北京城市鐵路軌道建設采用的新技術
提 要: 本文簡要地介紹了北京城市鐵路地面線軌道建設采用一次鋪設無縫線路及鋼彈簧浮置板隔震道床兩項新技術的必要性、可行性, 并簡要地介紹了這兩項新技術的施工工藝及其實施效果, 其取得的成功應用經驗可供今后我國城市鐵路軌道建設借鑒。
關鍵詞: 地面線; 無縫線路; 浮置板; 隔震; 道床
1 工程概況
北京城市鐵路(西直門——東直門) 西起西直門, 經上地、回龍觀、北苑、望京西至東直門。近期設車站16 座及1 處車輛段并預留5 座車站位置。該工程為雙線全封閉、全立交城市鐵路, 于2003 年1 月28 日貫通運營。線路全長40. 85km, 其中地下線3. 47 km, 高架線11. 28 km, 地面線26. 10 km 。地面線最小曲線半徑為400 m, 正線區間線間距為3. 6m, 最大坡度i≤ 18‰, 列車最高行車速度為80 km /h, 列車旅行速度為41 km /h。車輛為B 型車, 車體長度為19 m , 軸距2. 1m, 定距12. 6m, 軸重141 kN 。
沿線地形平坦, 地面標高自西向東由高至低, 地面縱坡0. 3‰～ 0. 4‰, 沿線地質條件較好, 無軟土地段。地面線軌道設計采用60 kg/m 鋼軌, 預應力混凝土軌枕。對R ≥600m 的曲線及直線地段鋪設無縫線路。高架線和地下線采用短枕式整體道床無縫線路。
西直門車站位于繁華鬧市區, 車站位于站房頂層。為減小列車運行時的噪聲和震動對站房上周圍環境的影響, 設計采用鋼彈簧浮置板隔震系統。
東直門城市鐵路從兩居民塔樓中間地下穿過, 地下線隧道外邊緣距塔樓基礎只有1. 7m, 為保證居民樓內環境振動達到國家標準, 設計采用鋼彈簧浮置板隔震技術。
該線路在設計和施工中采用了很多新技術、新工藝和新材料, 如全線采用了一次性鋪設無縫線路, 這在我國修建地鐵的歷史上尚屬首例。施工中對路基的沉降、橋梁混凝土的徐變進行了探討; 在線路通過城市繁華地段, 首次采用了鋼彈簧浮置板道床隔震技術, 減小了震動, 降低了噪聲。
2 地面線采用一次鋪設無縫線路技術
根據以往國鐵的施工方法, 新線建設時鋪設25 m 標準軌, 待運營至路基和基床穩定后, 再換鋪成無縫線路。這種施工方法應用在城市軌道交通將產生很多問題, 如城市軌道交通夜間維修困難, 因軸重輕而延長了換鋪無縫線路的時間間隔, 且以后換鋪換下的有螺栓孔軌無應用場所等。
近兩年國鐵針對京滬高速和秦沈客運專線進行了地面線一次鋪設無縫線路技術的研究, 通過多方收集資料, 充分研究了將國鐵的科研成果應用于城鐵的可行性, 并逐漸形成了適合城鐵特點和工程實際需要的施工方案。即不采用國鐵一次鋪設長鋼軌軌排方法, 而是采用機械鋪設工具軌排, 在運營之前一次換上長鋼軌, 再進行機械化養路作業。
建設單位十分重視這一新技術的采用, 于2000 年12 月28 日組織召開了“ 北京城市鐵路地面線一次鋪設無縫線路專題論證會”。通過充分論證一次鋪設無縫線路的必要性、可行性、存在難點、施工工藝等問題之后, 會議形成結論性意見: 本線應采用一次鋪設無縫線路技術。
2. 1 主要研究內容
設計單位與建設單位對一次鋪設無縫線路主要研究的內容如下:
(1) 必要性和可行性論證;
(2) 根據城鐵的行車特點和線路條件, 進行工程類比分析及無縫線路結構計算;
(3) 確定城鐵的軌道與路基的設計原則;
(4) 制定相應的施工工序和施工細則;
(5) 對施工機具進行“ 過橋”檢算;
(6) 與施工投標單位進行施工方案的研究工作;
(7) 在施工招標文件中, 明確施工工藝及對機具設備的要求。
2. 2 施工工藝流程
一次鋪設雙線無縫線路主要的施工工藝流程: (1) 攤鋪底層道碴; (2) 機械鋪設右線的過渡軌排; (3) 換鋪長鋼軌和回收過渡軌; (4) 右線有碴軌道進行大型機械養路作業, 待達到設計標高并符合設計標準后, 左線長鋼軌同時拉卸至道心, 將左線長鋼軌撥至左線, 進行人工鋪軌; (5) 右線焊聯成單元軌節, 并換鋪長軌及回收過渡軌; (6) 進行左線有碴軌道機養及長鋼軌焊聯; (7) 進行應力放散和線路鎖定; (8) 提前預鋪碎石道床的道岔。
2. 3 技術保證
一次鋪設無縫線路應嚴格保證以下幾項達到相應的技術標準: (1) 道床橫向阻力; (2) 道床縱向阻力; (3) 接頭阻力; (4) 扣件阻力。
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), 前者應通過應力放散和鎖定加以解決, 后者則需在鋼軌的軋制、運輸、焊接和鋪設過程中避免形成塑性彎曲。
2. 4 小結
對城鐵地面線一次鋪設無縫線路技術從設計標準、施工工藝、施工機械、養路標準等方面, 北京城鐵進行了配套的、具有實際性的研究, 形成了一套適合城鐵地面線碎石道床的施工工藝和技術標準。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, 以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。
3 鋼彈簧浮置板隔震道床技術在城鐵的應用
對于城市軌道交通噪聲與振動及其控制, 在設計階段, 要根據環評報告對沿線振動與噪聲的超標狀況進行預測, 然后逐段落實設計方案; 在線路施工設計階段, 要充分采用合理和技術可行的減振降噪措施, 確保在線路開通后取得良好的減振降噪效果。
3. 1 西直門交通樞紐高架車站鋼彈簧浮置板隔震道床
西直門交通樞紐位于繁華的北京二環西北角西直門地區中心, 是我國正在建設第一個集公交、國鐵、環線地鐵、水運站于一體的交通樞紐, 緊鄰城鐵西直門站西側是三棟已立項開發的高檔寫字樓, 東側是改造的國鐵北京北站, 周圍是公交站點, 還有環線地鐵站。城鐵西直門站為高架三層框架鋼筋混凝土結構, 站臺設在第三層, 除兩條正線外, 還有一條存車線, 城鐵車站結構與相鄰開發的寫字樓地下結構連通為一體, 地下為超市及停車場。
對城鐵的減振要求而言, 目前國內尚無規范要求, 為盡可能減小城鐵對交通樞紐和周邊寫字樓的振動和噪聲影響, 體現綠色奧運精神, 城鐵公司進行了多次研究, 并組織設計院有關專家和隔震廠家進行了多次技術交流和專家論證, 從設計院提出的多種備選方案中確定采用鋼彈簧浮置板隔震技術。這項技術國內雖未使用過, 但在德國、英國、巴西等得到了成功的應用, 有一定的經驗。有關專家根據我國國情提出了可行的施工技術方案和相關的技術標準, 并于2001 年8 月順利通過該項技術的專題審查會。
鋼彈簧浮置板隔震系統是將軌道固定在鋼筋混凝土質量平臺上, 平臺再放在主要由柔性彈簧組成的隔震器上, 這個質量平臺可以提供足夠的慣性力量來抵消車輛產生的動荷載, 只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈簧傳到基礎結構上。鋼彈簧浮置板隔震系統的隔震效果為20～ 25 dB, 隔震系統固有頻率約5～ 7 H z, 可有效地減震, 消除固體聲, 其彈簧鋼的疲勞壽命長(一般超過50 年), 很容易更換, 不影響行車。
3. 2 浮置板的構造模型
鋼彈簧浮置板隔震系統與混凝土連續梁工作狀態相似, 為彈性支座板狀連續式道床結構。其構造大體可分為下部基礎、彈性隔震器、混凝土浮置板、軌道結構、剪力鉸5 個部分。理論模型如圖1、2。
圖1 鋼彈簧浮置板道床橫斷面示意圖
圖2 鋼彈簧浮置板道床縱斷面示意圖
3. 3 主要施工工藝
鋼彈簧浮置板隔震道床采用支架法: (1) 清理驗收工作基底(梁面); (2) 浮置板整體道床基標測設; (3) 測量放線; (4) 輪廓線及預制箱體范圍內高程及平整度檢測; (5) 基底打磨; (6) 運送鋼軌及短軌枕; (7) 平鋪塑料隔離薄膜及油氈; (8) 鋼軌初調及吊短枕; (9) 運送預制箱體及鋼筋預制箱體定位; (10) 剪力鉸定位; (11) 綁扎鋼筋; (12) 支立模板; (13) 鋼軌精調; (14) 混凝土澆筑; (15) 混凝土養生; (16) 浮置板頂升; (17) 隔震器安裝; (18) 浮置板精調。
主要技術保證: (1) 預制箱體定位; (2) 剪力鉸定位; (3) 浮置板的頂升、調平。
3. 4 小結
目前, 國內各大城市正在大力發展城市軌道交通, 但由于國內城市軌道交通起步較晚, 土地資源又十分寶貴, 軌道線路從建筑物附近甚至正下方穿過的情形難以避免。如果不采取較好的隔震措施, 建筑物內的環境振動將可能超標。鋼彈簧浮置板隔震效果徹底, 結構簡單, 同時可用于調整結構的下沉, 技術優勢明顯, 為城市軌道交通的減振降噪、環境控制提供了有效的技術手段, 在特殊隔離地段具有廣闊的應用前景。(東直門鋼彈簧浮置板隔震道床與西直門相似)
4 結束語
北京城鐵(13號線) 建設中采用了許多國內新技術, 但軌道新技術的發展很快, 技術創新與新技術的應用正方興未艾, 值得建設、設計、施工單位去研究開拓。
