0 引言
《城市轨道交通 2020 年度统计和分析报告》 指出: 截至 2021 年底,我国大陆共有 45 个城市开通了城市轨道交通运营线路, 其中地铁运营里程已达6280. 8 km,占运营线路总长度的 78. 8%[1]。 近年来,随着城市化发展的提质加速,我国轨道交通建设正处于快速发展的新时期,多种新型轨道形式也应运而生。其中,装配式板式无砟轨道结构,由于其结构稳定性好、耐久性高、使用寿命周期长和维修方便等优点,现已大规模推广应用于北京、天津、上海、广州、深圳等城市 10 余条地铁线路。
工厂或现场预先制作的混凝土构件通过可靠的连接方式装配形成的结构称为预制装配式混凝土结构[ 2] 。 众多学者及工程技术人员对装配式轨道施工技术进行了研究。 曹德志[ 3] 分析指出在建筑施工质量、节能减排效果、综合经济效益等方面预制混凝土装配式结构的性能优于现浇混凝土结构。 王伟华等[ 4] 从轨道结构组成、力学检算、专业对接等方面对预制装配式板式无砟轨道进行了分析,并提出了预制道床板的建议尺寸。 杨秀仁等[ 5]得出机械化设备在预制装配式道床板铺设环节具有施工工序少、施工精度高等优势。 结合高铁、地铁轨道施工案例,学者们分别从道床类型、轨道结构、施工工艺、施工装备及后期运营维护等方面对轨道铺轨施工展开了相关研究,并取得了相应的研究成果[ 3-12] ,具体见表 1。
综上所述,众多学者结合我国轨道施工案例介绍了 CRTS-Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ系列高铁板式轨道施工技术、2种新型道床结构在轨道施工及后期维修运营中的应用、地铁轨道预制板式结构的施工工艺; 在已有文献中,运输道床板的机具类型多为轮轨式,对工具轨依赖性较强,施工效率和施工组织灵活性受限于传统铺轨机械较大,而对新型无轨式工艺却鲜有研究。
本文基于苏州轨道交通 5 号线装配式预制板项目,探究新型无轨工装工艺在地铁铺轨施工中的应用,可为后续城市轨道交通工程预制板施工研究及工程实践提供借鉴。
1 预制板试验段轨道设计方案与力学特性分析
1. 1 预制板试验段轨道设计方案
苏州轨道交通 5 号线上供路站—木渎南站区间左线为装配式预制板道床试验段,长度合计 414 m。 板式轨道结构从上至下依次是钢轨、扣件、预制道床板(含隔离层)、C40 钢纤维细石混凝土填充层。 预制板式道床结构三维模型示意图见图 1,道床平、纵断面图见图 2。 预制板式道床方案见表 2。
图 1 预制板式道床结构三维模型示意图
图 2 预制板式道床平、纵断面图(单位: mm)
相较于传统道床施工方案,新工艺通过优化调整工装,增加水沟接缝位置防水设计,取消板下填充层钢筋网的铺设、绑扎环节,保证了优良的排气效果;板下填充层优化为钢纤维细石混凝土层,可有效限制疲劳荷载作用下混凝土梁结构裂缝的发展,裂缝宽度可减少 35% ~ 121%[13];取消挡墙、模板架立等环节,简化了施工工序,可实现一次浇筑,技术经济性更佳。
1. 2 力学性能分析与检算
基于 ANSYS 有限元分析软件,建立预制板式道床结构三维空间模型。 采用自适应网格划分法,按 2 mm单元尺寸,将模型划分为若干项单元和节点,分析、检算预制板式结构在地铁 A 型列车荷载作用下,钢轨、轨道板等构件的力学特性。
1. 2. 1 列车荷载作用下结构力学检算
对三维结构模型施加 10 万、20 万、30 万、40 万、50 万次循环荷载。 结果表明,当荷载循环 50 万次时,钢轨承受的应力最大,为 247. 47 MPa,轨道板最大位移量为 0. 032 mm。 轨道板纵向截面最大弯矩为26. 92 (kN·m) / m, 轨道板横向截面最大弯矩为18. 61 (kN·m) / m。 列车荷载作用下预制板式道床结构变形及应力云图见图 3。
图 3 列车荷载作用下预制板式道床结构变形及应力云图
1. 2. 2 轨道板强度检算
预制板混凝土强度等级为 C50,板内纵向上下层采用 23 根直径为 12 mm 的 HRB400 级钢筋,横向上下层采用 20 根直径为 12 mm 的 HRB400 级钢筋。
1) 纵截面强度复核[14] :
2)横截面强度复核[14] :
式(1)—(2)中: Mu 为截面受弯承载力设计值; f y 为钢筋的强度设计值; AS 为受拉区钢筋的截面面积; h0为截面有效高度; a′s为受压区钢筋合力点至截面受压边缘的距离。
3)纵截面裂缝宽度验算[14] :
4)横截面裂缝宽度验算[14] :
式(3)—(4)中: wmax 为构件最大裂缝宽度; αcr 为构件受力特征系数; ψ 为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数; σs 为纵向受拉钢筋应力; Es 为钢筋的弹性模量; cs 为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离; deq 为受拉区纵向钢筋的等效直径; ρte 为纵向受拉钢筋配筋率。
综上所述,轨道板强度、最大裂缝宽度验算符合规范[14]要求,钢轨承受的最大应力小于钢轨的屈服应力[15] ,道床板受力及构造满足要求。
2 铺轨施工流程与机具配置方案
2. 1 铺轨施工流程
装配式预制板轨道采用先板后轨法施工。 预制板在工厂内加工、检验合格后运送至铺轨基地。 利用龙门吊吊运到轨道平板车上,运送至作业面;利用自变形轮胎式吊车在隧道内无轨运输预制板、钢轨等物资;采用装配式道床全智能测控精调车调整预制板线型、标高;架设工装,利用自变形轮胎式罐车浇筑钢纤维细石混凝土,待满足强度要求后,按设计图纸进行扣件、钢轨的安装、精调作业。 装配式预制板轨道施工流程图见图 4。
图 4 装配式预制板轨道施工流程图
2. 2 设备机具配置情况
无轨工装模式在无走行轨架设的前提下,结合多套侧向固定工装、精调小车、测量仪器、自变形轮胎式混凝土施工车等集运输、铺设、精调到灌注全过程的工装设备,实现铺轨流程的机械化施工、无轨化操作。 主要铺轨工装机具见表 3。
3 轨道铺设工艺及要求
3. 1 预制板运输及安装
1)下料: 利用龙门吊将质量合格的预制板从轨排井口吊运至轨道车上。
2)运板: 轨道车将预制板从上供路站轨排井口运送到预制板段;蓄电池轮胎式轨道施工车将预制板吊运至工作面,放置在隧道底部,运板过程如图 5所示。
图 5 轮胎式轨道施工车吊运预制板
3)抓板: 电缆轮胎式轨道施工车运输、吊装智能精调小车。 待放至道床板预定区域锁紧固定后,将预制板抬高到调整位置,伸展精调小车液压支腿,固定位置。
4)智能精调小车精调预制板: 依据《城市轨道交通工程测量规范》[16]要求,测验并调整轨道线路中线、水平控制点,以调整好的线路中线控制点为起算依据进行铺轨基标测设。 智能预制板式道床精调小车待全站仪、棱镜等仪器设备安装完毕后,开启调板程序,进行全自动智能精调。
首先,将线路设计参数(板的理论位置参数)输入精调小车控制系统,作为精调位置的参考点;现场通过全站仪、车载测量点及预制板测量点,测量出预制板的实际位置参数,并将该参数传输到精调小车控制系统;精调小车在获取到预制板的实际位置后,内部控制程序将此参数与原输入的设计参数进行模拟分析,得到预制板实际位置与设计位置之间的几何关系差值;精调小车控制程序将此差值传输给精调小车调整机构进行调整,从而使调整的预制板实际位置与线路设计参数一致,达到精确调整定位要求;调整过程可进行多次趋势调整,最终实现水平和高程 2 mm 精度要求。 精调小车精调预制板如图 6 所示。
图 6 精调小车精调预制板
5)固定预制板: 精调小车校准道床板至预设位置后,每块板四角均架设、安装固定调整工装,并通过测量、检测,调整固定到支座处。 工装固定完成后安装抗浮压杆,每块板安装 2 套抗浮压杆,与盾构管片管壁的螺栓孔位间采用 M10 × 150 花篮螺栓连接, 如图 7所示。
图 7 安装固定支撑及抗浮压杆
3. 2 混凝土浇筑
自变形轮轨式混凝土施工车从井口装载混凝土后,在站内轨道上行走至隧道洞内,变跨为轮胎走行模式,在管片上行驶至校准好的预制板处。 混凝土浇筑采用边浇边振捣方式,从灌浆口注入,利用 2 把振捣棒在水沟两侧、另一灌浆口同时振捣密实。 基础结构每3 块道床板长度设置 1 处伸缩缝,伸缩缝设置在板缝、结构缝处,贴靠一侧板端设置,伸缩缝以 20 mm 厚的沥青木板形成并以沥青麻筋封顶(深度 30 mm)。 混凝土浇筑过程中需保护轨道板面预埋尼龙套管和防迷流连接端子,严禁混凝土及垃圾的进入,对后续扣件、螺栓的安装造成不利影响。
3. 3 扣配件和钢轨安装
在扣配件、钢轨等构件安装前,将混凝土浇筑过程中产生的道床垃圾、散落混凝土清除干净;扣件根据设计图纸进行安装,钢轨采用人工散铺工艺铺设,结合轨检小车精调整理。 轨道板均按照直线型预制,曲线段106布板遵循“以直代曲”原则,采用“半矢法”工艺,即调整预制板 2 号、5 号 2 组扣件中心线的位置,使得预制板中心线、曲线线路中心线 2 处位置重合,通过扣件调整剩余扣件中心线位置矢距。 缓和曲线地段也采用“半矢法”渐变调高扣件。
4 施工效果
预制装配式板式无砟轨道技术,通过创新轨道结构形式、简化轨道施工工艺、研发成套铺轨设备等工作,省去了传统预制板式道床结构中的钢筋设计,加快了传统自密实混凝土的加工、运输、灌注进程,大幅降 低了施工质量控制难度;精调装备及测控系统的应用,为实现涵盖运输、铺设、精调、灌注全过程的机械化施工和无轨化作业提供了重要支撑,使得铺轨精度大幅提高。 预制板轨道复核数据见表 4。
装配式预制板轨道施工方案和传统板式轨道施工方案分别如表 5 和表 6 所示。 由表 5 和表 6 可知,完成预制板的铺设( 不含扣件及钢轨的安装) ,传统预制板轨道需要 75 人,装配式预制板轨道需要 25 人,用工数量较传统板式轨道减少 2 / 3;可节省工具轨安拆、钢筋绑扎、模板安装等工序 10 余道,用工数量减少约 70%;填充层灌注效率提高约3 倍,综合施工进度提高约 2 倍。
5 结论与展望
装配式轨道试验段在苏州轨道交通 5 号线成功铺设、取得了良好实施效果,实现了轨道结构的智能化装配及绿色建造,为今后装配式轨道施工技术的推广应用积累了经验。 此试验段应用新型无轨工装工艺,综合进度指标得到提高,但在施工进度、力学性能分析、道床板规格等方面仍有改进的空间,提出以下 3 方面展望:
1)针对混凝土下料口距浇筑部位远、轮胎式混凝土施工车单次运送效率低的情况,可考虑运用无轨工装工艺与超远距离泵送混凝土技术相结合,实现铺设、浇筑流水作业,可进一步缩短原有工期,提高施工进度,尤其适用于工期较紧项目。
2)本文仅考虑了列车荷载作用下预制板式无砟轨道结构在普通地段的力学特性,随着对地铁列车减振、减噪要求的提高,后续可考虑在高等、特殊减振地段及组合荷载作用下,对轨道结构进行力学特性分析。
3)针对不同工况条件,研究预制道床板规格型号的扩展性,研制与不同板型配套的设备及工装。 对于直线段道床板的长度规格可由 3. 6 m 扩充到 4. 8、6 m等;对于小曲率地段,可预制多种曲率半径的道床板;过轨管线道床可预制非标准板式类型;另外,还可以预制钢弹簧浮置板道床、道岔等板型。 对于不同的板式类型,研制满足车型、起重能力、运载稳定性要求的机械设备配置,并探讨工装的力学性能及与板的匹配程度。