北京市轨道交通大兴线梯形轨枕机械铺设法施工技术

张大伟，蔡鲁泉，贺建峰

(中铁一局集团新运工程有限公司,陕西咸阳 712000)

1 工程特点

北京地铁大兴线轨道工程2标段共铺设3段梯形轨枕无砟轨道,累计线路长度2 270 m,分别分布在清源路站—黄村西大街站间、义和庄站—韩园子站间和韩园子站—天宫院站间,其中韩天区间共计铺设双线累计1 520 m。该工程的工期异常紧张,根据业主要求，计划梯形轨枕施工要在11 d内完成,采用现有工法无法按期完成。且梯形轨枕单元预制块为定尺直线形式,实现梯形轨枕无砟轨道位于曲线地段线路的圆顺有一定技术难度。此外,韩天区间运输线路较为复杂,车站端部人防门位于曲线上,人防门处的门框宽度(净宽3600 mm)较小,轨道运输平板在通过人防门时很可能出现梯形轨枕轨排横向失稳,施工运输困难。

2 现有工法缺点

地下线梯形轨枕无砟轨道现有的施工工法为人工散铺法,即在正线机械铺轨到达前,通过预留下料口吊装线路料,再通过人工倒运至铺轨作业面、人工卸料、架轨、泵送混凝土等环节实现轨道预铺,此方法存在功效低(进度25 m/d)、易受外界因素制约以及人工作业过程中存在安全隐患等问题[1]。

3 工法改进论证和试验

若将现有工法改为机械铺设法,需对诸多环节进行论证及试验,如现有龙门架及小铺轨龙门吊的吊装能力、轨排的基地拼装、洞内的运输、现场轨道架设等都是未知因素。

3.1 龙门架及小铺轨龙门吊的吊装能力复核

基地设置的龙门架垂直额定吊装吨位为10 t(净跨度L=17 m)、普通轨排整体质量为13 t左右,而4节梯形轨枕组装成25 m轨排后的整体质量势必大于13 t,因此龙门架的吊装能力需进一步复核。梯形轨枕轨排由4片单元预制块、2根25 m标准轨、80套弹条Ⅱ-Ⅰ型扣件、9套钢轨支撑架以及轨排吊具组成,质量组成分析如下

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

(1)

式中G——轨排总质量;

Z——梯形轨枕单元预制块质量,Z=4×3=12 t;

B——2根标准轨质量,B=1.5×2=3 t;

K——扣件总质量,K=80×0.015=1.2 t;

J——钢轨支撑架总质量,J=9×0.07=0.63 t;

D——吊具总质量,0.24 t。

吊装能力检算：当龙门架以0.2 m/s的速度匀速行驶时可认为龙门架承受静态荷载。当垂直静态挠度

2台龙门架额定吊装能力为200 kN,每台分担荷载为85.035 kN,计算得每个龙门架的中部静态垂直挠度f=21 mm。

可见f

图1 龙门架吊装梯形轨枕轨排

小龙门吊额定吊装荷载为100 kN,考虑洞内运输的未知因素较为复杂,从安全角度考虑,轨排洞内吊装采用3台小龙门吊联合作业,洞内小龙门吊吊装运行速度规定不超过3 km/h。小龙门吊吊装梯形轨枕轨排如图2所示。

图2 洞内小龙门吊吊装梯形轨枕轨排

3.2 基地内组装梯形轨枕轨排

由于梯形轨枕轨排质量远大于普通轨排质量,故洞内人工调整轨道位置时较为困难,特别是在曲线地段,因此在地表组装轨排过程中,根据单元预制块的长度、宽度、铺轨进入曲线的长度、轨距以及平面曲线半径计算轨排中相邻预制块的内外边相错量,根据相错量进行轨排拼装,则可避免曲线段的人工大量调整轨道横向位置。

缓和曲线内的内外边相错量计算公式

(2)

圆曲线内的内外边相错量计算公式

(3)

式中L——缓和曲线或圆曲线内的内外边相错量，mm；

s——梯形轨枕横向总宽度，mm；

j——铺轨进入缓和曲线的长度，mm；

R——圆曲线半径，mm；

l——缓和曲线长度，mm；

y——铺轨进入圆曲线长度，mm。

3.3 轨排洞内运输

洞内轨排运输是通过轨道车拖运2台轨道平板车来完成,韩天区间左线在K21+457以及K21+463.9处各设有人防门1处,且2个人防门都处于缓和曲线上(ZH=K21+484.394、HY=K21+449.394),平板车通过人防门有以下两种情况,一种是平板车通过人防门时不发生轨排横向滑移,另一种是平板车通过人防门时轨排发生横向滑移,若滑移量较大,很可能出现轨排结构与人防门相碰撞的安全问题,显然后者是要杜绝的,如何杜绝后者现象的发生是轨排洞内运输的关键。

通过分析,可以将轨排横向失稳归结为轨排与平板车之间的静摩擦力大小和一定时间内轨排产生的动量所决定。轨排在运行的平板车上发生横向失稳与以下因素有关：轨排自身质量(G)、轨排与平板车相接触的部位的摩擦系数(μ)以及平板车通过曲线时延缓和曲线法线方向线速度(v)。

平板车载运轨排不能超过2层,即两片轨排质量2G。根据相关资料,两种介质之间的摩擦系数,混凝土与钢之间干燥摩擦系数为0.4,而木材与钢之间干燥状态摩擦系数为0.5,故为了增加摩擦系数,在轨排下方需垫入枕木,同时将枕木与轨排进行整体固定。平板车通过缓和曲线法线方向线速度(v)直接取决于平板车运行的线速度,故需经过现场试验,方能确定现场通过曲线实际速度,经过现场模拟试验,平板车运行线速度不大于1.5 km/h为宜,运输轨排时,轨排与平板间要绑扎牢固,如图3所示。

图3 梯形轨枕轨排洞内运输

3.4 洞内吊装

平板车的车轮应设置铁靴,防止滑行。3台龙门吊共同作业时,要专人指挥,口令统一、清晰,司机操作熟练,配合默契。

轨排运至铺轨作业面后,通过3台铺轨小龙门吊吊装轨排,如图4所示。通过运行后,确定作业限速1 km/h。

图4 梯形轨枕轨排洞内吊装(单位：m)

3.5 架设及施工区段划分

经研究确定轨排架设需通过人机配合,且施工作业应划分为数个区段：准备阶段区(含基标测设、基底清理、L底座钢筋绑扎)；轨排铺设区(含轨排铺设、架设)；轨道精调区(含轨道几何尺寸的调整)；模板安装区；混凝土浇筑区。确保各区段循环流水作业,提高工效。

4 机铺工法实际应用

4.1 轨道几何形位调整

在地铁轨道工程施工中,轨道几何形位的调整是轨道施工的核心环节,轨道几何形位正确与否,对列车的安全运行、乘客的旅行舒适度、设备的使用寿命和养护费用具有决定性的影响。大兴线2标段的线路部分处于半径1 200 m曲线上,且轨枕均为6.15 m单元形式,如何确保梯形轨枕在曲线上轨道线形圆顺是现场的一个难点,通过分析,扣件铁垫板的锚固螺栓孔为长圆孔,可通过调整扣件横向偏移来实现轨枕在曲线上的圆顺。

(1)轨道中线方向调整

将L道尺竖尺支立在基标上,以每块轨枕的第二个和第九个扣件为中线控制点,用L道尺调整两个点位的中心,使此位置的轨枕中心位于线路中线上。考虑验收规范对轨道的要求,所以应计入曲线超高对中线的影响,超高30 mm地段线路中线与轨内侧的理论水平距离为717 mm,当L道尺刻度线对准-0.3时即可,此数值可由表1查得。

(2)轨道轨面高度调整

表1 曲线超高地段L形轨道卡尺调轨修正值 mm

当调至横尺竖丝对准-0.3时,停止此处中线方向的调整,进行轨道轨面高度调整,具体操作如图5所示。

图5 轨道轨面高度调整(单位：mm)

以上股轨道为基本轨,通过L道尺量得到上股轨面的设计位置,再通过万能道尺,根据曲线超高得到下股轨面高程。

(3)复查轨道方向

由于轨道高度的调整,会对轨道方向产生一定的影响,因此在轨道轨面调整后,再次对轨道方向进行复查,发现变化时要重新调整轨道方向直至达到0误差位置。

(4)轨道几何形位精确调整

由于梯形轨枕均为直线型设计,在曲线地段通过扣件横向偏移来实现曲线段的轨道线形的圆顺性,本工程扣件采用弹条Ⅱ-Ⅰ型分开式扣件,此扣件设有防松功能的锯齿垫片,如图6所示。

图6 弹条Ⅱ-Ⅰ型分开式扣件

轨道初步调整后,使得钢轨轨面高度已经满足设计要求,轨枕第二以及第九扣件位置位于线路中线上,但是在半径为1 200 m的曲线上6.15 m长度直线所对应的弦弧距为8 mm,应通过计算每个扣件位置对应的曲线偏移量,之后通过轨距块调整来实现曲线的圆顺。

圆曲线轨道中线方向精确调整圆曲线上轨道偏移相对较为简单,通过计算每个扣件对应弦弧距的一半调整轨道偏移。

缓和曲线轨道中线方向精确调整:由于缓和曲线为高次函数,数据计算比较复杂,因此为了简化计算,在满足规范要求的前提下,通过圆曲线4 mm的偏移量在60 m缓和曲线内逐渐递变至0,因此每米递变率0.050 3 mm,根据扣件所在里程位置,可计算每个扣件的偏移量,实践证明可以满足曲线正矢的前后连续变化要求,可保证曲线线形的圆顺性。

最后对缓和曲线段每个扣件进行编号,记录每个扣件偏移量,并归档保存,便于后期线路维护。

4.2 L底座混凝土一次性浇筑

为了提高工程质量以及节约施工成本,L形底座须一次性浇筑完成,这样对模板的安装要求就较高,在钢筋绑扎完成、轨道精调后进行模板安装作业。

若一次浇筑成型,则强度较高的钢模不便于应用,因此采用木模。首先要求轨枕内侧的模板应该是封闭的,但考虑侧向混凝土的压力会对模板产生一定的荷载,荷载计算如下

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——混凝土的粘滞系数,取0.5(坍落度为170 mm)；

S——混凝土受力面积，0.55 m2。

计算得到模板可能承受的荷载为8.9 kPa。道床模板安装如图7所示。

图7 道床模板安装示意

由于混凝土产生的压力较大,因此当轨枕底部混凝土浇筑3 h后,采用人工配合平板车的浇筑方式,人工推动平板车,将混凝土从两端倾泻至底座两侧,同时配合插入式振捣。这样可避免模板承受较大的压力,且由于后浇筑的两侧混凝土对轨枕底部的混凝土有一定的压力,这样就使得该部位的混凝土更加密实。为了保证底座浇筑的质量,在模板底部每隔500 mm留有φ40 mm的排气孔,可以很快排出混凝土振捣过程产生的气流,确保底座内部结构密实,避免底座表面出现蜂窝、麻面等现象。

一次浇筑确保了工程质量,且道床抹面仅仅为道床两侧,大大减小了现场混凝土施工的作业强度。浇筑完成的成品混凝土道床如图8所示。

5 结语

梯形轨枕铺设经过改进后采用机铺工法,1 520 m梯形轨枕施工总共历时20 d,进度指标达到75 m/d,大大提高了生产效率。整体道床一次浇筑成型,外观达到较好水平。此外在工程质量方面,1 200 m半径曲线轨道几何形位的调整是轨道施工的关键,更是轨道施工的难点,本文提出了详细且有针对性的施工方法,使得工程质量易于控制,在城市轨道交通曲线地段梯形轨枕轨道施工中有推广价值,可为类似工程施工提供借鉴。

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