維修天窗期城市軌道交通整體道床拆換技術(shù)

張也 樓梁偉，2 謝蛟 葉曉宇 石越峰，2

（1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2018年底，全國(guó)共計(jì)36座城市開通城市軌道交通并投入運(yùn)營(yíng)，開通線路174條，運(yùn)營(yíng)里程共計(jì)5 582 km。整體道床因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、表面整潔、整體性強(qiáng)，在我國(guó)城市軌道交通中被廣泛應(yīng)用，但隨著地鐵運(yùn)營(yíng)年限的增加，受列車運(yùn)營(yíng)沖擊、地下水侵蝕、施工質(zhì)量等因素的影響，線路運(yùn)營(yíng)過程中軌道結(jié)構(gòu)病害逐步顯現(xiàn)［1-3］，主要表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)滲水、道床空吊、道床開裂、混凝土剝離等；同時(shí)，城市軌道交通中大量采用減振軌道，不合理的剛度匹配、輪軌關(guān)系模式造成了鋼軌異常磨耗現(xiàn)象［4-5］，不可避免地增加了養(yǎng)護(hù)維修工作成本。由于城市軌道交通維修天窗時(shí)間短，難以封閉路線進(jìn)行集中整治，加之采取常規(guī)的加固、維修及特殊扣件調(diào)整等整治方案難以對(duì)病害進(jìn)行徹底整治，導(dǎo)致病害日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響列車運(yùn)營(yíng)安全。

目前國(guó)內(nèi)尚無有砟軌道技術(shù)在城市軌道交通地下線應(yīng)用的案例［6］，僅在地面線路基地段有過少量應(yīng)用。有砟軌道技術(shù)具有彈性良好、價(jià)格低廉、更換與維修方便、剛度匹配合理、吸噪特性好等優(yōu)點(diǎn)，可減緩或避免鋼軌波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。近年來，有砟軌道又有了一些新的技術(shù)，例如聚氨酯固化道床技術(shù)［7-9］在有砟軌道的應(yīng)用，避免了有砟軌道的大機(jī)搗固和清篩作業(yè)，為城市軌道交通整體道床換鋪為有砟軌道提供可能。

整體道床拆換改造因其施工困難、交叉專業(yè)多、影響范圍廣，目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通中尚無不停運(yùn)條件下整體道床換鋪為有砟軌道的成功案例。本文將結(jié)合地鐵整體道床結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)，以既有城市軌道地下線整體道床病害整治為例，對(duì)維修天窗期城市軌道整體道床快速拆換技術(shù)進(jìn)行探討，為治理該類軌道結(jié)構(gòu)病害提供借鑒。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

利用維修天窗時(shí)間將城市軌道交通整治區(qū)段待拆除整體道床分段分次換鋪為有砟軌道結(jié)構(gòu)。整體道床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某運(yùn)營(yíng)線地鐵整體道床結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

利用成套切割設(shè)備與隧道專用吊裝設(shè)備分別進(jìn)行城市軌道交通整體道床的拆除與換鋪?zhàn)鳂I(yè)，當(dāng)天施工，當(dāng)天恢復(fù)線路。為使列車安全運(yùn)營(yíng)，整體區(qū)段采用“跳躍式”施工，過渡段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。整治區(qū)段全部拆換完成后，換鋪長(zhǎng)鋼軌、無縫線路焊接及軌道精調(diào)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及流程

2.1 工藝流程

維修天窗期城市軌道交通整體道床拆換技術(shù)主要工藝流程見圖2。

圖2 整體道床拆除工藝流程

2.2 準(zhǔn)備階段

1）整治范圍確定及附屬設(shè)備調(diào)查

城市軌道交通整體道床改造前需提前組織相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)踏勘與調(diào)研，充分明確整治區(qū)段范圍，標(biāo)記劃分施工界限，同時(shí)綜合考慮整治線路上下游道床及排水系統(tǒng)的順接問題，避免整治期間隧道內(nèi)排水不暢影響施工進(jìn)展。

在整體道床拆換前，對(duì)隧道內(nèi)所涉及范圍內(nèi)的應(yīng)答器、接地端子、絕緣接頭等附屬設(shè)備進(jìn)行數(shù)量和里程的核實(shí)與調(diào)查，并與管理單位相關(guān)專業(yè)一同探討附屬設(shè)備整治期間的過渡方案，確保各設(shè)施設(shè)備在整治施工階段及其前后的工作狀態(tài)正常。

2）既有軌道測(cè)量及其他線路數(shù)據(jù)復(fù)核

獲取準(zhǔn)確的軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)是方案實(shí)施的首要條件。測(cè)量前須與管理單位進(jìn)行交底，利用測(cè)量小車、全站儀、水準(zhǔn)儀、道尺等測(cè)量?jī)x器對(duì)整治區(qū)段的軌道高程、軌道幾何形位、接觸軌高程、隧道內(nèi)附屬設(shè)施標(biāo)高等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并以采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導(dǎo)后續(xù)施工及線路恢復(fù)精調(diào)等。

施工前需與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行技術(shù)交底，明確盾構(gòu)中心線、線路中心線、限界尺寸以及軌道結(jié)構(gòu)高度的偏移量，以減小施工誤差。

3）鋼軌切換及過渡措施

地鐵內(nèi)無縫線路采用的長(zhǎng)鋼軌難以適應(yīng)天窗期施工與正常行車2種情況的反復(fù)更換要求，將施工區(qū)段長(zhǎng)鋼軌替換為12.5 m短鋼軌，可有效減少準(zhǔn)備階段工作量，提高工效。既有長(zhǎng)鋼軌與短軌的替換需注意相鄰鋼軌接頭夾板安裝、無縫線路切割位置前后鋼軌鎖定以及附屬電路、管線過渡性保障措施。鋼軌改換如圖3所示。

圖3 鋼軌改換示意

4）材料、設(shè)備及水電保障措施

天窗作業(yè)前，落實(shí)人員分工、調(diào)試施工機(jī)具、保障施工用水電及進(jìn)場(chǎng)等相關(guān)事宜。主要施工機(jī)具包括成套切割設(shè)備（圖4（a））、隧道專用吊裝設(shè)備（圖4（b））、劈裂機(jī)、螺栓機(jī)、手持鋸、空壓機(jī)、風(fēng)鎬、焊機(jī)、測(cè)量?jī)x表儀器等。

圖4 施工機(jī)具示意

2.3 實(shí)施階段

維修天窗作業(yè)階段是城市軌道交通整體道床拆換技術(shù)的實(shí)質(zhì)性關(guān)鍵階段，道床拆除與道床換鋪?zhàn)鳂I(yè)分天窗同步實(shí)施，下文將按照道床先拆后換的作業(yè)順序?qū)蝹€(gè)施工單元拆換關(guān)鍵技術(shù)流程進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.3.1 道床拆除

利用成套切割設(shè)備配合劈裂機(jī)、風(fēng)鎬等機(jī)具對(duì)整體道床進(jìn)行拆除施工，主要包括道床兩側(cè)混凝土拆除與道床板繩鋸切割2部分內(nèi)容。

1）軌道部件拆卸

道床拆除前，將整治施工單元短軌、接觸軌及附屬設(shè)施拆卸，有序放置于未施工區(qū)域。

2）道床兩側(cè)混凝土拆除

利用墻鋸沿線路縱向切割道床，切割深度按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制；利用手持鋸橫向切割施工單元道床兩側(cè)混凝土，切割間隔根據(jù)單元長(zhǎng)度合理制定；利用鉆孔機(jī)在橫向切縫處鉆孔；利用劈裂機(jī)劈裂道床，底部剩余黏結(jié)混凝土使用風(fēng)鎬鑿除。道床兩側(cè)混凝土拆除如圖5所示。

圖5 道床兩側(cè)混凝土拆除示意

利用墻鋸配合風(fēng)鎬鑿除繩鋸施工槽，為下一步繩鋸切割道床板做準(zhǔn)備。

利用鉆孔機(jī)鉆取繩鋸導(dǎo)向輪安裝槽，根據(jù)單次施工道床板切割長(zhǎng)度合理選擇鉆孔位置。

3）道床板繩鋸切割

道床板切割前，在已拆除道床兩側(cè)布置特制擋水結(jié)構(gòu)，利用污水泵將施工產(chǎn)生的污水抽至預(yù)備噸桶。并在施工結(jié)束后，利用高壓水槍及時(shí)沖洗管壁及道床板底部沉積的鋸漿。

繩鋸機(jī)安裝后沿線路水平縱向快速切割道床板，切割前將施工單元指定扣件道床板側(cè)面混凝土剔除，并實(shí)時(shí)觀察切割進(jìn)度及時(shí)填塞不同規(guī)格設(shè)計(jì)墊板，確保道床板恢復(fù)設(shè)計(jì)標(biāo)高。

道床板切割作業(yè)時(shí)，利用手持鋸、風(fēng)鎬等機(jī)具同步拆除接觸軌支座剩余支承混凝土。道床板繩鋸切割如圖6所示。

圖6 道床板繩鋸切割示意

4）臨時(shí)限位支撐安裝

道床板完全切割分離后，需對(duì)切割但未移除的道床板采取臨時(shí)過渡安全保障措施，通過道床板與隧道管壁間安裝的多組對(duì)稱橫向限位支撐，有效抵抗行車時(shí)產(chǎn)生的道床橫向力與上彈力，確保天窗結(jié)束后列車安全運(yùn)營(yíng)。臨時(shí)限位支撐安裝如圖7所示。

5）恢復(fù)短軌及測(cè)量

圖7 臨時(shí)限位支撐安裝示意

道床拆除作業(yè)完成后，利用螺栓機(jī)、起道機(jī)、撬棍等施工機(jī)具恢復(fù)短軌，并及時(shí)測(cè)量施工單元對(duì)應(yīng)鋼軌、接觸軌及附屬設(shè)施標(biāo)高?；謴?fù)短軌如圖8所示。

圖8 恢復(fù)短軌示意

2.3.2 道床換鋪

利用隧道專用吊裝設(shè)備完成有砟軌道的換鋪?zhàn)鳂I(yè)，主要包括道床板吊運(yùn)、排水管及減振墊鋪設(shè)、攤鋪道砟（搗固）、鋪設(shè)軌枕及恢復(fù)軌道部件等。

1）軌道部件及限位拆除

道床拆換作業(yè)采用同一天窗不同單元的流水作業(yè)模式，因此，道床換鋪前，也須將施工單元短軌、接觸軌及附屬設(shè)施拆卸，并有序放置于未施工區(qū)域。

2）道床板吊運(yùn)

利用道床板既有螺栓孔安裝吊環(huán)，采用隧道專用吊裝設(shè)備吊運(yùn)已切割的道床板。

3）排水管及減振墊鋪設(shè)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求在隧道基底安裝方形或半圓形鑄鐵排水管，為方便現(xiàn)場(chǎng)施工，排水管采用承插連接貫通，整治區(qū)段上下游排水采用特制接口，須另行加工設(shè)計(jì)。

考慮減振效果，道砟攤鋪前需于隧道管壁外圍按設(shè)計(jì)要求鋪設(shè)減振墊（道砟墊）。為防止減振墊長(zhǎng)期受壓產(chǎn)生位移，現(xiàn)場(chǎng)采用膠黏劑進(jìn)行固定，每塊減振墊接縫處采用黏接膠帶黏接。

4）攤鋪道砟及鋪設(shè)軌枕

①考慮施工工藝的特殊性及防止相鄰施工單元作業(yè)時(shí)已鋪道砟的坍塌，施工單元兩端須放置特制道砟隔板。

②利用隧道專用吊裝設(shè)備配合自制道砟箱體快速吊運(yùn)及攤鋪道砟，道砟分層攤鋪并搗固?？紤]后續(xù)防迷流筋焊接，及時(shí)控制攤鋪高度。

③根據(jù)設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)控防迷流筋焊接質(zhì)量。

④道砟攤鋪達(dá)到合理高度后，利用吊裝設(shè)備吊運(yùn)混凝土軌枕，并人工輔助粗鋪。

5）恢復(fù)軌道部件

利用螺栓機(jī)、起道機(jī)、撬棍等施工機(jī)具恢復(fù)短軌，并及時(shí)精調(diào)軌枕與道床整形。

對(duì)施工單元鋼軌、接觸軌及附屬設(shè)施標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，恢復(fù)線路達(dá)到設(shè)計(jì)高程。換鋪后軌道結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 換鋪后軌道結(jié)構(gòu)示意

2.4 線路恢復(fù)

城市軌道交通整治區(qū)段全部進(jìn)行換鋪。切割各短軌拆除換鋪新長(zhǎng)軌，在現(xiàn)場(chǎng)采用鋁熱焊進(jìn)行無縫鋼軌焊接［10-11］。焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊縫距離、應(yīng)力放散、鎖定軌溫等參數(shù)滿足線路設(shè)計(jì)要求，無縫線路鎖定完成后進(jìn)行軌道精調(diào)。無縫鋼軌焊接流程見圖10。

圖10 無縫鋼軌焊接流程

線路恢復(fù)后，跟蹤檢查換鋪有砟軌道與原整體道床結(jié)構(gòu)過渡段狀況，在確保列車運(yùn)營(yíng)安全的前提下采取分級(jí)提速，同時(shí)加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)線路監(jiān)測(cè)工作。

3 工藝試驗(yàn)

拆除整體道床作為維修天窗期城市軌道整體道床拆換技術(shù)的首要關(guān)鍵步驟，決定著該技術(shù)在城市軌道交通整體道床病害治理中應(yīng)用的成敗。常規(guī)混凝土拆除方式有機(jī)械拆除、爆破拆除、人工風(fēng)鎬拆除等。與以上傳統(tǒng)混凝土拆除方案相比見表1。地鐵內(nèi)施工應(yīng)用繩鋸［12-13］與墻鋸的靜力切割拆除方案在安全、質(zhì)量、工期等方面擁有明顯優(yōu)勢(shì)，具有速度快、噪聲小、污染少、可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)點(diǎn)。

表1 道床拆除方案對(duì)比

為驗(yàn)證所選整體道床拆除方法的可行性，本文前期針對(duì)繩鋸、墻鋸分別進(jìn)行了3種不同工況下的切割工藝試驗(yàn)，通過切割效率、作業(yè)穩(wěn)定性以及防污降噪等參數(shù)對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明（表2），繩鋸與墻鋸的施工效率高，性能穩(wěn)定，噪聲及污染小，滿足天窗時(shí)間城市軌道交通整體道床拆除現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求。

表2 墻鋸與繩鋸試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文結(jié)合城市軌道交通整體道床病害整治與養(yǎng)護(hù)維修特點(diǎn)，主要從準(zhǔn)備及實(shí)施2階段系統(tǒng)闡述了維修天窗期城市軌道交通整體道床快速拆換施工技術(shù)，為在不停運(yùn)條件下徹底解決城市軌道整體道床病害難題提供了一種可行的技術(shù)措施。

1）從技術(shù)實(shí)施看，創(chuàng)新性提出了適用于城市軌道交通整體道床拆換的技術(shù)方案及關(guān)鍵工藝，替代臨時(shí)性修復(fù)措施徹底解決整體道床病害，可在天窗時(shí)間完成整體道床拆除與換鋪?zhàn)鳂I(yè)，不影響列車正常運(yùn)營(yíng)。

2）從施工效率看，城市軌道交通整體道床快速拆除與換鋪成套施工設(shè)備可解決天窗時(shí)間大型施工機(jī)械無法上道難題，確保天窗作業(yè)效率。

3）從養(yǎng)護(hù)維修看，有砟軌道在經(jīng)濟(jì)效益、減振降噪、病害整治等方面相較于整體道床具有一定優(yōu)勢(shì)，城市軌道交通地下線鋪設(shè)有砟軌道具有可行性。同時(shí)，為減少后期有砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量，可通過道床固化的措施提高道床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性。