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        城市軌道交通軌道減振升級(jí)改造方法研究

        2021-09-23 06:15:22
        都市快軌交通 2021年4期
        關(guān)鍵詞:浮置水溝鋼軌

        吳 俊

        (中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

        中國(guó)早期建設(shè)的城市軌道交通線路,限于當(dāng)時(shí)認(rèn)知和技術(shù)水平等歷史條件,在技術(shù)規(guī)范、評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)和技術(shù)措施等方面均存在一定不足,投入運(yùn)營(yíng)后部分地段存在振動(dòng)噪聲擾民問(wèn)題[1]。在中國(guó)大力推進(jìn)建設(shè)和諧社會(huì)的背景下,切實(shí)保障地鐵沿線居民的生活質(zhì)量,針對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路的環(huán)境敏感地段,開(kāi)展道床減振升級(jí)改造工作既是有必要的,也是緊迫的任務(wù)。但是目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)將既有普通道床改造為減振道床的工程先例。鑒于道床減振升級(jí)改造需要對(duì)既有道床進(jìn)行破除,并重新澆筑新的軌下基礎(chǔ),在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通,因此相關(guān)設(shè)計(jì)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。本文以某線改造為契機(jī)開(kāi)展了運(yùn)營(yíng)線路隧道內(nèi)道床減振升級(jí)改造方法的研究。

        1 隧道內(nèi)道床減振措施選型

        目前中國(guó)道床減振措施主要有梯形軌枕軌道、隔離式減振墊道床、鋼彈簧浮置板道床等[2-5]。以上三種道床減振措施均已在中國(guó)城市軌道交通工程中廣泛應(yīng)用。

        1.1 梯形軌枕軌道

        梯形軌枕浮置板軌道由 PC 制縱梁和鋼管制的橫向連接管構(gòu)成。其工作原理是在軌枕底部和側(cè)面分別安裝減振墊和緩沖墊,使其浮于混凝土整體道床之上,實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)的構(gòu)想,以達(dá)到減振目的。該軌道結(jié)構(gòu)減振效果可達(dá) 10 dB。

        1.2 隔離式減振墊道床

        隔離式減振墊道床將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于減振墊上,通過(guò)減振墊將道床板與周?chē)Y(jié)構(gòu)全部隔離開(kāi),構(gòu)成質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)。作用在鋼軌上的力傳遞給浮置于減振墊上的道床板,道床板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來(lái)抵消車(chē)輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載,只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過(guò)彈性支承傳遞到基礎(chǔ)墊層中去。道床板受力后,在慣性作用下將受到的力均勻地分布在減振墊上,再通過(guò)減振墊進(jìn)行緩沖,吸收能量,達(dá)到隔振減振的目的。該軌道結(jié)構(gòu)減振效果可達(dá) 10~15 dB。

        1.3 鋼彈簧浮置板道床

        鋼彈簧浮置板道床是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上,距離基礎(chǔ)墊層頂面 30 mm 或 40 mm,構(gòu)成質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)。這種軌道結(jié)構(gòu)具有很好的減振效果,可分為固體阻尼和液體阻尼兩類(lèi)。固體阻尼類(lèi)減振效果至少可達(dá)到 15 dB,液體阻尼類(lèi)減振效果至少可達(dá) 18 dB。

        減振升級(jí)改造應(yīng)優(yōu)先考慮嚴(yán)重超標(biāo)地段(超標(biāo)量大于15 dB),鋼彈簧浮置板道床的減振效果要優(yōu)于梯形軌枕軌道及隔離式減振墊道床[6],因此本次改造設(shè)計(jì)選用鋼彈簧浮置板道床。

        同時(shí)結(jié)合運(yùn)營(yíng)線路隧道內(nèi)道床減振升級(jí)改造的特點(diǎn)宜采用預(yù)制裝配式浮置板法[7]進(jìn)行施工??蓪?shí)現(xiàn)浮置板的快速鋪設(shè),從而有效縮短軌道改造施工工期。

        2 預(yù)制浮置板道床型式尺寸

        2.1 既有預(yù)制浮置板道床偏差適應(yīng)能力分析

        上海城市軌道交通單圓盾構(gòu)隧道管片內(nèi)壁直徑為Φ5500 mm,其中建筑限界一般規(guī)定為Φ5200 mm,相應(yīng)軌道高度為735 mm(至限界圓下同)。圓形盾構(gòu)隧道浮置板地段道床范圍內(nèi)將建筑限界由Φ5200 mm擴(kuò)寬至Φ5400 mm,相應(yīng)軌道高度由735 mm增至835 mm。結(jié)合盾構(gòu)尺寸及軌道結(jié)構(gòu)高度目前上海新線建設(shè)中常用的預(yù)制浮置板尺寸為長(zhǎng)3600 mm×寬2700 mm×厚325 mm(標(biāo)準(zhǔn)板);盾構(gòu)偏差較大地段預(yù)制板尺寸為長(zhǎng)3600 mm×寬2540 mm×厚325 mm(窄型板)。

        標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制板和窄型預(yù)制板可適應(yīng)的土建施工誤差,如圖1所示。

        圖1 既有預(yù)制浮置板道床偏差適應(yīng)能力圖 Figure 1 Deviation adaptability chart of existing floating slab track bed

        從圖中可以看出,即使采用窄型板,當(dāng)水平誤差為0時(shí)其豎向誤差允許值也只能達(dá)到90 mm左右,即最小軌道結(jié)構(gòu)高度需要達(dá)到790 mm。既有線普通道床設(shè)計(jì)時(shí)最小軌道結(jié)構(gòu)高度一般按740 mm控制,已有的窄型板仍無(wú)法與既有線普通道床軌道結(jié)構(gòu)高度相匹配。

        2.2 隧道內(nèi)薄型預(yù)制浮置板道床研究

        為使預(yù)制浮置板道床的軌道結(jié)構(gòu)高度與既有線普通道床相匹配,必須在預(yù)制板的板厚、板寬方面有所突破,同時(shí)滿(mǎn)足高等減振需求,以實(shí)現(xiàn)減振改造目的。已有工程應(yīng)用案例的窄型預(yù)制板(長(zhǎng)3600 mm×寬2540 mm×厚325 mm),每延米板重約2 t。其斷面如圖2所示。

        圖2 窄型預(yù)制浮置板道床斷面圖 Figure 2 Cross section of narrow prefabricated floating slab track bed

        建議在此基礎(chǔ)上對(duì)該板型進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整,形成與盾構(gòu)隧道普通道床軌道結(jié)構(gòu)高度(740 mm)相匹配的薄型預(yù)制浮置板。其具體尺寸暫定為板寬2540 mm、板厚275 mm、板長(zhǎng)3600 mm。為增加板重保證減振效果在兩軌間增設(shè)寬1000 mm、高160 mm凸臺(tái),每延米板重可與窄型預(yù)制板接近。設(shè)計(jì)固有頻率10 Hz (僅考慮板自重條件下),減振效果在15 dB以上[8-9]。隧道內(nèi)薄型浮置板道床斷面圖如圖3所示。

        圖3 隧道內(nèi)薄型浮置板道床斷面圖 Figure 3 Cross section of thin floating slab track bed in tunnel

        3 預(yù)制浮置板道床基底

        3.1 現(xiàn)澆基底方案

        采用鋼筋混凝土常規(guī)基底,可選用速硬混凝土,快速形成強(qiáng)度,以便盡早鋪設(shè)預(yù)制板。同時(shí)為增強(qiáng)基底抗裂性能,可在混凝土當(dāng)中摻入復(fù)合纖維素(混凝土中摻入纖維1 kg/m3)。

        3.2 預(yù)制基底方案

        為盡量減少混凝土澆筑量、縮短新道床的施工時(shí)間,研究了預(yù)制基底方案,同時(shí)考慮到不同道床斷面下的基底厚度及寬度不盡相同,故擬采用預(yù)制基底+二次澆注的方式。預(yù)制基底方案如圖4所示。

        圖4 預(yù)制基底方案 Figure 4 Prefabricated base scheme

        但是目前尚未找到合適的二次澆注材料,可保證預(yù)制基底與盾構(gòu)管片的可靠連接,特別是在曲線超高地段。故暫采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土基底方案,同時(shí)繼續(xù)對(duì)預(yù)制基底方案進(jìn)行研究。

        4 排水方案

        浮置板道床采用中心水溝,水溝深度為軌面下695 mm,普通道床側(cè)向水溝深度一般為軌面下374 mm。為將浮置板道床中心水溝內(nèi)的水引入下游普通道床側(cè)溝內(nèi),本次分別研究了過(guò)渡段排水及設(shè)泵排水方案。

        4.1 過(guò)渡段排水方案

        過(guò)渡段排水方案是在浮置板道床下游普通道床范圍內(nèi)設(shè)置一定長(zhǎng)度的短軌枕道床中心水溝,通過(guò)過(guò)渡段內(nèi)線路縱坡與中心水溝的坡度差,將浮置板道床中心水溝內(nèi)的水引入下游道床表面?zhèn)认蚺潘疁蟽?nèi),如圖5所示。

        圖5 過(guò)渡段排水方案 Figure 5 Drainage scheme of transition section

        4.2 設(shè)泵排水方案

        在浮置板道床下游一端普通道床范圍內(nèi)設(shè)置中心集水坑,集水坑尺寸為500 mm×500 mm×500 mm,坑內(nèi)設(shè)泵。浮置板道床中心水溝內(nèi)的水排入集水坑后通過(guò)水泵強(qiáng)排入道床側(cè)向水溝,如圖6所示。

        圖6 設(shè)泵排水方案 Figure 6 Pump drainage scheme

        4.3 方案比選

        以上兩個(gè)排水方案均有其優(yōu)缺點(diǎn),可結(jié)合改造地段的工程特點(diǎn)進(jìn)行選擇,方案對(duì)比結(jié)果如表1所示。

        表1 排水方案對(duì)比Table 1 Comparsion of drainage schemes

        5 施工方案

        5.1 既有道床破除

        為提高破除效率,減少施工垃圾,既有道床破除擬采用分段切割、頂推破除法[10],如圖7和圖8所示。

        圖7 分段切割 Figure 7 Segmented cutting

        圖8 頂推破除 Figure 8 Pushing and breaking

        5.2 道床切割深度

        為保證在既有道床分段切割過(guò)程中不破壞盾構(gòu)管片,需要測(cè)算出每個(gè)切割位置的道床厚度,以此來(lái)確定道床切割深度。首先結(jié)合盾構(gòu)隧道的特點(diǎn),使用水平尺測(cè)量法計(jì)算出理論道床厚度,在此基礎(chǔ)上結(jié)合盾構(gòu)全斷面測(cè)量數(shù)據(jù),預(yù)留合理的安全距離后確定道床切割深度。

        具體步驟如下:

        1)用d=4.3 m的加長(zhǎng)水平尺搭靠在隧道的管壁上,水平尺保持水平狀態(tài)。

        2)用卷尺量取切割位置混凝土面到水平尺的垂直距離c、切割位置到水平尺中心的水平距離a。

        3)計(jì)算隧道中心到水平尺的距離b==1.7146 m(r取2.75 m),如圖9所示。

        圖9 水平尺測(cè)量法 Figure 9 Spirit level measurement

        4)整體道床任意點(diǎn)的道床厚度計(jì)算公式h=,如圖10所示。

        圖10 道床厚度計(jì)算示意 Figure 10 Schematic diagram of ballast bed thickness calculation

        5)結(jié)合盾構(gòu)全斷面測(cè)量數(shù)據(jù),預(yù)留合理的安全距離后確定道床切割深度。

        道床切割深度的確定同時(shí)還需要考慮盾構(gòu)管片的變形。通過(guò)對(duì)本次改造段的全斷面測(cè)量數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)隧道的收斂變形在盾構(gòu)中部最大,往盾頂及盾底呈逐步縮小趨勢(shì),實(shí)測(cè)盾構(gòu)中部最大收斂變形為26 mm??紤]預(yù)留一定的施工安全距離及測(cè)量誤差,道床切割深度按理論計(jì)算道床厚度減去50 mm(安全距離)確定,即整體道床任意點(diǎn)的道床切割深度計(jì)算公式L=h–s(s=50 mm)。

        5.3 不斷軌施工方案

        既有線在道床改造工程中往往需要切斷長(zhǎng)鋼軌,采用短軌過(guò)渡,施工結(jié)束后再恢復(fù)長(zhǎng)鋼軌。該方案不僅施工效率低,而且焊接質(zhì)量難以保證。為盡量避免既有長(zhǎng)鋼軌被切斷,結(jié)合改造方案研發(fā)了一種鋼軌接駁器,通過(guò)鋼軌接駁器的應(yīng)用提出既有線改造施工不斷軌方案。

        5.3.1 鋼軌接駁器結(jié)構(gòu)組成

        鋼軌接駁器主要由特種尖軌、臺(tái)板及螺栓組成,如圖11所示。

        圖11 鋼軌接駁器平面圖 Figure 11 Rail connector plan

        5.3.2 方案簡(jiǎn)述

        解開(kāi)100 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的扣件,然后將既有長(zhǎng)鋼軌外撥留出施工作業(yè)空間,同時(shí)在長(zhǎng)鋼軌外撥起訖點(diǎn)安裝鋼軌接駁器。特種尖軌的一端與既有長(zhǎng)鋼軌連接固定,在既有長(zhǎng)鋼軌1上開(kāi)設(shè)有螺栓孔,在特種尖軌2、3上也分別開(kāi)設(shè)有對(duì)應(yīng)大小的螺栓孔,通過(guò)在螺栓孔內(nèi)擰入螺栓實(shí)現(xiàn)特種尖軌2、3分別與對(duì)應(yīng)的既有長(zhǎng)鋼軌1之間可拆卸式的連接固定,便于在改造完成后拆除特種尖軌2、3。特種尖軌頂貼在既有長(zhǎng)鋼軌的內(nèi)側(cè)面,臺(tái)板支撐在特種尖軌的下方,特種尖軌被限位于既有長(zhǎng)鋼軌與臺(tái)板之間。另一端連接工具短軌朝改造方向延伸,特種尖軌和工具短軌配合構(gòu)成施工車(chē)輛通行線路。其布置形式如圖12所示。

        圖12 不斷軌方案鋼軌接駁器布置示意 Figure 12 Layout of rail connector for continuous rail scheme

        通過(guò)鋼軌接駁器的應(yīng)用,一方面實(shí)現(xiàn)了在不切斷既有長(zhǎng)鋼軌的條件下完成道床結(jié)構(gòu)的改造,降低了施工的影響,保證列車(chē)運(yùn)營(yíng)的正常進(jìn)行;另一方面也實(shí)現(xiàn)了施工車(chē)輛通行線路的搭建,為施工提供了極大的便利,增加了施工效率,縮短了施工耗時(shí)。

        5.3.3 取得效果

        通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證表明不斷軌方案可行。100 m的外撥長(zhǎng)度是根據(jù)外撥距離并考慮地下線最不利工況(300 m曲線半徑升(降)溫10°),再結(jié)合鋼軌容許應(yīng)力[11]確定的。但在實(shí)際操作中也發(fā)現(xiàn)鋪設(shè)100 m長(zhǎng)的工具軌需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力,因此在不斷軌方案基礎(chǔ)上又研究了局部斷軌方案。其平面布置如圖13所示。

        圖13 局部斷軌方案鋼軌接駁器布置示意 Figure 13 Layout of rail connector for partial rail breaking scheme

        局部斷軌方案的操作步驟和不斷軌方案基本一致,只是在改造點(diǎn)附近增加了一處斷軌點(diǎn),通過(guò)理論計(jì)算不斷軌方案只需25 m的鋼軌外撥長(zhǎng)度即可滿(mǎn)足外撥距離的要求。不斷軌方案和局部斷軌方案均有其優(yōu)缺點(diǎn),在改造施工中可根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行選擇。

        5.4 臨時(shí)線路恢復(fù)方案

        考慮到運(yùn)營(yíng)線路工況復(fù)雜多變,為確保在突發(fā)情況下能隨時(shí)恢復(fù)通車(chē),施工期間應(yīng)有保證列車(chē)通行的臨時(shí)過(guò)渡措施,改造地段限速按40 km/h考慮。通過(guò)方案比選,最終選定采用架設(shè)鋼枕來(lái)實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中的臨時(shí)線路恢復(fù)[12],如圖14所示。

        圖14 臨時(shí)軌道過(guò)渡方案示意 Figure 14 Schematic diagram of temporary track transition scheme

        鋼枕具有強(qiáng)度高,架設(shè)快等優(yōu)點(diǎn),在改造工程中使用極大地提高了施工速度,同時(shí)能夠保證列車(chē)的安全通行。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試鋼枕上鋪設(shè)鋼軌后列車(chē)安全通過(guò)速度,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了檢算,均滿(mǎn)足列車(chē)安全通行的要求。

        6 專(zhuān)業(yè)接口

        6.1 信號(hào)設(shè)備

        1)計(jì)軸器。鋼軌拆裝時(shí)不拆除計(jì)軸器對(duì)其進(jìn)行保護(hù),與鋼軌同步拆下后續(xù)與鋼軌同步安裝。

        2)信標(biāo)。制造鋼枕時(shí)考慮信標(biāo)安裝及固定位置制作簡(jiǎn)易托架,白天運(yùn)營(yíng)時(shí)段內(nèi)通過(guò)托架將信標(biāo)固定于兩軌間。

        6.2 供電設(shè)備

        1)均流線。在道床改造期間取消聯(lián)絡(luò)通道附近的均流電纜,通過(guò)車(chē)站端頭井位置的均流電纜來(lái)平衡兩軌間電流差,道床減振升級(jí)改造全部完成后恢復(fù)。

        2)續(xù)流線。在接頭夾板范圍外兩側(cè)預(yù)留塞釘孔,改造時(shí)與接頭夾板同步拆裝。

        3)雜散電流。改造期間不考慮雜散電流,改造完成后恢復(fù)雜散電流收集網(wǎng)。

        改造前還需做好管片上各種既有設(shè)備的保護(hù)工作,保證在改造過(guò)程中各設(shè)備系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

        7 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方面的隧道內(nèi)道床減振措施選型、預(yù)制浮置板道床型式尺寸、預(yù)制浮置板道床基底、排水方案,施工方面的既有道床破除、道床切割深度、不斷軌施工方案、臨時(shí)線路恢復(fù)方案及對(duì)其他專(zhuān)業(yè)接口影響的研究,最終可形成一套適用于城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路隧道內(nèi)道床減振升級(jí)改造的方法。下一步通過(guò)試驗(yàn)段驗(yàn)證,進(jìn)一步形成成套的施工工藝、 施工籌劃建議及風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策,可為軌道交通類(lèi)似軌道改造工程提供借鑒。

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