北京市軌道交通大興線梯形軌枕機械鋪設(shè)法施工技術(shù)

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(shè)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(qū)間共計鋪設(shè)雙線累計1 520 m。該工程的工期異常緊張,根據(jù)業(yè)主要求，計劃梯形軌枕施工要在11 d內(nèi)完成,采用現(xiàn)有工法無法按期完成。且梯形軌枕單元預(yù)制塊為定尺直線形式,實現(xiàn)梯形軌枕無砟軌道位于曲線地段線路的圓順有一定技術(shù)難度。此外,韓天區(qū)間運輸線路較為復(fù)雜,車站端部人防門位于曲線上,人防門處的門框?qū)挾?凈寬3600 mm)較小,軌道運輸平板在通過人防門時很可能出現(xiàn)梯形軌枕軌排橫向失穩(wěn),施工運輸困難。

2 現(xiàn)有工法缺點

地下線梯形軌枕無砟軌道現(xiàn)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(yù)留下料口吊裝線路料,再通過人工倒運至鋪軌作業(yè)面、人工卸料、架軌、泵送混凝土等環(huán)節(jié)實現(xiàn)軌道預(yù)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(yè)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(xiàn)有工法改為機械鋪設(shè)法,需對諸多環(huán)節(jié)進行論證及試驗,如現(xiàn)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(nèi)的運輸、現(xiàn)場軌道架設(shè)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(fù)核

基地設(shè)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(zhì)量為13 t左右,而4節(jié)梯形軌枕組裝成25 m軌排后的整體質(zhì)量勢必大于13 t,因此龍門架的吊裝能力需進一步復(fù)核。梯形軌枕軌排由4片單元預(yù)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(zhì)量組成分析如下

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

(1)

式中G——軌排總質(zhì)量;

Z——梯形軌枕單元預(yù)制塊質(zhì)量,Z=4×3=12 t;

B——2根標準軌質(zhì)量,B=1.5×2=3 t;

K——扣件總質(zhì)量,K=80×0.015=1.2 t;

J——鋼軌支撐架總質(zhì)量,J=9×0.07=0.63 t;

D——吊具總質(zhì)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(tài)荷載。當垂直靜態(tài)撓度

2臺龍門架額定吊裝能力為200 kN,每臺分擔(dān)荷載為85.035 kN,計算得每個龍門架的中部靜態(tài)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(nèi)運輸?shù)奈粗蛩剌^為復(fù)雜,從安全角度考慮,軌排洞內(nèi)吊裝采用3臺小龍門吊聯(lián)合作業(yè),洞內(nèi)小龍門吊吊裝運行速度規(guī)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(nèi)小龍門吊吊裝梯形軌枕軌排

3.2 基地內(nèi)組裝梯形軌枕軌排

由于梯形軌枕軌排質(zhì)量遠大于普通軌排質(zhì)量,故洞內(nèi)人工調(diào)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(jù)單元預(yù)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(yù)制塊的內(nèi)外邊相錯量,根據(jù)相錯量進行軌排拼裝,則可避免曲線段的人工大量調(diào)整軌道橫向位置。

緩和曲線內(nèi)的內(nèi)外邊相錯量計算公式

(2)

圓曲線內(nèi)的內(nèi)外邊相錯量計算公式

(3)

式中L——緩和曲線或圓曲線內(nèi)的內(nèi)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(nèi)運輸

洞內(nèi)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(qū)間左線在K21+457以及K21+463.9處各設(shè)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(fā)生軌排橫向滑移,另一種是平板車通過人防門時軌排發(fā)生橫向滑移,若滑移量較大,很可能出現(xiàn)軌排結(jié)構(gòu)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(xiàn)象的發(fā)生是軌排洞內(nèi)運輸?shù)年P(guān)鍵。

通過分析,可以將軌排橫向失穩(wěn)歸結(jié)為軌排與平板車之間的靜摩擦力大小和一定時間內(nèi)軌排產(chǎn)生的動量所決定。軌排在運行的平板車上發(fā)生橫向失穩(wěn)與以下因素有關(guān)：軌排自身質(zhì)量(G)、軌排與平板車相接觸的部位的摩擦系數(shù)(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(zhì)量2G。根據(jù)相關(guān)資料,兩種介質(zhì)之間的摩擦系數(shù),混凝土與鋼之間干燥摩擦系數(shù)為0.4,而木材與鋼之間干燥狀態(tài)摩擦系數(shù)為0.5,故為了增加摩擦系數(shù),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(jīng)過現(xiàn)場試驗,方能確定現(xiàn)場通過曲線實際速度,經(jīng)過現(xiàn)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(nèi)運輸

3.4 洞內(nèi)吊裝

平板車的車輪應(yīng)設(shè)置鐵靴,防止滑行。3臺龍門吊共同作業(yè)時,要專人指揮,口令統(tǒng)一、清晰,司機操作熟練,配合默契。

軌排運至鋪軌作業(yè)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(yè)限速1 km/h。

圖4 梯形軌枕軌排洞內(nèi)吊裝(單位：m)

3.5 架設(shè)及施工區(qū)段劃分

經(jīng)研究確定軌排架設(shè)需通過人機配合,且施工作業(yè)應(yīng)劃分為數(shù)個區(qū)段：準備階段區(qū)(含基標測設(shè)、基底清理、L底座鋼筋綁扎)；軌排鋪設(shè)區(qū)(含軌排鋪設(shè)、架設(shè))；軌道精調(diào)區(qū)(含軌道幾何尺寸的調(diào)整)；模板安裝區(qū)；混凝土澆筑區(qū)。確保各區(qū)段循環(huán)流水作業(yè),提高工效。

4 機鋪工法實際應(yīng)用

4.1 軌道幾何形位調(diào)整

在地鐵軌道工程施工中,軌道幾何形位的調(diào)整是軌道施工的核心環(huán)節(jié),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(shè)備的使用壽命和養(yǎng)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(xiàn)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(diào)整扣件橫向偏移來實現(xiàn)軌枕在曲線上的圓順。

(1)軌道中線方向調(diào)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(diào)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(guī)范對軌道的要求,所以應(yīng)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(nèi)側(cè)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(shù)值可由表1查得。

(2)軌道軌面高度調(diào)整

表1 曲線超高地段L形軌道卡尺調(diào)軌修正值 mm

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

圖5 軌道軌面高度調(diào)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(shè)計位置,再通過萬能道尺,根據(jù)曲線超高得到下股軌面高程。

(3)復(fù)查軌道方向

由于軌道高度的調(diào)整,會對軌道方向產(chǎn)生一定的影響,因此在軌道軌面調(diào)整后,再次對軌道方向進行復(fù)查,發(fā)現(xiàn)變化時要重新調(diào)整軌道方向直至達到0誤差位置。

(4)軌道幾何形位精確調(diào)整

由于梯形軌枕均為直線型設(shè)計,在曲線地段通過扣件橫向偏移來實現(xiàn)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(shè)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(diào)整后,使得鋼軌軌面高度已經(jīng)滿足設(shè)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(yīng)的弦弧距為8 mm,應(yīng)通過計算每個扣件位置對應(yīng)的曲線偏移量,之后通過軌距塊調(diào)整來實現(xiàn)曲線的圓順。

圓曲線軌道中線方向精確調(diào)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(yīng)弦弧距的一半調(diào)整軌道偏移。

緩和曲線軌道中線方向精確調(diào)整:由于緩和曲線為高次函數(shù),數(shù)據(jù)計算比較復(fù)雜,因此為了簡化計算,在滿足規(guī)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(nèi)逐漸遞變至0,因此每米遞變率0.050 3 mm,根據(jù)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(xù)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(zhì)量以及節(jié)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(diào)后進行模板安裝作業(yè)。

若一次澆筑成型,則強度較高的鋼模不便于應(yīng)用,因此采用木模。首先要求軌枕內(nèi)側(cè)的模板應(yīng)該是封閉的,但考慮側(cè)向混凝土的壓力會對模板產(chǎn)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(shù),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(chǎn)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(cè),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(cè)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(zhì)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(chǎn)生的氣流,確保底座內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實,避免底座表面出現(xiàn)蜂窩、麻面等現(xiàn)象。

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

5 結(jié)語

梯形軌枕鋪設(shè)經(jīng)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(chǎn)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(zhì)量方面,1 200 m半徑曲線軌道幾何形位的調(diào)整是軌道施工的關(guān)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(zhì)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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