钢弹簧浮置板道床“拼装一体化”施工设备及机具的设计与改造

杨宝锋,车彦海

(中铁一局集团新运工程有限公司,陕西咸阳 712000)

1 钢弹簧浮置板道床简介

钢弹簧浮置板道床是德国GERB(隔尔固)公司研制的弹簧隔振器浮置板轨道,它采用螺旋弹簧支承浮置板道床,减振降噪效果是目前最好的道床形式,隔振降噪效果为25～40 dB,钢弹簧浮置板道床已具有90多年的历史,由于造价较高,它主要用于医院、研究院、博物馆、音乐厅等对减振降噪有特殊要求的建筑。除在德国、日本、韩国等国应用外,国内近年来在北京、上海、广州、成都、重庆等城市的地铁建设中也得到了推广应用。它具有如下优点:(1)隔振降噪效果好,可达25～40 dB；(2)使用寿命达30年以上；(3)同时具有三维弹性,水平方向位移小,无需附加限位装置；(4)检查或更换十分方便,不用拆卸钢轨,不影响地铁列车运行；(5)基础沉降造成的高度变化可通过增减调平钢板厚度实现。

钢弹簧浮置板道床的工作原理为：通过钢弹簧隔振器将轨道及浮置板与底部及侧面结构相隔离,两者之间仅通过隔振器相接,其一般结构如图1所示。

图1 钢弹簧浮置板一般结构

钢弹簧浮置板道床是利用弹簧隔振器将具有一定质量的混凝土道床板浮置于基础之上,隔振器内安装有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼,构成质量-弹簧隔振系统。隔振器上部结构所受的车辆动扰力通过隔振器传递到结构底部。在此过程中由隔振器进行调谐、吸收能量,达到隔振减振的目的。

2 亦庄线钢弹簧浮置板道床特点

2.1 工程简况

北京市轨道交通亦庄线是连接北京市中心城和亦庄新城的轨道交通线路,正线全长23.25 km,含4.67 km的钢弹簧浮置板道床轨道结构,均分布在地下线盾构区间,有分布集中、数量大的特点,是全线轨道施工工期控制的关键节点。

2.2 与传统浮置板结构的差别

亦庄线钢弹簧浮置板结构与传统结构有所不同,是GERB公司对弹簧浮置板道床结构优化的结果,其主要区别为：一是板厚薄均匀,传统浮置板道床如图2所示,亦庄线浮置板道床如图3所示；二是曲线地段采取垫层整体旋转,应对曲线地段超高,板与垫层表面平行设置,曲线段传统浮置板道床如图4所示,亦庄线曲线段浮置板道床如图5所示。

图2 传统钢弹簧浮置板道床结构

图3 亦庄线钢弹簧浮置板道床结构

图4 曲线段传统浮置板道床结构

图5 亦庄线曲线段浮置板道床结构

2.3 亦庄线钢弹簧浮置板结构的特点

(1)板厚薄均匀,传统浮置板在曲线地段因超高设置导致一侧板厚局部过薄的问题得以解决,使曲线位置浮置板的受力性能得到提升,整体设计也更加合理。

(2)统一的板厚使得隔振器的高度得以统一,大幅度减少隔振器型号。

(3)倾斜的隔振器更有利于抵抗列车转弯时产生的离心力,在离心力作用下整个浮置板的横向变形量会相对减小,提高车辆运行的平稳性。但隔振器的受力状况复杂,处于倾斜状态的隔振器在板自重作用下即处于三维受力状态,如列车通过时速度较低,则对隔振器的抗水平力能力要求更高。

2.4 实现机械化施工的优势

新型钢弹簧浮置板结构为施工作业实现机械化提供了有利条件。

(1)统一的板厚使得隔振器的高度得以统一,大幅度减少隔振器型号,统一型号简化了隔振器的生产组织,为机械化施工组织工作带来很大便利。

(2)传统浮置板板厚变化较大,尤其在缓和曲线位置板厚连续渐变,给板的配筋设计和施工都带来很大麻烦。统一的板厚则使这些问题迎刃而解,板的配筋种类和形式大幅度减少,为流水化、工厂化作业提供了条件。

(3)钢筋笼可分解成2部分,如图6所示。方案的设计使横向钢筋笼可拆解为主体部分和侧翼部分,主体部分尺寸大大减小,使主体部分整体运输成为可能。

图6 亦庄线钢弹簧浮置横向板钢筋示意

(4)钢筋笼主体部分整体运送的可能性,为整个钢弹簧浮置板道床的施工工艺改进提供了条件,打破了传统施工工艺顺序化施工的弊病,实现了施工空间的转换,分化了施工流程,为机械化施工提供了空间和场地。

3 “拼装一体化”施工工艺

通过对亦庄线浮置板道床特点的分析及对传统钢弹簧浮置板道床施工工艺的研究,以机械化作业为主要研究方向,提出了一种新型的施工工艺——钢弹簧浮置板道床“拼装一体化”施工工艺。即：在地面将25 m轨排、浮置板钢筋网、隔振筒固定成为一个整体,采用龙门吊吊装到轨道运输车上,运送至铺轨作业面,洞内采用门式起重机将轨排及钢筋网整体吊铺到位,调整轨道几何尺寸,进行混凝土整体道床浇筑的施工方法。其作业流程如图7所示。

图7 “拼装一体化”施工工艺流程

4 施工设备、机具的设计和改进

根据施工流程,对流程中对施工效率产生制约的工序进行改进,提高工序的机械化程度,使整个工艺流程向流水化、工厂化发展,从而减轻施工人员劳动强度,提高作业效率。

4.1 钢筋加工机具

钢弹簧浮置板钢筋加工量较大,钢筋弯曲数量多,弯曲角度控制难度大,设计专门的钢筋弯曲机有一定的现实意义。

钢筋调直后,装入钢筋加工设备后,可根据预设值自动实现相对长度的钢筋进料问题,并自动折弯至预设角度。钢筋加工设备可自由更换预设值,确保实现对不同的钢筋进行加工,加工机具示意如图8所示。

钢筋由5夹持,放入1的钳口内,1由限位点B1、B2、C1和C2控制；2由人工控制,控制点A1、A2为1、7的长闭、2的长开开关。当B1、B2点接触时,启动后弯曲机开始工作,钢筋和3同时向右移动,到达8的第一道弯曲位置时,3推动4向下移动,使点7的控制开关A1、A2接通,2停止工作,1和7同时开始工作,直至A1、A2点脱开,1、7继续工作,进入下一个弯曲点。当限位开关C1、C2点接触时,取出加工好的钢筋,启动开关1、7反转直B1、B2点闭合,开始下一个钢筋的加工。本设备需配合延时开关以确保加工流水间的配合,更换模具3即可实现加工另一规格的钢筋。

4.2 主体钢筋笼加工机具

亦庄线钢弹簧浮置板主体钢筋笼基本相同,且浮置板钢筋绑扎量大,占用时间较多,为加快施工进度,确保施工质量和进度,可设置主体钢筋绑扎台位,以确保施工速度以及满足钢筋绑扎间距和位置的要求。

横向钢筋台位和纵向钢筋台位长度均为25 m,如图9所示。横向钢筋台位用于布设横向钢筋和定位隔振器、观察口，如图10所示。纵向钢筋台位,根据纵向钢筋的布设位置,利用台车将分部钢筋送入纵向钢筋笼内,台车在运送的时候,可卡紧纵向钢筋,运送到位时,可实现纵向钢筋的定位,装置结构如图11所示。纵向钢筋到达设计位置,人工进行钢筋绑扎和焊接,台车退回纵向钢筋绑扎台位,吊装走绑扎好的成品钢筋笼,进入下一个主体钢筋笼的绑扎工作。

图9 主体钢筋加工台位(单位：m)

图10 横向钢筋插槽

图11 纵向钢筋伸展定位装置

4.3 轨排架设机具

图12 钢轨及扣件示意

亦庄线钢弹簧浮置板道床采用预埋套管式钢轨扣件,施工时先在钉联台位上利用轨排支撑架将钢轨钉联成轨排,然后在钢轨上安装钢轨扣件、地脚螺栓及预埋套管。由于轨下橡胶垫板及地脚螺栓的弹簧垫片均存在变形量,可使用钢模具垫板替代橡胶垫板、使用平垫片替代弹簧垫片,以保证预埋套管的垂直度，如图12所示。连接成轨排后对轨排的缩进量、扣件、轨距位置等进行检查,合格后吊运至主体钢筋笼进行连接加固。

4.4 钢筋笼运输机具

钢筋笼运输动力设备宜采用轨道车运输,轨道车牵引力根据最大坡度及运输质量选定。运输设备选用2辆长12.5 m的轨道平板车运送一段浮置板钢筋笼,由于运输途中经过曲线,钢筋笼存在变形,存在以下问题：

(1)平板车迫使钢筋笼变形经过曲线,钢筋笼存在弹性应力,平板车可能存在掉道隐患；

(2)平板车与钢筋笼的变形轴线不一致,钢筋笼与平板车存在一定量的纵向位移；

(3)钢筋笼与平板车存在横向位移,且位移位置及位移量不可控,可能造成钢筋笼超出运输限界,存在安全风险。

因此,运输过程中在平板车上设置转向装置,减小并控制经过曲线地段时钢筋笼及钢轨的变形量,转向装置应具有横向位置锁定,纵向位置可控功能,从而使钢筋笼变形量基本均匀。平板车转向装置如图13所示。

图13 钢筋笼运输转向装置

4.5 钢筋笼吊装机具

钢筋笼吊装分2种情况,一种在钢筋笼拼装基地,另一种在浮置板作业面。拼装基地作业场地较为宽敞,可采用门式起重机进行吊装,吊装点可设置在钢轨上,但钢轨与钢筋笼的连接一定要经过受力计算,并保证足够的连接点。

浮置板作业面的吊装作业是将25 m主体钢筋笼连同钢轨一起由平板车上吊装至设计位置。由于空间狭小,特别是隧道内作业,必须使用专用的带走行系统的门式起重机进行吊装作业,起重机的设计除考虑起重量、运行速度、走行速度等问题外,还应考虑以下几点要求。

(1)起重机限界。作业时门式起重机轮廓线应小于区间设备安装限界,防止作业时与其他设备发生空间上的交叉,造成作业不便。在曲线地段,由于线路设置有超高,起重机不能进行倾斜作业,故需抬升起重机行驶轨道,使起重机两侧走行线水平。设计时应考虑超高量,确保走行线抬高后起重机仍不侵犯设备安装限界。

(2)起重机作业净空。起重机内部需吊装钢筋笼,内部要有足够的空间。起重机内部横向作业空间应要满足吊装宽带的要求,起升高度应满足在平板车上吊运钢筋笼的要求。

(3)起重机走行轨道。由于浮置板较宽,钢筋笼组装时除主体钢筋笼外还有侧翼需要安装,因此,起重机走行轨道必须设置在浮置板外侧,曲线地段由于亦庄线浮置板的特点,线路中心线以隧道中心线旋转,起重机中心线与线路中心线不重合,因此起重机走行轨道必须大于浮置板整体宽度。

综上所述,亦庄线根据现场实际情况,设计了专门的门式起重机,满足了施工需要,如图14所示。

5 结语

通过对传统人工散铺施工工艺的研究,在改进施工设备和机具的基础上,使钢弹簧浮置板道床“拼装一体化”施工工艺得以实现,拓展了施工作业的空间和时间。大大提高了施工作业效率,降低了劳动强度,使钢弹簧浮置板道床的施工速度从原来的6 m/d提高到了20～30 m/d,为亦庄线轨道工程安全、高效完成施工任务奠定了基础。

图14 钢弹簧浮置板专用门式起重机

参考文献：

[1]徐 灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社,1991．

[2]JQB—207—2009,城市轨道交通弹簧浮置板轨道技术标准[S].

[3]孙 鑫，王建立，张宝才，等.盾构隧道中钢弹簧浮置板道床的施工技术[J].铁道标准设计，2007(10)：47-50.

[4]TB10413—2003 J284—2004,铁路轨道工程施工质量验收标准[S].