北京城市铁路轨道建设采用的新技术
提 要: 本文简要地介绍了北京城市铁路地面线轨道建设采用一次铺设无缝线路及钢弹簧浮置板隔震道床两项新技术的必要性、可行性, 并简要地介绍了这两项新技术的施工工艺及其实施效果, 其取得的成功应用经验可供今后我国城市铁路轨道建设借鉴。
关键词: 地面线; 无缝线路; 浮置板; 隔震; 道床
1 工程概况
北京城市铁路(西直门——东直门) 西起西直门, 经上地、回龙观、北苑、望京西至东直门。近期设车站16 座及1 处车辆段并预留5 座车站位置。该工程为双线全封闭、全立交城市铁路, 于2003 年1 月28 日贯通运营。线路全长40. 85km, 其中地下线3. 47 km, 高架线11. 28 km, 地面线26. 10 km 。地面线最小曲线半径为400 m, 正线区间线间距为3. 6m, 最大坡度i≤ 18‰, 列车最高行车速度为80 km /h, 列车旅行速度为41 km /h。车辆为B 型车, 车体长度为19 m , 轴距2. 1m, 定距12. 6m, 轴重141 kN 。
沿线地形平坦, 地面标高自西向东由高至低, 地面纵坡0. 3‰～ 0. 4‰, 沿线地质条件较好, 无软土地段。地面线轨道设计采用60 kg/m 钢轨, 预应力混凝土轨枕。对R ≥600m 的曲线及直线地段铺设无缝线路。高架线和地下线采用短枕式整体道床无缝线路。
西直门车站位于繁华闹市区, 车站位于站房顶层。为减小列车运行时的噪声和震动对站房上周围环境的影响, 设计采用钢弹簧浮置板隔震系统。
东直门城市铁路从两居民塔楼中间地下穿过, 地下线隧道外边缘距塔楼基础只有1. 7m, 为保证居民楼内环境振动达到国家标准, 设计采用钢弹簧浮置板隔震技术。
该线路在设计和施工中采用了很多新技术、新工艺和新材料, 如全线采用了一次性铺设无缝线路, 这在我国修建地铁的历史上尚属首例。施工中对路基的沉降、桥梁混凝土的徐变进行了探讨; 在线路通过城市繁华地段, 首次采用了钢弹簧浮置板道床隔震技术, 减小了震动, 降低了噪声。
2 地面线采用一次铺设无缝线路技术
根据以往国铁的施工方法, 新线建设时铺设25 m 标准轨, 待运营至路基和基床稳定后, 再换铺成无缝线路。这种施工方法应用在城市轨道交通将产生很多问题, 如城市轨道交通夜间维修困难, 因轴重轻而延长了换铺无缝线路的时间间隔, 且以后换铺换下的有螺栓孔轨无应用场所等。
近两年国铁针对京沪高速和秦沈客运专线进行了地面线一次铺设无缝线路技术的研究, 通过多方收集资料, 充分研究了将国铁的科研成果应用于城铁的可行性, 并逐渐形成了适合城铁特点和工程实际需要的施工方案。即不采用国铁一次铺设长钢轨轨排方法, 而是采用机械铺设工具轨排, 在运营之前一次换上长钢轨, 再进行机械化养路作业。
建设单位十分重视这一新技术的采用, 于2000 年12 月28 日组织召开了“ 北京城市铁路地面线一次铺设无缝线路专题论证会”。通过充分论证一次铺设无缝线路的必要性、可行性、存在难点、施工工艺等问题之后, 会议形成结论性意见: 本线应采用一次铺设无缝线路技术。
2. 1 主要研究内容
设计单位与建设单位对一次铺设无缝线路主要研究的内容如下:
(1) 必要性和可行性论证;
(2) 根据城铁的行车特点和线路条件, 进行工程类比分析及无缝线路结构计算;
(3) 确定城铁的轨道与路基的设计原则;
(4) 制定相应的施工工序和施工细则;
(5) 对施工机具进行“ 过桥”检算;
(6) 与施工投标单位进行施工方案的研究工作;
(7) 在施工招标文件中, 明确施工工艺及对机具设备的要求。
2. 2 施工工艺流程
一次铺设双线无缝线路主要的施工工艺流程: (1) 摊铺底层道碴; (2) 机械铺设右线的过渡轨排; (3) 换铺长钢轨和回收过渡轨; (4) 右线有碴轨道进行大型机械养路作业, 待达到设计标高并符合设计标准后, 左线长钢轨同时拉卸至道心, 将左线长钢轨拨至左线, 进行人工铺轨; (5) 右线焊联成单元轨节, 并换铺长轨及回收过渡轨; (6) 进行左线有碴轨道机养及长钢轨焊联; (7) 进行应力放散和线路锁定; (8) 提前预铺碎石道床的道岔。
2. 3 技术保证
一次铺设无缝线路应严格保证以下几项达到相应的技术标准: (1) 道床横向阻力; (2) 道床纵向阻力; (3) 接头阻力; (4) 扣件阻力。
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), 前者应通过应力放散和锁定加以解决, 后者则需在钢轨的轧制、运输、焊接和铺设过程中避免形成塑性弯曲。
2. 4 小结
对城铁地面线一次铺设无缝线路技术从设计标准、施工工艺、施工机械、养路标准等方面, 北京城铁进行了配套的、具有实际性的研究, 形成了一套适合城铁地面线碎石道床的施工工艺和技术标准。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, 以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。
3 钢弹簧浮置板隔震道床技术在城铁的应用
对于城市轨道交通噪声与振动及其控制, 在设计阶段, 要根据环评报告对沿线振动与噪声的超标状况进行预测, 然后逐段落实设计方案; 在线路施工设计阶段, 要充分采用合理和技术可行的减振降噪措施, 确保在线路开通后取得良好的减振降噪效果。
3. 1 西直门交通枢纽高架车站钢弹簧浮置板隔震道床
西直门交通枢纽位于繁华的北京二环西北角西直门地区中心, 是我国正在建设第一个集公交、国铁、环线地铁、水运站于一体的交通枢纽, 紧邻城铁西直门站西侧是三栋已立项开发的高档写字楼, 东侧是改造的国铁北京北站, 周围是公交站点, 还有环线地铁站。城铁西直门站为高架三层框架钢筋混凝土结构, 站台设在第三层, 除两条正线外, 还有一条存车线, 城铁车站结构与相邻开发的写字楼地下结构连通为一体, 地下为超市及停车场。
对城铁的减振要求而言, 目前国内尚无规范要求, 为尽可能减小城铁对交通枢纽和周边写字楼的振动和噪声影响, 体现绿色奥运精神, 城铁公司进行了多次研究, 并组织设计院有关专家和隔震厂家进行了多次技术交流和专家论证, 从设计院提出的多种备选方案中确定采用钢弹簧浮置板隔震技术。这项技术国内虽未使用过, 但在德国、英国、巴西等得到了成功的应用, 有一定的经验。有关专家根据我国国情提出了可行的施工技术方案和相关的技术标准, 并于2001 年8 月顺利通过该项技术的专题审查会。
钢弹簧浮置板隔震系统是将轨道固定在钢筋混凝土质量平台上, 平台再放在主要由柔性弹簧组成的隔震器上, 这个质量平台可以提供足够的惯性力量来抵消车辆产生的动荷载, 只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹簧传到基础结构上。钢弹簧浮置板隔震系统的隔震效果为20～ 25 dB, 隔震系统固有频率约5～ 7 H z, 可有效地减震, 消除固体声, 其弹簧钢的疲劳寿命长(一般超过50 年), 很容易更换, 不影响行车。
3. 2 浮置板的构造模型
钢弹簧浮置板隔震系统与混凝土连续梁工作状态相似, 为弹性支座板状连续式道床结构。其构造大体可分为下部基础、弹性隔震器、混凝土浮置板、轨道结构、剪力铰5 个部分。理论模型如图1、2。
图1 钢弹簧浮置板道床横断面示意图
图2 钢弹簧浮置板道床纵断面示意图
3. 3 主要施工工艺
钢弹簧浮置板隔震道床采用支架法: (1) 清理验收工作基底(梁面); (2) 浮置板整体道床基标测设; (3) 测量放线; (4) 轮廓线及预制箱体范围内高程及平整度检测; (5) 基底打磨; (6) 运送钢轨及短轨枕; (7) 平铺塑料隔离薄膜及油毡; (8) 钢轨初调及吊短枕; (9) 运送预制箱体及钢筋预制箱体定位; (10) 剪力铰定位; (11) 绑扎钢筋; (12) 支立模板; (13) 钢轨精调; (14) 混凝土浇筑; (15) 混凝土养生; (16) 浮置板顶升; (17) 隔震器安装; (18) 浮置板精调。
主要技术保证: (1) 预制箱体定位; (2) 剪力铰定位; (3) 浮置板的顶升、调平。
3. 4 小结
目前, 国内各大城市正在大力发展城市轨道交通, 但由于国内城市轨道交通起步较晚, 土地资源又十分宝贵, 轨道线路从建筑物附近甚至正下方穿过的情形难以避免。如果不采取较好的隔震措施, 建筑物内的环境振动将可能超标。钢弹簧浮置板隔震效果彻底, 结构简单, 同时可用于调整结构的下沉, 技术优势明显, 为城市轨道交通的减振降噪、环境控制提供了有效的技术手段, 在特殊隔离地段具有广阔的应用前景。(东直门钢弹簧浮置板隔震道床与西直门相似)
4 结束语
北京城铁(13号线) 建设中采用了许多国内新技术, 但轨道新技术的发展很快, 技术创新与新技术的应用正方兴未艾, 值得建设、设计、施工单位去研究开拓。
