地铁窄盾构井倾斜下吊轨排施工方法及吊装装置研究

车彦海,杨宝锋

(中铁一局集团新运工程有限公司,陕西咸阳 712000)

在地铁建设施工中常采取铺轨基地内钉联轨排,再通过门吊等起重设备将其吊装到站台天窗口或明挖竖井口、盾构井口上方,然后下落至运输设备上的施工方法。实际在地铁施工中使用的下料口很多小于25 m,无法直接下落25 m标准轨排。所以现在经常采用吊点置换式钢轨下吊施工方法,即利用吊轨卡卡住单根钢轨下洞,在洞内进行轨排钉联或者将标准25 m钢轨锯成12.5 m短轨后钉联成短轨排的方案来施工,但是工效低，作业量、运量、焊接量大,目前的轨排吊装装置均无法在窄盾构井口或竖井口实现轨排直接吊装到位,且常用吊轨钳在轨排倾斜后无法转动,易滑脱。

本文通过对城市地铁窄盾构井倾斜下吊轨排施工方法总结,设计出一种新型的轨排倾斜下吊吊装装置,并改进了轨排倾斜下吊的施工方法。该方法解决了传统轨排吊装装置无法在窄盾构井处实现轨排直接吊装到位的难题,在保证施工安全的情况下,提高了地铁施工中轨排钉联和运输的效率,也解决了利用短轨排法施工所带来的焊轨接头增多、打磨量大等弊端,能有效地降低作业人员劳动强度、较大幅度的提高施工进度,具有广阔的推广应用前景。

1 吊点置换式钢轨下吊施工方法

1.1 作业流程

作业流程如图1～图4所示。

(1)选择盾构井,通过滚筒及双葫芦龙门吊牵引配合,将长25 m钢轨拖吊入双葫芦龙门吊吊梁下；

(2)分别在钢轨上安装主吊轨卡及分吊轨卡,将双葫芦龙门吊双葫芦上的吊钩分别挂在2个主吊轨卡上,双葫芦龙门吊行驶至盾构井上方位置,使主吊轨卡处端的钢轨距盾构井一端井壁保持一定距离；

(3)双葫芦龙门吊控制2个主吊轨卡协调作业,使与其挂接的钢轨右端头进入盾构井右侧的二层站厅；

图1 右向滑移钢轨挂接位置示意

(4)二层站厅中的单龙门吊与分吊轨卡挂接,双葫芦龙门吊控制主吊轨卡配合二层站厅的单龙门吊将钢轨下放至二层站厅平面,同时双葫芦龙门吊与主吊轨卡分离；

图2 钢轨进入二层站厅位置示意

(5)双葫芦龙门吊控制主吊轨卡配合二层站厅的单龙门吊同时作业,使与其挂接的钢轨左端头进入盾构井铺轨隧道；

图3 左向滑移钢轨挂接位置示意

(6)当钢轨左端头进入铺轨隧道时,双葫芦龙门吊与主吊轨卡分离,单龙门吊与分吊轨卡分离,双葫芦龙门吊与主吊轨卡挂接,铺轨隧道内的单龙门吊与分吊轨卡挂接,起升单龙门吊及双葫芦龙门吊控制主吊轨卡,使单龙门吊与钢轨分离,双葫芦龙门吊控制主吊轨卡与单龙门吊配合作业,左向滑移下落钢轨,直至钢轨下落至铺轨隧道内。

图4 钢轨进入铺轨隧道位置示意

1.2 施工方法的优缺点

(1)吊点置换式钢轨下吊施工方法的优点

地铁轨道一般穿越人口密集的繁华闹区,由于受闹市区环境和场地的限制,很难满足焊轨基地占地面积的要求,尤其对于人口高度密集的发达城市,更难满足焊轨基地设置要求。针对这种情况,目前普遍采用的方法：一是在距离施工地点较远、地铁穿越的郊区建立铺轨基地,另一种方法是在人口密集的市区通过拆除现有建筑物以满足铺轨基地占地面积的要求。然而这2种方法均存在很大的弊端和不足：第一种方法的实现必须是地铁穿越郊区,且郊区有足够的地方,如果地铁只是穿越市区内,则无法实现；另外,采用这种方法,随着铺轨里程的增加,钢轨的运输距离增大,必将加大人力、物力、财力的投入,增加工程成本,同时还会造成工期的延误。第二种方法与第一种方法比较,相对减少了钢轨的运输距离,但拆除既有的建筑物,又受到许多因素的限制和影响,也必将增大施工成本。

本施工方案提供了地铁窄盾构井吊点置换式钢轨下吊施工方法,可充分利用有限空间,在不扩大盾构井的前提下,顺利下吊标准钢轨,从而克服现行施工方法的不足和弊端,以满足工程的施工要求。

(2)吊点置换式钢轨下吊施工方法的缺点

首先,作业安全问题：洞内作业空间有限,且单根钢轨使用夹轨钳下洞时工效不高,与轨排钉联在作业时间和空间上存在冲突,安全隐患较大；其次,轨排钉联的不连续性问题：轨道车将钉联好的2节25 m轨排推送至前方施工地点时,盾构井口下方不能进行轨排钉联,否则轨道车将无法退回装运地点,如图5所示,5 200 mm(隧道高度)-900 mm(轨道高程)-312 mm(轨排吊起后距离洞顶高度)-400 mm×2(轨排高度)=3 188 mm<3 510 mm(轨道车高度),这样就导致了即使采用以上方法进行施工作业,但是工效太低,无法保证每日的道床浇筑进度。

图5 盾构隧道内轨排钉联尺寸计算(单位：mm)

2 短轨排施工方法的优缺点

城市地铁施工中,有的城市和施工单位为了解决窄盾构井或明挖竖井处下吊轨排的难题,将标准25 m轨排锯成12.5 m短轨排,虽然解决了吊装下洞问题,但是同时也增加了轨排的钉联、运输、铺设、调轨等的工作量,而且后期无缝线路焊接接头增多、打磨量大、轨道精调费时,同时也必将投入相当大的费用予以支持。

3 新型轨排倾斜下吊施工方法的设计思路

3.1 施工方法选择

为使新的施工方法能够降低作业人员劳动强度、提高施工进度及在复杂环境中具有更广的适用性,根据以上2种施工方法(吊点置换式钢轨下吊、标准轨排锯成短轨排钉联)的优缺点,宜采用新型轨排吊装装置及轨排倾斜下吊施工方法。针对原有工艺存在的不足,经过现场经验和试验,采用以下思路对其进行改进。

3.2 窄盾构井处倾斜下吊轨排施工方法改进思路

本方法首先设计了一种新型的铁路用轨排吊装装置,然后利用该轨排吊装装置起吊轨排至下料口上方,通过门吊几次变换吊装角度及轨排与下料口的相对位置,最后将25 m标准轨排下落至运输设备上。

3.3 新型轨排吊装装置设计简述

其技术方案是采用槽钢组合成吊架,吊架下方通过转动销轴连接专用吊轨夹钳,由于该装置为专项设计,可实现吊轨夹钳与吊架之间180°旋转,轨排与夹钳之间连接紧固、不会滑脱,所以在小于25 m的下料口下落25 m标准轨排时,无须置换吊点,只需通过门吊的具体动作改变吊装角度和对位位置,即可实现25 m标准轨排顺利下洞。轨排吊装时,首先选择好吊装位置,将吊架下方的吊轨夹钳放置于钢轨上,放入专用夹持块,拧紧预紧螺栓,插入防脱销轴并使安全锁片旋至锁定位置,经起重指挥人员检查后即可开始起吊轨排。

(1)新型轨排吊装装置设计

新型轨排吊装装置采用可分夹持吊具形式。将3根槽钢按照三角形桁架形式分别对接相连,形成整个轨排吊装装置的骨架,上部连接钢板和耳轴,并组合形成“U”形结构,使得结构稳固并方便门吊大钩挂钩和吊装；三角形底边即骨架的均衡梁(或称承重梁)，采用2根尺寸相同的槽钢背对背并列布置,以连接骨架支架槽钢的下部和焊联2块方钢,形成类似于突缘叉的结构形式；在方钢下部的合适位置车孔,连接转动销轴,每个转动销轴上连接一套轨排吊架夹钳；夹钳主要由钳体和钳口两部分组成,夹钳与轨排吊架利用转动销轴铰接,外部钳体采用钢板焊联而成,同时为保证连接紧固、可靠,钳体各部分的连接处焊接加强筋板,钳体内侧根据钢轨的具体形状和尺寸,进行相对性设计,制作成对称结构,钳体上加工内螺纹,利用预紧螺栓,配合专门设计的专用夹持块使用,钳体下部设置防脱销轴和安全锁片,防止轨排脱落。一套轨排吊装装置含一套三角形桁架和2套夹钳,轨排吊装时2套轨排吊装装置配合使用,如图6～图8所示。

本装置能够有效地解决传统轨排吊装装置存在的不足,适用于铁路铺轨作业中轨排吊装和城市铁路窄小下料口处轨排倾斜吊装下洞的施工作业要求。

(2)新型轨排吊装装置具体实施方式

将3根槽钢(2)(长度相等的2根,对称布置)和槽钢(17)按照三角形桁架形式分别对接相连,背对并放的2根长度相等的槽钢(3)作为承重梁与桁架连接,桁架的顶部穿入2块异形钢板(1)中并焊联紧固,在异形钢板(1)上车孔,穿入耳轴(18)并焊接,形成吊耳,从而形成了整个轨排吊装装置的支架；在2根方钢(4)的下部适当位置车孔,作为转动销耳并对称穿入承重梁(3)中焊接,形成固定铰链支座形式,方钢(4)的孔中穿过转动销轴(5),从而形成整个轨排吊装装置的转动结构；转动销轴(5)下部铰接整个轨排吊装装置的夹钳,本夹钳为特殊设计,其结构形式为夹持吊具,利用2块夹持钢板(9)和结构钢板(10)组成钳体,钳体上焊接加强筋板(11),以保证结构稳固,钳体内侧的钳口形式是根据钳体相对于钢轨的具体形状和尺寸,进行相对性设计,制作成对称的“L”形槽结构,用于放置夹持块(13),见图7,利用预紧螺栓(12)予以顶固,使夹持块(13)与钢轨(19)之间产生足够的预紧力,从而在轨排倾斜时,产生足够的摩擦力,保证轨排在倾斜状态下吊装时不会滑脱；同时在夹钳钳体底部设计防脱销轴(14),与定位销轴(15)和安全锁片(16)共同组成安全防脱装置,可最大程度的保证轨排在倾斜吊装时的作业安全,防止轨排脱落。

施工时,2台门吊分别钩住一套吊装装置的耳轴,将轨排吊装装置吊至轨排上方的适当位置处,门吊大钩下降,夹钳的钳口卡住钢轨并使钳体上部的结构钢板靠紧钢轨踏面,将夹持块放置到钳体内侧的“L”形槽内,用扭力扳手拧紧预紧螺栓,使夹持块与钢轨顶紧,将防脱销轴上的安全锁片旋转至水平位置,防脱销轴穿过定位孔就位,然后将安全锁片旋至垂直位置,向下拉动,使安全锁片卡紧；开始起吊轨排,在轨排吊装到达下洞位置后开始倾斜下洞,在信号工的指挥下2台门吊逐步调整吊装角度和对位位置,由于夹钳和轨排吊架之间利用转动销轴铰接,可实现180°旋转,所以不必再置换吊点,经过几次调整即可将轨排吊入洞内,对位装车,完成本次轨排的吊装作业,进入下一工作循环。

3.4 地铁窄盾构井倾斜下吊轨排施工方法

(1)根据所下吊轨排长度L验证所选盾构井

如图9所示,根据所下吊轨排的长度L选择盾构井：所选盾构井的下料口宽度

式中L′——左右2台龙门吊吊点与所下吊轨排左右两端部间的距离；

h——盾构井截面的高度；

h′——盾构井底部的轨面高程；

h″——所下吊轨排与盾构井底部轨面间的安全距离；

S——下料口内部两侧的作业安全距离线分别与两侧洞壁间的作业安全距离。

图9 倾斜下吊轨排下料口宽度计算

(2)倾斜下吊轨排流程

①由左右2台龙门吊分别通过所述轨排吊装装置将轨排(5)水平起吊后,同步从左至右水平运行至下料口(13)上方,使得轨排右端部(7)与下料口(13)右侧的洞壁(11)对齐(图10)；

图10 倾斜下吊轨排流程1

②左侧龙门吊保持不动,右侧龙门吊向左走行的同时其大钩下降,使轨排(5)倾斜角度α,0°<α≤β,β=arccos(L1/L2),L1为两门吊最小中心距,L2为轨排上两吊点的间距(图11)；

图11 倾斜下吊轨排流程2

③2台龙门吊同步向右水平运行且二者的大钩同时下降,使轨排右端部(7)下降至与下料口(13)右侧的洞壁(11)底部平齐(图12)；

图12 倾斜下吊轨排流程3

④2台龙门吊同步向右水平运行且二者的大钩同时下降,使轨排右端部(7)下降至盾构井截面(12)内的轨排端部距轨顶安全距离线(14)(图13)；

⑤2台龙门吊均向右水平运行,左侧龙门吊的运行速度>右侧龙门吊的运行速度,左侧龙门吊大钩的下降速度>右侧龙门吊大钩的下降速度,使右侧龙门吊的吊点二(9)移至下料口(13)右侧的作业安全距离线(16)(图14)；

图13 倾斜下吊轨排流程4

图14 倾斜下吊轨排流程5

⑥右侧龙门吊保持不动,左侧龙门吊向左走行的同时其大钩下降,使轨排(5)下落至盾构井截面(12)内并呈水平状态；再由2台龙门吊同时下落轨排(5)并在盾构井截面(12)内进行对位装车；最后,完成整个倾斜下吊过程,进入下一工作循环(图15)。

4 结语

本工艺中的新型轨排吊装装置结构简单,操作方便,造价低廉，安全可靠。采用本装置进行轨排吊装作业,在城市铁路施工中遇到窄小盾构井等下料口时,可解决标准轨排整体倾斜吊装下洞时轨排吊具设计的难题,给施工作业带来了极大的便利。且倾斜下吊轨排施工方法的工序步骤简单、操作简便、施工成本低且功效高,能有效解决在窄盾构井中成功倾斜下吊轨排的施工难题,施工进度基本不受影响。此种施工方法在北京地铁4号线、北京地铁大兴线、北京地铁亦庄线的施工中广泛采用。

注：1—龙门吊；2—龙门吊；3—轨排吊装装置；4—轨排吊装装置；5—轨排；6—轨排左端部；7—轨排右端部；8—轨排左吊点；9—轨排右吊点；10—下料口左洞壁；11—下料口右洞壁；12—盾构隧道截面；13—下料口；14—轨排端部距离轨顶安全距离线；15—轨顶高程线；16—作业安全距离线；17—轨排左端部运行轨迹；18—轨排右端部运行轨迹；h—盾构截面高度；h′—成形道床轨顶高程；h″—安全距离。

参考文献：

[1]GB50278—98，起重设备安装工程施工及验收规范[S].

[2]GB50157—2005，地铁设计规范[S].

[3]DB11/T311.1—2005，城市轨道交通工程质量验收标准[S].