN,計算得每個龍門架的中部靜態垂直撓度f=21 mm。

可見f

圖1 龍門架吊裝梯形軌枕軌排

小龍門吊額定吊裝荷載為100 kN,考慮洞內運輸的未知因素較為復雜,從安全角度考慮,軌排洞內吊裝采用3臺小龍門吊聯合作業,洞內小龍門吊吊裝運行速度規定不超過3 km/h。小龍門吊吊裝梯形軌枕軌排如圖2所示。

圖2 洞內小龍門吊吊裝梯形軌枕軌排

3.2 基地內組裝梯形軌枕軌排

由于梯形軌枕軌排質量遠大于普通軌排質量,故洞內人工調整軌道位置時較為困難,特別是在曲線地段,因此在地表組裝軌排過程中,根據單元預制塊的長度、寬度、鋪軌進入曲線的長度、軌距以及平面曲線半徑計算軌排中相鄰預制塊的內外邊相錯量,根據相錯量進行軌排拼裝,則可避免曲線段的人工大量調整軌道橫向位置。

緩和曲線內的內外邊相錯量計算公式

(2)

圓曲線內的內外邊相錯量計算公式

(3)

式中L——緩和曲線或圓曲線內的內外邊相錯量，mm；

s——梯形軌枕橫向總寬度，mm；

j——鋪軌進入緩和曲線的長度，mm；

R——圓曲線半徑，mm；

l——緩和曲線長度，mm；

y——鋪軌進入圓曲線長度，mm。

3.3 軌排洞內運輸

洞內軌排運輸是通過軌道車拖運2臺軌道平板車來完成,韓天區間左線在K21+457以及K21+463.9處各設有人防門1處,且2個人防門都處于緩和曲線上(ZH=K21+484.394、HY=K21+449.394),平板車通過人防門有以下兩種情況,一種是平板車通過人防門時不發生軌排橫向滑移,另一種是平板車通過人防門時軌排發生橫向滑移,若滑移量較大,很可能出現軌排結構與人防門相碰撞的安全問題,顯然后者是要杜絕的,如何杜絕后者現象的發生是軌排洞內運輸的關鍵。

通過分析,可以將軌排橫向失穩歸結為軌排與平板車之間的靜摩擦力大小和一定時間內軌排產生的動量所決定。軌排在運行的平板車上發生橫向失穩與以下因素有關：軌排自身質量(G)、軌排與平板車相接觸的部位的摩擦系數(μ)以及平板車通過曲線時延緩和曲線法線方向線速度(v)。

平板車載運軌排不能超過2層,即兩片軌排質量2G。根據相關資料,兩種介質之間的摩擦系數,混凝土與鋼之間干燥摩擦系數為0.4,而木材與鋼之間干燥狀態摩擦系數為0.5,故為了增加摩擦系數,在軌排下方需墊入枕木,同時將枕木與軌排進行整體固定。平板車通過緩和曲線法線方向線速度(v)直接取決于平板車運行的線速度,故需經過現場試驗,方能確定現場通過曲線實際速度,經過現場模擬試驗,平板車運行線速度不大于1.5 km/h為宜,運輸軌排時,軌排與平板間要綁扎牢固,如圖3所示。

圖3 梯形軌枕軌排洞內運輸

3.4 洞內吊裝

平板車的車輪應設置鐵靴,防止滑行。3臺龍門吊共同作業時,要專人指揮,口令統一、清晰,司機操作熟練,配合默契。

軌排運至鋪軌作業面后,通過3臺鋪軌小龍門吊吊裝軌排,如圖4所示。通過運行后,確定作業限速1 km/h。

圖4 梯形軌枕軌排洞內吊裝(單位：m)

3.5 架設及施工區段劃分

經研究確定軌排架設需通過人機配合,且施工作業應劃分為數個區段：準備階段區(含基標測設、基底清理、L底座鋼筋綁扎)；軌排鋪設區(含軌排鋪設、架設)；軌道精調區(含軌道幾何尺寸的調整)；模板安裝區；混凝土澆筑區。確保各區段循環流水作業,提高工效。

4 機鋪工法實際應用

4.1 軌道幾何形位調整

在地鐵軌道工程施工中,軌道幾何形位的調整是軌道施工的核心環節,軌道幾何形位正確與否,對列車的安全運行、乘客的旅行舒適度、設備的使用壽命和養護費用具有決定性的影響。大興線2標段的線路部分處于半徑1 200 m曲線上,且軌枕均為6.15 m單元形式,如何確保梯形軌枕在曲線上軌道線形圓順是現場的一個難點,通過分析,扣件鐵墊板的錨固螺栓孔為長圓孔,可通過調整扣件橫向偏移來實現軌枕在曲線上的圓順。

(1)軌道中線方向調整

將L道尺豎尺支立在基標上,以每塊軌枕的第二個和第九個扣件為中線控制點,用L道尺調整兩個點位的中心,使此位置的軌枕中心位于線路中線上?？紤]驗收規范對軌道的要求,所以應計入曲線超高對中線的影響,超高30 mm地段線路中線與軌內側的理論水平距離為717 mm,當L道尺刻度線對準-0.3時即可,此數值可由表1查得。

(2)軌道軌面高度調整

表1 曲線超高地段L形軌道卡尺調軌修正值 mm

當調至橫尺豎絲對準-0.3時,停止此處中線方向的調整,進行軌道軌面高度調整,具體操作如圖5所示。

圖5 軌道軌面高度調整(單位：mm)

以上股軌道為基本軌,通過L道尺量得到上股軌面的設計位置,再通過萬能道尺,根據曲線超高得到下股軌面高程。

(3)復查軌道方向

由于軌道高度的調整,會對軌道方向產生一定的影響,因此在軌道軌面調整后,再次對軌道方向進行復查,發現變化時要重新調整軌道方向直至達到0誤差位置。

(4)軌道幾何形位精確調整

由于梯形軌枕均為直線型設計,在曲線地段通過扣件橫向偏移來實現曲線段的軌道線形的圓順性,本工程扣件采用彈條Ⅱ-Ⅰ型分開式扣件,此扣件設有防松功能的鋸齒墊片,如圖6所示。

圖6 彈條Ⅱ-Ⅰ型分開式扣件

軌道初步調整后,使得鋼軌軌面高度已經滿足設計要求,軌枕第二以及第九扣件位置位于線路中線上,但是在半徑為1 200 m的曲線上6.15 m長度直線所對應的弦弧距為8 mm,應通過計算每個扣件位置對應的曲線偏移量,之后通過軌距塊調整來實現曲線的圓順。

圓曲線軌道中線方向精確調整圓曲線上軌道偏移相對較為簡單,通過計算每個扣件對應弦弧距的一半調整軌道偏移。

緩和曲線軌道中線方向精確調整:由于緩和曲線為高次函數,數據計算比較復雜,因此為了簡化計算,在滿足規范要求的前提下,通過圓曲線4 mm的偏移量在60 m緩和曲線內逐漸遞變至0,因此每米遞變率0.050 3 mm,根據扣件所在里程位置,可計算每個扣件的偏移量,實踐證明可以滿足曲線正矢的前后連續變化要求,可保證曲線線形的圓順性。

最后對緩和曲線段每個扣件進行編號,記錄每個扣件偏移量,并歸檔保存,便于后期線路維護。

4.2 L底座混凝土一次性澆筑

為了提高工程質量以及節約施工成本,L形底座須一次性澆筑完成,這樣對模板的安裝要求就較高,在鋼筋綁扎完成、軌道精調后進行模板安裝作業。

若一次澆筑成型,則強度較高的鋼模不便于應用,因此采用木模。首先要求軌枕內側的模板應該是封閉的,但考慮側向混凝土的壓力會對模板產生一定的荷載,荷載計算如下

P=Gghk/S

(4)

式中G——混凝土容重，25 kN/m3;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

h——混凝土的高度,本工程取0.4 m;

k——混凝土的粘滯系數,取0.5(坍落度為170 mm)；

S——混凝土受力面積，0.55 m2。

計算得到模板可能承受的荷載為8.9 kPa。道床模板安裝如圖7所示。

圖7 道床模板安裝示意

由于混凝土產生的壓力較大,因此當軌枕底部混凝土澆筑3 h后,采用人工配合平板車的澆筑方式,人工推動平板車,將混凝土從兩端傾瀉至底座兩側,同時配合插入式振搗。這樣可避免模板承受較大的壓力,且由于后澆筑的兩側混凝土對軌枕底部的混凝土有一定的壓力,這樣就使得該部位的混凝土更加密實。為了保證底座澆筑的質量,在模板底部每隔500 mm留有φ40 mm的排氣孔,可以很快排出混凝土振搗過程產生的氣流,確保底座內部結構密實,避免底座表面出現蜂窩、麻面等現象。

一次澆筑確保了工程質量,且道床抹面僅僅為道床兩側,大大減小了現場混凝土施工的作業強度。澆筑完成的成品混凝土道床如圖8所示。

5 結語

梯形軌枕鋪設經過改進后采用機鋪工法,1 520 m梯形軌枕施工總共歷時20 d,進度指標達到75 m/d,大大提高了生產效率。整體道床一次澆筑成型,外觀達到較好水平。此外在工程質量方面,1 200 m半徑曲線軌道幾何形位的調整是軌道施工的關鍵,更是軌道施工的難點,本文提出了詳細且有針對性的施工方法,使得工程質量易于控制,在城市軌道交通曲線地段梯形軌枕軌道施工中有推廣價值,可為類似工程施工提供借鑒。

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