无枕式整体道床长钢轨直铺法施工机具研究

王　浩

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京　102601)



无枕式整体道床长钢轨直铺法施工机具研究

王浩

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京102601)

摘要：无枕式整体道床施工机具的研究设计直接影响到施工效率及工程质量,结合马来西亚安邦轻轨延伸线工程特点,在长钢轨直铺法施工技术基础上进行配套施工机具的研究。主要是多功能轨道调整器及模板体系的研究,包括结构形式、施工方法、精度保证措施、小半径曲线施工实现方式等。采用MSC. Nastran软件对多功能轨道调整器进行强度及变形分析,并采取相应措施保证整体道床施工精度。

关键词：城市轨道交通；整体道床；无枕式；小半径曲线；多功能轨道调整器

1概述

无枕式整体道床即整体浇筑式道床，与轨枕式道床通过轨枕将来自轨道的荷载扩散传递给下部的道床不同，无枕式整体道床直接由道床承受来自轨道和扣件的荷载。无枕式整体道床施工方法繁琐、精度难以保证，但由于具有整体性好、构筑物结构高度小，施工工期短、工程造价低等特点，在北京、香港、旧金山等城市的轨道交通建设领域有一定应用[1]。马来西亚安邦轻轨延伸线是既有安邦轻轨的扩建线，全线采用无枕式整体道床，项目自Sri Petaling开始起，至Putra Heights结束，线路正线总长度18.048 km，除起点段的80 m线路为路基段外其余全部为高架线，轨道工程承包模式为EPC(设计施工总承包)，采用欧洲标准建设。结合该线无枕式整体道床的设计施工，开展长钢轨直铺法施工技术及配套施工机具研究，并通过施工机具的研究设计达到简化施工技术、提高施工精度的目的。

2安邦轻轨延伸线整体道床特点及施工难点

无枕式整体道床施工技术及施工机具的研究需要充分考虑轨道交通的线路条件及环境条件，结合马来西亚安邦轻轨延伸线的线路特点，对该线无枕式整体道床的施工难点进行简要分析。

2.1扣件预埋套管直接固定浇筑

无枕式整体道床的扣件预埋套管采取相应措施按设计图纸调整固定好后进行混凝土施工(图1)，直接埋入道床，新浇混凝土与套管结合面积小，轨道应力放散及施工机具拆除时机对混凝土强度要求高，特别是曲线段，混凝土未达到强度要求时拆除施工机具极易造成道床混凝土破坏。

图1　安邦轻轨延伸线扣件系统

2.2线路曲线多，平曲线半径小

城市轨道交通由于处在城市建成区，既有建筑对线路的走向有一定影响，大部分线路曲线多，平曲线半径小。城市轨道交通线路的曲线半径都相对较小，这一特点在马来西亚安邦轻轨延伸线体现得尤为突出，安邦轻轨延伸线正线共设平曲线37处，竖曲线40处。其中，平曲线半径小于200 m的曲线有7处。最小平曲线半径130 m，最大超高150 mm，最小竖曲线半径1500 m。

2.3道床断面复杂，长度规格多

安邦轻轨延伸线在道床钢轨外侧设置挡墙结构，单线道床呈对置正反L形设置，见图2。由于梁面排水坡的存在，使得除2个挡墙内侧面外其余4个侧面高度均不同。曲线超高段，道床断面随轨道整体偏转，道床侧面与梁面产生倾角，4个道床侧面高度变化较大(图3)，考虑到曲线的正反超高，道床侧面高度变化情况更为复杂。

图2　直线段道床断面(单位：mm)

图3　曲线段道床断面(单位：mm)

安邦轻轨延伸线道床的平面规格也比较复杂，由于不同梁型的存在，设置了2 975、3 050、3 300 mm等多种长度规格的道床板，对施工模具的配置有一定影响。

3长钢轨直铺法及施工机具

3.1长钢轨直铺法施工技术

无枕式整体道床长钢轨直铺法施工技术充分利用高架线桥面空间，在施工前将标准25 m轨节提前运输至施工现场，按合理线路长度配送钢轨，并置于桥上码垛。利用长钢轨焊接机将25 m标准轨节焊接成100 m(与日施工进度相匹配的钢轨长度)长钢轨，边焊接边输送，每标准施工段存放双线4根长钢轨。整体道床施工时通过钢轨吊装门架将长钢轨与相应数量的多功能轨道调整器组成轨排，并在长钢轨上按要求安装扣件系统，调整好轨道状态后锁定轨排，进行混凝土施工。混凝土施工完成后，直接将100 m长钢轨焊接成无缝线路[2-10]。

长钢轨直铺法施工技术配合多功能轨道调整器可实现最小半径100 m的曲线整体道床施工。按顺序先后安装2根长钢轨，充分利用单根长钢轨的侧向柔度，2根长钢轨分别拟合线路曲线后，与多功能轨道调整器组成轨排，悬挂扣件，调整轨道参数后锁定并浇筑道床混凝土，实现小半径曲线轨道的架设。

3.2施工机具配置

无枕式整体道床长钢轨直铺法施工主要配置的施工机具有长钢轨焊接的钢轨焊接机，轨排体系调整锁定的多功能轨道调整器，道床混凝土模板及撑杆，钢轨吊装轻型门架，混凝土运输罐车及混凝土浇筑泵车等。见表1。

表1　长钢轨直铺法主要施工机具配置

4多功能轨道调整器

轨排支撑体系主要为钢轨及扣件系统提供支持及状态调节功能，是由多功能轨道调整器及长钢轨组成的轨排及其调整、锁定机构。2根钢轨的相对几何形位通过设置在多功能调整器上的卡槽螺母实现调整锁定，整体轨排的状态调节通过设置在多功能调整器两端的高程调节螺杆及轨向撑杆实现。多功能轨道调整器是无枕式整体道床长钢轨直铺法施工的核心机具。轨排支撑体系单元如图4所示。

图4　轨排支撑体系单元

4.1多功能轨道调整器的功能

多功能轨道调整器是轨排调整体系中重要组成部分，轨排调整体系的所有调整、锁定功能全部由其实现。

(1)钢轨的架设功能，多功能轨道调整器是在混凝土道床浇筑前为长钢轨及扣件系统提供支撑功能的结构件，整体结构横跨道床断面，具有足够的强度及刚度，保证钢轨锁定后的状态不受施工扰动。

(2)钢轨的调整、锁定功能，长钢轨直铺施工技术需要先后架设单股100 m长钢轨，架设第一根长钢轨时参考梁面轨道线架设并调整、锁定，第二根长钢轨架设需参考第一根长钢轨架设，调整好轨距后锁定。

(3)轨排的调整、锁定功能，多功能轨道调整器与2根长钢轨锁定组成整体轨道排架，通过高程螺杆、横向支撑分别实现轨排的高程、中线调整及整体轨排的锁定等功能。

(4)钢轨的轨底坡保持功能，正线轨道设置1∶40的轨底坡，多功能轨道调整器的钢轨托盘设置了轨底坡保持面，并通过卡槽螺母上设置的竖向螺杆锁定钢轨，具有轨底坡的保持锁定功能[11-12]。

4.2多功能轨道调整器的结构组成

多功能轨道调整器主要由中托架、钢轨托盘、侧托架、支腿、高程螺杆、横向支撑、辅助支撑及卡槽螺母等组成，见图5。

图5　多功能轨道调整器组成

由于施工测量系统的限制，多功能轨道调整器采取跨线下承式结构设计，高程调节支腿及轨向撑杆设置在线路外侧，在保证整体刚度的同时，提高了轨排锁定的可靠性，并减少了传统施工工艺支腿设置在道床内部产生的混凝土二次封堵施工。

钢轨调整锁定机构采取快速安装、拆卸结构。调整螺栓具有无级调整钢轨位置及调整到位后锁定钢轨，钢轨在钢轨托盘上调整量为±10 mm，调整螺栓通过卡槽螺母实现在中托架、侧托架上的快速装拆。卡槽螺母有2种结构形式，一种只提供钢轨横向调整锁定螺纹孔，另一种提供横向调整、锁定及竖向锁定螺纹孔。如图6、图7所示。

图6　Ⅰ型卡槽螺母

图7　Ⅱ型卡槽螺母

轨排支腿设置多个连接孔，满足超高条件下高程螺杆行程的不足，通过支腿与侧托架联接位置改变，提高在大超高条件下高程螺杆的适应性。

钢轨托盘直接支撑钢轨，与钢轨接触的上面设置坡度，该坡度保证钢轨轨底坡的实现。坡度设置的具体数值通过有限元分析，综合考虑结构变形影响后确定合理数值。

4.3多功能轨道调整器结构有限元分析

多功能轨道调整器有限元分析施加荷载参考实际荷载，主要是多功能轨道调整器自重、钢轨与扣件重力及其他附加力等。由于扣件系统只有预埋套管埋入混凝土内部，垫板只埋入混凝土10 mm，混凝土振捣对轨排支撑体系影响不大，计算时未考虑振捣力影响。

由图8可以看出，多功能轨道调整器构架主体大部分应力不大于80 MPa，最大等效应力出现在中托架与钢轨托盘联接止口处为106 MPa<215 MPa，满足强度设计要求。

图8　多功能轨道调整器构架等效应力云图

由图9可以看出，多功能调整器最大变形5 mm，跨距3100 mm，最大挠度为跨距的1/620，满足钢结构设计规范“工作平台梁主梁或桁架变形允许挠度值不大于l/400”的要求。

图9　多功能轨道调整器构架等效位移云图

4.4轨道调整器轨底坡的修正

由于多功能轨道调整器结构变形在轨排中线、高程调整前完成，变形值的大小对最终轨排体系的中线、高程无影响。变形只对钢轨的轨底坡产生一定程度影响，可通过研究钢轨托盘的相对变形对轨底坡进行修正。从图9中可以看出2块钢轨托盘的变形数值见表2。

表2　钢轨托盘变形数值　mm

由于同一钢轨托盘的相对变形直接影响钢轨的内倾偏角，如果偏角过大，则直接增大钢轨的轨底坡数值，安邦线轻轨延伸线轨道施工验标要求轨底坡控制在1/35～1/45。

为保证60 kg/m轨(轨底宽150 mm)具有左右各10 mm的调整量，钢轨托盘的钢轨支撑面宽度确定为S=170 mm。同一托盘钢轨相对变形值取两侧平均值δ=0.685 mm，由钢轨托盘变形引起的钢轨偏转角为θ1，钢轨托盘未变形时即标准轨底坡1∶40状态下钢轨偏角为θ，钢轨托盘修正后的顶面偏角为θ2。

标准轨底坡1∶40状态下钢轨偏角

θ=arctan(1/40)=1.43°

钢轨托盘变形引起的钢轨偏转角

θ1=arctan(δ/S)=0.23°

钢轨托盘的变形引起的钢轨轨底坡变化已经大于误差控制范围的一半，需要对钢轨托盘轨底坡数值进行修正。

由图10可以看出，钢轨托盘修正后的顶面偏角

偏转角为θ2对应坡度为1∶48，即钢轨托盘顶面加工坡度为1∶48。

图10　轨底坡修正示意

5道床模板体系

道床模板及支撑体系由纵模板、横模板、外侧支撑、中间支撑及模板联接件等组成，外侧支撑通过传力杆将支撑力传递到桥梁防护墙以及另一条线路的门形筋或道床侧面，形成稳定的模板支撑体系，模板系统断面如图11所示。此种支撑体系避免了对梁面混凝土的破坏，减少了与桥梁设计施工单位之间的审批程序。

图11　模板系统断面

纵模板统一长度规格为2.5 m，纵向连续顺铺，在相应位置设置横模板。通过对比分析直线及不同曲线地段道床高度的连续变化值，将纵模板高度规格优化设计为4种，曲线段增加2种规格的加高模板。不同超高段采用不同模板拼接方式，见表3(不含挡墙模板206 mm)。

表3　不同地段模板配置　mm

由于横模板与纵模板相对位置不定，纵横模板间采取卡板结构联接，保证横模板可在任意位置与纵向模板相联，满足浇筑各种规格的道床板要求。横模板下部设置高度调整螺栓，横模板高程及倾斜角调整好后，通过纵向模板撑杆将纵、横模板顶紧，并通过模板联接座将纵、横模板联接固定。

6结语

通过马来西亚安邦轻轨延伸线的工程应用实践，针对该线特点研究设计的无枕式整体道床长钢轨直铺法施工配套机具，满足了该线无枕式整体道床施工要

求，施工特点总结如下。

(1)满足无枕式整体道床钢轨及扣件系统的架设精度要求，钢轨及扣件状态保持稳定，轨道施工精度容易保证。

(2)满足最小曲线半径100 m、最大曲线超高150 mm的施工要求，通过多功能轨道调整器配合长钢轨架设工艺，容易实现小曲线施工。

(3)模板体系满足安邦轻轨延伸线道床变化复杂的要求，通过不同模板的优化组合，实现复杂工况下的整体道床施工。

(4)多功能轨道调整器采取卡槽螺母快速联接方式、纵横模板采用任意位置快速联接等新型结构设计，提高了施工功效，减少了复杂道床断面的模板规格。

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Research on Construction Equipment of Long Rail Laid Directly on Non-sleeper Monolithic Track BedWANG Hao

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 102600, China)

Abstract：The construction equipment directly affects the work efficiency and quality of non-sleeper monolithic track bed. With reference to the structural features of the Ampang LRT Line extension in Kuala Lumpur, Malaysia, this paper addresses the research of the construction equipment for long rail laid directly for non-sleeper monolithic track bed. The research focuses on the multi-function rail adjust bracket and the steel form system, including the structure, construction method, precision assurance measures, implementation of small radius curve construction, and etc. MSC. Nastran software is employed to analyze to strength and deformation of the multi-function rail adjust bracket and measures are taken to ensure construction precision of the monolithic track bed.

Key words：Urban mass transit; Monolithic track bed; Non-Sleeper type; Small radius curve: Multi-function rail adjust bracket

中图分类号：U213.2+41

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.014

文章编号：1004-2954(2015)01-0060-04

作者简介：王浩(1978—)，男，高级工程师，2002年毕业于华东交通大学机械设计制造及自动化专业，工学学士，E-mail：wanghao@t5y.cn。

基金项目：中铁五院科技研究开发计划课题(T5Y2013-B03)

收稿日期：2014-04-22； 修回日期：2014-05-07