【摘要】介紹北京城鐵地面線碎石道床一次鋪設無縫線路和采用“ 連入法”進行應力放散和鎖定的施工方案和施工工藝。
【關鍵詞】碎石道床 無縫線路 軌道 一次鋪設 施工技術
隨著我國城市建設的迅猛發展,地面的電汽車公共交通已越來越滿足不了城市尤其是大城市居民出行的需求,而城市鐵路軌道交通以其大容量、快捷、安全、經濟、環保等優點,已經成為城市交通發展的必然趨勢。
由于城市鐵路必須具有高平順性,要求一次鋪設無縫線路,并按設計速度(80 kmΠh) 交付運營。針對北京城市鐵路碎石道床軌道工程施工的這一特點,我們通過積極開展科技攻關,利用先進工藝和設備,優質高效地完成了該項工程的施工,全面掌握了碎石道床一次鋪設無縫線路這項關鍵技術,為今后城市鐵路的建設積累了豐富的經驗,同時該項技術也對新建高速鐵路、(準) 高速客運專線和今后新建鐵路干線的鋪軌施工具有一定的指導意義。
1 施工方案
新建鐵路一次鋪設無縫線路是我國鐵路建設中的新課題,目前在國內尚無成熟的工藝。而國外在長鋼軌鋪設方面,可歸納總結為兩種方法,即單根軌枕鋪設法和長軌排鋪設法。
單根軌枕鋪設法是先將焊接后的長鋼軌卸至工地,利用鋪枕機布枕,同時將長鋼軌放置在軌枕上形成軌道,再通過機械化養路作業使線路穩定成型,進而經過：
(1) 底碴攤鋪壓實。
(2) 鋪設過渡軌排。在鋪軌基地利用待焊的25 m 無孔軌拼裝過渡軌排,其軌枕及扣件均按設計標準一次定位安裝。用輕型鋪軌機鋪設,以臨時鋼軌接頭連接器連接成可供施工車輛通過的臨時軌道。
(3) 卸碴與整道。使用大型機械化整道作業車,進行自動卸碴、配碴整形、起道、撥道、搗固道床,并進行動力穩定作業。以上作業工序視具體情況分3～5 次循環作業,直至軌道穩定為止。
(4) 換鋪長鋼軌。過渡軌道的道床穩定和幾何狀態達到標準后,即可換鋪長鋼軌。
(5) 鎖定線路和進行聯合接頭的工地焊接。
(6) 進行最后的軌道整修作業。
在運營之前就一次換上長鋼軌,然后再進行機械化養路作業。同時,根據城鐵最高運營速度為80 kmΠh 的特點,對軌道和路基工程的技術標準適當調整,從而可大大節省工程的施工費用。目前通過施工單位的嚴密施工組織以及對其工裝設備的改造,施工進展順利, 且經過了2002 年夏季的持續超高溫考驗,無縫線路十分穩定,未出現任何技術問題。
對城鐵地面線一次鋪設無縫線路技術,我們從設計標準、施工工藝、施工機械、養護標準等方面,進行了配套的、具有實施性的技術研究,形成了一套適合城鐵地面線碎石道床的施工工藝。該工程采用一次鋪設無縫線路新技術,是城市軌道交通地面線設計與施工技術的有益嘗試,解決了夜間維修困難、運營初期輪軌振動與噪聲大、今后換下的有螺栓孔軌無應用場所等諸多問題,節省了建設投資,使線路交付運營初期就具有高平順性和穩定性。應力放散鎖定成無縫線路。例如采用美國Fairmont Tamper 公司制造的NTC 型鋪軌車鋪設的方法,就是這種單根軌枕鋪設法。
長軌排鋪設法系先將長鋼軌和軌枕組裝成軌排, 采用專用機械將軌排鋪設在線路上形成軌道,通過機械化養路作業使線路穩定成型,再經應力放散鎖定成無縫線路。例如英吉利海峽隧道出口處所采用的整體道床軌道門式吊機鋪設的方法,就是這種長軌排鋪設法。
北京城市鐵路(西直門—東直門) 是我國首次采用一次鋪設無縫線路的城市軌道交通工程。由于在繁華擁擠的城區內施工,無既有線運輸之便,大型機械進場相當困難,為此研究出一種特殊的施工方法。其具體思路是:右線碎石道床采用機械鋪軌,右線整體道床鋪設臨時軌排,使鋪軌機得以通過并繼續向前鋪軌。鋪通右線后,用長軌放送車放送左右線長鋼軌,先施工整體道床的左線部分,在碎石道床左線進行人工卸枕和鋪設長軌,待左線整體道床達到可行車的強度后,再進行右線整體道床的施工,最后貫通全線。
2 施工技術的研究
為優質完成碎石道床一次鋪設無縫線路,在施工方案確定后,對施工中的具體技術要求,必須要有充分的認識。因此,針對施工中可能出現的問題以及為以后工務部門的養護維修創造良好條件,進行技術研究非常必要。研究內容主要有:
( 1) 道床橫向阻力
道床橫向阻力是防止脹軌跑道、保持無縫線路穩定的重要因素。據前蘇聯試驗資料表明,對保持軌道的穩定性,道床阻力的作用占65 % , 而鋼軌為25 % , 扣件為10 %。為了保證道床橫向阻力,通過施工技術研究,針對影響道床橫向阻力的因素,制定了詳細的措施: ① 在軌道工程施工之前,對路基進行全面檢查,確認是否充分壓實。如有問題,要徹底整治路基問題。② 施工中保證道床飽滿。道床飽滿程度關系到軌枕與道碴接觸面的大小及道碴之間的嚙合,直接影響道床阻力值。③ 道床橫向阻力的組成為:道床肩部占20 % ～30 % , 軌枕兩側占20 %～30 % , 軌枕底部占50 %。因此要嚴格按照設計要求,保證道碴的肩寬、厚度、堆高,道床斷面不僅要符合標準尺寸,還應搗固密實,以提供較大的道床阻力。
( 2) 道床縱向阻力
道床縱向阻力是抵抗鋼軌伸縮、防止線路不均勻爬行的重要參數,它受道碴材質及其顆粒大小、道床斷面形狀、搗固質量、臟污程度、軌道框架重量等因素的影響。施工中應特別注意道床清篩后因縱向阻力下降而引起的線路爬行,所以在作業后夯實道床增強阻力的工作特別重要。
( 3) 接頭阻力
接頭阻力是由鋼軌與夾板間的摩阻力和螺栓的抗彎力或抗剪力來提供的。在其他條件相同的情況下, 螺栓的擰緊程度就是保持接頭阻力的關鍵。因此對1019 級高強螺栓,要嚴格按照規定的設計扭力矩(900 N·m) 擰緊螺栓。
( 4) 扣件阻力
扣件阻力主要用來抵抗鋼軌縱向位移,它必須大于道床縱向阻力,否則鋼軌將沿軌枕移動。城鐵碎石道床施工中,為保證足夠的扣壓力,采用彈性扣件,中間彈條要求全部拉伸到位,以保證其扣壓力在715～ 910 kN 范圍內。
此外,使無縫線路喪失穩定性的因素是溫度力和軌道原始不平順(原始彎曲) 。前者通過應力放散和鎖定加以解決,后者則需要在鋼軌的軋制、運輸、焊接和鋪設過程中避免形成塑性彎曲。
3 質量控制
如何做到理論聯系實際,將施工技術研究成果具體落實到施工中去,是保證工程質量的關鍵。所采取的主要施工工藝的質量保證措施如下:
( 1) 底碴攤鋪
辦理線路路基移交手續后,對線路路基的寬度、路肩高程、路拱高程和特殊點位置的里程進行復測。在復測允許誤差范圍內攤鋪底碴,否則需上報甲方和監理單位。
底碴材質應符合TBΠT 2897 —1998 《鐵路碎石道床底碴》的規定。底碴攤鋪壓實后,要對其進行質量檢測,判斷是否達到質量標準。檢測內容主要包括: ① 碴面外形:碴面縱橫坡度、寬度、厚度及中間凹槽等是否均達到規定要求。② 平整度:用3 m 直角尺檢查碴面平整度,允許偏差為10 mm 。③ 密度:底碴經壓實整平后,用“灌水法”測量,其密度不得低于114 gΠcm3 。檢測結果表明,攤鋪質量完全達標。
( 2) 軌排鋪設
在鋪軌前,需要進行線路調查,確認線路上無障礙物后再進行鋪軌作業。尤其要注意的是,車站頂棚、橋梁凈高、電線、其他建筑的限界高度,以及線下電纜等, 以免鋪軌機在施工中受阻。只有確認暢通無阻后方可進行調車作業。在進行右線機械鋪軌時,采用了適用于北京城市鐵路施工的PG216 型鋪軌機。機械鋪軌原理與國鐵基本相同。
( 3) 卸碴
按北京城市鐵路碎石道床施工規定,在鋼筋混凝土基礎(獨立橋涵、車站兩端過渡段) 和滲水土路基地段取消底碴,全部采用面碴,設30 cm 厚單層道床; 在非滲水土路基地段設45 cm 厚雙層道床(面碴層厚25 cm ,底碴層厚20 cm) 。面碴采用一級道碴,材質要符合TBΠT 2140 —90《鐵路碎石道碴》中對一級道碴的規定。利用K13 型風動卸碴車進行卸碴,卸碴時要求盡可能均勻,以減少整形車配碴時的工作量,必要時人工配合清理。大坡道卸碴時,采用動能闖坡再后退卸碴的辦法。為保證首都環境不被污染,道碴裝車前均需經過灑水處理。
( 4) 大型機械化養路
大型機械化養路采用MDZ 機組進行作業。MDZ 機組是由SPZ2200 型配碴整形車、08232 型自動操平、起、撥道搗固車和WD2320 型線路動力穩定車組成。該機組在作業中能進行養路的起、撥、搗固作業,以及進行道床配碴、整形和道床穩定的連續作業。新鋪道床經大型養路機3～4 遍作業后,可使線路在方向、水平、高低的精度誤差控制在2 mm 以內。
結合北京城市鐵路的施工特點和施工安排,大型機械化養路作業流程可分為2 次補碴、3 次搗固、4 次動力穩定。其工藝流程如下:
機械化養路設備整備 →施工準備 →施工測量 —→第一次補碴 →搗固、穩定各2 次— →施工測量 —→第二次補碴———→搗固、穩定 →加強性動力穩定 —→軌道整形。
按照設計的要求,只有在道床參數、幾何形態達到標準后,方可鋪設、鎖定長鋼軌。檢測結果表明:經機械化養路后的線路,軌道幾何形態(包括軌距、水平、方向、高低) 、曲線正矢、道床厚度、軌面高程、曲線超高及豎曲線設置、軌道中心線與線路中心線偏差均達到設計標準。采用大型養路機械作業后,再進行加強沉落整修、封道床等各項作業。全面整道后的軌道,經列車不少于50 次壓道后,無明顯變形,為一次鋪設無縫線路創造了良好條件。經檢測,道床狀態參數值達到如下標準:道床密度> 117 g/cm3 ,道床支承剛度≥80 kN/mm ,道床橫向阻力
≥8 kN/枕,道床縱向阻力≥10 kN/枕。所有參數全部達標,道床達到一次鋪設無縫線路的要求。
( 5) 長鋼軌焊接及放送
采用烏克蘭巴頓焊軌研究所生產的K900 型閃光接觸焊機,在基地內將25 m 長的無孔軌焊接成125 m 的長鋼軌(由于焊軌時頂鍛量的影響,鋼軌實際長度為124177 m) ;在線路以大型養路機械養護成型后,利用2 臺軌道車牽引長軌放送車將125 m 長鋼軌拉卸至工地,再用移動式小型氣壓焊將125 m 長鋼軌焊連成900 ～1 200 m 長的單元軌節;對于應力放散和鎖定時的聯合接頭焊接,則采用鋁熱焊。
( 6) 長軌換鋪
拆除已鋪右線的過渡軌排,將長鋼軌撥入承軌槽, 由于左線是人工卸枕,故可直接將長軌入槽;同時將區間拆除的25 m 長的無孔軌回收至焊軌基地,進行接觸焊后可繼續使用。若在高溫作業時出現脹軌,可采用覆蓋草袋并澆水的方法進行降溫。
( 7) 應力放散和鎖定
國內鋪設無縫線路的施工方法歸納起來有兩種, 即“連入法和“插入法。“連入法是先將第一段單元軌節應力放散,并在設計鎖定軌溫范圍內加以鎖定,再將第二段及以后的單元軌節與上一段單元軌節經過鎖定焊接、應力放散之后依次再鎖定而成為無縫線路的施工方法。“插入法是在相鄰單元軌節中間插入一對鋼軌(經過計算確定長度的鋼軌),對單元軌節放散應力進行鎖定焊接的作業方法。經比較并結合該線的施工特點,決定采用“連入法進行無縫線路施工,其作業程序如下: ①采用氣壓焊將長鋼軌焊接成單元軌節。②當作業軌溫處于設計鎖定軌溫范圍內時,采用“滾筒法”(通常采用鋼軌下墊滾筒的方法,該線用2 塊聚四氟乙烯代替滾筒) 放散應力后進行鎖定;當作業時軌溫低于設計鎖定軌溫時,采用“拉伸器滾筒法”(拉伸器和滾筒配合的方法,也稱“綜合法”) 放散應力后進行拉伸鎖定。③將第二段及以后的單元軌節與上一段單元軌節經過鎖定焊(即鋁熱焊) 后,進而對長軌條進行應力放散和依次鎖定。④長軌條最后一段單元軌節在終端緩沖區標準軌前或鋼軌伸縮調節器前合攏。合攏口預留拉伸長度要經過計算確定,放散應力后進行鎖定焊接,最終成為無縫線路。⑤在鋼軌上做好標記,記錄位移觀測樁初始讀數。⑥將單元軌節應力放散后的拉伸量、鋼軌位移觀測樁初始讀數、鎖定軌溫、鎖定日期、單元軌節編號等列入竣工資料。
無縫線路應力放散與鎖定應遵循的原則: ①線路鎖定前應掌握北京地區軌溫變化規律,根據各施工區段的時間間隔,選定鎖定軌溫及施工時間。②測量軌溫時,要對鋼軌不同位置進行多點測量,取其平均值。③鎖定軌溫應力求準確、可靠,符合設計規定。④整正軌枕和軌距后,應兩股同步鎖定,同時在鋼軌上設置縱向位移觀測的“零點標記。⑤必須準確確定鎖定軌溫,無碴軌道地段和有碴軌道地段均必須嚴格遵照設計鎖定軌溫施工,相鄰兩段單元軌節鎖定軌溫差不得大于5 ℃,左右兩股鋼軌的鎖定軌溫差不得大于5 ℃。⑥鎖定軌溫與鎖定日期應列入竣工資料。
