刚柔复合型无砟道床施工技术及质量控制要点分析

吉世林

(中铁十一局集团第三工程有限公司,湖北 十堰 442000)

铁路建设是我国重要的民生基础工程,对国民经济发展具有重要的促进作用[1-2]。随着列车行驶速度不断增加与科学技术进步,传统的有砟轨道已经发展为无砟轨道。无砟轨道具有使用周期长、维修成本低、抗变形能力强、环境适应性好等诸多优势[3-4]。郑纬奇等[5]针对高铁大跨度斜拉桥无砟轨道施工技术开展研究,基于数值仿真与模型试验结果,提出了小变形单元式无砟轨道设置橡胶隔离层的技术,并明确了橡胶隔离层的“缓冲作用”;姚力等[6-7]通过对无砟轨道的静力分析以及车辆-轨道动力相互作用的分析,揭示了列车动、静荷载传递规律,并提出了无砟轨道车辆荷载设计建议取值范围;肖俊恒等[8]为解决无砟轨道变形过大的问题,研发了无砟轨道大位移调整扣件,水平位移调整范围±150 mm,高低位移调整范围-24 mm～+100 mm;刘雨宾等[9-10]基于文献调研与现有工程项目,总结了铁路交通运输无砟轨道底座施工、轨道板施工、乳化沥青砂浆充填层施工要点,并明确了无砟轨道施工质量保证的控制要点。

综上所述,目前研究主要集中在单一的“刚性”或“柔性”的无砟轨道,尚未对同时包含两种结构体系的无砟轨道施工工艺及质量控制措施进行系统研究,因此有必要结合福州市轨道交通6号线围绕无砟轨道施工技术开展相关研究及讨论,促进“刚柔复合”型无砟轨道施工技术发展。

1 工程概况

此工程项目是福州市的轨道交通6号线,它位于三江口并跨越乌龙江。这座桥是一座既可以作为公路也可以作为轨道的桥梁,其上部是城市的主要道路(即一级公路),而下部则是双线轨道。公轨的总长度为4.35 km,而在这其中,钢桥部分使用了钢桁结合梁的设计。设计中考虑了桥面铺装结构、行车舒适性等问题。考虑到桥梁的结构特性和当前的施工技术,桥梁的钢桥段和两端的混凝土简支梁轨道选择了隔离式减振垫无砟道床。通过使用橡胶减振垫,可以增强道床板与桥梁变形的同步性和跟随性,从而降低桥梁变形对轨道形状的影响。

福州市轨道交通6号线穿越了柔性的钢桁梁桥段和刚性的混凝土桥段,如何在两种不同类型的桥梁结构体系下进行无砟轨道施工是具有挑战性的。因此,为保障该轨道交通线路的顺利通车,有必要围绕刚性和柔性桥梁体系下的无砟轨道施工工艺开展深入研究。

2 无砟轨道铺设技术

2.1 引桥段施工流程

引桥段轨道二期恒载对轨道梁面挠度影响较小,因而无砟轨道几何形状仅需通过扣件调整即可满足设计及规范要求。引桥段隔离式减振垫施工工艺流程如图1所示,主要的施工流程涵盖了以下几个方面:施工前的准备工作、基准测量的设置、桥面特性的评估、行走轨道的安装、桥面的清理、隔震层的铺设、轨道排的组装和吊装、轨道的初步调整、钢筋网的绑扎、防迷流端子的焊接、模板的安装、轨道的精细调整、混凝土的养护和拆除,以及质量的检测。

2.2 引桥段施工方案

结合引桥段隔离式减振垫施工工艺流程与工程项目特点,围绕走行轨安装、桥面清理等主要施工步骤进行详细讨论,具体包括:

1)走行轨安装。如图2所示,刚桥段的行轨支墩使用了各种尺寸的木枕,疏散平台的木枕尺寸定为200 mm×200 mm×400 mm,而线缆支架的木枕尺寸则是200 mm×200 mm×600 mm。由于走行轨是在桥上架设并由轨道梁支撑的,所以走行轨与钢轨之间要有一定距离的间隙以保证行车安全。这批木枕是通过使用膨胀螺栓和压板来稳固行走轨道的。

2)桥面清理。经过对大桥桥面的现场考察,我们观察到该桥表面的主要污渍是灰尘和油渍。在桥梁维修中,应该注意及时将这些污物处理掉。灰尘可以通过手工清扫或者使用高压水枪冲洗来进行清除。在面对油污问题时,如果受污染的区域不是很大,可以优先考虑使用铲刀清除厚重的油污,再利用沾有溶剂的抹布擦拭受污染的表面,促使油污完全溶解后再用干净的抹布将溶解后的油污擦干。若是大面积污点较大时,则可采用刮油器将其刮除。继续执行上述操作,直至小范围的油污得到彻底清除;当油污面积较大时,需在污染的桥梁表面喷淋工业金属清洁剂(一种水溶剂的碱性乳化剂),浸润一段时间后,用硬毛刷清理表面使油污与清洁剂充分混合,最后采用淡水进行清洁。

3)减震垫铺设。在减震垫铺设之前,需切除底座板、限位凸台放样时钢筋桩露出混凝土的部分,并保证台座的平整度及整洁性。为了简化现场施工流程并优化减振垫的横向铺设方法,我们决定执行以下三个步骤:a.依据现场铺设所需的宽度标准,对减振垫进行了无损的切割处理,以确保减振垫最终产品的质量。b.根据横向铺设的设计方案,需要铺设减振垫,并确保减振垫浮置板之间的缝隙宽度不超过10 mm。此外,还需使用特质密封搭条进行覆盖,并用三排铆钉将这些密封搭条牢固地固定在减振垫上。c.当减振垫被正确铺设后,上卷的顶部首先被土工布所覆盖,并采用橡胶密封带进行了密封处理。另外,为了确保杂质不会渗透到减震垫的底部,我们在减震垫的上部边缘使用了土工布进行覆盖,确保每一面的包裹宽度不少于100 mm。

4)轨道粗调。我们采用了直角道尺和万能道尺,并参考了铺轨基标的相关标准,通过钢轨支撑架的支撑杆对轨道的几何形态进行了初步的调整,并对连接用的螺栓进行了稳固固定。根据现场情况,确定出不同地段所需的高度以及铺设位置,然后按照上述方法将轨道整体安装到位。在调整轨道的过程中,我们必须确保标高、轨距和水平方向的偏移都不会超过±5 mm,同时也要确保轨道的外观是平直的或者是圆润的。

5)轨道精调。当CPⅢ控制网的复测精度达到了预定的设计标准,就可以对轨道进行精细调整。可以采用先进的轨道几何状态测量仪、徕卡TS16全站仪和徕卡GPR121棱镜等设备,将经过线性拟合的平面、纵断面、超高值和任意设站控制点等数据输入到轨道几何状态评估系统中,以确保数据的准确性和可靠性。全站仪可以自由设置任意的控制点来设置站点,一旦仪器的位置被确定,就可以与轨道几何状态测量仪配合进行测试。每个站点的实际测量距离都不应超出70 m的限制。另外,全站仪一般被设置在线路的中线附近,因此测站观测的控制点数量不应少于3对。在测站发生位移之后,相邻的测站在进行重叠观测时,其铺轨控制点的数量不应低于1对。

在进行轨道的精细调整时,我们采用了全站仪来观察轨道轨检测量仪上的棱镜,并把该测量仪移到了需要测量的位置。借助分析软件,我们有能力计算出目前的轨道位置与预定设计位置之间的偏差,并将这些偏差数据以一种量化的形式呈现出来。接下来,我们会手动调整轨道的平面和高度,确保轨道的真实位置处于设计允许的误差范围之内。通过这种方式,我们能够确保轨道运行的准确性和稳健性,从而为列车的安全行驶提供坚实的保障。

在测站位置发生位移之后,为确保测量的准确性,建议对上一个测站的最后五个测点进行重复测量,同时确保平面的横向偏差与高程的差异不超过2 mm。在施工中可将该点按一定间隔分成若干组进行反复测定并记录每组数据,以获得相应点位的位移量及高差等资料。测站的误差和混凝土浇筑后的差值是通过人工顺差方法来计算的,顺差长度为1/10 000 m。

2.3 主桥段施工流程

主桥段为双层高度预应力钢桁架结合梁桥,属于柔性桥梁体系。因此,为保证无砟轨道施工完成后轨道的变形始终处于设计容许值,采用堆载预压法进行施工。具体工艺流程如图3所示,主要包括:预压准备、监测点布置、线形监测、线形拟合、分段卸载、梁面线形监测、轨道精调施工、分段铺轨等。

2.4 主桥段施工方案

结合主桥预压堆载隔离式减震垫施工要求及技术特点,围绕监测点布置及测量、主桥段线形拟合以及无砟轨道施工方面,针对关键性施工技术方案进行研究。

1)监测点布置及测量。考虑到预压水带后期会覆盖桥面,影响监测点观测,因而结合桥梁线形现有监测方案,监测点选择在钢桁梁支点对应的轨道层两面上,并左右对称布置。此外,为尽量减少环境温度对监测结果的影响,电子水准仪监测时间点应当优先选择在温度较为均匀的时刻,如22:00至6:00,且测量温度应当控制在(20±5)℃内。当桥面监测完成后,应及时与桥梁设计单位互通数据,明确桥梁线形偏差。

2)桥梁线形拟合。当桥梁进行分段加载后,对其进行连续3 d变形监测,并于设计单位互通数据,明确桥梁荷载与主桥线形的精准对应关系,并进行线形拟合。而后,依据加卸载与桥梁变形的影响关系,设计铺轨基标的测设时间、轨道精调时间以及混凝土浇筑时间。

3)无砟道床施工。无砟轨道布设引起的恒载可能对桥梁线形影响,因而基于等量置换原则,采用边卸载边施工工艺,解决轨道铺设对桥面线形的影响,进而减少轨道精调梁面补偿值,提高无砟道床施工效率。此外,为尽量减小无砟道床施工对桥梁线形的影响,施工工程中应遵循“先边跨,后主跨,由边向中对称施工”的技术原则,见图4。

图4显示了主桥无砟轨道施工区段分布图。首先,针对两层边跨①②进行卸载,并在卸载后、模板铺设后、轨道铺设后分别进行3次桥梁线形监测;而后,将两侧边跨③④进行卸载,并依旧在卸载后、模板铺设后、轨道铺设后进行桥梁线性监测;依据上述步骤,依次针对边跨+主跨⑤⑥、主跨⑦⑧、主跨⑨⑩、主跨进行卸载和无砟轨道施工,直至完成主桥无砟轨道铺设。

3 无砟轨道铺设质量控制

3.1 轨道状态质量控制

采用现场“架轨法”进行无砟轨道的施工。为确保无碴轨道铺设时不会出现断轨现象,必须严格控制好每道工序。在开始施工之前,必须对底板的质量和大小进行深入的检查,并在满足设计标准后进行适当的凿毛操作,确保道床混凝土与基底之间的紧密结合。另外,还需对道床表面平整度等相关指标实施监控。在布置无砟轨道的过程中,采用了基标,并对轨道的中线、方向、标高和轨距进行了初步和精细的调整,同时在施工过程中持续进行检查,确保轨道的纵向和横向位置以及标高都是精确的。另外,还需对道床表面平整度以及接缝状况等方面进行全面检测,发现问题及时解决,避免影响行车安全。另外,值得一提的是,在道床混凝土达到70%的设计强度之前,需要与钢轨发生碰撞,并在道床上施加重量。

3.2 轨排模板质量控制

为防止后续混凝土施工扰动对轨排空间位置造成影响,需对轨排支撑架进行加固。计划每两块道床板范围设置5个轨排支撑架,且每块板内共有10对短轨枕,支撑架安装每隔4对轨枕再安放一个支撑架。基于上述原则,保证支撑架之间相对距离2.4 m左右。此外,为防止支撑架歪斜导致道床变形,需在支撑架两端设置撑杆,一端支点支撑在轨排支撑架上,另一端支点置于钢箱梁面凸台上,防止支撑架由于左右受力而倾斜。同时,在相邻支撑架之间设置拉杆,以固定支撑架并抵消来自前后纵向的力。考虑到道庆洲大桥有部分为钢桁梁,在模板安装过程中下部无法打孔固定,因此需要撑杆支撑模板下端以固定模板下部。在模板上端采用特殊加工的专用固定模板拉钩,把拉钩一端钩在钢轨内侧,另一端钩在模板上确保模板不因外力而发生位移。

3.3 混凝土质量控制

无砟轨道施工过程中,混凝土道床质量对工程项目整体质量具有重要影响,因而必须加强对混凝土施工质量的控制,防止裂缝、沙孔等质量缺陷。目前,混凝土裂缝产生的原因主要包括:外荷载(动载或静载等)、结构变形(温度、不均匀沉降等)、施工质量(振捣、养护、吊装等)、设计不当(配比问题等),常见的缺陷类型主要包括塑性裂缝、温度裂缝、外观缺陷等。

塑性裂缝是由于混凝土浇筑完成后,其表面没有得到及时的覆盖,并因风吹和日晒导致游离水分快速蒸发,从而引发混凝土急速收缩而形成的一种裂缝现象。这类裂缝通常会出现在结构的表面,其形状和长度各不相同,短的裂缝范围仅为20 mm～30 cm,而长的裂缝可以扩展到2 m～3 m,宽度则在1 mm～5 mm之间,这与干燥后的泥浆面有相似之处。塑性裂缝主要是由于使用了收缩率较高的水泥、过量使用细砂和粉砂、水灰比过高,以及模板过于干燥等因素造成的。这些因素都会导致混凝土在初始阶段的体积收缩较大,但由于混凝土强度尚未形成,无法抵抗这种变形能力,从而出现裂缝。为防止塑性裂缝的产生,可以采取措施如及时覆盖保湿、选择合适的水泥和骨料、控制水灰比等。目前,主要从降低混凝土避免水分蒸发速度、减小混凝土表面收缩、提高混凝土避免强度形成速率三个方面实施预防,例如:在混凝土中添加钢纤维以提高抗裂强度、采用潮湿的草袋覆盖混凝土表面以防止水分散发、振捣密实以保证混凝土的强度等。

在梁和板类结构中,温度引起的裂缝通常出现在长度和尺寸较大的部分,这些裂缝大多与短边平行,并且其走向并没有固定的模式。深度裂缝和贯穿性裂缝通常与短边方向呈平行或近似平行状态,这些裂缝会沿着长边进行分段,并且在中间区域更为密集。裂痕的宽度通常落在0.5 mm～1.0 mm的范围内。由热胀导致的温度裂缝特点是中心部分较粗,而两侧则较细;冷缩产生的裂缝在粗细上的差异并不显著,其宽度不超过0.5 mm。在施工的中后阶段,温度裂缝通常会出现,而这种裂缝的形成与温度差异有着紧密的联系。在水泥水化的过程当中,会产生大量的热能(502 J/g),这些热能主要是在完成浇筑后的7 d内集中释放的。如果按照350 kg/m3～550 kg/m3的水泥使用量来计算,每立方米的混凝土会释放出17 500 kJ～27 500 kJ的热量,导致大约70 ℃的温度升高。对于混凝土结构而言,其表面与内部的散热效果存在显著差异,因此会在内部形成温度梯度,造成温度应力。当混凝土的温度应力差超过其抗裂强度时,就会产生开裂,且这种裂缝一旦产生,会随着时间延长而不断扩展,甚至会达到贯穿,对混凝土结构力学特性产生巨大影响。目前,针对该类裂缝,主要通过:选择低水化热材料以直接降低混凝土内部温度、延长混凝土水化热释放时间以缓解混凝土内外温差、施工工艺改善以缓解混凝土内外温差。

外观缺陷主要指气泡、麻面、掉角、色差等缺陷。气泡、麻面最为常见,其产生原因与混凝土和易性、振捣质量密切相关。低和易性、差振捣质量的混凝土更容易出现;混凝土表面颜色不一致的主要原因在于拌合物配比控制不严,导致前后批次混凝土配比差异,混凝土模板清洗不干净导致表面含有斑点和杂物,振捣时间过长导致混凝土局部离析等;掉角现象的产生与混凝土的支模质量密切相关,模板不牢固、模板变形等诸多因素都会引起该缺陷。因此,在混凝土浇筑过程中,要严格控制混凝土的配合比、振捣质量、支模质量、模整洁度,并做好后期保护工作,保证混凝土的最终施工质量。

3.4 安全生产质量控制

为保障工程项目的安全施工,需围绕施工现场、施工机械、施工用电、起重作业等诸多方面设置对应安全生产质量控制措施。在施工现场方面,所有的材料、设备、安全指示牌应放置在规定位置,且施工现场做到“四通一平”。在施工机械方面,机械设备使用之前必须对其进行相应的安全检查,保证投入设备运行工况良好;设备运行过程中,对设备进行定期保养,发现设备运行状态变化时,及时进行处理,保证设备的正常使用;设备的操作人员必须经过相关的培训,合格以后方可持证上岗。关于施工用电,各个单位都会对管段内的施工用电和各类电器设备实施日常维护管理,并采纳三级配电与二级保护的策略。对于大型机械和电气设备以及其他需要经常操作的地方,应安装漏电保护装置。电力设备采用了一机一闸一漏一箱的设计,并搭配了对应的漏电保护装置。为了防止触电事故的发生,应将变压器与线路分开安装,并设置接地保护装置。另外,在进行金属容器或特别湿润环境的操作时,必须采用12 V的安全电压。在起重作业方面,所有的起重设备必须通过严格的安全检查,且在作业过程中严格遵守“十不吊”“七禁止”原则。当进行高空作业时,需按照规定佩戴安全帽、系安全绳、挂安全网。

4 结论

为促进刚柔复合型无砟道床施工技术进步,结合福州市轨道交通6号线项目成功案例,总结了复合型无砟轨道施工技术方案以及对应的施工质量控制措施,主要结论如下:1)在进行刚性无砟轨道的施工时,必须严格遵守一系列的施工流程,包括施工前的准备工作、基础标准的测量和设置、桥面系数的评估、走行轨的安装、桥面的清洁、隔震垫的铺设、轨排的组装和架设、轨道的粗调、道床钢筋网的绑扎、防迷流端子的焊接、模板的安装、轨道的精调、混凝土的养护和拆除,以及质量的检测。2)对于柔性轨道,应保证施工过程中轨道线形满足设计要求,同时应遵循“先边跨,后主跨,由边向中对称施工”的技术原则。3)在无渣轨道铺设过程中,应严格控制轨道状态质量、轨排模板质量、混凝土浇筑质量以及安全生产质量,保障无砟轨道项目的顺利实施。