剛柔復合型無砟道床施工技術及質量控制要點分析

吉世林

(中鐵十一局集團第三工程有限公司,湖北 十堰 442000)

鐵路建設是我國重要的民生基礎工程,對國民經濟發展具有重要的促進作用[1-2]。隨著列車行駛速度不斷增加與科學技術進步,傳統的有砟軌道已經發展為無砟軌道。無砟軌道具有使用周期長、維修成本低、抗變形能力強、環境適應性好等諸多優勢[3-4]。鄭緯奇等[5]針對高鐵大跨度斜拉橋無砟軌道施工技術開展研究,基于數值仿真與模型試驗結果,提出了小變形單元式無砟軌道設置橡膠隔離層的技術,并明確了橡膠隔離層的“緩沖作用”;姚力等[6-7]通過對無砟軌道的靜力分析以及車輛-軌道動力相互作用的分析,揭示了列車動、靜荷載傳遞規律,并提出了無砟軌道車輛荷載設計建議取值范圍;肖俊恒等[8]為解決無砟軌道變形過大的問題,研發了無砟軌道大位移調整扣件,水平位移調整范圍±150 mm,高低位移調整范圍-24 mm～+100 mm;劉雨賓等[9-10]基于文獻調研與現有工程項目,總結了鐵路交通運輸無砟軌道底座施工、軌道板施工、乳化瀝青砂漿充填層施工要點,并明確了無砟軌道施工質量保證的控制要點。

綜上所述,目前研究主要集中在單一的“剛性”或“柔性”的無砟軌道,尚未對同時包含兩種結構體系的無砟軌道施工工藝及質量控制措施進行系統研究,因此有必要結合福州市軌道交通6號線圍繞無砟軌道施工技術開展相關研究及討論,促進“剛柔復合”型無砟軌道施工技術發展。

1 工程概況

此工程項目是福州市的軌道交通6號線,它位于三江口并跨越烏龍江。這座橋是一座既可以作為公路也可以作為軌道的橋梁,其上部是城市的主要道路(即一級公路),而下部則是雙線軌道。公軌的總長度為4.35 km,而在這其中,鋼橋部分使用了鋼桁結合梁的設計。設計中考慮了橋面鋪裝結構、行車舒適性等問題。考慮到橋梁的結構特性和當前的施工技術,橋梁的鋼橋段和兩端的混凝土簡支梁軌道選擇了隔離式減振墊無砟道床。通過使用橡膠減振墊,可以增強道床板與橋梁變形的同步性和跟隨性,從而降低橋梁變形對軌道形狀的影響。

福州市軌道交通6號線穿越了柔性的鋼桁梁橋段和剛性的混凝土橋段,如何在兩種不同類型的橋梁結構體系下進行無砟軌道施工是具有挑戰性的。因此,為保障該軌道交通線路的順利通車,有必要圍繞剛性和柔性橋梁體系下的無砟軌道施工工藝開展深入研究。

2 無砟軌道鋪設技術

2.1 引橋段施工流程

引橋段軌道二期恒載對軌道梁面撓度影響較小,因而無砟軌道幾何形狀僅需通過扣件調整即可滿足設計及規范要求。引橋段隔離式減振墊施工工藝流程如圖1所示,主要的施工流程涵蓋了以下幾個方面:施工前的準備工作、基準測量的設置、橋面特性的評估、行走軌道的安裝、橋面的清理、隔震層的鋪設、軌道排的組裝和吊裝、軌道的初步調整、鋼筋網的綁扎、防迷流端子的焊接、模板的安裝、軌道的精細調整、混凝土的養護和拆除,以及質量的檢測。

2.2 引橋段施工方案

結合引橋段隔離式減振墊施工工藝流程與工程項目特點,圍繞走行軌安裝、橋面清理等主要施工步驟進行詳細討論,具體包括:

1)走行軌安裝。如圖2所示,剛橋段的行軌支墩使用了各種尺寸的木枕,疏散平臺的木枕尺寸定為200 mm×200 mm×400 mm,而線纜支架的木枕尺寸則是200 mm×200 mm×600 mm。由于走行軌是在橋上架設并由軌道梁支撐的,所以走行軌與鋼軌之間要有一定距離的間隙以保證行車安全。這批木枕是通過使用膨脹螺栓和壓板來穩固行走軌道的。

2)橋面清理。經過對大橋橋面的現場考察,我們觀察到該橋表面的主要污漬是灰塵和油漬。在橋梁維修中,應該注意及時將這些污物處理掉。灰塵可以通過手工清掃或者使用高壓水槍沖洗來進行清除。在面對油污問題時,如果受污染的區域不是很大,可以優先考慮使用鏟刀清除厚重的油污,再利用沾有溶劑的抹布擦拭受污染的表面,促使油污完全溶解后再用干凈的抹布將溶解后的油污擦干。若是大面積污點較大時,則可采用刮油器將其刮除。繼續執行上述操作,直至小范圍的油污得到徹底清除;當油污面積較大時,需在污染的橋梁表面噴淋工業金屬清潔劑(一種水溶劑的堿性乳化劑),浸潤一段時間后,用硬毛刷清理表面使油污與清潔劑充分混合,最后采用淡水進行清潔。

3)減震墊鋪設。在減震墊鋪設之前,需切除底座板、限位凸臺放樣時鋼筋樁露出混凝土的部分,并保證臺座的平整度及整潔性。為了簡化現場施工流程并優化減振墊的橫向鋪設方法,我們決定執行以下三個步驟:a.依據現場鋪設所需的寬度標準,對減振墊進行了無損的切割處理,以確保減振墊最終產品的質量。b.根據橫向鋪設的設計方案,需要鋪設減振墊,并確保減振墊浮置板之間的縫隙寬度不超過10 mm。此外,還需使用特質密封搭條進行覆蓋,并用三排鉚釘將這些密封搭條牢固地固定在減振墊上。c.當減振墊被正確鋪設后,上卷的頂部首先被土工布所覆蓋,并采用橡膠密封帶進行了密封處理。另外,為了確保雜質不會滲透到減震墊的底部,我們在減震墊的上部邊緣使用了土工布進行覆蓋,確保每一面的包裹寬度不少于100 mm。

4)軌道粗調。我們采用了直角道尺和萬能道尺,并參考了鋪軌基標的相關標準,通過鋼軌支撐架的支撐桿對軌道的幾何形態進行了初步的調整,并對連接用的螺栓進行了穩固固定。根據現場情況,確定出不同地段所需的高度以及鋪設位置,然后按照上述方法將軌道整體安裝到位。在調整軌道的過程中,我們必須確保標高、軌距和水平方向的偏移都不會超過±5 mm,同時也要確保軌道的外觀是平直的或者是圓潤的。

5)軌道精調。當CPⅢ控制網的復測精度達到了預定的設計標準,就可以對軌道進行精細調整。可以采用先進的軌道幾何狀態測量儀、徠卡TS16全站儀和徠卡GPR121棱鏡等設備,將經過線性擬合的平面、縱斷面、超高值和任意設站控制點等數據輸入到軌道幾何狀態評估系統中,以確保數據的準確性和可靠性。全站儀可以自由設置任意的控制點來設置站點,一旦儀器的位置被確定,就可以與軌道幾何狀態測量儀配合進行測試。每個站點的實際測量距離都不應超出70 m的限制。另外,全站儀一般被設置在線路的中線附近,因此測站觀測的控制點數量不應少于3對。在測站發生位移之后,相鄰的測站在進行重疊觀測時,其鋪軌控制點的數量不應低于1對。

在進行軌道的精細調整時,我們采用了全站儀來觀察軌道軌檢測量儀上的棱鏡,并把該測量儀移到了需要測量的位置。借助分析軟件,我們有能力計算出目前的軌道位置與預定設計位置之間的偏差,并將這些偏差數據以一種量化的形式呈現出來。接下來,我們會手動調整軌道的平面和高度,確保軌道的真實位置處于設計允許的誤差范圍之內。通過這種方式,我們能夠確保軌道運行的準確性和穩健性,從而為列車的安全行駛提供堅實的保障。

在測站位置發生位移之后,為確保測量的準確性,建議對上一個測站的最后五個測點進行重復測量,同時確保平面的橫向偏差與高程的差異不超過2 mm。在施工中可將該點按一定間隔分成若干組進行反復測定并記錄每組數據,以獲得相應點位的位移量及高差等資料。測站的誤差和混凝土澆筑后的差值是通過人工順差方法來計算的,順差長度為1/10 000 m。

2.3 主橋段施工流程

主橋段為雙層高度預應力鋼桁架結合梁橋,屬于柔性橋梁體系。因此,為保證無砟軌道施工完成后軌道的變形始終處于設計容許值,采用堆載預壓法進行施工。具體工藝流程如圖3所示,主要包括:預壓準備、監測點布置、線形監測、線形擬合、分段卸載、梁面線形監測、軌道精調施工、分段鋪軌等。

2.4 主橋段施工方案

結合主橋預壓堆載隔離式減震墊施工要求及技術特點,圍繞監測點布置及測量、主橋段線形擬合以及無砟軌道施工方面,針對關鍵性施工技術方案進行研究。

1)監測點布置及測量。考慮到預壓水帶后期會覆蓋橋面,影響監測點觀測,因而結合橋梁線形現有監測方案,監測點選擇在鋼桁梁支點對應的軌道層兩面上,并左右對稱布置。此外,為盡量減少環境溫度對監測結果的影響,電子水準儀監測時間點應當優先選擇在溫度較為均勻的時刻,如22:00至6:00,且測量溫度應當控制在(20±5)℃內。當橋面監測完成后,應及時與橋梁設計單位互通數據,明確橋梁線形偏差。

2)橋梁線形擬合。當橋梁進行分段加載后,對其進行連續3 d變形監測,并于設計單位互通數據,明確橋梁荷載與主橋線形的精準對應關系,并進行線形擬合。而后,依據加卸載與橋梁變形的影響關系,設計鋪軌基標的測設時間、軌道精調時間以及混凝土澆筑時間。

3)無砟道床施工。無砟軌道布設引起的恒載可能對橋梁線形影響,因而基于等量置換原則,采用邊卸載邊施工工藝,解決軌道鋪設對橋面線形的影響,進而減少軌道精調梁面補償值,提高無砟道床施工效率。此外,為盡量減小無砟道床施工對橋梁線形的影響,施工工程中應遵循“先邊跨,后主跨,由邊向中對稱施工”的技術原則,見圖4。

圖4顯示了主橋無砟軌道施工區段分布圖。首先,針對兩層邊跨①②進行卸載,并在卸載后、模板鋪設后、軌道鋪設后分別進行3次橋梁線形監測;而后,將兩側邊跨③④進行卸載,并依舊在卸載后、模板鋪設后、軌道鋪設后進行橋梁線性監測;依據上述步驟,依次針對邊跨+主跨⑤⑥、主跨⑦⑧、主跨⑨⑩、主跨進行卸載和無砟軌道施工,直至完成主橋無砟軌道鋪設。

3 無砟軌道鋪設質量控制

3.1 軌道狀態質量控制

采用現場“架軌法”進行無砟軌道的施工。為確保無碴軌道鋪設時不會出現斷軌現象,必須嚴格控制好每道工序。在開始施工之前,必須對底板的質量和大小進行深入的檢查,并在滿足設計標準后進行適當的鑿毛操作,確保道床混凝土與基底之間的緊密結合。另外,還需對道床表面平整度等相關指標實施監控。在布置無砟軌道的過程中,采用了基標,并對軌道的中線、方向、標高和軌距進行了初步和精細的調整,同時在施工過程中持續進行檢查,確保軌道的縱向和橫向位置以及標高都是精確的。另外,還需對道床表面平整度以及接縫狀況等方面進行全面檢測,發現問題及時解決,避免影響行車安全。另外,值得一提的是,在道床混凝土達到70%的設計強度之前,需要與鋼軌發生碰撞,并在道床上施加重量。

3.2 軌排模板質量控制

為防止后續混凝土施工擾動對軌排空間位置造成影響,需對軌排支撐架進行加固。計劃每兩塊道床板范圍設置5個軌排支撐架,且每塊板內共有10對短軌枕,支撐架安裝每隔4對軌枕再安放一個支撐架。基于上述原則,保證支撐架之間相對距離2.4 m左右。此外,為防止支撐架歪斜導致道床變形,需在支撐架兩端設置撐桿,一端支點支撐在軌排支撐架上,另一端支點置于鋼箱梁面凸臺上,防止支撐架由于左右受力而傾斜。同時,在相鄰支撐架之間設置拉桿,以固定支撐架并抵消來自前后縱向的力。考慮到道慶洲大橋有部分為鋼桁梁,在模板安裝過程中下部無法打孔固定,因此需要撐桿支撐模板下端以固定模板下部。在模板上端采用特殊加工的專用固定模板拉鉤,把拉鉤一端鉤在鋼軌內側,另一端鉤在模板上確保模板不因外力而發生位移。

3.3 混凝土質量控制

無砟軌道施工過程中,混凝土道床質量對工程項目整體質量具有重要影響,因而必須加強對混凝土施工質量的控制,防止裂縫、沙孔等質量缺陷。目前,混凝土裂縫產生的原因主要包括:外荷載(動載或靜載等)、結構變形(溫度、不均勻沉降等)、施工質量(振搗、養護、吊裝等)、設計不當(配比問題等),常見的缺陷類型主要包括塑性裂縫、溫度裂縫、外觀缺陷等。

塑性裂縫是由于混凝土澆筑完成后,其表面沒有得到及時的覆蓋,并因風吹和日曬導致游離水分快速蒸發,從而引發混凝土急速收縮而形成的一種裂縫現象。這類裂縫通常會出現在結構的表面,其形狀和長度各不相同,短的裂縫范圍僅為20 mm～30 cm,而長的裂縫可以擴展到2 m～3 m,寬度則在1 mm～5 mm之間,這與干燥后的泥漿面有相似之處。塑性裂縫主要是由于使用了收縮率較高的水泥、過量使用細砂和粉砂、水灰比過高,以及模板過于干燥等因素造成的。這些因素都會導致混凝土在初始階段的體積收縮較大,但由于混凝土強度尚未形成,無法抵抗這種變形能力,從而出現裂縫。為防止塑性裂縫的產生,可以采取措施如及時覆蓋保濕、選擇合適的水泥和骨料、控制水灰比等。目前,主要從降低混凝土避免水分蒸發速度、減小混凝土表面收縮、提高混凝土避免強度形成速率三個方面實施預防,例如:在混凝土中添加鋼纖維以提高抗裂強度、采用潮濕的草袋覆蓋混凝土表面以防止水分散發、振搗密實以保證混凝土的強度等。

在梁和板類結構中,溫度引起的裂縫通常出現在長度和尺寸較大的部分,這些裂縫大多與短邊平行,并且其走向并沒有固定的模式。深度裂縫和貫穿性裂縫通常與短邊方向呈平行或近似平行狀態,這些裂縫會沿著長邊進行分段,并且在中間區域更為密集。裂痕的寬度通常落在0.5 mm～1.0 mm的范圍內。由熱脹導致的溫度裂縫特點是中心部分較粗,而兩側則較細;冷縮產生的裂縫在粗細上的差異并不顯著,其寬度不超過0.5 mm。在施工的中后階段,溫度裂縫通常會出現,而這種裂縫的形成與溫度差異有著緊密的聯系。在水泥水化的過程當中,會產生大量的熱能(502 J/g),這些熱能主要是在完成澆筑后的7 d內集中釋放的。如果按照350 kg/m3～550 kg/m3的水泥使用量來計算,每立方米的混凝土會釋放出17 500 kJ～27 500 kJ的熱量,導致大約70 ℃的溫度升高。對于混凝土結構而言,其表面與內部的散熱效果存在顯著差異,因此會在內部形成溫度梯度,造成溫度應力。當混凝土的溫度應力差超過其抗裂強度時,就會產生開裂,且這種裂縫一旦產生,會隨著時間延長而不斷擴展,甚至會達到貫穿,對混凝土結構力學特性產生巨大影響。目前,針對該類裂縫,主要通過:選擇低水化熱材料以直接降低混凝土內部溫度、延長混凝土水化熱釋放時間以緩解混凝土內外溫差、施工工藝改善以緩解混凝土內外溫差。

外觀缺陷主要指氣泡、麻面、掉角、色差等缺陷。氣泡、麻面最為常見,其產生原因與混凝土和易性、振搗質量密切相關。低和易性、差振搗質量的混凝土更容易出現;混凝土表面顏色不一致的主要原因在于拌合物配比控制不嚴,導致前后批次混凝土配比差異,混凝土模板清洗不干凈導致表面含有斑點和雜物,振搗時間過長導致混凝土局部離析等;掉角現象的產生與混凝土的支模質量密切相關,模板不牢固、模板變形等諸多因素都會引起該缺陷。因此,在混凝土澆筑過程中,要嚴格控制混凝土的配合比、振搗質量、支模質量、模整潔度,并做好后期保護工作,保證混凝土的最終施工質量。

3.4 安全生產質量控制

為保障工程項目的安全施工,需圍繞施工現場、施工機械、施工用電、起重作業等諸多方面設置對應安全生產質量控制措施。在施工現場方面,所有的材料、設備、安全指示牌應放置在規定位置,且施工現場做到“四通一平”。在施工機械方面,機械設備使用之前必須對其進行相應的安全檢查,保證投入設備運行工況良好;設備運行過程中,對設備進行定期保養,發現設備運行狀態變化時,及時進行處理,保證設備的正常使用;設備的操作人員必須經過相關的培訓,合格以后方可持證上崗。關于施工用電,各個單位都會對管段內的施工用電和各類電器設備實施日常維護管理,并采納三級配電與二級保護的策略。對于大型機械和電氣設備以及其他需要經常操作的地方,應安裝漏電保護裝置。電力設備采用了一機一閘一漏一箱的設計,并搭配了對應的漏電保護裝置。為了防止觸電事故的發生,應將變壓器與線路分開安裝,并設置接地保護裝置。另外,在進行金屬容器或特別濕潤環境的操作時,必須采用12 V的安全電壓。在起重作業方面,所有的起重設備必須通過嚴格的安全檢查,且在作業過程中嚴格遵守“十不吊”“七禁止”原則。當進行高空作業時,需按照規定佩戴安全帽、系安全繩、掛安全網。

4 結論

為促進剛柔復合型無砟道床施工技術進步,結合福州市軌道交通6號線項目成功案例,總結了復合型無砟軌道施工技術方案以及對應的施工質量控制措施,主要結論如下:1)在進行剛性無砟軌道的施工時,必須嚴格遵守一系列的施工流程,包括施工前的準備工作、基礎標準的測量和設置、橋面系數的評估、走行軌的安裝、橋面的清潔、隔震墊的鋪設、軌排的組裝和架設、軌道的粗調、道床鋼筋網的綁扎、防迷流端子的焊接、模板的安裝、軌道的精調、混凝土的養護和拆除,以及質量的檢測。2)對于柔性軌道,應保證施工過程中軌道線形滿足設計要求,同時應遵循“先邊跨,后主跨,由邊向中對稱施工”的技術原則。3)在無渣軌道鋪設過程中,應嚴格控制軌道狀態質量、軌排模板質量、混凝土澆筑質量以及安全生產質量,保障無砟軌道項目的順利實施。