王　浩

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京　102601)

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無枕式整體道床長鋼軌直鋪法施工機(jī)具研究

王浩

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京102601)

摘要：無枕式整體道床施工機(jī)具的研究設(shè)計(jì)直接影響到施工效率及工程質(zhì)量,結(jié)合馬來西亞安邦輕軌延伸線工程特點(diǎn),在長鋼軌直鋪法施工技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行配套施工機(jī)具的研究。主要是多功能軌道調(diào)整器及模板體系的研究,包括結(jié)構(gòu)形式、施工方法、精度保證措施、小半徑曲線施工實(shí)現(xiàn)方式等。采用MSC. Nastran軟件對多功能軌道調(diào)整器進(jìn)行強(qiáng)度及變形分析,并采取相應(yīng)措施保證整體道床施工精度。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；整體道床；無枕式；小半徑曲線；多功能軌道調(diào)整器

1概述

無枕式整體道床即整體澆筑式道床，與軌枕式道床通過軌枕將來自軌道的荷載擴(kuò)散傳遞給下部的道床不同，無枕式整體道床直接由道床承受來自軌道和扣件的荷載。無枕式整體道床施工方法繁瑣、精度難以保證，但由于具有整體性好、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)高度小，施工工期短、工程造價低等特點(diǎn)，在北京、香港、舊金山等城市的軌道交通建設(shè)領(lǐng)域有一定應(yīng)用[1]。馬來西亞安邦輕軌延伸線是既有安邦輕軌的擴(kuò)建線，全線采用無枕式整體道床，項(xiàng)目自Sri Petaling開始起，至Putra Heights結(jié)束，線路正線總長度18.048 km，除起點(diǎn)段的80 m線路為路基段外其余全部為高架線，軌道工程承包模式為EPC(設(shè)計(jì)施工總承包)，采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。結(jié)合該線無枕式整體道床的設(shè)計(jì)施工，開展長鋼軌直鋪法施工技術(shù)及配套施工機(jī)具研究，并通過施工機(jī)具的研究設(shè)計(jì)達(dá)到簡化施工技術(shù)、提高施工精度的目的。

2安邦輕軌延伸線整體道床特點(diǎn)及施工難點(diǎn)

無枕式整體道床施工技術(shù)及施工機(jī)具的研究需要充分考慮軌道交通的線路條件及環(huán)境條件，結(jié)合馬來西亞安邦輕軌延伸線的線路特點(diǎn)，對該線無枕式整體道床的施工難點(diǎn)進(jìn)行簡要分析。

2.1扣件預(yù)埋套管直接固定澆筑

無枕式整體道床的扣件預(yù)埋套管采取相應(yīng)措施按設(shè)計(jì)圖紙調(diào)整固定好后進(jìn)行混凝土施工(圖1)，直接埋入道床，新澆混凝土與套管結(jié)合面積小，軌道應(yīng)力放散及施工機(jī)具拆除時機(jī)對混凝土強(qiáng)度要求高，特別是曲線段，混凝土未達(dá)到強(qiáng)度要求時拆除施工機(jī)具極易造成道床混凝土破壞。

圖1　安邦輕軌延伸線扣件系統(tǒng)

2.2線路曲線多，平曲線半徑小

城市軌道交通由于處在城市建成區(qū)，既有建筑對線路的走向有一定影響，大部分線路曲線多，平曲線半徑小。城市軌道交通線路的曲線半徑都相對較小，這一特點(diǎn)在馬來西亞安邦輕軌延伸線體現(xiàn)得尤為突出，安邦輕軌延伸線正線共設(shè)平曲線37處，豎曲線40處。其中，平曲線半徑小于200 m的曲線有7處。最小平曲線半徑130 m，最大超高150 mm，最小豎曲線半徑1500 m。

2.3道床斷面復(fù)雜，長度規(guī)格多

安邦輕軌延伸線在道床鋼軌外側(cè)設(shè)置擋墻結(jié)構(gòu)，單線道床呈對置正反L形設(shè)置，見圖2。由于梁面排水坡的存在，使得除2個擋墻內(nèi)側(cè)面外其余4個側(cè)面高度均不同。曲線超高段，道床斷面隨軌道整體偏轉(zhuǎn)，道床側(cè)面與梁面產(chǎn)生傾角，4個道床側(cè)面高度變化較大(圖3)，考慮到曲線的正反超高，道床側(cè)面高度變化情況更為復(fù)雜。

圖2　直線段道床斷面(單位：mm)

圖3　曲線段道床斷面(單位：mm)

安邦輕軌延伸線道床的平面規(guī)格也比較復(fù)雜，由于不同梁型的存在，設(shè)置了2 975、3 050、3 300 mm等多種長度規(guī)格的道床板，對施工模具的配置有一定影響。

3長鋼軌直鋪法及施工機(jī)具

3.1長鋼軌直鋪法施工技術(shù)

無枕式整體道床長鋼軌直鋪法施工技術(shù)充分利用高架線橋面空間，在施工前將標(biāo)準(zhǔn)25 m軌節(jié)提前運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，按合理線路長度配送鋼軌，并置于橋上碼垛。利用長鋼軌焊接機(jī)將25 m標(biāo)準(zhǔn)軌節(jié)焊接成100 m(與日施工進(jìn)度相匹配的鋼軌長度)長鋼軌，邊焊接邊輸送，每標(biāo)準(zhǔn)施工段存放雙線4根長鋼軌。整體道床施工時通過鋼軌吊裝門架將長鋼軌與相應(yīng)數(shù)量的多功能軌道調(diào)整器組成軌排，并在長鋼軌上按要求安裝扣件系統(tǒng)，調(diào)整好軌道狀態(tài)后鎖定軌排，進(jìn)行混凝土施工?；炷潦┕ね瓿珊?，直接將100 m長鋼軌焊接成無縫線路[2-10]。

長鋼軌直鋪法施工技術(shù)配合多功能軌道調(diào)整器可實(shí)現(xiàn)最小半徑100 m的曲線整體道床施工。按順序先后安裝2根長鋼軌，充分利用單根長鋼軌的側(cè)向柔度，2根長鋼軌分別擬合線路曲線后，與多功能軌道調(diào)整器組成軌排，懸掛扣件，調(diào)整軌道參數(shù)后鎖定并澆筑道床混凝土，實(shí)現(xiàn)小半徑曲線軌道的架設(shè)。

3.2施工機(jī)具配置

無枕式整體道床長鋼軌直鋪法施工主要配置的施工機(jī)具有長鋼軌焊接的鋼軌焊接機(jī)，軌排體系調(diào)整鎖定的多功能軌道調(diào)整器，道床混凝土模板及撐桿，鋼軌吊裝輕型門架，混凝土運(yùn)輸罐車及混凝土澆筑泵車等。見表1。

表1　長鋼軌直鋪法主要施工機(jī)具配置

4多功能軌道調(diào)整器

軌排支撐體系主要為鋼軌及扣件系統(tǒng)提供支持及狀態(tài)調(diào)節(jié)功能，是由多功能軌道調(diào)整器及長鋼軌組成的軌排及其調(diào)整、鎖定機(jī)構(gòu)。2根鋼軌的相對幾何形位通過設(shè)置在多功能調(diào)整器上的卡槽螺母實(shí)現(xiàn)調(diào)整鎖定，整體軌排的狀態(tài)調(diào)節(jié)通過設(shè)置在多功能調(diào)整器兩端的高程調(diào)節(jié)螺桿及軌向撐桿實(shí)現(xiàn)。多功能軌道調(diào)整器是無枕式整體道床長鋼軌直鋪法施工的核心機(jī)具。軌排支撐體系單元如圖4所示。

圖4　軌排支撐體系單元

4.1多功能軌道調(diào)整器的功能

多功能軌道調(diào)整器是軌排調(diào)整體系中重要組成部分，軌排調(diào)整體系的所有調(diào)整、鎖定功能全部由其實(shí)現(xiàn)。

(1)鋼軌的架設(shè)功能，多功能軌道調(diào)整器是在混凝土道床澆筑前為長鋼軌及扣件系統(tǒng)提供支撐功能的結(jié)構(gòu)件，整體結(jié)構(gòu)橫跨道床斷面，具有足夠的強(qiáng)度及剛度，保證鋼軌鎖定后的狀態(tài)不受施工擾動。

(2)鋼軌的調(diào)整、鎖定功能，長鋼軌直鋪施工技術(shù)需要先后架設(shè)單股100 m長鋼軌，架設(shè)第一根長鋼軌時參考梁面軌道線架設(shè)并調(diào)整、鎖定，第二根長鋼軌架設(shè)需參考第一根長鋼軌架設(shè)，調(diào)整好軌距后鎖定。

(3)軌排的調(diào)整、鎖定功能，多功能軌道調(diào)整器與2根長鋼軌鎖定組成整體軌道排架，通過高程螺桿、橫向支撐分別實(shí)現(xiàn)軌排的高程、中線調(diào)整及整體軌排的鎖定等功能。

(4)鋼軌的軌底坡保持功能，正線軌道設(shè)置1∶40的軌底坡，多功能軌道調(diào)整器的鋼軌托盤設(shè)置了軌底坡保持面，并通過卡槽螺母上設(shè)置的豎向螺桿鎖定鋼軌，具有軌底坡的保持鎖定功能[11-12]。

4.2多功能軌道調(diào)整器的結(jié)構(gòu)組成

多功能軌道調(diào)整器主要由中托架、鋼軌托盤、側(cè)托架、支腿、高程螺桿、橫向支撐、輔助支撐及卡槽螺母等組成，見圖5。

圖5　多功能軌道調(diào)整器組成

由于施工測量系統(tǒng)的限制，多功能軌道調(diào)整器采取跨線下承式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高程調(diào)節(jié)支腿及軌向撐桿設(shè)置在線路外側(cè)，在保證整體剛度的同時，提高了軌排鎖定的可靠性，并減少了傳統(tǒng)施工工藝支腿設(shè)置在道床內(nèi)部產(chǎn)生的混凝土二次封堵施工。

鋼軌調(diào)整鎖定機(jī)構(gòu)采取快速安裝、拆卸結(jié)構(gòu)。調(diào)整螺栓具有無級調(diào)整鋼軌位置及調(diào)整到位后鎖定鋼軌，鋼軌在鋼軌托盤上調(diào)整量為±10 mm，調(diào)整螺栓通過卡槽螺母實(shí)現(xiàn)在中托架、側(cè)托架上的快速裝拆?？ú勐菽赣?種結(jié)構(gòu)形式，一種只提供鋼軌橫向調(diào)整鎖定螺紋孔，另一種提供橫向調(diào)整、鎖定及豎向鎖定螺紋孔。如圖6、圖7所示。

圖6　Ⅰ型卡槽螺母

圖7?、蛐涂ú勐菽?/p>

軌排支腿設(shè)置多個連接孔，滿足超高條件下高程螺桿行程的不足，通過支腿與側(cè)托架聯(lián)接位置改變，提高在大超高條件下高程螺桿的適應(yīng)性。

鋼軌托盤直接支撐鋼軌，與鋼軌接觸的上面設(shè)置坡度，該坡度保證鋼軌軌底坡的實(shí)現(xiàn)。坡度設(shè)置的具體數(shù)值通過有限元分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)變形影響后確定合理數(shù)值。

4.3多功能軌道調(diào)整器結(jié)構(gòu)有限元分析

多功能軌道調(diào)整器有限元分析施加荷載參考實(shí)際荷載，主要是多功能軌道調(diào)整器自重、鋼軌與扣件重力及其他附加力等。由于扣件系統(tǒng)只有預(yù)埋套管埋入混凝土內(nèi)部，墊板只埋入混凝土10 mm，混凝土振搗對軌排支撐體系影響不大，計(jì)算時未考慮振搗力影響。

由圖8可以看出，多功能軌道調(diào)整器構(gòu)架主體大部分應(yīng)力不大于80 MPa，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在中托架與鋼軌托盤聯(lián)接止口處為106 MPa<215 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖8　多功能軌道調(diào)整器構(gòu)架等效應(yīng)力云圖

由圖9可以看出，多功能調(diào)整器最大變形5 mm，跨距3100 mm，最大撓度為跨距的1/620，滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范“工作平臺梁主梁或桁架變形允許撓度值不大于l/400”的要求。

圖9　多功能軌道調(diào)整器構(gòu)架等效位移云圖

4.4軌道調(diào)整器軌底坡的修正

由于多功能軌道調(diào)整器結(jié)構(gòu)變形在軌排中線、高程調(diào)整前完成，變形值的大小對最終軌排體系的中線、高程無影響。變形只對鋼軌的軌底坡產(chǎn)生一定程度影響，可通過研究鋼軌托盤的相對變形對軌底坡進(jìn)行修正。從圖9中可以看出2塊鋼軌托盤的變形數(shù)值見表2。

表2　鋼軌托盤變形數(shù)值　mm

由于同一鋼軌托盤的相對變形直接影響鋼軌的內(nèi)傾偏角，如果偏角過大，則直接增大鋼軌的軌底坡數(shù)值，安邦線輕軌延伸線軌道施工驗(yàn)標(biāo)要求軌底坡控制在1/35～1/45。

為保證60 kg/m軌(軌底寬150 mm)具有左右各10 mm的調(diào)整量，鋼軌托盤的鋼軌支撐面寬度確定為S=170 mm。同一托盤鋼軌相對變形值取兩側(cè)平均值δ=0.685 mm，由鋼軌托盤變形引起的鋼軌偏轉(zhuǎn)角為θ1，鋼軌托盤未變形時即標(biāo)準(zhǔn)軌底坡1∶40狀態(tài)下鋼軌偏角為θ，鋼軌托盤修正后的頂面偏角為θ2。

標(biāo)準(zhǔn)軌底坡1∶40狀態(tài)下鋼軌偏角

θ=arctan(1/40)=1.43°

鋼軌托盤變形引起的鋼軌偏轉(zhuǎn)角

θ1=arctan(δ/S)=0.23°

鋼軌托盤的變形引起的鋼軌軌底坡變化已經(jīng)大于誤差控制范圍的一半，需要對鋼軌托盤軌底坡數(shù)值進(jìn)行修正。

由圖10可以看出，鋼軌托盤修正后的頂面偏角

偏轉(zhuǎn)角為θ2對應(yīng)坡度為1∶48，即鋼軌托盤頂面加工坡度為1∶48。

圖10　軌底坡修正示意

5道床模板體系

道床模板及支撐體系由縱模板、橫模板、外側(cè)支撐、中間支撐及模板聯(lián)接件等組成，外側(cè)支撐通過傳力桿將支撐力傳遞到橋梁防護(hù)墻以及另一條線路的門形筋或道床側(cè)面，形成穩(wěn)定的模板支撐體系，模板系統(tǒng)斷面如圖11所示。此種支撐體系避免了對梁面混凝土的破壞，減少了與橋梁設(shè)計(jì)施工單位之間的審批程序。

圖11　模板系統(tǒng)斷面

縱模板統(tǒng)一長度規(guī)格為2.5 m，縱向連續(xù)順鋪，在相應(yīng)位置設(shè)置橫模板。通過對比分析直線及不同曲線地段道床高度的連續(xù)變化值，將縱模板高度規(guī)格優(yōu)化設(shè)計(jì)為4種，曲線段增加2種規(guī)格的加高模板。不同超高段采用不同模板拼接方式，見表3(不含擋墻模板206 mm)。

表3　不同地段模板配置　mm

由于橫模板與縱模板相對位置不定，縱橫模板間采取卡板結(jié)構(gòu)聯(lián)接，保證橫模板可在任意位置與縱向模板相聯(lián)，滿足澆筑各種規(guī)格的道床板要求。橫模板下部設(shè)置高度調(diào)整螺栓，橫模板高程及傾斜角調(diào)整好后，通過縱向模板撐桿將縱、橫模板頂緊，并通過模板聯(lián)接座將縱、橫模板聯(lián)接固定。

6結(jié)語

通過馬來西亞安邦輕軌延伸線的工程應(yīng)用實(shí)踐，針對該線特點(diǎn)研究設(shè)計(jì)的無枕式整體道床長鋼軌直鋪法施工配套機(jī)具，滿足了該線無枕式整體道床施工要

求，施工特點(diǎn)總結(jié)如下。

(1)滿足無枕式整體道床鋼軌及扣件系統(tǒng)的架設(shè)精度要求，鋼軌及扣件狀態(tài)保持穩(wěn)定，軌道施工精度容易保證。

(2)滿足最小曲線半徑100 m、最大曲線超高150 mm的施工要求，通過多功能軌道調(diào)整器配合長鋼軌架設(shè)工藝，容易實(shí)現(xiàn)小曲線施工。

(3)模板體系滿足安邦輕軌延伸線道床變化復(fù)雜的要求，通過不同模板的優(yōu)化組合，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工況下的整體道床施工。

(4)多功能軌道調(diào)整器采取卡槽螺母快速聯(lián)接方式、縱橫模板采用任意位置快速聯(lián)接等新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了施工功效，減少了復(fù)雜道床斷面的模板規(guī)格。

參考文獻(xiàn)：

[1]田海波.盾構(gòu)隧道無軌枕整體道床計(jì)算方法及其結(jié)構(gòu)形式研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008．

[2]馬德勝，魏運(yùn)生，劉江濤.北京市軌道交通昌平線無縫線路直鋪施工工藝[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(1)：84-87．

[3]高智鋒，朱勇堅(jiān).北京市軌道交通昌平線高架橋無枕式整體道床施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(1)：88-93.

[4]周厚聯(lián)，李金良，丁淑霞.北京地鐵5號線宋家莊停車場軌道鋪裝施工技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(10)：95-98.

[5]楊寶鋒，車彥海.混凝土短軌枕式整體道床施工工藝及其改進(jìn)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(7)：80-82．

[6]張希海，李顯實(shí)，羅小強(qiáng).北京地鐵10號線一次性澆筑地下線整體道床施工工藝[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(7)：80-82．

[7]楊少玉，李宗江，李永.城市高架軌道整體道床施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(8)：80-82．

[8]張榮.關(guān)于地鐵短軌枕整體道床軌道鋪設(shè)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(11)：56．

[9]王欣.城市軌道交通工程無縫線路鋪設(shè)方法[J].城市軌道交通研究，2005(1)：74-76．

[10]丁玉，丁靜波.上海地鐵11號線一期北段工程無縫線路換鋪法技術(shù)方案可行性研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(11)：3-4．

[11]肖航飛.地鐵車輛段庫內(nèi)整體道床軌道幾何形位控制[J].山西建筑，2010(10)：290-291．

[12]王青元.淺談隧道內(nèi)小半徑曲線整體道床軌道幾何形位控制[J].工程技術(shù)，2013(4)：202-203.

Research on Construction Equipment of Long Rail Laid Directly on Non-sleeper Monolithic Track BedWANG Hao

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China)

Abstract：The construction equipment directly affects the work efficiency and quality of non-sleeper monolithic track bed. With reference to the structural features of the Ampang LRT Line extension in Kuala Lumpur, Malaysia, this paper addresses the research of the construction equipment for long rail laid directly for non-sleeper monolithic track bed. The research focuses on the multi-function rail adjust bracket and the steel form system, including the structure, construction method, precision assurance measures, implementation of small radius curve construction, and etc. MSC. Nastran software is employed to analyze to strength and deformation of the multi-function rail adjust bracket and measures are taken to ensure construction precision of the monolithic track bed.

Key words：Urban mass transit; Monolithic track bed; Non-Sleeper type; Small radius curve: Multi-function rail adjust bracket

中圖分類號：U213.2+41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.014

文章編號：1004-2954(2015)01-0060-04

作者簡介：王浩(1978—)，男，高級工程師，2002年畢業(yè)于華東交通大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：wanghao@t5y.cn。

基金項(xiàng)目：中鐵五院科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(T5Y2013-B03)

收稿日期：2014-04-22； 修回日期：2014-05-07