與無縫線路的實踐
提 要: 城市軌道交通是從根本上緩解大城市交通緊張的一個重要手段。本文以上海建設明珠線為例, 介紹了建設城市交通高架橋梁的特點及其具體措施。并重點介紹了城市軌道交通橋上以及九江長江鐵路橋上鋪設無縫線路的實踐和經驗。主題詞: 城市軌道交通; 高架鐵路; 無縫線路; 橋梁;1 城市軌道交通高架橋梁的特點
目前我國城市軌道交通是電力驅動的車輛、走行在兩根鋼軌上、線路封閉、客運為主。它與公路交通相比, 具有占地少、運量大、快速、安全、能夠利用電能、環境污染少等優點, 是根本上緩解大城市客運交通緊張的一個重要手段。以國際現代化城市首屈一指的紐約市為例, 1998 年該市所屬的城市軌道交通(當地稱C ity Subw ay) 線路總長714 英里(1 148km), 468 個車站。它通過換乘站與郊區鐵路、公路網、輪渡等組成整個紐約市四通八達交通運輸網絡。在紐約市中心區曼哈頓島, 四面皆水, 島內高樓大廈密布, 地價特別昂貴, 軌道交通全在地下, 成為地下鐵道。出曼哈頓島, 跨越東河等海灣, 到達皇后區等地, 即爬出地面, 成為高架橋梁上的軌道交通。因這些地區繁榮稍遜, 地價稍廉。地鐵造價約為高架軌道的三倍, 技術經濟比較的因素起了作用。世界其他大城市如莫斯科等, 軌道交通大部在地下, 有時又爬出地面架空, 均是靈活掌握。
我國最大城市上海, 南北地鐵一號線已經通車, 東西地鐵二號線已基本建成。該市的本世紀末高架橋最大的公共交通基礎設施——軌道交通明珠線(原稱三號線) 一期工程, 得到國務院正式批準立項, 工程進展迅速。明珠線全長62 km 。一期工程24. 97 km , 其中高架21. 45 km, 地面3. 52 km, 利用原有鐵路滬杭內環線和淞滬支線共18 km 。車站19 座。2000 年時可滿足日客流量72. 9 萬人次, 最小行車間隔5. 5 分鐘, 將是我國第一條建成的城市高架軌道交通。國內大城市利用原有市區內鐵路老線, 改建成高架軌道交通, 是我國發展軌道交通的主要趨勢。城市軌道交通架空橋梁絕大部分為矮墩、小跨、橋下無水。采用預應力混凝土簡支箱梁, 雙線整體式, 外形美觀, 見圖1。跨度20 m 至30 m。雙柱或獨柱墩。基礎一般用直徑1m 以下的鉆孔樁, 環境允許, 噪音不受限制, 亦用打入樁。入土35 m 以內, 用廠制或就地制造的邊長30 至40 cm 方樁; 超過35 m 用高強預應力PHC 管樁, 管徑60 cm (最大80 cm), 采用C80 高強混凝土, 離心成型、高壓蒸養。用7. 2t 垂錘錘擊, 亦不易震裂。高架橋梁要求造型美觀, 造價低廉, 耐久性好, 養護簡單, 施工期短, 施工時噪音、污染、對環境、交通等干擾少。
一般城市軌道交通, 編組列車6～ 8 輛, 軸重16～ 18 t, 最高車速60～ 80 km / h。線路標準低于鐵路干線, 區間正線最小曲線半徑400 m, 最大縱坡30‰ 。車站設在高架橋上, 困難地段車站可用曲線半徑800 m , 坡度5‰ 。正線豎曲線半徑5 000m, 困難地段及車站端部可用3 000 m。城市軌道交通高架橋梁坡度起落頻繁, 彎道亦多, 給中線定位, 線型控制, 帶來較多工作量。不可避免地高架橋梁會跨越一些河流、鐵路車站、斜交既有公路干線等, 需要采用大跨橋梁結構。如上海明珠線跨越現有內環高架公路(四車道), 斜交17° , 因此新建再高一層的軌道交通橋梁跨度必須大于百m。新橋要保證最小橋下凈空, 一般大于 4. 5m; 本身又成為軌道交通線路的制高點, 所以必須盡量壓縮橋梁建筑高度(梁高)。連續梁、剛構橋、結合梁、中承式拱橋、帶加勁拱連續梁等多種特殊的橋梁結構形式, 均有其用武之地。遇有河流, 水上施工技術亦將一顯身手。發展城市軌道交通, 給我國建筑市場、鐵路工業生產、裝備技術增辟一個新的廣闊領域。
2 上海明珠線中山西路橋工程
在我國第一條城市軌道交通上海明珠線工程中, 大橋工程局承建了一座連續梁總長度在全線中最大的中山西路高架橋梁, 主橋跨度80+ 112+ 80 m, 連續總長272 m。單箱單室三向預應力混凝土連續剛構, 雙壁式主墩。位于直線和緩和曲線上, 橋上有變坡。箱梁底寬5. 2m, 頂寬8. 8m(緩和曲線段9. 06m)。頂板厚25～ 50 cm, 懸臂頂板厚20～ 45 cm, 底板厚25～ 100 cm, 豎直式腹板厚30～ 80 cm , 箱梁高5. 6～ 2. 3m。雙壁主墩之壁為矩形斷面 5. 2×1. 1m, 兩壁凈距3. 8m, 墩高15. 5m。基礎為<1m ×72m 鉆孔樁17 根。大橋局施工的此一標段同時還包括45 孔30m 簡支箱梁和二孔45m 結合梁。中山西路橋主體結構由鐵道部第三勘測設計院設計, 標段內其他工程及橋面軌下基礎等由上海鐵路軌道交通工程設計研究院設計。該標段位于滬西南徐家匯繁華地區, 地下管線路很多。各墩周圍要先挖地溝2m 深, 檢查地下有無管線路。在挖43 號墩地溝深2m 后, 雷達掃描, 發現異狀, 繼續挖深至3m, 發現一混凝土箱涵, 內有兩路220 kV, 兩路35 kV, 一路10 kV 高壓電纜。避免了一次重大斷電惡性事故, 得到了明珠線工程建設指揮部的表揚。鉆孔樁施工采用干地面施工法, 鉆碴由罐車運至指定地點堆棄。泥漿摻聚丙酰TM A 附加劑, 改善性能, 沉淀少, 全部鉆孔樁均通過聲波檢測, 符合? 類樁質量標準。
雙壁主墩鋼模板用無拉桿整體式, 分段制造, 混凝土表面光潔。連續剛構的兩個雙壁主墩為壓彎受力主要構件, 參與剛構節點彎矩分配, 對擴大主跨跨距、降低跨中梁高起到關鍵作用。為此雙壁墩內設有強大的豎直向預應力筋, 每墩有48 根<25 mm 冷拉? 級無粘結預應力筋, 軋絲錨頭。下端埋入承臺, 直至梁頂。套在高壓聚乙烯塑料管內, 涂1 號建筑油脂, 接頭用特制鐵皮管。張拉力每根292 kN , 計算延伸量66. 3mm, 實際檢驗延伸量誤差均不超過6% 。長距離無粘結情況良好。主梁0# ～ 1# 節段總長12 m , 連同雙壁墩頂高 0. 5m 一起在墩旁托架上現澆, 約200m 3 混凝土, 用兩臺混凝土泵, 乘夜晚低溫, 溫度變化小時, 用10 個h 連續澆灌完畢。由于選擇了適當的混凝土坍落度和初凝時間, 并加強震搗, 保證了混凝土質量。密布的縱橫向預應力波紋管道, 自重輕, 柔輕易變形, 采取了加密的定位網鋼筋, 制止上浮。0# 、1# 節段模板下承重支架為三排<250 mm 鋼管立柱, 支承在混凝土承臺上, 避免了不均勻沉陷。
主梁其余節段, 長3m 與4m, 采用雙側三角架掛籃對稱懸臂澆筑, 各有14 節段。中山西路橋懸臂掛籃因規模較小, 采用三角架結構, 豎直吊桿, 整體滑動模板。掛籃自重較斜拉桿式掛籃稍大, 仍在主梁安裝設計應力許可范圍。豎直吊桿減少梁上開孔數量, 同時亦便于隨時準確調正模板高程, 滿足剛構懸臂澆筑嚴格的線型要求。箱梁頂板、底板縱向預應力筋為15-7< 5 mm 鋼絞線, 內徑93 mm 波紋管制孔, 兩端張拉, 張拉控制力2 734 kN , 采用400 t 千斤頂。腹板束7-7<5 mm 鋼絞線, 內徑70 mm 波紋管, 兩端張拉, 張拉控制力1 276 kN , 采用200 t 千斤頂。以上均用0VM 群錨。豎向預應力筋采用冷拉? 級粗筋, 軋絲錨具, 無粘結, 張拉控制力292 kN 。頂板橫向束4-7<5 mm , 用BM15-4 錨具, 內徑20×70 mm 扁波紋管。除底板預應力束外, 所有預應力束均隨懸臂節段延伸逐步張拉, 以滿足主梁懸臂安裝應力的需要。大跨預應力混凝土箱梁控制懸臂澆筑高程線型, 十分重要。特別是本橋無碴無枕, 沒有道碴層可以調整軌面高程。所以事先根據梁頂設計高程、靜活載撓度、恒載及預應力、收縮徐變撓度、掛籃重量撓度、預留橋墩基礎沉降量, 計算出箱梁頂立模高程, 制成圖表。施工單位再外加一定的掛籃模板非彈性壓縮量, 控制節段模板實際高程。施工過程中分混凝土灌注前后及張拉縱向預應力束等多個工序進行觀測控制。
各節段梁頂設置固定的標高觀測點。懸臂施工每個節段混凝土由于本節段混凝土重、預應力影響, 掛籃重引起的本節段及所有以前的各節段的撓度影響值, 均事先算出, 施工時逐段分多個工序進行全橋所有節段高程測量, 進行對比分析。由于頭幾個節段撓度影響值甚小, 在6 至7 個節段以后, 根據實測值與計算值系統比較, 適當修正撓度系數, 以保證順利合龍與良好的橋面線型。每個節段約需7 至10 天。全橋共三個合龍段, 各長2m, 先邊孔14 個節段與邊孔另一端的23 m 長的就地現澆梁合龍, 再主跨112 m 跨中合龍。
3 軌道交通橋上無縫線路
軌道結構采用焊接長軌無縫線路是鐵路現代化的一個重要標志。它提高線路質量, 使旅客乘車平穩舒適, 降低車輛與軌道磨耗, 減少線路養護維修工作, 避免車輛在鋼軌接頭處的撞擊噪音等。雖然一次性投資稍大, 但其優點顯著。城市軌道交通無疑將采用無縫線路軌道結構。
高架橋上無縫線路, 不同于路基上的無縫線路。因橋梁本身在溫度和載荷影響下, 隨時在伸長縮短, 而路基大地是無長度變化的。所以橋上無縫線路鋼軌除與路基上一樣, 承受因外界氣候溫度變化熱脹冷縮產生拉、壓應力外, 還要承受因橋梁長度變化影響產生的附加應力。這附加應力來自橋梁本身溫度伸縮、車輛制動(牽引) 力、梁部撓曲變形等。需要根據橋梁的跨度、鋼軌與橋面的扣緊力、氣候溫度變化幅度, 活載的大小和橋梁下部結構縱向水平剛度等進行計算。
長軌溫度應力及橋上附加應力等的總和應在鋼軌承受能力允許范圍以內。橋梁無縫線路長軌水平附加力還要通過梁部、支座, 傳至橋墩上。橋墩與基礎需要計算此項附加水平力。軌道交通高架橋采用多聯多跨連續梁, 上述橋上鋼軌附加力會相應增加很多。如兩聯三孔連續梁, 每孔30 m , 從一聯的固定支座到另一聯的固定支座之間的“ 溫度伸縮跨度”長達90 m, 接近無縫線路不設鋼軌伸縮裝置的極限長度。而鋼軌伸縮接頭是無縫線路運行養護的薄弱環節, 應盡量減少。假如改為六孔30 m 簡支梁, 無縫線路即可全長通過, 不需鋼軌伸縮接頭。所以城市軌道交通上部結構一般采用大批短跨簡支梁, 如同國外高速鐵路架空橋梁均采用多跨簡支梁的理由一樣。多跨簡支梁還可使墩梁結構標準劃一, 便于施工、養護、管理。簡支預應力梁就地現澆, 根據施工前后順序, 需有若干孔梁縱向預應力筋設體內自錨, 其余各孔可在梁端張拉縱向預應力筋, 然后混凝土封端。
圖1 軌道交通簡支梁斷面示意圖
有時根據地形位置的需要, 或為了便于懸臂澆筑施工方案需要, 采用少量較大跨度的連續梁結構。這時要對橋上無縫線路縱向力進行特別計算。國際鐵路聯盟(U IC) 曾有規定橋上無縫線路鋼軌附加拉應力不要超過92M Pa, 壓應力82M Pa, 西歐最大溫度伸縮跨度鋼梁做到60 m, 混凝土梁做到90m。有的國家比90m 還大。國內亦有類似的建議值, 分別為拉應力81M Pa 、壓應力61M Pa 與跨度40 m , 國內亦有少量跨度經過詳細計算后, 超過此限值, 仍不設鋼軌伸縮接頭。控制無縫線路鋼軌應力主要是為了防止受拉斷裂與受壓縱向屈曲, 后者脹軌跑道危害很大, 特別是南方夏季, 橋上鋼軌溫度一般比大氣溫度高出20℃ 。城市軌道交通無縫線路的鋼軌是重要承重部件, 基于延長使用壽命(曲線上軌頭側面磨損較快), 強度穩定等安全可靠性、降低噪聲、供電回流通路, 減少雜散電流等方面技術經濟因素, 采用比較重型的60 kg/ m 優質鋼軌, 提高韌性和剛度, 十分必要。所以過去稱城市軌道交通為“ 輕軌”交通, 如指鋼軌重量已不相宜。在頻繁的車輛輪重作用下, 鋼軌撓曲起伏會產生少量的縱向位移。城市軌道交通坡度大, 列車制動頻繁, 更增加軌道爬行。接連多孔大坡道的橋梁, 需要選擇下部結構縱向剛度較大(墩身低矮) 處, 加大鋼軌扣件鎖定阻力, 控制爬行量, 減少全線總體橋墩加固鋼筋數量。橋上無縫線路橋面結構比較牢固。城市交通客運為主, 車輛空載自重亦大, 橋上掉道脫軌機率很少, 國外多不設橋上護輪軌。但城市軌道交通曲線多, 在半徑較小(R ≤800 m) 的圓曲線和緩和曲線交接點前后, R ≤450 m 的圓曲線內側, 豎曲線和緩和曲線重疊處, 反向曲線及大坡變坡地段, 重要立交橋等處, 可考慮設置簡易防脫護軌, 以策安全, 同時進行觀察, 取得經驗。橋上無縫線路行駛的車輛、信號應有良好的自動控制裝置, 線路狀態應保證良好, 對提高車速, 加密車次, 起到安全保障作用。
4 鐵路長橋無縫線路的實踐
鐵道部大橋局設計施工的九江長江鐵路大橋, 全長7 675m (雙線), 正橋鋼梁1 806m, 四聯連續梁。引橋共144 孔40m 無碴無枕簡支箱梁, 跨越兩岸城鎮居民區, 屬于重載城市軌道交通。全橋鋪設無縫線路, 是國內最長的橋上無縫線路, 最長軌節 2. 66km 。1994 年9 月鐵路橋面完成, 同年10 月一次性地完成8 km 長雙線橋上無縫線路, 一次驗收合格, 并即開通工程列車。正橋鋼梁四聯, 明橋面木枕, 正軌、護軌均為60 kg? m 鋼軌,K 型扣件, 分壓緊與不壓緊多個區段, 每聯鋼梁的兩端均設有鋼軌溫度調節器, 共有五處。引橋預應力混凝土梁頂設有承軌臺, 平面尺寸74×80 cm, 凈距20 cm, 中心距1m。每個承軌臺上有正軌W J-1 型彈片扣件兩組, 護軌扣件一組。彈片扣件縱向阻力分30 、40 、60N / cm 三種。北岸引橋長4. 44 km, 中部設一組鋼軌溫度調節器。簡支40 m 箱梁預應力張拉后的彈性上拱度(扣去自重撓度) 實測平均值為30. 54mm, 徐變產生上拱度為16. 02 mm 。靜活載產生撓度25. 8 mm , 稍大于設計規程規定的跨度1/ 1600 值, 因此需設半個靜活載撓度值的上拱度12. 9mm 。為此曾采用灌注箱梁時預設跨中下撓度(反拱度) 的方案, 其值為30. 54+ 16. 02-12. 9= 33. 66 mm 。實際前兩項值離散性較大, 故部分梁采取滯后澆筑承軌臺, 適當調整各承軌臺的高度。本橋彈片扣件近5 萬組, 每組包括二個60 Si2M n 彈簧鋼彈片, 二個M 20 軌卡螺栓, 二個<30 錨固螺栓, 一塊370×150 mm 鑄鐵墊板及若干不同材質類型的墊板, 分別起到調整高程、絕緣、彈性緩沖、變化縱向摩阻力等作用。鋼軌調離量可達40 mm 。(實際留15～ 30 mm 供養護后期備用)。軌距調整量為每軌±10mm 。九江大橋無縫線路及鋼軌扣件由鐵道部科學研究院設計。
施工單位在橋面完工后先鋪設短軌(軌長25 m), 將所有扣件、預埋錨固螺栓等均予裝置完畢, 固定好位置, 并對軌距、水平、方向等, 各項檢查驗收合格后, 再由短軌線路運來換鋪長軌列車, 由上海鐵路局換鋪成全橋無縫線路。事先上海閔行鐵路工務工廠將攀鋼生產的U 71M n 鋼軌長25m , 用連續閃光接觸(電阻) 焊接長至250 m , 分層排列裝在換鋪長軌列車上, 分三批運來工地, 再在橋上用移動式氣壓焊機, 接長鋼軌至無縫線路需要的長度。約2 000 t 長軌換鋪時間共20 天。
九江鐵路橋上設有多處自動閉塞區間, 鋼軌需設絕緣接頭。應用特種絕緣膠、加強魚尾鈑和高強度螺栓, 制成4m+ 4m 長的絕緣接頭多段, 與基本軌等, 隨換鋪長軌列車運來工地, 按規定位置插入無縫線路長軌內, 是國內第一座橋上閉塞區間不受鋼軌接頭長度限制的特大橋梁。
九江長江鐵路橋運行四年多以來, 線路狀況良好, 引橋長軌爬行僅數mm 。溫度調節器伸縮量亦不大, 僅十余cm 。正橋長軌因鋼梁連續梁溫度跨度大, 近500 余m, 溫度調節器伸縮量亦大。但曾有一異常現象, 正橋最北端下行線左側一根基本軌(最下游一根長軌), 軌長近500 m , 出現累計向行車方向(向南) 爬行20～ 30 cm, 其余三根基本軌沒有爬行。此根爬行量最大的鋼軌, 曾松開橋上K 型扣件的扣壓螺栓, 用拉緊裝置向北拉回這一爬行量。究其原因, 可能是重載列車連續上坡的長度大, 左側機車車輪偏心甩打的力量大, 引起左側鋼軌爬行。國內另一長橋新菏鐵路長坦2東明黃河大橋, 橋運行初期亦曾發生類似現象。九江長江大橋此根長軌現正如密防爬器, 予以改善, 并繼續觀測。
上海城市軌道交通明珠線亦是采用無碴無枕無縫線路, 是繼九江長江大橋以后國內又一條長大高架橋梁上的無碴無枕無縫線路。無縫線路技術近幾年來有了更多發展, 鋼軌彈性扣件向多種方式配套, 彈條扣件及T 型軌卡螺栓球面接觸配合等新技術得以開發, 扣件質量已有進一步提高。承軌臺結構亦進一步改善, 明珠線的橋面軌下基礎即是將各節短軌用定型扣件先固定在標準的數量眾多的小塊混凝土支承塊(長35× 寬52× 高18 cm) 上, 整體吊裝架立在混凝土梁橋面上, 校準好位置和標高, 然后澆筑承軌臺混凝土。除九江大橋與明珠線兩種承軌臺澆筑方法外, 亦在研究將支承塊放入橋面上預留的槽形板中, 再灌筑填充混凝土(必要時加放彈性墊板與膠套), 使支承塊固定位置。這套新的工序可消除徐變影響和簡化墊板調高量。承軌臺亦可由方形改成長條形, 一個承軌臺上放四組以上的扣件組, 見圖2。承軌臺之間仍保留一定間隙寬度以利橋面排水。又如取消護軌, 承軌臺寬度可以比九江大橋更窄一些。國外有些橋梁將扣件直接埋設在橋面上, 取消了承軌臺。
圖2 軌道交通橋面承軌臺及四個支承塊的布置示意圖
城市軌道交通適宜采用無碴橋面, 可以減少 邁出了第一步。橋梁恒載, 降低建筑高度, 減少養護工作。(橋上清今后國內大城市將蓬勃興起修建篩石碴困難很多)、橋面潔凈, 避免石碴掉落傷人。城市軌道交通, 1999 年投入試運行的上海明珠線為我國城市軌道交通橋上無縫線路作出新的重要特大橋梁采用無碴無枕無縫線路, 九江長江大橋 實踐。
