裝配式軌道成套技術(shù)在蘇州地鐵中的優(yōu)化應(yīng)用

王占生，陳 鵬，徐壽偉，翟貝貝，代 彪

（1. 蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215004；2. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司北京市軌道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，北京 100037；3. 中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100036）

我國的城市軌道交通正處在快速發(fā)展期。軌道作為承載并引導(dǎo)列車安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)類型目前仍以現(xiàn)澆整體道床為主，這種軌道結(jié)構(gòu)在部分運(yùn)營線路上存在施工質(zhì)量控制不佳、線路平順性差、病害多等問題。鑒于此，近些年部分城市開始探索并嘗試“預(yù)制式軌道”的技術(shù)，并進(jìn)一步提出了“裝配式軌道”技術(shù)理念，將裝配式建造理念融入軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造及施工中，形成了新一代軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)體系[1-2]。

1 預(yù)制板式軌道的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 高速鐵路

我國的高速鐵路技術(shù)已走在世界前列，其中板式軌道在總結(jié)日本及德國應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了CRTS Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)[3-5]。目前在建高鐵線路的板式軌道均采用了此種形式。

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道，由鋼軌、彈性扣件、預(yù)制板、自密實(shí)混凝土層、隔離層、彈性緩沖墊層以及具有限位結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土底座等部分組成(見圖1)。預(yù)制板下設(shè)門型鋼筋，在自密實(shí)混凝土灌注后，通過門型鋼筋，使預(yù)制板和自密實(shí)混凝土層連接成為一體，形成“復(fù)合板”結(jié)構(gòu)。自密實(shí)混凝土層與底座板之間設(shè)置兩層土工布，底座板中部設(shè)置限位凹槽，與上部自密實(shí)混凝土層相連，凹槽內(nèi)側(cè)填充彈性墊層。

圖1 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道Figure 1 CRTS Ⅲslab ballastless track

CRTSIII型板式無砟軌道主要根據(jù)高鐵線路及工況特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工便捷、穩(wěn)定耐久、方便維修的特點(diǎn)。

1.2 城市軌道交通

上海地鐵在國內(nèi)率先借鑒了高鐵CRTS Ⅲ型板式軌道技術(shù)，在城市軌道交通領(lǐng)域開展了預(yù)制板式軌道技術(shù)的研究，并在上海地鐵12、16、17號線完成了預(yù)制軌道板試驗(yàn)段，隨后在整個線網(wǎng)中推廣使用。

西安地鐵于2017年在4號線鋪設(shè)了減振墊板式軌道試驗(yàn)段，主要采用了預(yù)制板(復(fù)合減振墊)+自密實(shí)混凝土+板兩側(cè)混凝土擋臺的方案(見圖2)。

圖2 西安地鐵4號線板式減振軌道Figure 2 Vibration-damping slab track of Xi’an Metro Line 4

除上海、西安地鐵外，北京、天津、深圳、成都等地鐵也在逐步采用預(yù)制板式軌道，板式軌道已成為未來城市軌道交通軌道技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前，城市軌道交通板式軌道的應(yīng)用主要存在以下問題：

1) 施工工藝及工序仍顯復(fù)雜?；炷恋鬃杼崆斑M(jìn)行澆筑，并預(yù)留水溝及限位凹槽，隔離層與限位凹槽緩沖隔離層需采用人工鋪設(shè)施工，受城市軌道交通地下線空間狹小的影響，鋼筋綁扎、模板支立的施工更加困難。

2) 自密實(shí)混凝土一般采用市區(qū)內(nèi)的商品砼，原材料控制、拌制、運(yùn)輸要求高，澆筑質(zhì)量難以保證，且成本較高。

3) 預(yù)制板精調(diào)需人工操作。預(yù)制板吊裝就位后，需在軌道板起吊套筒處安裝預(yù)制板精調(diào)裝置，用人工進(jìn)行調(diào)整(見圖3)。調(diào)板速度慢，調(diào)板精度對人為因素的依賴性較大。

圖3 人工精調(diào)預(yù)制板Figure 3 Manual adjustment of track slab

2 裝配式軌道的主要技術(shù)特點(diǎn)

裝配式軌道技術(shù)理念是在我國大力推廣“綠色建造”、裝配式建筑技術(shù)的背景下提出的，涵蓋了軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計、軌道施工、專用裝備等多方面，其主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

1) 道床采用預(yù)制板結(jié)構(gòu)。預(yù)制板在滿足承載力、抗裂等設(shè)計要求的前提下，優(yōu)先采用非預(yù)應(yīng)力厚板，避免預(yù)應(yīng)力帶來變形和徐變的問題，且厚板有利于提高減振效果及軌道自身的穩(wěn)定性，能盡量保證減振及非減振地段預(yù)制板類型的統(tǒng)一，便于生產(chǎn)制造。

2) 預(yù)制板與下部填充層分離。有減振需求時，板與減振墊通過一定的構(gòu)造設(shè)計方式，實(shí)現(xiàn)工廠化的復(fù)合，減振墊彈性根據(jù)減振要求進(jìn)行針對性設(shè)計。無減振需求時，減振墊改為僅起隔離作用的隔離層，采用噴涂工藝實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)復(fù)合，也可采用土工布等隔離材料進(jìn)行隔離。

3) 預(yù)制板下部填充層結(jié)構(gòu)簡化。軌道結(jié)構(gòu)高度較小時(如5.5 m的盾構(gòu)內(nèi)徑)，板下填充層優(yōu)先采用一次灌注方式，取消底座，減少現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)；軌道結(jié)構(gòu)高度較大時(如5.9 m的盾構(gòu)內(nèi)徑)，為減少填充層的灌注量，提高施工進(jìn)度，可預(yù)鋪一層底座；同時，在保證填充層抗裂要求的前提下，優(yōu)化配筋或取消配筋設(shè)計，以簡化施工。

4) 軌道板內(nèi)的限位樁與灌注孔及觀察孔合并設(shè)置，并與板下填充層灌注一次成型。地下線預(yù)制板軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，填充層空間相對于傳統(tǒng)板式軌道結(jié)構(gòu)較大，且為開放式灌注，降低了填充材料的流動性要求，因此成本相對較低，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更佳。

5) 采用配套的系列化施工裝備進(jìn)行施工。施工裝備涵蓋運(yùn)板、卸板、調(diào)板、換板及板下混凝土灌注等工序環(huán)節(jié)，其中預(yù)制板精調(diào)等關(guān)鍵工序采用自動化調(diào)板裝備，配備專用測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)預(yù)制板自動精調(diào)，調(diào)整精度可達(dá)到1 mm以內(nèi)，且穩(wěn)定性高于人工鋪板進(jìn)度。采用的輪胎式走形機(jī)構(gòu)可適應(yīng)各種隧道底部輪廓，避免了傳統(tǒng)施工必須安裝輔助軌的限制，并可實(shí)現(xiàn)交叉施工。

3 裝配式軌道成套技術(shù)的應(yīng)用

3.1 鋪設(shè)地段概況

鋪設(shè)地段位于蘇州地鐵5號線上供路—木瀆南區(qū)間左線盾構(gòu)隧道內(nèi)，長414 m。線路坡度10.938‰，線路平面包含直線及R600 m曲線，曲線超高為90 mm。

3.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

預(yù)制板軌道由鋼軌、扣件、預(yù)制板(含隔離層)、鋼纖維細(xì)石混凝土填充層等部分組成。采用與填充層一體化施工的凸臺限位，限位凸臺與預(yù)制板之間通過緩沖層[3-8]隔離(見圖 4)。

圖4 裝配式軌道結(jié)構(gòu)Figure 4 Prefabricated track structure

1) 預(yù)制板采用工廠化制作。預(yù)制板為非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度C50，長3 450 mm×寬2 200 mm×厚330 mm。為提高隧道斷面的適應(yīng)能力，斷面兩端下部邊角倒棱處理。

2) 預(yù)制板底部國內(nèi)首次采用了廠內(nèi)噴涂四羥絡(luò)合酯噴涂型隔離材料的方法，實(shí)現(xiàn)了預(yù)制板與下部填充層的隔離，省去了傳統(tǒng)預(yù)制板隔離層與限位凹槽采用人工現(xiàn)場鋪設(shè)施工的工序(見圖5)。在簡化施工工序的同時，提高了隔離層的耐久性和絕緣性能，有利于雜散電流防護(hù)。四羥絡(luò)合酯噴涂型隔離材料常溫下與板的黏結(jié)強(qiáng)度≥1 MPa，拉伸強(qiáng)度≥2 MPa，斷裂伸長率≥500%。

圖5 廠內(nèi)噴涂完隔離層的預(yù)制板Figure 5 Track slab with an isolation layer

3) 板下填充層國內(nèi)首次采用了 C40鋼纖維細(xì)石混凝土[10]，連同兩側(cè)水溝一次澆筑成型，取消了以往板下需采用混凝土底座及板下調(diào)整層的兩層結(jié)構(gòu)，且填充層內(nèi)無需綁扎鋼筋。在確保板下填充層抗裂性滿足要求的同時，大幅簡化了施工工序。同時，相比傳統(tǒng)的自密實(shí)混凝土填充材料，其拌制、運(yùn)輸及澆筑的要求較低，從而大幅降低了施工質(zhì)量控制難度。為確保鋼纖維細(xì)石混凝土應(yīng)用效果，在實(shí)施前通過抗裂性檢算及多次的廠內(nèi)試配及揭板試驗(yàn)后，制定了鋼纖維細(xì)石混凝土的技術(shù)條件。本工程中的C40鋼纖維細(xì)石混凝土采用長度50 mm、直徑0.75 mm、長徑比67、抗拉強(qiáng)度1 230 MPa的鋼纖維，設(shè)計摻量20 kg/m3；鋼纖維混凝土的設(shè)計彎曲韌度比≥0.5。

4) 限位凸臺在填充層灌注時，插入鋼筋籠，連同填充層同步澆筑完成。

5) 板縫處無過軌需求及排水需求地段，填充C40補(bǔ)償收縮混凝土以消除板縫。

3.3 系列化鋪軌裝備

采用了系列化的裝配式軌道施工專用裝備，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸、鋪設(shè)、精調(diào)、灌注全過程的機(jī)械化施工和無軌化作業(yè)。主要裝備及其功能如下：

1) 自變形輪胎式軌道施工車(見圖 6)?？筛鶕?jù)現(xiàn)場施工的斷面結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)變形，以滿足圓形隧道、矩形隧道及馬蹄形隧道的施工要求。施工作業(yè)時，可用于預(yù)制板及其他物料的裝卸、倒運(yùn)、調(diào)整，能與自變形輪胎式混凝土施工車交叉運(yùn)行，避免各工序間施工干涉。此類裝備已在上海、深圳等多個城市的地鐵中推廣應(yīng)用。

圖6 自變形輪胎式軌道施工車Figure 6 Self-deformable tire track construction vehicle

2) 有軌/無軌雙模式混凝土施工車(見圖7)。自變形輪軌式混凝土施工車是集混凝土運(yùn)輸、攪拌、澆筑布料等功能于一體的新型施工裝備，可滿足矩形隧道斷面、馬蹄形隧道斷面、圓弧形隧道斷面及橋梁橋面等工況的施工要求。為提高施工效率，長距離行走時，用內(nèi)軌行走系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)軌道上高速行駛；到達(dá)作業(yè)面時，變跨到外輪胎運(yùn)行布料；短距離行走時，直接用外輪胎行駛運(yùn)輸并布料施工。鋼纖維細(xì)石混凝土通過此裝備運(yùn)至工作面進(jìn)行灌注。此裝備已在上海、深圳等多個城市地鐵中推廣應(yīng)用。

圖7 有軌/無軌雙模式混凝土施工車Figure 7 Rail / trackless dual-mode concrete construction

3) 第三代精調(diào)裝備及測控系統(tǒng)(見圖 8)。研發(fā)的“測-控-調(diào)”一體化自動精調(diào)技術(shù)及精調(diào)裝備，打破了傳統(tǒng)預(yù)制板精調(diào)須采用人工調(diào)板的模式。通過測控系統(tǒng)指揮全站儀和精調(diào)設(shè)備自動完成軌道板位置測量、調(diào)整量計算、形位調(diào)整等作業(yè)程序，實(shí)現(xiàn)了軌道板的快速、自動調(diào)整到位。精調(diào)裝備及測控系統(tǒng)的研發(fā)，提升了軌道施工的自動化、智能化程度，為實(shí)現(xiàn)全過程的機(jī)械化施工作業(yè)提供了重要支撐。

圖8 精調(diào)裝備及測控系統(tǒng)示意Figure 8 Schematic diagram of fine adjustment equipment,and measurement and control system

3.4 施工工藝流程

裝配式軌道的施工工藝流程在傳統(tǒng)預(yù)制板式軌道的基礎(chǔ)上大幅簡化，主要工序僅包括：控制網(wǎng)測設(shè)、軌道板的鋪設(shè)及精調(diào)、鋼纖維細(xì)石混凝土灌注、安裝扣件及鋼軌精調(diào)、板縫回填及水溝防水等(見圖9)。單個工作面的用工數(shù)量僅需約25人，綜合施工進(jìn)度可達(dá)到100～120 m/d，施工質(zhì)量相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆整體道床大幅度提升(見圖10)。

圖9 裝配式軌道施工工藝流程Figure 9 Construction process of prefabricated track

圖10 鋪設(shè)完成的裝配式軌道Figure 10 Finished fabricated track

4 結(jié)語

蘇州地鐵5號線通過對預(yù)制板式軌道結(jié)構(gòu)方案及材料的優(yōu)化改進(jìn)、精調(diào)裝備及測控系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用，簡化了施工工藝。實(shí)施結(jié)果表明，與傳統(tǒng)預(yù)制板軌道技術(shù)相比，具有以下的改進(jìn)和優(yōu)勢：

1) 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)比傳統(tǒng)預(yù)制板軌道有大幅提升。相比傳統(tǒng)預(yù)制板軌道技術(shù)，節(jié)省工序10余道，用工數(shù)量減少70%，填充層灌注效率提高約3倍，綜合施工進(jìn)度提高約2倍。

2) 研發(fā)的精調(diào)裝備及測控系統(tǒng)，彌補(bǔ)了預(yù)制軌道板運(yùn)輸、鋪設(shè)、精調(diào)、灌注等全過程機(jī)械化施工和無軌化作業(yè)的短板，提升了軌道施工的自動化、智能化程度。

3) 采用廠內(nèi)噴涂的四羥絡(luò)合酯噴涂型隔離材料，減少了現(xiàn)場工序，降低了對施工質(zhì)量的依賴性；采用板下鋼纖維細(xì)石混凝土，省去了傳統(tǒng)預(yù)制板道床結(jié)構(gòu)中的鋼筋設(shè)計，免去了傳統(tǒng)自密實(shí)混凝土的拌制、運(yùn)輸及澆筑，有效降低了施工質(zhì)量控制難度。

蘇州地鐵裝配式軌道成套技術(shù)的研究及應(yīng)用，提升了蘇州地鐵軌道技術(shù)水平，為其后續(xù)線路建設(shè)及國內(nèi)其他城市軌道交通新線建設(shè)中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)儲備和參考借鑒。目前裝配式軌道技術(shù)正處于不斷完善、發(fā)展的階段，在當(dāng)前我國城市軌道交通快速發(fā)展的大背景下，該項(xiàng)技術(shù)的研究及應(yīng)用前景將非常廣闊。