鋼彈簧浮置板道床“拼裝一體化”施工設(shè)備及機(jī)具的設(shè)計(jì)與改造

楊寶鋒,車(chē)彥海

(中鐵一局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司,陜西咸陽(yáng) 712000)

1 鋼彈簧浮置板道床簡(jiǎn)介

鋼彈簧浮置板道床是德國(guó)GERB(隔爾固)公司研制的彈簧隔振器浮置板軌道,它采用螺旋彈簧支承浮置板道床,減振降噪效果是目前最好的道床形式,隔振降噪效果為25～40 dB,鋼彈簧浮置板道床已具有90多年的歷史,由于造價(jià)較高,它主要用于醫(yī)院、研究院、博物館、音樂(lè)廳等對(duì)減振降噪有特殊要求的建筑。除在德國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)應(yīng)用外,國(guó)內(nèi)近年來(lái)在北京、上海、廣州、成都、重慶等城市的地鐵建設(shè)中也得到了推廣應(yīng)用。它具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)隔振降噪效果好,可達(dá)25～40 dB；(2)使用壽命達(dá)30年以上；(3)同時(shí)具有三維彈性,水平方向位移小,無(wú)需附加限位裝置；(4)檢查或更換十分方便,不用拆卸鋼軌,不影響地鐵列車(chē)運(yùn)行；(5)基礎(chǔ)沉降造成的高度變化可通過(guò)增減調(diào)平鋼板厚度實(shí)現(xiàn)。

鋼彈簧浮置板道床的工作原理為：通過(guò)鋼彈簧隔振器將軌道及浮置板與底部及側(cè)面結(jié)構(gòu)相隔離,兩者之間僅通過(guò)隔振器相接,其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼彈簧浮置板一般結(jié)構(gòu)

鋼彈簧浮置板道床是利用彈簧隔振器將具有一定質(zhì)量的混凝土道床板浮置于基礎(chǔ)之上,隔振器內(nèi)安裝有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼,構(gòu)成質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)。隔振器上部結(jié)構(gòu)所受的車(chē)輛動(dòng)擾力通過(guò)隔振器傳遞到結(jié)構(gòu)底部。在此過(guò)程中由隔振器進(jìn)行調(diào)諧、吸收能量,達(dá)到隔振減振的目的。

2 亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置板道床特點(diǎn)

2.1 工程簡(jiǎn)況

北京市軌道交通亦莊線(xiàn)是連接北京市中心城和亦莊新城的軌道交通線(xiàn)路,正線(xiàn)全長(zhǎng)23.25 km,含4.67 km的鋼彈簧浮置板道床軌道結(jié)構(gòu),均分布在地下線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間,有分布集中、數(shù)量大的特點(diǎn),是全線(xiàn)軌道施工工期控制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

2.2 與傳統(tǒng)浮置板結(jié)構(gòu)的差別

亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同,是GERB公司對(duì)彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果,其主要區(qū)別為：一是板厚薄均勻,傳統(tǒng)浮置板道床如圖2所示,亦莊線(xiàn)浮置板道床如圖3所示；二是曲線(xiàn)地段采取墊層整體旋轉(zhuǎn),應(yīng)對(duì)曲線(xiàn)地段超高,板與墊層表面平行設(shè)置,曲線(xiàn)段傳統(tǒng)浮置板道床如圖4所示,亦莊線(xiàn)曲線(xiàn)段浮置板道床如圖5所示。

圖2 傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)

圖3 亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置板道床結(jié)構(gòu)

圖4 曲線(xiàn)段傳統(tǒng)浮置板道床結(jié)構(gòu)

圖5 亦莊線(xiàn)曲線(xiàn)段浮置板道床結(jié)構(gòu)

2.3 亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

(1)板厚薄均勻,傳統(tǒng)浮置板在曲線(xiàn)地段因超高設(shè)置導(dǎo)致一側(cè)板厚局部過(guò)薄的問(wèn)題得以解決,使曲線(xiàn)位置浮置板的受力性能得到提升,整體設(shè)計(jì)也更加合理。

(2)統(tǒng)一的板厚使得隔振器的高度得以統(tǒng)一,大幅度減少隔振器型號(hào)。

(3)傾斜的隔振器更有利于抵抗列車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力,在離心力作用下整個(gè)浮置板的橫向變形量會(huì)相對(duì)減小,提高車(chē)輛運(yùn)行的平穩(wěn)性。但隔振器的受力狀況復(fù)雜,處于傾斜狀態(tài)的隔振器在板自重作用下即處于三維受力狀態(tài),如列車(chē)通過(guò)時(shí)速度較低,則對(duì)隔振器的抗水平力能力要求更高。

2.4 實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)

新型鋼彈簧浮置板結(jié)構(gòu)為施工作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化提供了有利條件。

(1)統(tǒng)一的板厚使得隔振器的高度得以統(tǒng)一,大幅度減少隔振器型號(hào),統(tǒng)一型號(hào)簡(jiǎn)化了隔振器的生產(chǎn)組織,為機(jī)械化施工組織工作帶來(lái)很大便利。

(2)傳統(tǒng)浮置板板厚變化較大,尤其在緩和曲線(xiàn)位置板厚連續(xù)漸變,給板的配筋設(shè)計(jì)和施工都帶來(lái)很大麻煩。統(tǒng)一的板厚則使這些問(wèn)題迎刃而解,板的配筋種類(lèi)和形式大幅度減少,為流水化、工廠(chǎng)化作業(yè)提供了條件。

(3)鋼筋籠可分解成2部分,如圖6所示。方案的設(shè)計(jì)使橫向鋼筋籠可拆解為主體部分和側(cè)翼部分,主體部分尺寸大大減小,使主體部分整體運(yùn)輸成為可能。

圖6 亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置橫向板鋼筋示意

(4)鋼筋籠主體部分整體運(yùn)送的可能性,為整個(gè)鋼彈簧浮置板道床的施工工藝改進(jìn)提供了條件,打破了傳統(tǒng)施工工藝順序化施工的弊病,實(shí)現(xiàn)了施工空間的轉(zhuǎn)換,分化了施工流程,為機(jī)械化施工提供了空間和場(chǎng)地。

3 “拼裝一體化”施工工藝

通過(guò)對(duì)亦莊線(xiàn)浮置板道床特點(diǎn)的分析及對(duì)傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板道床施工工藝的研究,以機(jī)械化作業(yè)為主要研究方向,提出了一種新型的施工工藝——鋼彈簧浮置板道床“拼裝一體化”施工工藝。即：在地面將25 m軌排、浮置板鋼筋網(wǎng)、隔振筒固定成為一個(gè)整體,采用龍門(mén)吊吊裝到軌道運(yùn)輸車(chē)上,運(yùn)送至鋪軌作業(yè)面,洞內(nèi)采用門(mén)式起重機(jī)將軌排及鋼筋網(wǎng)整體吊鋪到位,調(diào)整軌道幾何尺寸,進(jìn)行混凝土整體道床澆筑的施工方法。其作業(yè)流程如圖7所示。

圖7 “拼裝一體化”施工工藝流程

4 施工設(shè)備、機(jī)具的設(shè)計(jì)和改進(jìn)

根據(jù)施工流程,對(duì)流程中對(duì)施工效率產(chǎn)生制約的工序進(jìn)行改進(jìn),提高工序的機(jī)械化程度,使整個(gè)工藝流程向流水化、工廠(chǎng)化發(fā)展,從而減輕施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度,提高作業(yè)效率。

4.1 鋼筋加工機(jī)具

鋼彈簧浮置板鋼筋加工量較大,鋼筋彎曲數(shù)量多,彎曲角度控制難度大,設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的鋼筋彎曲機(jī)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

鋼筋調(diào)直后,裝入鋼筋加工設(shè)備后,可根據(jù)預(yù)設(shè)值自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相對(duì)長(zhǎng)度的鋼筋進(jìn)料問(wèn)題,并自動(dòng)折彎至預(yù)設(shè)角度。鋼筋加工設(shè)備可自由更換預(yù)設(shè)值,確保實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的鋼筋進(jìn)行加工,加工機(jī)具示意如圖8所示。

鋼筋由5夾持,放入1的鉗口內(nèi),1由限位點(diǎn)B1、B2、C1和C2控制；2由人工控制,控制點(diǎn)A1、A2為1、7的長(zhǎng)閉、2的長(zhǎng)開(kāi)開(kāi)關(guān)。當(dāng)B1、B2點(diǎn)接觸時(shí),啟動(dòng)后彎曲機(jī)開(kāi)始工作,鋼筋和3同時(shí)向右移動(dòng),到達(dá)8的第一道彎曲位置時(shí),3推動(dòng)4向下移動(dòng),使點(diǎn)7的控制開(kāi)關(guān)A1、A2接通,2停止工作,1和7同時(shí)開(kāi)始工作,直至A1、A2點(diǎn)脫開(kāi),1、7繼續(xù)工作,進(jìn)入下一個(gè)彎曲點(diǎn)。當(dāng)限位開(kāi)關(guān)C1、C2點(diǎn)接觸時(shí),取出加工好的鋼筋,啟動(dòng)開(kāi)關(guān)1、7反轉(zhuǎn)直B1、B2點(diǎn)閉合,開(kāi)始下一個(gè)鋼筋的加工。本設(shè)備需配合延時(shí)開(kāi)關(guān)以確保加工流水間的配合,更換模具3即可實(shí)現(xiàn)加工另一規(guī)格的鋼筋。

4.2 主體鋼筋籠加工機(jī)具

亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置板主體鋼筋籠基本相同,且浮置板鋼筋綁扎量大,占用時(shí)間較多,為加快施工進(jìn)度,確保施工質(zhì)量和進(jìn)度,可設(shè)置主體鋼筋綁扎臺(tái)位,以確保施工速度以及滿(mǎn)足鋼筋綁扎間距和位置的要求。

橫向鋼筋臺(tái)位和縱向鋼筋臺(tái)位長(zhǎng)度均為25 m,如圖9所示。橫向鋼筋臺(tái)位用于布設(shè)橫向鋼筋和定位隔振器、觀(guān)察口，如圖10所示?？v向鋼筋臺(tái)位,根據(jù)縱向鋼筋的布設(shè)位置,利用臺(tái)車(chē)將分部鋼筋送入縱向鋼筋籠內(nèi),臺(tái)車(chē)在運(yùn)送的時(shí)候,可卡緊縱向鋼筋,運(yùn)送到位時(shí),可實(shí)現(xiàn)縱向鋼筋的定位,裝置結(jié)構(gòu)如圖11所示?？v向鋼筋到達(dá)設(shè)計(jì)位置,人工進(jìn)行鋼筋綁扎和焊接,臺(tái)車(chē)退回縱向鋼筋綁扎臺(tái)位,吊裝走綁扎好的成品鋼筋籠,進(jìn)入下一個(gè)主體鋼筋籠的綁扎工作。

圖9 主體鋼筋加工臺(tái)位(單位：m)

圖10 橫向鋼筋插槽

圖11 縱向鋼筋伸展定位裝置

4.3 軌排架設(shè)機(jī)具

圖12 鋼軌及扣件示意

亦莊線(xiàn)鋼彈簧浮置板道床采用預(yù)埋套管式鋼軌扣件,施工時(shí)先在釘聯(lián)臺(tái)位上利用軌排支撐架將鋼軌釘聯(lián)成軌排,然后在鋼軌上安裝鋼軌扣件、地腳螺栓及預(yù)埋套管。由于軌下橡膠墊板及地腳螺栓的彈簧墊片均存在變形量,可使用鋼模具墊板替代橡膠墊板、使用平墊片替代彈簧墊片,以保證預(yù)埋套管的垂直度，如圖12所示。連接成軌排后對(duì)軌排的縮進(jìn)量、扣件、軌距位置等進(jìn)行檢查,合格后吊運(yùn)至主體鋼筋籠進(jìn)行連接加固。

4.4 鋼筋籠運(yùn)輸機(jī)具

鋼筋籠運(yùn)輸動(dòng)力設(shè)備宜采用軌道車(chē)運(yùn)輸,軌道車(chē)牽引力根據(jù)最大坡度及運(yùn)輸質(zhì)量選定。運(yùn)輸設(shè)備選用2輛長(zhǎng)12.5 m的軌道平板車(chē)運(yùn)送一段浮置板鋼筋籠,由于運(yùn)輸途中經(jīng)過(guò)曲線(xiàn),鋼筋籠存在變形,存在以下問(wèn)題：

(1)平板車(chē)迫使鋼筋籠變形經(jīng)過(guò)曲線(xiàn),鋼筋籠存在彈性應(yīng)力,平板車(chē)可能存在掉道隱患；

(2)平板車(chē)與鋼筋籠的變形軸線(xiàn)不一致,鋼筋籠與平板車(chē)存在一定量的縱向位移；

(3)鋼筋籠與平板車(chē)存在橫向位移,且位移位置及位移量不可控,可能造成鋼筋籠超出運(yùn)輸限界,存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

因此,運(yùn)輸過(guò)程中在平板車(chē)上設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置,減小并控制經(jīng)過(guò)曲線(xiàn)地段時(shí)鋼筋籠及鋼軌的變形量,轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)具有橫向位置鎖定,縱向位置可控功能,從而使鋼筋籠變形量基本均勻。平板車(chē)轉(zhuǎn)向裝置如圖13所示。

圖13 鋼筋籠運(yùn)輸轉(zhuǎn)向裝置

4.5 鋼筋籠吊裝機(jī)具

鋼筋籠吊裝分2種情況,一種在鋼筋籠拼裝基地,另一種在浮置板作業(yè)面。拼裝基地作業(yè)場(chǎng)地較為寬敞,可采用門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行吊裝,吊裝點(diǎn)可設(shè)置在鋼軌上,但鋼軌與鋼筋籠的連接一定要經(jīng)過(guò)受力計(jì)算,并保證足夠的連接點(diǎn)。

浮置板作業(yè)面的吊裝作業(yè)是將25 m主體鋼筋籠連同鋼軌一起由平板車(chē)上吊裝至設(shè)計(jì)位置。由于空間狹小,特別是隧道內(nèi)作業(yè),必須使用專(zhuān)用的帶走行系統(tǒng)的門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行吊裝作業(yè),起重機(jī)的設(shè)計(jì)除考慮起重量、運(yùn)行速度、走行速度等問(wèn)題外,還應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)要求。

(1)起重機(jī)限界。作業(yè)時(shí)門(mén)式起重機(jī)輪廓線(xiàn)應(yīng)小于區(qū)間設(shè)備安裝限界,防止作業(yè)時(shí)與其他設(shè)備發(fā)生空間上的交叉,造成作業(yè)不便。在曲線(xiàn)地段,由于線(xiàn)路設(shè)置有超高,起重機(jī)不能進(jìn)行傾斜作業(yè),故需抬升起重機(jī)行駛軌道,使起重機(jī)兩側(cè)走行線(xiàn)水平。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮超高量,確保走行線(xiàn)抬高后起重機(jī)仍不侵犯設(shè)備安裝限界。

(2)起重機(jī)作業(yè)凈空。起重機(jī)內(nèi)部需吊裝鋼筋籠,內(nèi)部要有足夠的空間。起重機(jī)內(nèi)部橫向作業(yè)空間應(yīng)要滿(mǎn)足吊裝寬帶的要求,起升高度應(yīng)滿(mǎn)足在平板車(chē)上吊運(yùn)鋼筋籠的要求。

(3)起重機(jī)走行軌道。由于浮置板較寬,鋼筋籠組裝時(shí)除主體鋼筋籠外還有側(cè)翼需要安裝,因此,起重機(jī)走行軌道必須設(shè)置在浮置板外側(cè),曲線(xiàn)地段由于亦莊線(xiàn)浮置板的特點(diǎn),線(xiàn)路中心線(xiàn)以隧道中心線(xiàn)旋轉(zhuǎn),起重機(jī)中心線(xiàn)與線(xiàn)路中心線(xiàn)不重合,因此起重機(jī)走行軌道必須大于浮置板整體寬度。

綜上所述,亦莊線(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的門(mén)式起重機(jī),滿(mǎn)足了施工需要,如圖14所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)人工散鋪施工工藝的研究,在改進(jìn)施工設(shè)備和機(jī)具的基礎(chǔ)上,使鋼彈簧浮置板道床“拼裝一體化”施工工藝得以實(shí)現(xiàn),拓展了施工作業(yè)的空間和時(shí)間。大大提高了施工作業(yè)效率,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,使鋼彈簧浮置板道床的施工速度從原來(lái)的6 m/d提高到了20～30 m/d,為亦莊線(xiàn)軌道工程安全、高效完成施工任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。

圖14 鋼彈簧浮置板專(zhuān)用門(mén)式起重機(jī)

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