北京城市鐵路軌道建設(shè)采用的新技術(shù)
提 要: 本文簡(jiǎn)要地介紹了北京城市鐵路地面線軌道建設(shè)采用一次鋪設(shè)無(wú)縫線路及鋼彈簧浮置板隔震道床兩項(xiàng)新技術(shù)的必要性、可行性, 并簡(jiǎn)要地介紹了這兩項(xiàng)新技術(shù)的施工工藝及其實(shí)施效果, 其取得的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可供今后我國(guó)城市鐵路軌道建設(shè)借鑒。
關(guān)鍵詞: 地面線; 無(wú)縫線路; 浮置板; 隔震; 道床
1 工程概況
北京城市鐵路(西直門(mén)——東直門(mén)) 西起西直門(mén), 經(jīng)上地、回龍觀、北苑、望京西至東直門(mén)。近期設(shè)車(chē)站16 座及1 處車(chē)輛段并預(yù)留5 座車(chē)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(yùn)營(yíng)。線路全長(zhǎng)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(qū)間線間距為3. 6m, 最大坡度i≤ 18‰, 列車(chē)最高行車(chē)速度為80 km /h, 列車(chē)旅行速度為41 km /h。車(chē)輛為B 型車(chē), 車(chē)體長(zhǎng)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(biāo)高自西向東由高至低, 地面縱坡0. 3‰～ 0. 4‰, 沿線地質(zhì)條件較好, 無(wú)軟土地段。地面線軌道設(shè)計(jì)采用60 kg/m 鋼軌, 預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕。對(duì)R ≥600m 的曲線及直線地段鋪設(shè)無(wú)縫線路。高架線和地下線采用短枕式整體道床無(wú)縫線路。
西直門(mén)車(chē)站位于繁華鬧市區(qū), 車(chē)站位于站房頂層。為減小列車(chē)運(yùn)行時(shí)的噪聲和震動(dòng)對(duì)站房上周?chē)h(huán)境的影響, 設(shè)計(jì)采用鋼彈簧浮置板隔震系統(tǒng)。
東直門(mén)城市鐵路從兩居民塔樓中間地下穿過(guò), 地下線隧道外邊緣距塔樓基礎(chǔ)只有1. 7m, 為保證居民樓內(nèi)環(huán)境振動(dòng)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 設(shè)計(jì)采用鋼彈簧浮置板隔震技術(shù)。
該線路在設(shè)計(jì)和施工中采用了很多新技術(shù)、新工藝和新材料, 如全線采用了一次性鋪設(shè)無(wú)縫線路, 這在我國(guó)修建地鐵的歷史上尚屬首例。施工中對(duì)路基的沉降、橋梁混凝土的徐變進(jìn)行了探討; 在線路通過(guò)城市繁華地段, 首次采用了鋼彈簧浮置板道床隔震技術(shù), 減小了震動(dòng), 降低了噪聲。
2 地面線采用一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)
根據(jù)以往國(guó)鐵的施工方法, 新線建設(shè)時(shí)鋪設(shè)25 m 標(biāo)準(zhǔn)軌, 待運(yùn)營(yíng)至路基和基床穩(wěn)定后, 再換鋪成無(wú)縫線路。這種施工方法應(yīng)用在城市軌道交通將產(chǎn)生很多問(wèn)題, 如城市軌道交通夜間維修困難, 因軸重輕而延長(zhǎng)了換鋪無(wú)縫線路的時(shí)間間隔, 且以后換鋪換下的有螺栓孔軌無(wú)應(yīng)用場(chǎng)所等。
近兩年國(guó)鐵針對(duì)京滬高速和秦沈客運(yùn)專線進(jìn)行了地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)的研究, 通過(guò)多方收集資料, 充分研究了將國(guó)鐵的科研成果應(yīng)用于城鐵的可行性, 并逐漸形成了適合城鐵特點(diǎn)和工程實(shí)際需要的施工方案。即不采用國(guó)鐵一次鋪設(shè)長(zhǎng)鋼軌軌排方法, 而是采用機(jī)械鋪設(shè)工具軌排, 在運(yùn)營(yíng)之前一次換上長(zhǎng)鋼軌, 再進(jìn)行機(jī)械化養(yǎng)路作業(yè)。
建設(shè)單位十分重視這一新技術(shù)的采用, 于2000 年12 月28 日組織召開(kāi)了“ 北京城市鐵路地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路專題論證會(huì)”。通過(guò)充分論證一次鋪設(shè)無(wú)縫線路的必要性、可行性、存在難點(diǎn)、施工工藝等問(wèn)題之后, 會(huì)議形成結(jié)論性意見(jiàn): 本線應(yīng)采用一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)。
2. 1 主要研究?jī)?nèi)容
設(shè)計(jì)單位與建設(shè)單位對(duì)一次鋪設(shè)無(wú)縫線路主要研究的內(nèi)容如下:
(1) 必要性和可行性論證;
(2) 根據(jù)城鐵的行車(chē)特點(diǎn)和線路條件, 進(jìn)行工程類(lèi)比分析及無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)計(jì)算;
(3) 確定城鐵的軌道與路基的設(shè)計(jì)原則;
(4) 制定相應(yīng)的施工工序和施工細(xì)則;
(5) 對(duì)施工機(jī)具進(jìn)行“ 過(guò)橋”檢算;
(6) 與施工投標(biāo)單位進(jìn)行施工方案的研究工作;
(7) 在施工招標(biāo)文件中, 明確施工工藝及對(duì)機(jī)具設(shè)備的要求。
2. 2 施工工藝流程
一次鋪設(shè)雙線無(wú)縫線路主要的施工工藝流程: (1) 攤鋪底層道碴; (2) 機(jī)械鋪設(shè)右線的過(guò)渡軌排; (3) 換鋪長(zhǎng)鋼軌和回收過(guò)渡軌; (4) 右線有碴軌道進(jìn)行大型機(jī)械養(yǎng)路作業(yè), 待達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高并符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后, 左線長(zhǎng)鋼軌同時(shí)拉卸至道心, 將左線長(zhǎng)鋼軌撥至左線, 進(jìn)行人工鋪軌; (5) 右線焊聯(lián)成單元軌節(jié), 并換鋪長(zhǎng)軌及回收過(guò)渡軌; (6) 進(jìn)行左線有碴軌道機(jī)養(yǎng)及長(zhǎng)鋼軌焊聯(lián); (7) 進(jìn)行應(yīng)力放散和線路鎖定; (8) 提前預(yù)鋪碎石道床的道岔。
2. 3 技術(shù)保證
一次鋪設(shè)無(wú)縫線路應(yīng)嚴(yán)格保證以下幾項(xiàng)達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn): (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(wú)縫線路喪失穩(wěn)定性的因素是溫度力和軌道原始不平順(原始彎曲), 前者應(yīng)通過(guò)應(yīng)力放散和鎖定加以解決, 后者則需在鋼軌的軋制、運(yùn)輸、焊接和鋪設(shè)過(guò)程中避免形成塑性彎曲。
2. 4 小結(jié)
對(duì)城鐵地面線一次鋪設(shè)無(wú)縫線路技術(shù)從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、施工工藝、施工機(jī)械、養(yǎng)路標(biāo)準(zhǔn)等方面, 北京城鐵進(jìn)行了配套的、具有實(shí)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該工程采用一次鋪設(shè)無(wú)縫線路新技術(shù), 是城市軌道交通地面線設(shè)計(jì)與施工的有益嘗試, 解決了夜間維修困難、運(yùn)營(yíng)初期輪軌振動(dòng)與噪聲, 以后換下的有螺栓孔軌無(wú)應(yīng)用場(chǎng)所等諸多問(wèn)題, 節(jié)省了建設(shè)投資, 使線路交付運(yùn)營(yíng)初期就具有高平順性和穩(wěn)定性。
3 鋼彈簧浮置板隔震道床技術(shù)在城鐵的應(yīng)用
對(duì)于城市軌道交通噪聲與振動(dòng)及其控制, 在設(shè)計(jì)階段, 要根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告對(duì)沿線振動(dòng)與噪聲的超標(biāo)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè), 然后逐段落實(shí)設(shè)計(jì)方案; 在線路施工設(shè)計(jì)階段, 要充分采用合理和技術(shù)可行的減振降噪措施, 確保在線路開(kāi)通后取得良好的減振降噪效果。
3. 1 西直門(mén)交通樞紐高架車(chē)站鋼彈簧浮置板隔震道床
西直門(mén)交通樞紐位于繁華的北京二環(huán)西北角西直門(mén)地區(qū)中心, 是我國(guó)正在建設(shè)第一個(gè)集公交、國(guó)鐵、環(huán)線地鐵、水運(yùn)站于一體的交通樞紐, 緊鄰城鐵西直門(mén)站西側(cè)是三棟已立項(xiàng)開(kāi)發(fā)的高檔寫(xiě)字樓, 東側(cè)是改造的國(guó)鐵北京北站, 周?chē)枪徽军c(diǎn), 還有環(huán)線地鐵站。城鐵西直門(mén)站為高架三層框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 站臺(tái)設(shè)在第三層, 除兩條正線外, 還有一條存車(chē)線, 城鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)與相鄰開(kāi)發(fā)的寫(xiě)字樓地下結(jié)構(gòu)連通為一體, 地下為超市及停車(chē)場(chǎng)。
對(duì)城鐵的減振要求而言, 目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)規(guī)范要求, 為盡可能減小城鐵對(duì)交通樞紐和周邊寫(xiě)字樓的振動(dòng)和噪聲影響, 體現(xiàn)綠色奧運(yùn)精神, 城鐵公司進(jìn)行了多次研究, 并組織設(shè)計(jì)院有關(guān)專家和隔震廠家進(jìn)行了多次技術(shù)交流和專家論證, 從設(shè)計(jì)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(shù)。這項(xiàng)技術(shù)國(guó)內(nèi)雖未使用過(guò), 但在德國(guó)、英國(guó)、巴西等得到了成功的應(yīng)用, 有一定的經(jīng)驗(yàn)。有關(guān)專家根據(jù)我國(guó)國(guó)情提出了可行的施工技術(shù)方案和相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn), 并于2001 年8 月順利通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的專題審查會(huì)。
鋼彈簧浮置板隔震系統(tǒng)是將軌道固定在鋼筋混凝土質(zhì)量平臺(tái)上, 平臺(tái)再放在主要由柔性彈簧組成的隔震器上, 這個(gè)質(zhì)量平臺(tái)可以提供足夠的慣性力量來(lái)抵消車(chē)輛產(chǎn)生的動(dòng)荷載, 只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過(guò)彈簧傳到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。鋼彈簧浮置板隔震系統(tǒng)的隔震效果為20～ 25 dB, 隔震系統(tǒng)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(zhǎng)(一般超過(guò)50 年), 很容易更換, 不影響行車(chē)。
3. 2 浮置板的構(gòu)造模型
鋼彈簧浮置板隔震系統(tǒng)與混凝土連續(xù)梁工作狀態(tài)相似, 為彈性支座板狀連續(xù)式道床結(jié)構(gòu)。其構(gòu)造大體可分為下部基礎(chǔ)、彈性隔震器、混凝土浮置板、軌道結(jié)構(gòu)、剪力鉸5 個(gè)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(yàn)收工作基底(梁面); (2) 浮置板整體道床基標(biāo)測(cè)設(shè); (3) 測(cè)量放線; (4) 輪廓線及預(yù)制箱體范圍內(nèi)高程及平整度檢測(cè); (5) 基底打磨; (6) 運(yùn)送鋼軌及短軌枕; (7) 平鋪塑料隔離薄膜及油氈; (8) 鋼軌初調(diào)及吊短枕; (9) 運(yùn)送預(yù)制箱體及鋼筋預(yù)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(diào); (14) 混凝土澆筑; (15) 混凝土養(yǎng)生; (16) 浮置板頂升; (17) 隔震器安裝; (18) 浮置板精調(diào)。
主要技術(shù)保證: (1) 預(yù)制箱體定位; (2) 剪力鉸定位; (3) 浮置板的頂升、調(diào)平。
3. 4 小結(jié)
目前, 國(guó)內(nèi)各大城市正在大力發(fā)展城市軌道交通, 但由于國(guó)內(nèi)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(guò)的情形難以避免。如果不采取較好的隔震措施, 建筑物內(nèi)的環(huán)境振動(dòng)將可能超標(biāo)。鋼彈簧浮置板隔震效果徹底, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 同時(shí)可用于調(diào)整結(jié)構(gòu)的下沉, 技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯, 為城市軌道交通的減振降噪、環(huán)境控制提供了有效的技術(shù)手段, 在特殊隔離地段具有廣闊的應(yīng)用前景。(東直門(mén)鋼彈簧浮置板隔震道床與西直門(mén)相似)
4 結(jié)束語(yǔ)
北京城鐵(13號(hào)線) 建設(shè)中采用了許多國(guó)內(nèi)新技術(shù), 但軌道新技術(shù)的發(fā)展很快, 技術(shù)創(chuàng)新與新技術(shù)的應(yīng)用正方興未艾, 值得建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工單位去研究開(kāi)拓。
