高速铁路板式无砟轨道基础配套机具选型设计与应用

刘向东

(中铁十六局集团有限公司,北京 100018)

高速铁路板式无砟轨道基础配套机具选型设计与应用

刘向东

(中铁十六局集团有限公司,北京 100018)

京沪高速铁路全线采用CRTSII型板式无砟轨道形式,板式无砟轨道基础在桥梁、路基段分别设计为底座板、支承层,以京沪高速铁路枣埠先导段为例,通过对高速铁路板式无砟轨道底座板/支承层施工模板进行多方案比选、选型设计、现场模拟试验验证工艺设计、并再次加工改进的情况,详细介绍了高速铁路CRTSII型板式无砟轨道基础混凝土施工采用高模低筑模板设计方案,配置悬挂式宽度可伸缩振捣整平机,做到路基、隧道支承层与桥梁底座模板在直线、曲线段全部通用,施工组织方便、快捷,有效保证了混凝土的施工质量。

高速铁路;板式无砟轨道;底座板;支承层;施工模板;设计

1 工程简况

中铁十六局集团京沪高速铁路三标段负责CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板/支承层施工范围:DK580+ 229.72(荆河特大桥)～DK667+026.73,全长95.5 km,其中路基段39 822 m,桥梁段54 239.7 m,隧道1 504 m。

路基和隧道板式无砟轨道系统基本相同,分为支承层(低塑性混凝土或干硬性混合料)、沥青砂浆垫层和轨道板3部分;轨道结构高度为779 mm(内轨轨顶面至支承层底面),曲线段超高路基设置在路基基床级配碎石表层上,隧道设置在仰拱填充层上,如图1所示。桥梁上CRTSⅡ型板式无砟轨道系统分为“两布一膜”滑动层、混凝土底座板、水泥乳化沥青砂浆充填层和轨道板4部分,直线段轨道结构高度为679 mm (内轨轨顶面至支承层底面),曲线段超高设置在无砟轨道底座板上,曲线超高180 mm地段轨道结构高度为753 mm;其余超高地段按线性内插确定,如图2所示。轨道板与底座板/支承层间设置空腔,灌注水泥乳化沥青砂浆,底座/支承层是轨道板的基础。

图1 路基曲线段CRTSⅡ型板式无砟轨道(单位:mm)

图2 桥梁曲线段CRTSⅡ型板式无砟轨道(单位:mm)

2 问题提出

无砟轨道工程是高速铁路施工关键技术,而底座板/支承层作为无砟轨道板的承载基础,其是施工质量控制的重要环节。为保证底座/支承层混凝土质量,选择科学合理的施工工艺及优良的施工机具配备是关键。根据图1、图2可知,路基曲线超高在路基基床表层的级配碎石上进行调整,桥梁的曲线超高在底座板上实现,隧道曲线超高通过设置仰拱填充层实现;路基支承层高度为30 cm,宽度为295 cm,桥梁底座板的高度在21～54 cm。而桥梁段缓和曲线地段的底座板厚度由直线段过渡到圆曲线段是渐变的,而底座板表面平整度控制达到3 mm/4 m的精度要求。针对底座板/支承层混凝土结构宽度、厚度不同,材料不一,且表面平整度质量要求高的特点,必须研究相应的施工方法和配套施工机具以满足其需要。通过比选找寻一种能够满足现场施工需求,工具操作简便,便于组织快捷施工,经济实用,通用性强,能够适应路基、桥梁、隧道底座/支承层的成套设备及工艺。混凝土施工配套机具设备中主要有混凝土生产及运输系统、模板及支承体系、混凝土振捣系统、混凝土养护系统等,其中混凝土生产、运输及浇筑采用常规设备可以满足需要,而其中的模板设计、加工,支承体系选择及振捣整平系统是底座板/支承层混凝土施工的重点研究对象。

根据底座板/支承层的结构特点和对施工机具的要求,对模板及振捣梁系统提出如下功能需求。

(1)模板系统、施工机具实现通用化。做到路基、桥梁和隧道底座/支承层模板通用,实现最大功能化、标准化工艺。因此要求满足:配套机具设备能够适应不同的单幅底座/支承层的宽度,路基、隧道支承层为梯形断面顶面标准宽度2.95m、底面宽度3.25 m,桥梁底座板为矩形,标准宽度为2.95 m;高度可调,满足桥梁不同曲线半径底混凝土座板不同的需要,18～58 cm;同时也便于满足施工误差造成厚度尺寸偏差的微调功能。

(2)满足双线双幅并进同时施工和单线单幅推进的不同需求,以适应不同地段施工需要。满足低塑性混凝土和普通混凝土的不同施工条件下通用。路基、隧道采用低塑性混凝土,桥梁采用C30混凝土。

(3)尽可能采用机械化作业,实现标准化流程,有效控制施工质量。模板系统做到满足自动整平系统行走,尽量使得底座板结构尺寸一次成型。

(4)模板支撑体系不能破坏梁面防水。桥梁底座板的下部承面是桥梁聚脲防水层,施工要求高,不得损伤防水层,因此施工不能采用桥上钻孔生根的支撑方式。

3 施工方案研究及比选

底座板/支承层混凝土的施工组织有多种方法,根据收集、掌握的资料,对各种机具进行加工制作,并在演练基地进行试验施工,实地应用比较,寻求最优的方法及措施。底座/支承层配套施工机具从模板、振捣梁的选型、设计及加工、试验到现场实施优化、改进和提高,从试验摸索、应用成功到标准化、全线推广。先后对模板、振捣梁及配套方案进行研究及比选,最终选择采用整平机走在模板上、振捣整平梁下伸进模板内整平的高模低筑施工方案,模板上铺设整平设备走行轨道,轨道采用调高螺栓与模板间连结,实现模板、机具路基隧道桥梁通用,达到底座及支承层厚度精确控制的目的。

3.1 底座板/支承层模板研制

(1)按每条曲线设计专用高度模板,专模专用。路基直线段设计为上窄下宽的梯形状,采用制作成斜坡式钢模、钢钎支承固定,见图3。桥梁底座板按每条曲线半径制作成1种高度的钢模板。其主要优点是每种施工情况,都有专用模板,设计简单,加工方便。其缺点是施工模板用量消耗大,一次使用,无法通用。

图3 路基支承层专用模板(单位:cm)

(2)槽钢分节调高模板。通过调研京津城际铁路采用可调高模板,分成3节,底节采用槽钢制作,上层采取角钢、槽钢锯掉一侧边板,并钻孔连结,形成高度可调节的模板方式,可通用不同曲线。采取槽钢分节拼装模式,由厂家加工调节角钢,将槽钢切边形成,见图4。其主要优点是达到可调高的目的,适应于不同曲线半径曲线底座厚度的需要;缺点是由于上下层模板间有一段距离相互衔接,施工完成后的混凝土侧面形成一道错台,且施工由于上下连结螺栓固定做到紧固,容易产生跑模,外观质量有缺陷。

图4 槽钢分节调高模板(单位:mm)

(3)可调高模板,下层采用钢模,上层采取横梁+薄铁皮调节。将上层调高节模板改为铁皮,背侧设置为活动支承架,适应不同厚度的底座混凝土需要,并采用吸铁石将铁皮吸附于支承架上,缩小了错台,只是在接缝处形成一道混凝土施工接缝,或因漏浆形成一道砂线,外观质量不雅。

(4)分节拼装式模板。将高度5、10、20 cm模板进行组合,使用可伸入模板下5 cm的悬挂式振捣梁;或采用高度10、15、20 cm的模板组合。根据调研,采用悬挂式振捣梁整平机,可以对模板下0～5 cm混凝土进行整平作业施工,路基直线段支承层厚度为30 cm,宽度为2 950 mm,曲线段超高设置在路基基床级配碎石表层上,因此路基段支承层厚度是一致的;桥梁直线段厚度为20 cm,曲线超高由无砟轨道底座部分设置,因此内外侧高度不一,根据曲线半径大小确定一般20～54 cm。因此,可以按20 cm高度模板为基本模板,充分利用悬挂式振捣梁的调高能力,加设10、15 cm进行接高,满足20～54 cm调高的需求。其优点是能够满足调高需要,但存在多块模板拼装易产生漏浆现象的缺点,且对悬挂式振捣梁的整平要求高。

(5)高模低筑,模板上弹线,机械振捣,人工找平。深入研究整平振捣系统,模板按最大厚度设置,由整平系统能够自由伸入模板,统一做成60 cm高模板,适应各种条件,采用在模板上弹线,机械振捣,由于模板较高,整平机走在模板上无法伸入模板下进行整平,采用人工找平;缺点是:机械化程度低,整平效果不理想,施工进度慢,质量受控于人工因素多。

3.2 振捣梁研制

底座板/支承层施工配套机具主要问题是模板与整平机配套使用方面的问题。

(1)整平机设置在模板顶部进行整平

混凝土振捣整平机走行轨道通常设计在两侧模板顶部,模板高度控制混凝土厚度。立模完成后即可整平施工,如图5所示。若采用此种整平方案,一是每种底座/支承层厚度设计加工一套模板;二是整平机设置专用轨道与模板脱离,单独设置轨道;三是模板采用定型高钢模板,在模板内外侧单独设置走行轨道,在模板内单独设置的钢筋支架轨道上。

图5 振捣梁走行在模板顶部

(2)采用悬挂式整平机

根据现场情况,整平机走行轨道可设在防撞墙。整平机悬挂在桁架上,利用弹臂振动结构、提浆、整平工作时,不产生任何振动力来确保宽幅桥面的精度,工作简单方便、省力省时,见图6。

图6 悬挂式整平机

3.3 高模低筑模板与悬挂式振捣整平机梁综合

综合对底座板/支承层模板设计与振捣梁加工模式的研究,并经过多次现场演练基地进行实地运用演练,不断调整改进,反复验证后,选定高模低筑模板及悬挂式振捣整平机配套方案作为中铁十六局集团有限公司京沪高速铁路项目施工管段内的主型施工模板及振捣整平设备。

该方案采用高模低筑定型钢模,在定型钢模板上设置的专用轨道上布置悬挂式整平机,并对整平机进行工艺改进,使之能够伸入模板下0～50 cm。同时设置专用轨道,并于模板上钻孔设置轨道微调螺栓,对轨道高程进行精确控制。悬挂式振捣梁以满足走行轨道、宽度可控、高度可调的要求,选用定型大块高模板满足混凝土外观及快速安装的需求。同时提出该整套设备应同时路基、桥梁、隧道均可适用,并做到经济适用、搭配合理,进行专门的设计和加工。根据设计总体需求,确定的加工配套方案为:模板全部采用2 m长、30 cm高的定型钢模板,个别其他形式搭配使用。模板数量按每工作面配备600 m,满足日进度200 m的需求;轨道与模板按同长度1∶1进行配置,以利整体拼装、快速倒用;振捣整平机全部采用宽度可加长、高度可调整的悬挂式整平机,通用于路基、桥梁、隧道底座/支承层上;每个工作面至少配备2台。

4 CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板/支承层配套机具组成

4.1 悬挂式振捣整平机

悬挂式振捣整平机是底座板/支承层模板系统的核心,该机实现了底座板/支承层高程控制和混凝土顶面整平两项功能,见图7。高程控制由整平滚杠通过微调装置来进行高度调整,顶面整平通过2个提浆滚杠和一个螺旋滚杠实现。

图7 悬挂式振捣整平机(单位:mm)

螺旋滚杠在前进方向的前面,主要作用是对混凝土表面粗平,后面2个提浆滚杠来对混凝土表面进行提浆和再平整,同时整平系统的走行具有前进、倒退和速度可调的功能。整平机前方的螺旋轴能辅助上料,根据不同的线形超高调整,使混凝土能够很好地填充到模板内。整平机中部的偏心轴具有振动功能,能够在运行的过程中不停地击打混凝土表面,使混凝土表面起浆。整平机后部的旋转轴能够起到整平混凝土面的作用,大大减轻了人工抹面的劳动量,加快了收面工序。整平机两侧的悬挂式丝杆,能够根据高程上下调整。整平机两侧独立行走机头,能够单边纠偏,往返行走自如。叠加式机头架,能适应平面、斜面整平。

4.2 底座板/支承层高模低筑模板

模板设计根据设计图纸要求,采用“高模低筑”方式,即:按混凝土最高使用高度设计模板,施工时采用悬挂式整平机控制混凝土顶面高度。高模低筑模板的面板采用5 mm厚钢板,长度为2 m一节,背面槽钢加固;直线模板高20 cm,曲线外侧模板高60 cm,内侧模板高30 cm。模板上带有可进行调节的螺栓孔,便于在曲线上不同超高部位,通过螺栓孔调节标尺来满足各里程段的超高。模板外侧采用三角架支撑来加固模板,曲线外侧超高地段设置25 cm宽的反向模板满足底座板3%流水坡,见图8。采用高模低筑,使底座混凝土浇筑一次成型,剔除了错台、漏浆、烂根等现象,保证了混凝土外观质量。

图8 高模低筑模板安装(单位:cm)

4.3 整平机走行轨道

在定型钢模板顶部角钢上设置可进行高度调节的螺栓孔,并于上部安装I20型钢作为振捣整平机的走行轨道,通过调节螺栓高度以满足不同曲线上不同超高部位对底座混凝土厚度的需要,同时适应下承层不同高程变化的需求。轨道长度选择每节4 m长,通过螺栓与模板连接,轨道采用槽钢与工字钢焊接,节省了材料,方便人工倒运。走行轨道安放在模板的最上方,通过可调高螺栓与模板顶面连接,微调时,通过调整可调高螺栓的拧进或旋出来达到调整轨道高程的目的。

4.4 模板支承体系

普通的模板支撑内侧都采用双线底座板相互支撑,外侧直接顶在防护墙上。当在模板校核时,调整中间相互支撑的一侧同时另一侧也相对的在动,因此调整时间长。经过研究在桥梁底底座板施工中采用独立的支撑,左右线底座板模板支撑各成一个稳定的支撑系统。

中线支撑利用泄水孔,用I18型钢9 m一节。在工字钢下边焊接上φ10 cm的铁管,铁管直接伸入泄水孔把工字钢卡在梁面上,两个工字钢的接头用1 m [10号槽钢进行连接,长短可以进行调节,见图9。

图9 底座板中线支承

防护墙侧的支撑用_10角钢,利用原防护墙中间的1 cm的伸缩缝,在角钢一边对应伸缩缝处打好螺丝眼,用长螺丝将其拧紧;另一边对应支撑处打好螺丝眼用来安装顶拉杆。

4.5 模板倒运机具

施工时,线上空间有限,物流组织比较拥挤,底座板模板数量较多,车辆运输很难实现,专门设计了模板倒运架,见图10。采用人工推动,模板直接由挂钩吊装转移,从而实现了模板的快捷运输。在桥梁底座板施工中,由于桥墩过高,吊车无法吊装就位。采用钢筋倒运架将吊上桥的钢筋准确安装到位。

图10 模板倒运运输机

5 路基支承层混凝土施工工艺流程及说明

路基段支承层混凝土设计为C15低塑性混凝土,采用高模低筑模板设计方案组织施工,模板顶部设置悬挂式宽度可伸缩振捣整平机。支承层施工工艺流程如图11所示。

图11 低塑性混凝土支承层施工工艺流程

(1)施工准备

将路基基床表层松散级配碎石及杂物清扫干净,用水润湿表面,并确保无积水。

(2)支承层的测量放样

根据线路坐标及CPⅢ控制点位布置,按施工精度放设出支承层边线,每隔10 m打上钢钎,进行高模低筑模板定位。

(3)支承层模板

根据放线位置进行支承层模板的安设,保证模板支撑牢固,在浇筑混凝土时模板不变形。

(4)混凝土拌制、运输、浇筑

混凝土按现场施工配合比由拌和站集中拌和,混凝土运输车输送至现场。浇筑前检查混凝土坍落度、温度等指标,满足要求后采用混凝土泵车浇筑,并制作标养及同条件养护试件。

(5)排水坡设置及拉毛

混凝土初凝之前抹出两侧4%排水坡(直线段两侧、曲线段外侧),范围为轨道板边缘内5 cm至支承层边缘。在混凝土初凝后终凝前,采用长柄塑料拉毛器也可采用毛刷横向或纵向拉毛,深度达到1.8～2.2 mm。考虑轨道板封边工艺拉毛范围包括整个轨道板边缘外5 cm,两侧剩余部分进行。

(6)横向切缝、施工缝处理

支承层在混凝土凝固后进行切缝,最迟不能超过混凝土浇筑后24 h,间距2～5 m,切缝深度为支承层厚度的1/3,支承层厚度30 cm,切缝深度为10 cm,切缝位置与施工缝对应。

施工段落之间的施工缝设置在切缝处,施工缝必须做成直立面,并且垂直于轨道轴线,混凝土浇筑完成后,拆除端模,及时进行人工修整凿毛。

(7)支承层养护、拆模

混凝土浇筑完成及时进行湿润养护,浇筑一段、养护一段。养护采用覆盖潮湿的粗麻布、无纺布等方式进行,也可采用塑料布封闭保湿,养护时间不少于7 d。冬季施工按冬季施工方案进行保温养护。

模板在混凝土强度达到2.5 MPa以上,且其表面及棱角不因拆模而受损时进行拆除。

6 结语

(1)采用高模低筑模板方案,由于模板高度采用定值设计,做到路基、隧道支承层与桥梁底座模板在直线、曲线段全部通用,可以适用于各种不同超高地段,不同厚度尺寸的底座板/支承层施工,现场施工非常方便。在我局管段一经使用,得到京沪全线乃至全路推广应用。

(2)采用高模低筑系统做到了底座板竖向外露面平整,无错台,底座板/支承层外露面比较美观,剔除错台、漏浆、烂根等不良现象,保证混凝土外观质量。

(3)高模低筑模板上铺设可调高式轨道,做到轨道精确定位,确保混凝土高程的精确到位。同时设置基准标尺,控制底座混凝土顶面高程达到±3 mm的精度。

(4)悬挂式振捣整平机前方的螺旋轴能辅助上料,根据不同的线形超高调整,使混凝土能够很好的填充到模板内。整平机中部的偏心轴具有振动功能,能够在运行的过程中不停的击打混凝土表面,使混凝土表面起浆,保证了混凝土的施工质量。

(5)采用箱梁泄水孔作为固定点进行模板的支撑,既可以保证单侧模板在提浆整平机行走时的稳定性,也可以保证底座板宽度控制精度。

(6)采用高模低筑模板系统及整平系统板大大提高了底座板/支承层的施工进度,此系统可以快速循环使用,尤其是混凝土支承层使用非常快捷,2 d即可以完成一个循环,根据日进度计划要求,按照日进度计划的2倍配置即可。

[1] 铁道第三勘测设计院集团有限公司.新建北京至上海高速铁路工程施工图-桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道底座板设计图(京沪高京徐施轨05-32～37)[Z].天津:铁道第三勘测设计院集团有限公司,2010.

[2] 铁道第三勘测设计院集团有限公司.新建北京至上海高速铁路工程施工图-隧道内CRTSⅡ型板式无砟轨道设计图(京沪高京徐施轨04-01～11)[Z].天津:铁道第三勘测设计院集团有限公司,2010.

[3] 铁道第三勘测设计院集团有限公司.新建北京至上海高速铁路工程施工图--路基地段CRTSⅡ型板式无砟轨道设计图(京沪高京徐施轨02)[Z].天津:铁道第三勘测设计院集团有限公司,2010.

[4] 铁道第三勘察设计院集团有限公司.京沪高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道设计技术交底[Z].天津:铁道第三勘测设计院集团有限公司,2010.

[5] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2009]218号高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道施工质量验收暂行标准[S].北京:中国铁道出版社.2009.

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Scheme and Utilization about Ancillary Construction Equipment Used for Bases of Slab Ballastless Track on High-Speed Railway

LIU Xiang-dong
(China Railway 16th Bureau Group Co.,Ltd.,Beijing 100018,China)

CRTS-Ⅱslab ballastless track was applied to Beijing-Shanghai High-speed Railway in whole, and the bases of the slab ballastless track were respectively designed as the base boards for the bridges and designed as the supporting layers for the subgrades/tunnels.The paper takes Zaofu pilot section of Beijing-Shanghai High-speed Railway as an example.Then the paper makes a detailed description on the design scheme of a specialized formworks system used for concrete construction of bridge base boards and subgrade/tunnel supporting layers of CRTS-Ⅱslab ballastless track on high-speed railway,including the scheme comparison,model selection,field simulation,experimental test,and its renewed improvement. Moreover,the utilization of a suspended-type scalable vibro-leveling machine are also introduced in this paper.With these design scheme and machine,all the formworks of bridge base boards and subgrade /tunnel supporting layers could be taken in common use,wherever it was in straight section or in curved section.Thus the construction organization could be made more convenient and more prompt,and then the concrete construction quality was ensured effectively.

high-speed railway;slab ballastless track;base board;supporting layer;construction formworks;design

U213.2+44

B

1004-2954(2013)03-0012-05

2012-08-06

中铁十六局新技术开发项目(公司科2008-64)

刘向东(1969—),男,高级工程师。