維修天窗期城市軌道交通整體道床拆換技術(shù)

張也 樓梁偉，2 謝蛟 葉曉宇 石越峰，2

（1.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2018年底，全國共計36座城市開通城市軌道交通并投入運營，開通線路174條，運營里程共計5 582 km。整體道床因其結(jié)構(gòu)簡單、表面整潔、整體性強，在我國城市軌道交通中被廣泛應用，但隨著地鐵運營年限的增加，受列車運營沖擊、地下水侵蝕、施工質(zhì)量等因素的影響，線路運營過程中軌道結(jié)構(gòu)病害逐步顯現(xiàn)［1-3］，主要表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)滲水、道床空吊、道床開裂、混凝土剝離等；同時，城市軌道交通中大量采用減振軌道，不合理的剛度匹配、輪軌關(guān)系模式造成了鋼軌異常磨耗現(xiàn)象［4-5］，不可避免地增加了養(yǎng)護維修工作成本。由于城市軌道交通維修天窗時間短，難以封閉路線進行集中整治，加之采取常規(guī)的加固、維修及特殊扣件調(diào)整等整治方案難以對病害進行徹底整治，導致病害日趨嚴重，嚴重影響列車運營安全。

目前國內(nèi)尚無有砟軌道技術(shù)在城市軌道交通地下線應用的案例［6］，僅在地面線路基地段有過少量應用。有砟軌道技術(shù)具有彈性良好、價格低廉、更換與維修方便、剛度匹配合理、吸噪特性好等優(yōu)點，可減緩或避免鋼軌波磨的產(chǎn)生和發(fā)展。近年來，有砟軌道又有了一些新的技術(shù)，例如聚氨酯固化道床技術(shù)［7-9］在有砟軌道的應用，避免了有砟軌道的大機搗固和清篩作業(yè)，為城市軌道交通整體道床換鋪為有砟軌道提供可能。

整體道床拆換改造因其施工困難、交叉專業(yè)多、影響范圍廣，目前國內(nèi)城市軌道交通中尚無不停運條件下整體道床換鋪為有砟軌道的成功案例。本文將結(jié)合地鐵整體道床結(jié)構(gòu)形式與特點，以既有城市軌道地下線整體道床病害整治為例，對維修天窗期城市軌道整體道床快速拆換技術(shù)進行探討，為治理該類軌道結(jié)構(gòu)病害提供借鑒。

1 技術(shù)簡介

利用維修天窗時間將城市軌道交通整治區(qū)段待拆除整體道床分段分次換鋪為有砟軌道結(jié)構(gòu)。整體道床結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某運營線地鐵整體道床結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

利用成套切割設備與隧道專用吊裝設備分別進行城市軌道交通整體道床的拆除與換鋪作業(yè)，當天施工，當天恢復線路。為使列車安全運營，整體區(qū)段采用“跳躍式”施工，過渡段實時監(jiān)測。整治區(qū)段全部拆換完成后，換鋪長鋼軌、無縫線路焊接及軌道精調(diào)。

2 關(guān)鍵技術(shù)及流程

2.1 工藝流程

維修天窗期城市軌道交通整體道床拆換技術(shù)主要工藝流程見圖2。

圖2 整體道床拆除工藝流程

2.2 準備階段

1）整治范圍確定及附屬設備調(diào)查

城市軌道交通整體道床改造前需提前組織相關(guān)技術(shù)人員現(xiàn)場踏勘與調(diào)研，充分明確整治區(qū)段范圍，標記劃分施工界限，同時綜合考慮整治線路上下游道床及排水系統(tǒng)的順接問題，避免整治期間隧道內(nèi)排水不暢影響施工進展。

在整體道床拆換前，對隧道內(nèi)所涉及范圍內(nèi)的應答器、接地端子、絕緣接頭等附屬設備進行數(shù)量和里程的核實與調(diào)查，并與管理單位相關(guān)專業(yè)一同探討附屬設備整治期間的過渡方案，確保各設施設備在整治施工階段及其前后的工作狀態(tài)正常。

2）既有軌道測量及其他線路數(shù)據(jù)復核

獲取準確的軌道幾何尺寸數(shù)據(jù)是方案實施的首要條件。測量前須與管理單位進行交底，利用測量小車、全站儀、水準儀、道尺等測量儀器對整治區(qū)段的軌道高程、軌道幾何形位、接觸軌高程、隧道內(nèi)附屬設施標高等參數(shù)進行測量，并以采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指導后續(xù)施工及線路恢復精調(diào)等。

施工前需與設計單位進行技術(shù)交底，明確盾構(gòu)中心線、線路中心線、限界尺寸以及軌道結(jié)構(gòu)高度的偏移量，以減小施工誤差。

3）鋼軌切換及過渡措施

地鐵內(nèi)無縫線路采用的長鋼軌難以適應天窗期施工與正常行車2種情況的反復更換要求，將施工區(qū)段長鋼軌替換為12.5 m短鋼軌，可有效減少準備階段工作量，提高工效。既有長鋼軌與短軌的替換需注意相鄰鋼軌接頭夾板安裝、無縫線路切割位置前后鋼軌鎖定以及附屬電路、管線過渡性保障措施。鋼軌改換如圖3所示。

圖3 鋼軌改換示意

4）材料、設備及水電保障措施

天窗作業(yè)前，落實人員分工、調(diào)試施工機具、保障施工用水電及進場等相關(guān)事宜。主要施工機具包括成套切割設備（圖4（a））、隧道專用吊裝設備（圖4（b））、劈裂機、螺栓機、手持鋸、空壓機、風鎬、焊機、測量儀表儀器等。

圖4 施工機具示意

2.3 實施階段

維修天窗作業(yè)階段是城市軌道交通整體道床拆換技術(shù)的實質(zhì)性關(guān)鍵階段，道床拆除與道床換鋪作業(yè)分天窗同步實施，下文將按照道床先拆后換的作業(yè)順序?qū)蝹€施工單元拆換關(guān)鍵技術(shù)流程進行詳細闡述。

2.3.1 道床拆除

利用成套切割設備配合劈裂機、風鎬等機具對整體道床進行拆除施工，主要包括道床兩側(cè)混凝土拆除與道床板繩鋸切割2部分內(nèi)容。

1）軌道部件拆卸

道床拆除前，將整治施工單元短軌、接觸軌及附屬設施拆卸，有序放置于未施工區(qū)域。

2）道床兩側(cè)混凝土拆除

利用墻鋸沿線路縱向切割道床，切割深度按設計要求嚴格控制；利用手持鋸橫向切割施工單元道床兩側(cè)混凝土，切割間隔根據(jù)單元長度合理制定；利用鉆孔機在橫向切縫處鉆孔；利用劈裂機劈裂道床，底部剩余黏結(jié)混凝土使用風鎬鑿除。道床兩側(cè)混凝土拆除如圖5所示。

圖5 道床兩側(cè)混凝土拆除示意

利用墻鋸配合風鎬鑿除繩鋸施工槽，為下一步繩鋸切割道床板做準備。

利用鉆孔機鉆取繩鋸導向輪安裝槽，根據(jù)單次施工道床板切割長度合理選擇鉆孔位置。

3）道床板繩鋸切割

道床板切割前，在已拆除道床兩側(cè)布置特制擋水結(jié)構(gòu)，利用污水泵將施工產(chǎn)生的污水抽至預備噸桶。并在施工結(jié)束后，利用高壓水槍及時沖洗管壁及道床板底部沉積的鋸漿。

繩鋸機安裝后沿線路水平縱向快速切割道床板，切割前將施工單元指定扣件道床板側(cè)面混凝土剔除，并實時觀察切割進度及時填塞不同規(guī)格設計墊板，確保道床板恢復設計標高。

道床板切割作業(yè)時，利用手持鋸、風鎬等機具同步拆除接觸軌支座剩余支承混凝土。道床板繩鋸切割如圖6所示。

圖6 道床板繩鋸切割示意

4）臨時限位支撐安裝

道床板完全切割分離后，需對切割但未移除的道床板采取臨時過渡安全保障措施，通過道床板與隧道管壁間安裝的多組對稱橫向限位支撐，有效抵抗行車時產(chǎn)生的道床橫向力與上彈力，確保天窗結(jié)束后列車安全運營。臨時限位支撐安裝如圖7所示。

5）恢復短軌及測量

圖7 臨時限位支撐安裝示意

道床拆除作業(yè)完成后，利用螺栓機、起道機、撬棍等施工機具恢復短軌，并及時測量施工單元對應鋼軌、接觸軌及附屬設施標高?；謴投誊壢鐖D8所示。

圖8 恢復短軌示意

2.3.2 道床換鋪

利用隧道專用吊裝設備完成有砟軌道的換鋪作業(yè)，主要包括道床板吊運、排水管及減振墊鋪設、攤鋪道砟（搗固）、鋪設軌枕及恢復軌道部件等。

1）軌道部件及限位拆除

道床拆換作業(yè)采用同一天窗不同單元的流水作業(yè)模式，因此，道床換鋪前，也須將施工單元短軌、接觸軌及附屬設施拆卸，并有序放置于未施工區(qū)域。

2）道床板吊運

利用道床板既有螺栓孔安裝吊環(huán)，采用隧道專用吊裝設備吊運已切割的道床板。

3）排水管及減振墊鋪設

根據(jù)設計要求在隧道基底安裝方形或半圓形鑄鐵排水管，為方便現(xiàn)場施工，排水管采用承插連接貫通，整治區(qū)段上下游排水采用特制接口，須另行加工設計。

考慮減振效果，道砟攤鋪前需于隧道管壁外圍按設計要求鋪設減振墊（道砟墊）。為防止減振墊長期受壓產(chǎn)生位移，現(xiàn)場采用膠黏劑進行固定，每塊減振墊接縫處采用黏接膠帶黏接。

4）攤鋪道砟及鋪設軌枕

①考慮施工工藝的特殊性及防止相鄰施工單元作業(yè)時已鋪道砟的坍塌，施工單元兩端須放置特制道砟隔板。

②利用隧道專用吊裝設備配合自制道砟箱體快速吊運及攤鋪道砟，道砟分層攤鋪并搗固?？紤]后續(xù)防迷流筋焊接，及時控制攤鋪高度。

③根據(jù)設計要求，嚴控防迷流筋焊接質(zhì)量。

④道砟攤鋪達到合理高度后，利用吊裝設備吊運混凝土軌枕，并人工輔助粗鋪。

5）恢復軌道部件

利用螺栓機、起道機、撬棍等施工機具恢復短軌，并及時精調(diào)軌枕與道床整形。

對施工單元鋼軌、接觸軌及附屬設施標高進行測量，恢復線路達到設計高程。換鋪后軌道結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 換鋪后軌道結(jié)構(gòu)示意

2.4 線路恢復

城市軌道交通整治區(qū)段全部進行換鋪。切割各短軌拆除換鋪新長軌，在現(xiàn)場采用鋁熱焊進行無縫鋼軌焊接［10-11］。焊接時嚴格控制焊縫距離、應力放散、鎖定軌溫等參數(shù)滿足線路設計要求，無縫線路鎖定完成后進行軌道精調(diào)。無縫鋼軌焊接流程見圖10。

圖10 無縫鋼軌焊接流程

線路恢復后，跟蹤檢查換鋪有砟軌道與原整體道床結(jié)構(gòu)過渡段狀況，在確保列車運營安全的前提下采取分級提速，同時加強運營線路監(jiān)測工作。

3 工藝試驗

拆除整體道床作為維修天窗期城市軌道整體道床拆換技術(shù)的首要關(guān)鍵步驟，決定著該技術(shù)在城市軌道交通整體道床病害治理中應用的成敗。常規(guī)混凝土拆除方式有機械拆除、爆破拆除、人工風鎬拆除等。與以上傳統(tǒng)混凝土拆除方案相比見表1。地鐵內(nèi)施工應用繩鋸［12-13］與墻鋸的靜力切割拆除方案在安全、質(zhì)量、工期等方面擁有明顯優(yōu)勢，具有速度快、噪聲小、污染少、可遠程操控等優(yōu)點。

表1 道床拆除方案對比

為驗證所選整體道床拆除方法的可行性，本文前期針對繩鋸、墻鋸分別進行了3種不同工況下的切割工藝試驗，通過切割效率、作業(yè)穩(wěn)定性以及防污降噪等參數(shù)對其應用效果進行評價。試驗結(jié)果表明（表2），繩鋸與墻鋸的施工效率高，性能穩(wěn)定，噪聲及污染小，滿足天窗時間城市軌道交通整體道床拆除現(xiàn)場作業(yè)需求。

表2 墻鋸與繩鋸試驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文結(jié)合城市軌道交通整體道床病害整治與養(yǎng)護維修特點，主要從準備及實施2階段系統(tǒng)闡述了維修天窗期城市軌道交通整體道床快速拆換施工技術(shù)，為在不停運條件下徹底解決城市軌道整體道床病害難題提供了一種可行的技術(shù)措施。

1）從技術(shù)實施看，創(chuàng)新性提出了適用于城市軌道交通整體道床拆換的技術(shù)方案及關(guān)鍵工藝，替代臨時性修復措施徹底解決整體道床病害，可在天窗時間完成整體道床拆除與換鋪作業(yè)，不影響列車正常運營。

2）從施工效率看，城市軌道交通整體道床快速拆除與換鋪成套施工設備可解決天窗時間大型施工機械無法上道難題，確保天窗作業(yè)效率。

3）從養(yǎng)護維修看，有砟軌道在經(jīng)濟效益、減振降噪、病害整治等方面相較于整體道床具有一定優(yōu)勢，城市軌道交通地下線鋪設有砟軌道具有可行性。同時，為減少后期有砟軌道的養(yǎng)護維修工作量，可通過道床固化的措施提高道床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、耐久性。