【摘要】介绍北京城铁地面线碎石道床一次铺设无缝线路和采用“ 连入法”进行应力放散和锁定的施工方案和施工工艺。
【关键词】碎石道床 无缝线路 轨道 一次铺设 施工技术
随着我国城市建设的迅猛发展,地面的电汽车公共交通已越来越满足不了城市尤其是大城市居民出行的需求,而城市铁路轨道交通以其大容量、快捷、安全、经济、环保等优点,已经成为城市交通发展的必然趋势。
由于城市铁路必须具有高平顺性,要求一次铺设无缝线路,并按设计速度(80 kmΠh) 交付运营。针对北京城市铁路碎石道床轨道工程施工的这一特点,我们通过积极开展科技攻关,利用先进工艺和设备,优质高效地完成了该项工程的施工,全面掌握了碎石道床一次铺设无缝线路这项关键技术,为今后城市铁路的建设积累了丰富的经验,同时该项技术也对新建高速铁路、(准) 高速客运专线和今后新建铁路干线的铺轨施工具有一定的指导意义。
1 施工方案
新建铁路一次铺设无缝线路是我国铁路建设中的新课题,目前在国内尚无成熟的工艺。而国外在长钢轨铺设方面,可归纳总结为两种方法,即单根轨枕铺设法和长轨排铺设法。
单根轨枕铺设法是先将焊接后的长钢轨卸至工地,利用铺枕机布枕,同时将长钢轨放置在轨枕上形成轨道,再通过机械化养路作业使线路稳定成型,进而经过：
(1) 底碴摊铺压实。
(2) 铺设过渡轨排。在铺轨基地利用待焊的25 m 无孔轨拼装过渡轨排,其轨枕及扣件均按设计标准一次定位安装。用轻型铺轨机铺设,以临时钢轨接头连接器连接成可供施工车辆通过的临时轨道。
(3) 卸碴与整道。使用大型机械化整道作业车,进行自动卸碴、配碴整形、起道、拨道、捣固道床,并进行动力稳定作业。以上作业工序视具体情况分3～5 次循环作业,直至轨道稳定为止。
(4) 换铺长钢轨。过渡轨道的道床稳定和几何状态达到标准后,即可换铺长钢轨。
(5) 锁定线路和进行联合接头的工地焊接。
(6) 进行最后的轨道整修作业。
在运营之前就一次换上长钢轨,然后再进行机械化养路作业。同时,根据城铁最高运营速度为80 kmΠh 的特点,对轨道和路基工程的技术标准适当调整,从而可大大节省工程的施工费用。目前通过施工单位的严密施工组织以及对其工装设备的改造,施工进展顺利, 且经过了2002 年夏季的持续超高温考验,无缝线路十分稳定,未出现任何技术问题。
对城铁地面线一次铺设无缝线路技术,我们从设计标准、施工工艺、施工机械、养护标准等方面,进行了配套的、具有实施性的技术研究,形成了一套适合城铁地面线碎石道床的施工工艺。该工程采用一次铺设无缝线路新技术,是城市轨道交通地面线设计与施工技术的有益尝试,解决了夜间维修困难、运营初期轮轨振动与噪声大、今后换下的有螺栓孔轨无应用场所等诸多问题,节省了建设投资,使线路交付运营初期就具有高平顺性和稳定性。应力放散锁定成无缝线路。例如采用美国Fairmont Tamper 公司制造的NTC 型铺轨车铺设的方法,就是这种单根轨枕铺设法。
长轨排铺设法系先将长钢轨和轨枕组装成轨排, 采用专用机械将轨排铺设在线路上形成轨道,通过机械化养路作业使线路稳定成型,再经应力放散锁定成无缝线路。例如英吉利海峡隧道出口处所采用的整体道床轨道门式吊机铺设的方法,就是这种长轨排铺设法。
北京城市铁路(西直门—东直门) 是我国首次采用一次铺设无缝线路的城市轨道交通工程。由于在繁华拥挤的城区内施工,无既有线运输之便,大型机械进场相当困难,为此研究出一种特殊的施工方法。其具体思路是:右线碎石道床采用机械铺轨,右线整体道床铺设临时轨排,使铺轨机得以通过并继续向前铺轨。铺通右线后,用长轨放送车放送左右线长钢轨,先施工整体道床的左线部分,在碎石道床左线进行人工卸枕和铺设长轨,待左线整体道床达到可行车的强度后,再进行右线整体道床的施工,最后贯通全线。
2 施工技术的研究
为优质完成碎石道床一次铺设无缝线路,在施工方案确定后,对施工中的具体技术要求,必须要有充分的认识。因此,针对施工中可能出现的问题以及为以后工务部门的养护维修创造良好条件,进行技术研究非常必要。研究内容主要有:
( 1) 道床横向阻力
道床横向阻力是防止胀轨跑道、保持无缝线路稳定的重要因素。据前苏联试验资料表明,对保持轨道的稳定性,道床阻力的作用占65 % , 而钢轨为25 % , 扣件为10 %。为了保证道床横向阻力,通过施工技术研究,针对影响道床横向阻力的因素,制定了详细的措施: ① 在轨道工程施工之前,对路基进行全面检查,确认是否充分压实。如有问题,要彻底整治路基问题。② 施工中保证道床饱满。道床饱满程度关系到轨枕与道碴接触面的大小及道碴之间的啮合,直接影响道床阻力值。③ 道床横向阻力的组成为:道床肩部占20 % ～30 % , 轨枕两侧占20 %～30 % , 轨枕底部占50 %。因此要严格按照设计要求,保证道碴的肩宽、厚度、堆高,道床断面不仅要符合标准尺寸,还应捣固密实,以提供较大的道床阻力。
( 2) 道床纵向阻力
道床纵向阻力是抵抗钢轨伸缩、防止线路不均匀爬行的重要参数,它受道碴材质及其颗粒大小、道床断面形状、捣固质量、脏污程度、轨道框架重量等因素的影响。施工中应特别注意道床清筛后因纵向阻力下降而引起的线路爬行,所以在作业后夯实道床增强阻力的工作特别重要。
( 3) 接头阻力
接头阻力是由钢轨与夹板间的摩阻力和螺栓的抗弯力或抗剪力来提供的。在其他条件相同的情况下, 螺栓的拧紧程度就是保持接头阻力的关键。因此对1019 级高强螺栓,要严格按照规定的设计扭力矩(900 N·m) 拧紧螺栓。
( 4) 扣件阻力
扣件阻力主要用来抵抗钢轨纵向位移,它必须大于道床纵向阻力,否则钢轨将沿轨枕移动。城铁碎石道床施工中,为保证足够的扣压力,采用弹性扣件,中间弹条要求全部拉伸到位,以保证其扣压力在715～ 910 kN 范围内。
此外,使无缝线路丧失稳定性的因素是温度力和轨道原始不平顺(原始弯曲) 。前者通过应力放散和锁定加以解决,后者则需要在钢轨的轧制、运输、焊接和铺设过程中避免形成塑性弯曲。
3 质量控制
如何做到理论联系实际,将施工技术研究成果具体落实到施工中去,是保证工程质量的关键。所采取的主要施工工艺的质量保证措施如下:
( 1) 底碴摊铺
办理线路路基移交手续后,对线路路基的宽度、路肩高程、路拱高程和特殊点位置的里程进行复测。在复测允许误差范围内摊铺底碴,否则需上报甲方和监理单位。
底碴材质应符合TBΠT 2897 —1998 《铁路碎石道床底碴》的规定。底碴摊铺压实后,要对其进行质量检测,判断是否达到质量标准。检测内容主要包括: ① 碴面外形:碴面纵横坡度、宽度、厚度及中间凹槽等是否均达到规定要求。② 平整度:用3 m 直角尺检查碴面平整度,允许偏差为10 mm 。③ 密度:底碴经压实整平后,用“灌水法”测量,其密度不得低于114 gΠcm3 。检测结果表明,摊铺质量完全达标。
( 2) 轨排铺设
在铺轨前,需要进行线路调查,确认线路上无障碍物后再进行铺轨作业。尤其要注意的是,车站顶棚、桥梁净高、电线、其他建筑的限界高度,以及线下电缆等, 以免铺轨机在施工中受阻。只有确认畅通无阻后方可进行调车作业。在进行右线机械铺轨时,采用了适用于北京城市铁路施工的PG216 型铺轨机。机械铺轨原理与国铁基本相同。
( 3) 卸碴
按北京城市铁路碎石道床施工规定,在钢筋混凝土基础(独立桥涵、车站两端过渡段) 和渗水土路基地段取消底碴,全部采用面碴,设30 cm 厚单层道床; 在非渗水土路基地段设45 cm 厚双层道床(面碴层厚25 cm ,底碴层厚20 cm) 。面碴采用一级道碴,材质要符合TBΠT 2140 —90《铁路碎石道碴》中对一级道碴的规定。利用K13 型风动卸碴车进行卸碴,卸碴时要求尽可能均匀,以减少整形车配碴时的工作量,必要时人工配合清理。大坡道卸碴时,采用动能闯坡再后退卸碴的办法。为保证首都环境不被污染,道碴装车前均需经过洒水处理。
( 4) 大型机械化养路
大型机械化养路采用MDZ 机组进行作业。MDZ 机组是由SPZ2200 型配碴整形车、08232 型自动操平、起、拨道捣固车和WD2320 型线路动力稳定车组成。该机组在作业中能进行养路的起、拨、捣固作业,以及进行道床配碴、整形和道床稳定的连续作业。新铺道床经大型养路机3～4 遍作业后,可使线路在方向、水平、高低的精度误差控制在2 mm 以内。
结合北京城市铁路的施工特点和施工安排,大型机械化养路作业流程可分为2 次补碴、3 次捣固、4 次动力稳定。其工艺流程如下:
机械化养路设备整备 →施工准备 →施工测量 —→第一次补碴 →捣固、稳定各2 次— →施工测量 —→第二次补碴———→捣固、稳定 →加强性动力稳定 —→轨道整形。
按照设计的要求,只有在道床参数、几何形态达到标准后,方可铺设、锁定长钢轨。检测结果表明:经机械化养路后的线路,轨道几何形态(包括轨距、水平、方向、高低) 、曲线正矢、道床厚度、轨面高程、曲线超高及竖曲线设置、轨道中心线与线路中心线偏差均达到设计标准。采用大型养路机械作业后,再进行加强沉落整修、封道床等各项作业。全面整道后的轨道,经列车不少于50 次压道后,无明显变形,为一次铺设无缝线路创造了良好条件。经检测,道床状态参数值达到如下标准:道床密度> 117 g/cm3 ,道床支承刚度≥80 kN/mm ,道床横向阻力
≥8 kN/枕,道床纵向阻力≥10 kN/枕。所有参数全部达标,道床达到一次铺设无缝线路的要求。
( 5) 长钢轨焊接及放送
采用乌克兰巴顿焊轨研究所生产的K900 型闪光接触焊机,在基地内将25 m 长的无孔轨焊接成125 m 的长钢轨(由于焊轨时顶锻量的影响,钢轨实际长度为124177 m) ;在线路以大型养路机械养护成型后,利用2 台轨道车牵引长轨放送车将125 m 长钢轨拉卸至工地,再用移动式小型气压焊将125 m 长钢轨焊连成900 ～1 200 m 长的单元轨节;对于应力放散和锁定时的联合接头焊接,则采用铝热焊。
( 6) 长轨换铺
拆除已铺右线的过渡轨排,将长钢轨拨入承轨槽, 由于左线是人工卸枕,故可直接将长轨入槽;同时将区间拆除的25 m 长的无孔轨回收至焊轨基地,进行接触焊后可继续使用。若在高温作业时出现胀轨,可采用覆盖草袋并浇水的方法进行降温。
( 7) 应力放散和锁定
国内铺设无缝线路的施工方法归纳起来有两种, 即“连入法和“插入法。“连入法是先将第一段单元轨节应力放散,并在设计锁定轨温范围内加以锁定,再将第二段及以后的单元轨节与上一段单元轨节经过锁定焊接、应力放散之后依次再锁定而成为无缝线路的施工方法。“插入法是在相邻单元轨节中间插入一对钢轨(经过计算确定长度的钢轨),对单元轨节放散应力进行锁定焊接的作业方法。经比较并结合该线的施工特点,决定采用“连入法进行无缝线路施工,其作业程序如下: ①采用气压焊将长钢轨焊接成单元轨节。②当作业轨温处于设计锁定轨温范围内时,采用“滚筒法”(通常采用钢轨下垫滚筒的方法,该线用2 块聚四氟乙烯代替滚筒) 放散应力后进行锁定;当作业时轨温低于设计锁定轨温时,采用“拉伸器滚筒法”(拉伸器和滚筒配合的方法,也称“综合法”) 放散应力后进行拉伸锁定。③将第二段及以后的单元轨节与上一段单元轨节经过锁定焊(即铝热焊) 后,进而对长轨条进行应力放散和依次锁定。④长轨条最后一段单元轨节在终端缓冲区标准轨前或钢轨伸缩调节器前合拢。合拢口预留拉伸长度要经过计算确定,放散应力后进行锁定焊接,最终成为无缝线路。⑤在钢轨上做好标记,记录位移观测桩初始读数。⑥将单元轨节应力放散后的拉伸量、钢轨位移观测桩初始读数、锁定轨温、锁定日期、单元轨节编号等列入竣工资料。
无缝线路应力放散与锁定应遵循的原则: ①线路锁定前应掌握北京地区轨温变化规律,根据各施工区段的时间间隔,选定锁定轨温及施工时间。②测量轨温时,要对钢轨不同位置进行多点测量,取其平均值。③锁定轨温应力求准确、可靠,符合设计规定。④整正轨枕和轨距后,应两股同步锁定,同时在钢轨上设置纵向位移观测的“零点标记。⑤必须准确确定锁定轨温,无碴轨道地段和有碴轨道地段均必须严格遵照设计锁定轨温施工,相邻两段单元轨节锁定轨温差不得大于5 ℃,左右两股钢轨的锁定轨温差不得大于5 ℃。⑥锁定轨温与锁定日期应列入竣工资料。
