城市軌道交通高精度裝配式軌道關鍵技術及應用成效*

吳 俊

(中鐵上海設計院集團有限公司, 200070, 上海)

結合交通強國戰略形勢下城市軌道交通的發展需求,深入貫徹標準化、智慧化及精細化等先進技術發展理念,探索實踐低碳裝配建造技術。針對當前城市軌道交通軌道結構存在的施工精度不足,施工裝備落后,維修手段欠缺,設計、制作、施工、運維等階段未形成系統化的體系等問題,按照標準化設計、工廠化制作、機械化施工、高精度控制、全壽命管理的總體思路,系統化開展了裝配式軌道結構理論研究、方案設計和試驗驗證,以及軌道結構狀態在線監測等關鍵技術的研發等工作,形成了高精度預制裝配技術、節能施工裝備技術、綠色建造技術及智能監測技術,提升了軌道結構建設與運維品質。

1 城市軌道交通裝配式軌道關鍵技術

1.1 裝配式軌道技術體系

1.1.1 裝配式軌道設計理論體系

根據上海軌道交通全線網條件和軌道結構要求,圍繞裝配式軌道全壽命周期安全管理理念,面向設計、制造、施工的高精度建造,構建了城市軌道交通裝配式軌道設計理論體系。

1) 軌道型式研究和仿真評估:提出了凹槽底座+隔離層+自密實混凝土及鋼筋+非預應力鋼筋混凝土預制平板組合的預制軌道板、預制道岔板、預制減振軌道板結構型式,建立了仿真模型,進行了預制軌道結構力學分析和安全性分析,綜合評估了軌道板損傷工況下的結構性能。裝配式軌道結構型式見圖1。

圖1 裝配式軌道結構型式

2) 綜合試驗和指標體系構建:在理論分析的基礎上,開展了靜力、動力及疲勞試驗,試驗結果表明軌道板強度滿足要求。提出了特殊軌道板的理論-試驗綜合檢驗方法,驗證了軌道板在列車荷載場-溫度場等多場耦合條件下的性能特征,構建了軌道板的安全性、適用性及功能性指標體系。

3) 軌道狀態協同評估:形成了裝配式軌道理論分析、實驗室試驗和現場狀態監測組合的理論-設計-施工-運維一體協同評估方法,建成了面向軌道交通運維安全管理需求的軌道狀態評估體系。

1.1.2 裝配式軌道結構設計技術

針對城市軌道交通不同工程條件和環境條件,形成了針對不同線下基礎、減振需求、線形、鋼軌扣件、專業接口的裝配式軌道結構設計技術[1]。結合盾構偏差情況,軌道板寬度分為2.1 m和2.3 m;結合不同曲線線型,軌道板長度分為3.5 m和4.7 m;結合不同減振需求,軌道板分為普通軌道板和減振型軌道板。

1.1.3 自密實混凝土制備技術[2]

根據城市軌道交通工程特性,研制適合于城市軌道交通應用場景的高性能自密實混凝土材料。根據現場施工情況,研制商品自密實混凝土和工廠預拌干混自密實混凝土,并通過現場性能檢測和揭板試驗驗證,解決了現場施工過程中,由于運輸距離和時間所帶來的性能保持難題,保證了工程施工進度和質量。

1.1.4 軌道板高精度制造技術

形成了鋼筋混凝土軌道板流水機組法、矩陣單元法生產工藝[3],首次實現了城市軌道交通裝配式軌道板的規模化生產。

自主研發了高精度軌道板模板和智能化養護控制系統,制定了針對性的工藝,解決了軌道板混凝土收縮不均勻、溫度分布線性等多種因素作用下的軌道板平面度控制難題,實現了毫米級制造精度。

1.2 基于高精度控制網的軌道精密測控技術

1.2.1 軌道精密測控網技術體系

為了滿足裝配式軌道結構的穩定性和平順性,確保高精度施工,研發了基于高精度控制網的軌道精密測控技術[4]。該技術體系可貫穿整個裝配式軌道施工期[5]及運營維護期,具有相鄰精度高、定位準確、永久性好、控制范圍長、易使用等眾多優點。軌道精密測控網布設平面示意圖如圖2所示。

1.2.2 裝配式軌道施工測控技術

1.2.2.1 軌道板基底施工測控

軌道板基底施工采用現場綁扎鋼筋、模筑混凝土的施工工藝,利用軌道精密測控網[6]放樣出基底的底座中心線、底座邊線、伸縮縫位置及凹槽中心線位置,消除誤差以便于精確裝配。

1.2.2.2 預制軌道板安裝測控

1) 預制軌道板進場質量檢測。通過預制板快速檢測軟件檢查每塊預制板的關鍵部位相對里程偏差、偏距偏差、高程偏差、螺栓孔位相對間距及高程偏差。結合預制板扣件螺栓孔的位置,按照設計尺寸配套設計測量工裝。通過工裝的擬合,采集螺栓孔中心點的高程和坐標,對比理論數據,確定孔位的偏差,指導現場精調作業。

2) 軌道板布板、精調技術。通過預制板精調軟件系統導入線路參數及測量點位的理論三維數據。并通過擬合線型、采集數據、分析判斷等方式對預制板的位置進行精確定位,實現預制軌道板的精調。

1.2.2.3 自密實混凝土層施工監測

依托軌道精密測控網,利用檢測技術對自密實混凝土充填層灌注過程中的軌道板空間狀態進行監測。

1.2.2.4 軌道線路施工測控

采用軌道精密測控網,利用預制板軌道檢測技術對軌道線路狀態的中線、高程、水平及軌距等幾何參數進行連續、全面的檢測及精確調整。

1.2.3 軌道結構質量驗收

在長鋼軌應力放散和鎖定完成后,基于軌道精密測控網采用全站儀自由設站方式配合軌道幾何狀態檢測小車進行軌道線路竣工量測,可將軌道主要質量指標控制在±1 mm。

1.2.4 軌道結構維護

將軌道精密測控網移交至運營維護部門后,可實現對軌道設備空間位置、軌道線型尺寸的檢測,通過軌檢小車可實現對軌道自身幾何狀態的檢測。

1.3 自變形輪胎式成套施工裝備體系

1) 高效、綠色、智能的成套裝備技術。新能源無軌系列施工裝備,由自變形輪胎式軌道施工車[7]、自適應斷面工程運輸車[8]、自變形輪胎式混凝土施工車和組合工裝組成。成套施工裝備采用輪胎式及曲面行走萬向輪結構,使其可以無需借助臨時軌道在非平面運行,并能保持車身平穩,達到了適應各類結構斷面型式的目的;同時采用全新的能源控制系統,在工作時不產生廢氣,噪聲小,可改善現場施工作業環境,實現綠色施工。新能源施工車在等待停止時不消耗電量,在制動過程中電動機可自動轉化為發電機,實現制動減速時能量的再利用,節約能源,降低碳排放。同時設備結構簡單,運轉、傳動部件少,維修保養工作量小。

2) 智能化施工裝備管理平臺。該平臺可進行在線檢測車輛信息,包括監視車輛的實時位置、監視車輛是否出現故障、車輛現場施工畫面的回傳、車輛維修及保養檢測情況、車輛月工作量統計等。通過智能化施工裝備管理平臺,可實現對設備的集中統一管理,對不同類型車輛進行集中監控,以及可以不分區域、時間地實現交叉作業的統一管理。該管理平臺可支持手機APP(應用程序)終端連接及數據存儲,施工畫面的存檔,以及車輛剩余能源監測、遠程發送指令等。

1.4 軌道狀態在線監測系統及管理平臺

基于自動采集-實時傳輸-智能評判技術的軌道狀態在線監測系統,跟蹤軌道重點地段,動態監測軌道狀態和振動噪聲敏感區段指標[9]。該系統可構建列車運行品質與軌道結構狀態數據平臺,對現場信息進行多維度實時數據展示,結合大數據分析實現提示預警等功能。該平臺采用分布式監測體系,根據軌道安全和振動噪聲的需求,對軌道線路狀態進行有效實時監測。監測數據可為技術方案的決策提供支撐,并實現安全和環保預警。

基于裝配式軌道運維安全管理需求的在線監測系統,在軟件端采用從端到云基于物聯網技術的智能邊緣系統。該系統可以深度挖掘裝配式軌道結構的特點和輪軌動力學耦合模型,根據專業需求定制化地開發產品;相較于國外同類產品,該系統具有性價比高、備件供應順暢、底層軟件可定制化開發等突出優點,是符合目前國內技術和整體國情,同時滿足軌道在線智能維護系統的最優監測解決方案。

基于運維安全管理需求的軌道在線智能維護系統實現了監測數據統計、當日數據展示、歷史數據統計、實時大屏展示等功能,可通過電腦端和手機端簡單操作,極大地提高了業主與施工單位的工作效率,相關人員可以直觀、便捷地了解項目進程與監測數據統計情況,經過一段時間的數據積累即可根據病害發展曲線,結合現場實際情況預測裝配式軌道結構病害發展趨勢,為裝配式軌道結構養護維修方案的制定提供依據。

軌道狀態在線監測系統已應用于上海軌道交通18號線(以下簡稱“18號線”)、上海軌道交通10號線(以下簡稱“10號線”)等多條運營線路的在線跟蹤、評估及監測。經過長期的試驗及測試,發現該系統可實現對軌道結構多維度動態參數的數據采集分析與病害庫整理。

1.5 裝配式軌道標準體系

1) 目標、范圍和原則。為適應上海城市軌道交通全線網裝配式軌道技術的要求,涵蓋裝配式軌道的設計—施工—運維全壽命周期,執行分類科學、結構合理、數量適中、覆蓋全面、拓展可行的原則,構建了基于設計—施工—運維的全壽命周期裝配式軌道標準體系。該體系包含城市軌道交通裝配式軌道的設計、施工裝備及運維養護領域專業相關的地標、行標及團標,打通了全壽命周期裝配式軌道技術各環節,提高了城市軌道交通裝備標準化管理水平。

2) 構建裝配式軌道標準體系。裝配式軌道標準體系以城市軌道交通線網軌道結構為目標,對軌道工程建設、運營管理、技術裝備及資源經營等標準進行全面梳理和研究,形成符合行業建設、運營管理的標準體系,貫穿軌道系統的全壽命周期,為軌道系統設計、部件加工制造、施工驗收及運營維護等各階段提供標準的體系文件。標準體系的建立為裝配式軌道的維護提供了專項標準的規定與支持。

2 裝配式軌道技術的應用成效

隨著上海城市軌道交通軌道預制裝配化進程的不斷推廣,上海軌道交通12號線(以下簡稱“12號線”)預制軌道試鋪成功,后續通車運營的上海軌道交通二期建設項目包括5號線南延伸、9號線三期、13號線、17號線、14號線、15號線、18號線等,已全面應用裝配式軌道技術,裝配式軌道鋪設長度約187.09 km;新一輪上海軌道交通三期建設項目包括19號線、20號線、21號線、23號線、崇明線等,預計將鋪設裝配式軌道約260 km。

目前,裝配式軌道技術的應用取得了以下成效:

1) 有效提高了軌道結構的建造精度,全部指標甚至包括部分原有厘米級指標均提高到毫米級,道岔尖軌及轍叉等重點部位的施工偏差均不大于1 mm,使得軌道初始平順狀態大幅提升。同時裝配式軌道幾何形態(平順性、穩定性)保持能力較好,具有良好的抵御下部結構變形及變形積累的性能,其鋪設完成后,能提供更為平順、穩定的走行軌道。因此,采用本技術后可延長軌道結構維修周期,減少20%～30%的養護維修工作量。

2) 通過提升軌道建設質量,可以較大幅度提高軌道結構的優良幾何形位狀態以及穩定性、平順性等指標,從源頭上減緩振動和噪聲問題的發生和發展速率,提高列車行駛的平穩性和舒適性。上海近期通車的城市軌道交通線路的列車運行平穩性指標均達到優秀,TQI(軌道質量指數)明顯低于既有線網平均水平。

3) 無軌系列施工裝備可滿足城市軌道交通施工的各種工況需求,減少了其他設備的投入,節約了大量的設備成本和施工時間。通過與實際測量相比,單項工作效率提高了18%,相對人員減少了50%。

4) 軌道狀態在線監測系統及管理平臺的應用,使得人工巡檢工作量減少30%～40%,維保工作效率提升20%～30%,設備病害檢出率提高30%～40%。

5) 減少了城市軌道交通列車運行的環境影響。通過軌道結構的優良幾何形位狀態,提高列車行駛的平穩性和舒適性,從源頭上減緩振動和噪聲問題的發生和發展速率,減輕列車振動對乘客和沿線居民的影響。采用裝配式軌道技術的線路運營至今,軌道結構服役狀態良好,其振動源強較現澆道床降低了4～5 dB,提升了周邊居民的居住體驗。

3 結語

1) 結合上海軌道交通全線網條件和軌道結構要求,研發了城市軌道交通普通鋼筋混凝土系列軌道板設計技術,在保證結構安全的同時簡化制造工藝,從而提高經濟性。

2) 基于綠色動力技術的自變形輪胎式成套施工裝備可適應于圓形及矩形斷面的隧道結構;提出基于自變形輪胎式成套裝備的隧道內交互作業施工方法,極大地提升了裝配式軌道的施工效率。

3) 構建了適用于城市軌道交通的軌道精密測控體系,并將該體系貫穿于生產制造、施工、驗收及運營各個階段。

4) 研發了基于自動采集—實時傳輸—智能評判技術的軌道狀態在線監測系統,構建了列車運行品質與軌道結構狀態數據平臺,提升了裝配式軌道結構養護維修的智能化和信息化水平。

5) 形成了涵蓋前期設計、工程建設、運營維護、大型施工裝備及軌道產品性能評估等方面的標準化體系文件。