城市軌道交通線路彈性短軌枕軌道改造方案優(yōu)化

李 衛(wèi)

(武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司， 430035， 武漢//助理工程師)

軌道作為城市軌道交通列車的行車基礎(chǔ)，關(guān)系到其運(yùn)營(yíng)安全及行車舒適度，因此，必須要保證軌道基礎(chǔ)狀態(tài)優(yōu)良且均衡。根據(jù)環(huán)評(píng)要求，在城市軌道交通線路的重點(diǎn)地段設(shè)置一般減振、中等減振、高等減振及特殊減振等不同類型的減振設(shè)備。彈性短軌枕整體道床作為中等減振道床，在2010年前建成的軌道交通線路中廣泛應(yīng)用，且具有減振降噪效果好、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但隨著城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的發(fā)展，彈性短軌枕道床軌道受到運(yùn)行列車的不斷沖擊，逐步出現(xiàn)橡膠套靴老化和變形、軌枕吊空、軌距變大以及減振效果降低等病害，而且上述問題不斷發(fā)展及加重，嚴(yán)重影響軌道的幾何狀態(tài)及穩(wěn)定性，為保證運(yùn)營(yíng)安全，改善軌道的基礎(chǔ)條件，需要對(duì)該類問題進(jìn)行有效治理。本文以武漢地鐵1號(hào)線彈性短軌枕軌道專項(xiàng)改造工程為基礎(chǔ)，對(duì)軌道改造方案進(jìn)行了研究和探討。

1 武漢地鐵1號(hào)線工程背景

武漢地鐵1號(hào)線(以下簡(jiǎn)為1號(hào)線)全線為高架線，根據(jù)環(huán)評(píng)要求，局部地段采用了彈性短軌枕軌道減振措施。彈性短軌枕在使用過程中由于橡膠套靴發(fā)生大面積的老化和變形，軌枕、橡膠套靴和道床之間出現(xiàn)剝離和間隙擴(kuò)大，造成軌枕吊空、軌距變大、減振效果降低、短軌枕破裂以及軌枕四周出現(xiàn)翻漿冒泥等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了軌道的幾何狀態(tài)。為了穩(wěn)定軌道的幾何狀態(tài)，采取了加裝軌距拉桿以及在橡膠套靴四周加塞木楔等措施，但效果不佳。為了有效提高軌道系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障列車運(yùn)營(yíng)安全，以及減少軌道設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修工作，于2016年實(shí)施了單線2.59km改造，并從根本上解決了上述病害。

2 武漢地鐵1號(hào)線彈性短軌枕地段改造方案

為從根本上解決1號(hào)線彈性短軌枕地段病害，改造方案采取換鋪?zhàn)鳂I(yè)的方法，將橡膠套靴及短軌枕全部拆除，換鋪新軌枕、扣件并澆筑恢復(fù)整體道床。為不影響原道床的減振性能，采用與WJ-2A型扣件配套的中等減振扣件(武漢地鐵1號(hào)線大部分地段鋪設(shè)為WJ-2型扣件，WJ-2A型扣件是在WJ-2型扣件的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的，扣件高度和釘孔距不變，便于與既有線的扣件部分零部件通用)，通過設(shè)計(jì)雙層非線性彈性墊板系統(tǒng)以降低系統(tǒng)剛度和提高結(jié)構(gòu)阻尼來控制振動(dòng)，以達(dá)到中等減振的目標(biāo)。WJ-2A型減振扣件在其使用壽命周期之內(nèi)，比既有WJ-2型扣件整體道床減振8 dB及以上(振動(dòng)的頻率范圍為4～200 Hz)。為解決因軌道剛度變化和軌面變形不連續(xù)等不平順問題，在其連接處應(yīng)設(shè)置過渡段，過渡段長(zhǎng)25 m，并將其設(shè)置在中等減振地段(即改造地段)，過渡段內(nèi)的雙層非線性減振扣件剛度值變化范圍為15～ 35 kN/mm。

由于改造施工是在既有線上進(jìn)行的，且每日施工僅有不到4 h 的“天窗”時(shí)間，當(dāng)日施工結(jié)束后必須恢復(fù)線路并保證軌道狀態(tài)穩(wěn)定，不影響線路運(yùn)營(yíng)安全。因此，改造方案需重點(diǎn)考慮以下兩方面的問題：

(1) 施工質(zhì)量控制問題。受施工各方面條件的限制，施工質(zhì)量控制是改造方案的關(guān)鍵所在，特別是在新澆筑道床與既有道床基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)，以及換鋪新軌枕、安裝扣件并澆筑恢復(fù)整體道床后，白天行車產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊才是影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

(2) 施工安全問題。現(xiàn)場(chǎng)施工空間有限，軌旁供電接觸軌、信號(hào)環(huán)線及其他專業(yè)電纜等設(shè)備干擾多，施工所用材料及產(chǎn)生的廢料需現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)存放，存在侵限隱患，完成施工任務(wù)后必須恢復(fù)軌道狀態(tài)，保證白天線路運(yùn)營(yíng)安全。

因此，為保證新舊道床聯(lián)結(jié)可靠，在預(yù)制的新短軌枕底部設(shè)預(yù)埋鋼筋鉤，以加強(qiáng)短軌枕與道床之間的聯(lián)結(jié)。同時(shí)，澆筑強(qiáng)度等級(jí)不低于原道床強(qiáng)度的砂漿，該砂漿具有快凝、早強(qiáng)的性能。另外，在施工過程中，采用“解體無縫線路，拆除既有軌枕及套靴、原位換鋪扣件及軌枕、灌注砂漿”的施工方法對(duì)軌道進(jìn)行改造施工，以“隔三換一”的原則進(jìn)行短軌枕更換，同時(shí)在軌道改造期間應(yīng)限速，并且協(xié)調(diào)配合多專業(yè)，多重把控安全質(zhì)量，以確保改造施工的安全和質(zhì)量。

3 武漢地鐵1號(hào)線原改造方案的實(shí)施效果

經(jīng)過詳細(xì)研究和施工準(zhǔn)備工作，武漢地鐵于2015年進(jìn)行了試驗(yàn)性改造施工，并于2016年實(shí)施了 2.59 km彈性短軌枕改造專項(xiàng)，從根本上解決了原彈性短軌枕地段病害，增加了軌道穩(wěn)定性，大大降低了軌道維護(hù)工作量，保障了行車安全及舒適度。通過實(shí)測(cè)，改造實(shí)施前，原彈性短軌枕道床減振效果僅有5～8 dB，因橡膠套靴老化、軌枕離縫及空吊，減振效果出現(xiàn)較大衰減，改造使用的中等減振扣件可以達(dá)到較好的減振效果，改造完后通過添乘感受，軌道減振降噪性能未有明顯變化。

但原改造方案是在更換軌枕前，將原無縫線路切割為25 m的標(biāo)準(zhǔn)軌，并安裝凍結(jié)接頭夾板及回流線，形成有縫線路。在更換軌枕過程中，先拆卸兩端接頭夾板后抬起鋼軌，待線路恢復(fù)時(shí)安裝夾板。在所有軌枕更換完畢后，進(jìn)行鋼軌焊接，從而恢復(fù)無縫線路。

在有縫線路狀態(tài)下進(jìn)行短軌枕更換施工，具有以下不足之處：

(1) 增加了工序，同時(shí)亦增加了工程量及綜合成本和風(fēng)險(xiǎn)；

(2) 每次更換軌枕都需拆裝凍結(jié)夾板，增加了當(dāng)日作業(yè)量，降低了更換軌枕效率；

(3) 短軌枕更換完畢后需要進(jìn)行鋼軌焊接，而采用鋁熱焊對(duì)鋼軌進(jìn)行焊接，存在一定的施工風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)；

(4) 在鋼軌焊接前，改造地段需一直保持為有縫線路，因此列車在行至接頭處會(huì)產(chǎn)生沖擊，影響行車舒適度，同時(shí)亦對(duì)周邊居民造成干擾。

為了彌補(bǔ)上述不足，保持在無縫線路的狀態(tài)下進(jìn)行軌道改造施工成為研究的重點(diǎn)。

4 武漢地鐵1號(hào)線改造方案優(yōu)化

4.1 改造方案可行性論證

因改造方案采取“隔三換一”的原則進(jìn)行短軌枕更換，軌道穩(wěn)定性較原狀態(tài)有所降低，尤其是在高溫季節(jié)施工，可能會(huì)發(fā)生脹軌等影響安全的情況，因此，需對(duì)無縫線路狀態(tài)施工的可行性必進(jìn)行深入分析。

由于更換軌枕需要抬起鋼軌，將待換軌枕拔出更換。當(dāng)不分解為有縫線路時(shí)，為便于抬起鋼軌，同時(shí)減小鋼軌抬起時(shí)對(duì)鋼軌的影響，需要在待換軌枕區(qū)域兩端延伸松卸扣件。抬軌后鋼軌位置示意如圖1所示。

根據(jù)既有施工經(jīng)驗(yàn)，每班平均每日可更換短軌枕40 塊，按照“隔三換一”的原則進(jìn)行計(jì)算。如圖1所示，更換軌枕區(qū)段的長(zhǎng)度L1取100 m，鋼軌抬高高度h取0.3 m，延伸拆卸扣件區(qū)段的長(zhǎng)度L2取10 m，由此得到施工區(qū)段的總長(zhǎng)L為120 m。

圖1 抬軌后鋼軌位置示意圖

當(dāng)軌溫升高時(shí)，鋼軌由于熱脹會(huì)在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生脹應(yīng)力，由于扣件扣壓作用，鋼軌應(yīng)變被約束。

當(dāng)施工中將扣件松卸，鋼軌抬起時(shí)，鋼軌會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，設(shè)應(yīng)變量為

(1)

式中：

ΔL——鋼軌抬起時(shí)產(chǎn)生的形變。

為保證不發(fā)生脹軌情況，鋼軌溫升應(yīng)變?chǔ)舤應(yīng)不大于εl，即εt≤εl。因此，在臨界條件下，εt=εl，此時(shí)對(duì)應(yīng)的軌溫tmax為軌溫臨界值。設(shè)其對(duì)應(yīng)的軌溫變化為Δt，其計(jì)算公式如下：

Δt=tmax-ts

(2)

式中：

ts——鎖定軌溫。

由上述計(jì)算模型可得：

而由于鋼軌溫升產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)舤為：

εt=aΔt

(3)

式中：

α——鋼軌的線膨脹系數(shù)，取 11.8×10-6℃。

由εt≤εl可得出：Δt≤ΔL/αL=6.35 ℃。

由此可知，Δt與L成反比，為保證不發(fā)生脹軌現(xiàn)象，既要控制施工軌溫，亦要控制當(dāng)日施工拆卸扣件總長(zhǎng)度。

由上述模型及設(shè)定情況可得，在100 m更換軌枕范圍內(nèi)，在將扣件松卸并向兩端各延伸10 m的情況下施工時(shí)，只要軌溫不大于6.35℃，就不會(huì)出現(xiàn)脹軌現(xiàn)象。

4.2 實(shí)際工程驗(yàn)證

2016年實(shí)施的短軌枕改造施工，按照原設(shè)計(jì)方案將線路分解為有縫線路后進(jìn)行短軌枕更換，施工期間跨越7～8月份高溫季節(jié)。從記錄的施工軌溫來看，分解無縫線路時(shí)最高軌溫為 27℃(可將該溫度視為ts)。在高溫施工期間，為防止凍結(jié)夾板松卸后，因鋼軌膨脹無法安裝恢復(fù)凍結(jié)夾板，因此在施工過程中，選擇在未拆卸凍結(jié)夾板的情況下進(jìn)行短軌枕更換作業(yè)(可視為無縫線路狀態(tài))，記錄的當(dāng)日最高施工軌溫為 36℃，但未發(fā)生脹軌情況。即Δt=36℃-27℃=9℃，施工期間未發(fā)生脹軌現(xiàn)象。

因此，將Δt設(shè)置為 6℃，即在保持無縫線路的狀態(tài)下進(jìn)行短軌枕更換，可以保證施工安全，理論分析在實(shí)際施工中得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)語

隨著城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的發(fā)展，彈性短軌枕道床軌道受到運(yùn)行列車的不斷沖擊，逐步出現(xiàn)橡膠套靴老化和變形、軌枕吊空、軌距變化大及減振效果降低等問題。本文以武漢地鐵1號(hào)線改造項(xiàng)目為工程背景，通過改造方案分析和優(yōu)化研究，認(rèn)為采取換鋪軌枕和更換新扣件的改造方法，在保證減振效果的基礎(chǔ)上，有效地解決了上述病害。實(shí)踐證明，彈性短軌枕軌道經(jīng)改造后，軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，大大降低了維護(hù)工作量，行車安全亦得到了有力保障。此外，通過分析論證，認(rèn)為保持無縫線路狀態(tài)對(duì)軌道進(jìn)行改造施工具有可實(shí)施性，且相較于原方案分解為有縫線路施工，具有成本低、風(fēng)險(xiǎn)小等明顯優(yōu)勢(shì)，可為后續(xù)軌道改造提供參考。