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城市軌道交通鋼彈簧浮置板設計施工一體化研究

劉加華

（上海申通地鐵集團技術中心,201103,上?！胃呒壒こ處煟?/p>

針對鋼彈簧浮置板提出了“標準化設計、工廠化預制、機械化施工、智能化監(jiān)測”的總體建設思路,把原來的平基底設計方案改為旋轉(zhuǎn)基底設計方案。提出“預制龍骨整體拼裝、預制短板節(jié)段拼裝和預制短板現(xiàn)場聯(lián)接”3個施工方案,并對前2個施工方案展開了應用研究。所提方案基本滿足功能需求并已投入工程應用,經(jīng)濟社會效益明顯。

軌道結(jié)構(gòu);鋼彈簧浮置板;設計施工一體化

Author’saddress Technology Centre of Shanghai Shentong Metro Group Co.,Ltd.,201103,Shanghai,China

1 現(xiàn)狀分析及國內(nèi)外研究綜述

1.1 現(xiàn)狀分析

典型鋼彈簧浮置板軌道結(jié)構(gòu)分為墊層和其上部的道床板兩部分。軌道結(jié)構(gòu)采用水平墊層設計,道床板在曲線地段為滿足軌道外側(cè)設置超高,設計為楔型結(jié)構(gòu),隔振器內(nèi)置在道床內(nèi)（見圖1）。由于不同曲線最大設計超高可能不同,以及同一曲線地段設計超高也會不斷變化,由此：①曲線內(nèi)外隔振器不能統(tǒng)一,同一曲線隔振器也不能統(tǒng)一,非標元件大量存在,且備品備料多,投資大;②結(jié)構(gòu)配筋尺寸不一,帶來加工費時;③不同曲線單獨設計,耗時低效;④在狹小的隧道內(nèi)現(xiàn)場澆筑,大量鋼筋綁扎、焊接以及混凝土澆筑質(zhì)量難以保證,且施工費時（進度僅為7～10 m/（天·工作面））,作業(yè)環(huán)境差;⑤對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),尚存在鋼軌底部與道床板間隙施工難以控制,容易造成鋼軌電腐蝕而存在斷軌隱患;⑥板體出現(xiàn)破損或運營后期損壞,維護無法更換;⑦現(xiàn)澆時不能及時頂升,施工期間易惡化周圍環(huán)境。

圖1 原浮置板軌道交通結(jié)構(gòu)圖

1.2 國內(nèi)外研究綜述

依照與本研究的緊密程度,分別對鋼彈簧浮置板、浮置板和無砟軌道三類結(jié)構(gòu)進行了整理和分析。鋼彈簧浮置板軌道最早應用于德國,隨后在英國道克蘭線、韓國高鐵釜山站、巴西圣保羅等線路中均有采用。國內(nèi)于2000年在北京13號線西直門高架車站中,采用了側(cè)置式鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)。其標準板長33.6 m。2001年,上海首次采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)應用于軌道交通4號線跨越四川北路高架區(qū)間。此后,在廣州、深圳、南京等多個城市也得到應用,其隧道內(nèi)典型板長30 m,均采用現(xiàn)場澆筑施工。

浮置板最早在1965年應用于德國多特蒙德的輕軌線路,為有砟軌道結(jié)構(gòu)。由于其良好的減振性能,后在華盛頓、多倫多、新加坡等多個城市應用。我國1999年開通的廣州地鐵1號線最早采用了橡膠支座浮置板結(jié)構(gòu),2003年開通的香港西鐵工程也采用了橡膠支座浮置板。其典型道床板尺寸為1 170 mm× 2 635 mm×390 mm,采用預制安裝方式。

無砟軌道設計與施工技術是隨著高速鐵路的建設而逐漸發(fā)展的。日本板式無砟軌道也從單一的A型發(fā)展到 M 型、L型、RA型和特殊減振 G 型等,技術發(fā)展較為成熟。其特征是采用預制道床板技術,通過鋼軌墊板和道床板下設調(diào)整層實現(xiàn)軌道施工的無級調(diào)整。德國無砟軌道技術至今已經(jīng)歷了30多年,發(fā)展了博格板、雷達2000型、旭普林等多種無砟軌道。其特征是采用工廠精密預制或半預制,通過高精度測量技術控制施工安裝。國內(nèi)對無砟軌道的研究始于20世紀60年代,與國外研究幾乎同步;此后隨著高鐵和客運專線建設,無砟軌道技術得到快速發(fā)展,相繼研發(fā)了CRTⅠ、CRTⅡ和CRTⅢ等無砟軌道,并得到廣泛應用。其技術特征是基本采用工廠預制或半預制方式,并通過精密測量施工實現(xiàn)安裝。

目前,鋼彈簧浮置板均采用了長板設計和現(xiàn)澆施工;浮置板有預制短板、現(xiàn)場拼裝的案例;無砟軌道采用預制短板、現(xiàn)場安裝的技術已較為成熟。

2 總體設計原則與技術路線

2.1 總體設計原則

綜合國內(nèi)外軌道工程的技術發(fā)展,確定本研究的設計原則為：①采用“標準化設計、工廠化預制、機械化施工、智能化監(jiān)測”的總體思路,通過模塊化、系列化和通用化的設計實現(xiàn)標準化,為工廠預制和機械化施工奠定基礎;②系統(tǒng)化的需求分析原則,以系統(tǒng)全壽命周期的需求分析為切入點明確開發(fā)需求,即從設計、制造、施工和維護等全過程開展研究,重點強化以往設計中常常忽視的施工和維護的需求;③以安全性為設計首要原則,滿足穩(wěn)定性和耐久性的要求;④減振效果與傳統(tǒng)浮置板等同或相當。

2.2 方案設想

通過隧道環(huán)境的限界尺寸分析,設想將原平基底設計為旋轉(zhuǎn)基底的設計（見圖2）,由于旋轉(zhuǎn)基底后并不改變原結(jié)構(gòu)占用的空間尺寸,隧道內(nèi)空間（限界）滿足要求。由此設計,則線路不同地段的道床板結(jié)構(gòu)得到統(tǒng)一,奠定了標準化設計與產(chǎn)品制造的基礎,減振部件、結(jié)構(gòu)配筋得到標準化;使施工標準化、模塊化和機械化成為可能（預制龍骨、現(xiàn)場吊裝,或采用預制短板、現(xiàn)場拼裝,或預制短板、現(xiàn)場聯(lián)接等施工方案成為可能）;承受荷載的關鍵部件道床板結(jié)構(gòu)因標準化工廠預制,或道床板龍骨可在工地地面預組裝,使施工精度以及軌道品質(zhì)可得到有效保證和提升;可實現(xiàn)鋪設現(xiàn)場與外部平行流水線作業(yè),作業(yè)時間大大壓縮、作業(yè)環(huán)境大大改善;如采用預制短板,可節(jié)省現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護時間,及時頂升避免施工擾民,且實現(xiàn)了運營期間的可更換性。

圖2 優(yōu)化后浮置板軌道結(jié)構(gòu)圖

2.3 技術路線

根據(jù)上述設計原則及設想,本研究的技術路線（見圖3）為：①通過技術現(xiàn)狀分析,明確問題;②通過全生命周期分析,明確系統(tǒng)需求、目標和總體設計原則;③提出可實施的具體工程方案;④理論仿真分析,對各方案與傳統(tǒng)方案對比研究;⑤方案優(yōu)化與實施,包括設計、產(chǎn)品、施工工藝等;⑥試驗驗證;⑦以上過程中涉及的建設指導意見（或標準）制定與完善。

3 方案研究及關鍵技術

3.1 預制龍骨整體吊裝

本方案采用先在鋪軌基地綁扎鋼筋、隔振器外套筒、鋼軌和扣件等形成整體龍骨,再運到現(xiàn)場安裝就位,然后整體澆筑混凝土。其主要優(yōu)點是：基地綁扎鋼筋的作業(yè)流程可與隧道內(nèi)基底鋪設平行作業(yè),因此節(jié)省了現(xiàn)場綁扎鋼筋的時間,同時也改善工作環(huán)境;其不足是未徹底解決軌道間隙的保證和頂升期間的擾民問題。采用在基地預制龍骨整體吊裝方案,施工難點是吊裝、運輸和準確就位。因鋼筋籠整體剛度小而體量大,常規(guī)吊裝工具無法適應新工藝的要求。

通過研究,采用鋼軌同步起吊、加強橫向聯(lián)接和合理選擇吊點等措施,可以解決吊裝問題。根據(jù)現(xiàn)有鋪軌龍門吊性能,采用成對使用龍門吊,解決平板車至工點的運輸問題。通過研制專用的定位和調(diào)整裝置,使得預制龍骨可準確就位、靈活調(diào)整。本方案最早在上海軌道交通7號線嵐皋路站率先開展試點（見圖4）,其預制龍骨標準長度為25 m。通過反復試驗,在解決產(chǎn)品標準化的同時,施工速度提高了5倍以上。

圖3 技術路線圖

圖4 預制龍骨整體吊裝圖

3.2 預制短板節(jié)段拼裝

在工廠預制短板,現(xiàn)場用剪力鉸進行連接。本方案基本實現(xiàn)“標準化設計、工廠化預制和機械化施工”。其關鍵技術是安全性設計、板長選擇和減振效果,以及施工工藝。

3.2.1 仿真分析

浮置板軌道與道床結(jié)構(gòu)模型見圖5,軌道模型從上到下依次為鋼軌、扣件、浮置板、隔振器、道床和彈性地基。浮置板簡化為自由-自由梁,浮置板下的隔振器簡化為離散的彈簧與阻尼器,道床和彈性地基處理為無限長彈性地基梁?？紤]隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量對道床振動的影響,在模型中將隧道管片的部分質(zhì)量附加給道床梁。

車輛模型簡化為相鄰2節(jié)車廂的2個轉(zhuǎn)向架,一半軌道結(jié)構(gòu)則對應轉(zhuǎn)向架單邊4個車輪。簡化以后采用4個1/8車輛模型,每個1/8車輛模型自上而下依次為1/8車體質(zhì)量、二系懸掛、1/4轉(zhuǎn)向架質(zhì)量、一系懸掛和車輪。

評價指標采用力傳遞率和相對加速度進行評價。力的傳遞率定義為所有隔振器中力的幅值的平方和的開方與激勵力幅值的比

圖5車輛浮置板軌道道床模型

式中：

Fbn——第n 個浮置板隔振器中力的幅值;

Nb——隔振器總數(shù);

F——輪軌動態(tài)力幅值;

Fbn——第n 個鋼軌扣件中力的幅值（對于整體道床軌道）。

相對加速度評價（加速度插入損失）指標為：相同的激勵分別作用于浮置板軌道和整體道床軌道,浮置板道床的加速響應與對應的整體道床的加速度響應幅值之比

式中,AFST和 AET分別為相對位移（輪軌組合不平順）激勵下,浮置板道床和整體道床對應位置的加速度響應幅值。加速度插入損失指標可以直接應用于浮置板軌道隔振性能測試。

通過對3種不同長度（3.6 m、6.0 m、7.2 m）的道床板與典型25m板長的浮置板進行動力仿真分析,可知：① 浮置板軌道隔振性能主要由其固有頻率決定,而固有頻率由單位長度的浮置板質(zhì)量、隔振器剛度和數(shù)目決定,與浮置板長度無關。② 浮置板長度對隔振性能的影響與浮置板自身彎曲振動模態(tài)有關。長浮置板的彎曲振動模態(tài)比短浮置板振動模態(tài)多,因此在固有頻率相同的條件下,短浮置板軌道的隔振性能略優(yōu)于長浮置板軌道。③ 與普通整體道床相鄰的浮置板板端設置過渡段時,車輛速度為80～90 km/h時,駛過浮置板軌道與整體道床交界處時引起的輪軌動載荷和車輛加速度變化較小。

根據(jù)以上分析,采用不同長度的浮置板是可行的,隔振性能可以得到保證。綜合減振性能、設備吊裝能力、扣件調(diào)整能力等因素,選擇3.6 m 的短板進行試驗。

3.2.2 關于設計對結(jié)構(gòu)安全的考慮

從安全角度分析,主要有三點需要重點研究：短板間的變形協(xié)調(diào),橫向位移控制,軌道幾何形位的精確實現(xiàn)。

（1）短板間的變形協(xié)調(diào)。傳統(tǒng)浮置板分為內(nèi)置式和側(cè)置式兩種的應用方式,本研究將兩種方式進行組合使用,很好地在保障隔振效率的同時,確保其安全性。

（2）橫向位移控制。一方面通過板段隔振器增設縱橫向限位裝置,可有效承受來自鋼軌傳遞的橫向力,同時通過剪力鉸將短板進行縱向聯(lián)接,提高結(jié)構(gòu)整體橫向剛度。

（3）軌道幾何形位。為提高預制效率,短板均設計為直線板,在曲線地段采用“以直代曲”進行設計。當最小曲線半徑350 m時短板范圍內(nèi)的正矢值為4.6 mm,采用半正矢法進行設計時占用扣件的調(diào)整量為2.3 mm,鑒于定型扣件設計總調(diào)整量為+8 mm、-12 mm,因此是可行的。在緩和曲線地段,超高的實現(xiàn)采用可填充式墊板實現(xiàn)。由此較好地解決了軌道幾何形位的實現(xiàn)問題,滿足軌道平順性的要求。

3.2.3 施工工藝

預制板運輸至鋪軌基地后,利用鋪軌基地設置的桁架門式起重機吊運至平板車上,再運行至前方,由雙臺鋪軌門吊吊運至作業(yè)面。道床板初步就位后,利用專用調(diào)節(jié)器實現(xiàn)道床板的高低、前后、左右3個方向的調(diào)整。相鄰2塊板精確就位后,安裝側(cè)置隔振器。隔振器同道床板間的間隙采用不同規(guī)格的墊片進行填塞。

3.2.4 試驗驗證

試驗段選擇在10號線動物園站—1號航站樓之間,曲線半徑為1 000 m,鋪設長度150 m。車型為 A型車,6輛編組,最高速度80 km/h,設計軸重160 k N。測試主要評價安全性、平穩(wěn)性和動力特性。經(jīng)分析得到以下結(jié)論：

（1）在列車不同車速（50～70 km/h）時,車體最大垂向、橫向加速度指標為0.041 g 和0.04 g,低于I級標準（0.06 g）;車輛運行最大垂向、橫向平穩(wěn)性指標分別為1.923和2.103,達到優(yōu)秀標準（＜2.5）。

（2）在列車不同車速（50～70 km/h）時,脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向最大值分別為0.4、0.54和17.86 k N,安全性指標滿足要求（0.8、0.6和37.5 kN）。

（3）激振試驗分析系統(tǒng)的諧振頻率約為11 Hz,隔振器的阻尼比約在0.16左右;浮置板振動響應與激勵力之間的相干函數(shù)在大部分頻率點接近于1,說明浮置板振動的測試結(jié)果相當可靠。列車試驗表明浮置板系統(tǒng)的諧振頻率為12～13 Hz;類比試驗隧道壁測試結(jié)果表明預制短板浮置板在17～18 Hz以上具有良好的隔振效果,在20～100 Hz內(nèi)浮置板軌道的隔振為6～20 dB,在100 Hz以上浮置板軌道的隔振平均大于20 dB。綜合測試分析與仿真計算結(jié)果,可以認為板長3.6m 浮置板軌道的動態(tài)特性良好,達到預期的隔振效果。

3.3 預制短板現(xiàn)場聯(lián)結(jié)

在預制短板的基礎上,將短板現(xiàn)場就位后連接預留鋼筋,然后澆注混凝土形成剛性連接,即由多塊預制短板現(xiàn)場拼接成一塊25～30 m的浮置板。該方案的優(yōu)點是可以減少端部隔振器,可進一步提高軌道結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性;其難點在于解決板的剛性連接問題。聯(lián)接鋼筋可以采用焊接、機械連接等不同方案,同時需對連接工藝進行研究。

4 經(jīng)濟和社會效益評價

4.1 經(jīng)濟效益

相比傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板,“預制龍骨整體吊裝”方案節(jié)省投資80萬～100萬元/km。該方案目前在北京、深圳、廣州和深圳等多個城市軌道交通項目中得到應用?！邦A制短板節(jié)段拼裝”方案,增加投資50萬 ～100 萬 元/km,較原 投資增 比 3.0% ～5.9%。其主要原因是目前工廠預制道床板的綜合費用（含運輸費）較高。該方案目前已應用于上海軌道交通部分新線項目。

4.2 社會效益

（1）軌道品質(zhì)得到大幅提升。特別是預制短板,道床板質(zhì)量和耐久性得到有效保證;套筒與軌底的間隙得到有效控制,避免軌道打火引起的鋼軌傷損。（2）部件生產(chǎn)實現(xiàn)了標準化,同時減少維護的備品備件。（3）改善了工人作業(yè)環(huán)境,大幅減少隧道內(nèi)綁扎、焊接鋼筋等工作量。（4）施工效率提高5～7倍,折合節(jié)約工期約100工天/km;（5）對于預制短板方案,可即時頂升,降低施工期的振動干擾,同時便于今后的道床大修和更換。

5 結(jié)語

（1）“標準化設計、工廠化預制、機械化施工、智能化監(jiān)測”是軌道工程建設的發(fā)展趨勢。盡管在項目中研發(fā)了實時監(jiān)測隔振器變形的裝置,但距離智能化尚有較大差距,應在后續(xù)的研究中不斷探索,為軌道安全監(jiān)控提供重要手段。

（2）軌道工程新技術的研發(fā)是一項系統(tǒng)工程,應從全壽命周期的角度考慮其功能需求,并納入到系統(tǒng)設計范疇內(nèi),特別是應充分重視建設需求和運營維護的需求。

（3）新系統(tǒng)需要一個不斷完善的過程。本項目的后續(xù)尚有諸多優(yōu)化工作有待進一步探索和研究,包括現(xiàn)場連接方案的研究、預制短板的成本控制、相關施工工藝的優(yōu)化等。

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Integration of Design and Construction for URT Floating Slab Track with Steel Springs

Liu Jiahua

An overall concept of“standardized design,prefabricated in factory,mechanized construction and intelligent monitoring”is put forward in this paper.In the design of the rotating base according to this concept,three plans are proposed regarding “integral assembly of prefabricated keels”,“sectional assembly of prefabricated short plates”and “site connection of prefabricated short plates”respectively,then,application of the previous two plans is implemented.The proposed plans could basically meet the functional requirements through the application in related engineering practices,and the result has shown obvious economical and social benefits.

rail structure;floating slab track;integration of design and construction

U 213.2+42

2013-03-24）