跨座式單軌交通PC 軌道梁預制技術研究及應用

焦國臣

（中鐵大橋局集團第二工程有限公司，江蘇 南京210015）

0 引 言

單軌交通歷史悠久，至今已有一個多世紀的發(fā)展歷程，尤其是第二次世界大戰(zhàn)以后有較大發(fā)展，技術應用逐漸成熟。單軌交通起源和技術革新在歐洲，影響力形成在美國，興盛在亞洲。我國單軌交通起步較晚，目前投入運營的僅有重慶市軌道交通2 號線和3 號線，屬于跨座式單軌交通形式。因其具有諸多明顯優(yōu)點，近年來國內許多城市修建了試驗線、觀光線或城市軌道線路。目前國內跨座式單軌交通按列車制式及軌道類型逐漸形成了日立、龐巴迪、比亞迪3 種技術形式，有相似性卻又各不相同?？缱絾诬壗煌☉们熬皬V闊，軌道梁制造難度遠遠高于普通橋梁，所以對其制造技術的研究具有重要意義。

1 項目簡介

蕪湖市是繼重慶市之后國家批準的第2 個建設跨座式單軌交通的城市，采用的是龐巴迪技術形式，首次采用大跨度連續(xù)剛構PC 軌道梁（見圖1），填補了國內技術空白。

1.1 概況

蕪湖市軌道交通1 號、2 號線采用跨座式單軌技術，線路總長46.2 km，沿城市主干道路布設，共設車站35 座，大部采用高架線，局部采用地下線路。車輛采用CMRⅡ型單軌車，最高運行速度80 km/h，1 號線按6 節(jié)編組設計，2 號線初期按4 節(jié)、遠期按6 節(jié)編組設計。線路最小曲線半徑一般情況下不小于100 m，困難情況下不小于75 m，最大坡度不大于6%。

圖1 跨座式單軌效果圖

1.2 軌道梁介紹

跨座式單軌交通，列車采用橡膠車輪騎跨在軌道梁頂面及側面環(huán)抱行駛，見圖2。軌道梁既是承重結構，又是列車行駛軌道及系統(tǒng)設備通道。軌道梁為“梁軌合一”結構，線路的平、豎曲線，橫向超高以及預拱度均在一次澆筑完成的梁體上實現。

圖2 車輪與軌道梁位置關系圖

PC 軌道梁即鋼筋混凝土軌道梁，按結構形式分為簡支和連續(xù)剛構2 種。簡支PC 軌道梁又分為正線簡支軌道梁和車輛基地內簡支軌道梁。軌道梁寬度均為0.69 m，正線簡支梁梁高1.6 m，車輛基地內簡支梁梁高1.8 m；連續(xù)剛構軌道梁底部為拱形變截面，梁高從2.2 m 漸變到1.6 m，采用先簡支后連續(xù)的施工工藝。軌道梁呈空間曲線線形設計，跨徑覆蓋10 m 至30 m 范圍，曲線半徑從75 m 至1 000 m 不等，橫向超高達到10%。全線PC 軌道梁共計4 500 榀，其中直線簡支梁1 549 榀，直線連續(xù)剛構梁1 329 榀，曲線簡支梁657 榀，曲線連續(xù)剛構梁867 榀。全線設置2 個預制梁場，每個梁場承擔全部制梁任務的一半，本文以白馬山梁場為例介紹。

1.3 軌道梁施工特點、難點

世界公認的PC 軌道梁制造技術是單軌交通的3 大技術難點之一。蕪湖市單軌PC 軌道梁以大跨度連續(xù)剛構梁為主，以簡支梁為輔，整體技術難度大，其特點為：

（1）梁型變化多樣。梁型有連續(xù)剛構梁、正線簡支梁、車輛基地簡支梁，每種梁型又有直線梁、曲線梁之分，每榀梁的梁長、梁高、平曲線、豎曲線、超高等線形要素均不相同，所有梁的線形要素疊加，基本上沒有完全相同的2 榀梁。由此可見，軌道梁鋼筋加工、模板制造、混凝土澆筑、存梁臺座布置等難度較大。

（2）精度要求高。為滿足行車速度和舒適性要求，一次澆筑成型的軌道梁截面尺寸、線形偏差等均以毫米計，比如在梁寬690 mm 范圍內允許偏差1.5 mm、在頂面及側面長度方向3 m 范圍內允許偏差3 mm，在頂面及側面長度方向20 m 范圍內允許偏差6 mm；曲線梁同樣符合長度方向3 m 范圍內矢高允許偏差3 mm 要求，且曲線梁是絕對的曲線線形，而非直線段連成的曲線。

（3）線形動態(tài)控制。根據運營時線路情況，考慮后澆筑、2 次張拉、隨時間徐變等眾多工況變化反推算混凝土澆筑時的線形參數，并在施工過程中不斷復核及修正，即線形動態(tài)控制：按設計參數施工放樣—復測各工況線形參數—數據統(tǒng)計分析—調整施工參數，如此反復進行，使得梁體實際值不斷趨近于設計值。

2 總體施工方案

軌道梁預制采用工廠化生產模式，直曲梁分開設置專用生產線，配備直曲自動化模板，制定適應性施工工藝流程。軌道梁場規(guī)劃為制梁區(qū)域、存梁區(qū)域。制梁區(qū)域布置鋼筋加工區(qū)、制梁區(qū)；存梁區(qū)布置不同類型存梁臺座。直線生產線采用移動側模加固定臺座形式，配備適應直線梁生產的自動化模板；曲線生產線采用固定側模加移動臺車形式，配備適應曲線梁生產的智能模板；制定先進的施工工藝以滿足高標準要求。

2.1 生產線布置

統(tǒng)計軌道梁梁型數量及分布特點，深入分析軌道梁預制工藝及方法，綜合考慮資源配置數量及效益，改變國內外沿用的“1 套模板既要生產直線梁又要生產曲線梁”的方式，將預制梁生產線分為2 個大類，即直線梁生產線和曲線梁生產線，從而提高了制造精度、降低了施工成本。

直線梁生產線采用移動側模加固定臺座形式，即生產線縱向布置，臺座線形分布，模板沿軌道縱向走行。曲線梁生產線采用固定側模加移動臺車形式，即生產線縱向布置，模板固定在混凝土澆筑區(qū)側墻上，臺車連同底模沿軌道在鋼筋綁扎區(qū)、澆筑區(qū)、養(yǎng)護區(qū)、張拉區(qū)走行。

預制梁場共設置3 條曲線梁生產線和6 條直線梁生產線，每條生產線均設置鋼筋綁扎區(qū)、混凝土澆筑區(qū)、蒸汽養(yǎng)護區(qū)、預應力初張區(qū)，設計月生產能力150 榀。

2.2 直線梁模板設計

直線梁模板滿足軌道梁制造的功能、精度、壽命及自動化要求。功能方面能夠制造出全部設計梁型，達到通用性效果；精度方面滿足規(guī)范及設計標準要求，合格率達到100%；壽命方面滿足全部生產任務周期內質量要求，按每套模板生產300 榀梁設計；自動化方面將模具變?yōu)檠b備，達到減少人工、提高效率的目的。

直線梁模板設計為移動側模加固定底模形式，模板體系將計算機系統(tǒng)、電動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)集于一體（見圖3），具有“一鍵開合、自動走行、三維可調、精確控制”的功能。模板采用計算機系統(tǒng)控制，通過液壓系統(tǒng)立、脫側模；通過電動滑輪在臺位間縱向移動；通過底模、端模和線形條變化調整梁高、梁長、梁面豎曲線、梁端傾角等參數，達到設計要求。移動側模與固定底模按照1∶4 的比例配置，提高了模板利用率和施工效率。直線PC 軌道梁模板主要由側?？偝?、側模液壓橫移系統(tǒng)、側模電動縱移系統(tǒng)、內模壓緊機構、底模和端模總成等組成。

2.3 曲線梁模板設計

曲線梁模板滿足軌道梁制造的功能、精度、壽命及自動化要求，在功能方面比直線梁模板要求更高。模板功能方面應滿足梁長、梁高、平曲線、豎曲線、超高及梁端傾角變化，并達到全部通用的效果。

曲線梁模板設計為固定側模加移動底模形式，模板系統(tǒng)將計算機系統(tǒng)、電動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)集于一體（見圖4），具有“智能控制，臺車走行、側模彎曲、線形精調”的特點。模板采用計算機系統(tǒng)控制，通過機械牽引臺車底模就位；通過液壓或電動推桿調節(jié)側模彎曲傾斜；通過底模、端模、線形條變化來調整梁高、梁長、豎曲線、梁端傾角和轉角等參數，達到設計線形要求。固定側模與移動底模臺車按照1∶4 的比例配置，提高了模板利用率和施工效率。曲線PC軌道梁模板主要由側?？偝?、側模液壓橫移系統(tǒng)、側模彎曲傾斜系統(tǒng)、內模壓緊機構、底模臺車及端?？偝傻冉M成。

圖3 直線梁模板

圖4 曲線梁模板（側模及可視化數控操作系統(tǒng)）

3 軌道梁預制工藝

生產線設置的不同軌道梁預制工藝并不相同，分為直線梁預制工藝、曲線梁預制工藝。本文重點介紹難度較大的曲線梁側模、端模安裝拆除工藝，其他常規(guī)工藝不再贅述。

3.1 直線梁施工工藝流程

直線PC 軌道梁（見圖5）預制采用移動側模加固定臺座流水線施工，根據作業(yè)流向，施工工藝流程為：

施工準備→臺座底模安裝→綁扎鋼筋（安裝內模、支座）、管道定位→安裝預埋件、安裝端?！鷤饶Ｗ咝兄僚_位→合模、調整線形條→模板調整驗收→澆筑混凝土→拆?！B(yǎng)生→穿鋼絞線、初張拉→梁體吊至存梁→終張拉→管道壓漿、封錨→存梁→齡期3 個月出廠[1]。

圖5 連續(xù)剛構P C 軌道梁

3.2 曲線梁施工工藝流程

曲線PC 軌道梁的預制采用的是固定側模加移動臺車的流水線施工，根據作業(yè)流向，施工工藝流程為：

施工準備→臺車底模安裝→綁扎鋼筋（安裝內模、支座）、管道定位→安裝預埋件、安裝端?！_車進入澆筑區(qū)→側模合模、調整線形條→模板調整驗收→澆筑混凝土→拆模→養(yǎng)生→穿鋼絞線、初張拉→梁體吊至存梁區(qū)→終張拉→管道壓漿、封錨→存梁→齡期3 個月出廠。

3.3 曲線梁端模安裝、拆除

曲線簡支梁梁端有3 個方向的傾角、夾角要求，梁端側邊傾角、梁端與側面夾角、梁端與頂面夾角均不大于（1/8）°。梁高為1.6 m，梁縫寬度設計為3 cm，因此端模位置精度不僅關系到梁體能否順利架設完成，更關系到運行后梁體的伸縮功能。此外，因梁體設有反拱，端部高度通常高于設計梁高（小曲線梁內側有可能小于設計梁高），所以端模制作高度應充分考慮以上情況，高度不足部分可采用木板墊高。

曲線梁端模（見圖6）安裝及拆除過程：鋼筋綁扎完成后，臺車進入混凝土澆筑區(qū)前，進行端模安裝，具體步驟如下：

步驟一：測量放樣梁端線，計算端模標高及傾角，制作調整木板，進行精確抄墊。

步驟二：按梁端線安放端模并固定，此時端模側邊傾角、與側面夾角基本滿足要求。

步驟三：調整斜向絲桿，使端模與頂面夾角滿足要求，此時3 個夾角初調完成，經測量復核，如超限再通過斜向及水平絲杠微調。

步驟四：拆除端模時，采用倒鏈及千斤頂交替作業(yè)，使模板平行脫出，防止卡住或破壞梁體混凝土。

3.4 曲線梁側模板安裝、拆除

曲線梁超高是通過梁體傾斜形成的，即梁體的頂面與側面相互垂直，梁底面為水平面，其截面為直角梯形?？此坪唵蔚男螤罱o模板設計及操作帶來很大困難，側模板“彎曲后傾斜”時其頂、底邊線將不在一個水平面上，從側面看呈曲線狀，側模由兩端到中間與上部橫梁距離（即吊桿長度）逐漸變大。這就要求模板不僅在水平方向設置頂推裝置使模板彎曲，而且在豎直方向能夠滿足模板位移及受力要求，機械動作難度大。模板設計時技術要點有：（1）橫向拉壓桿與模板為球頭聯結，桿件具有左右及上下轉動功能；（2）側模上吊桿具備長度調整及角度變化功能；（3）側模底部兩端安裝螺旋頂升裝置。

曲線梁側模安裝及拆除過程：綁扎完鋼筋的底模臺車沿鋼軌走行至混凝土澆筑區(qū)，即固定于混凝土側墻上的模板中間后，通過操作計算機系統(tǒng)進行合模。具體步驟如下：

步驟一（見圖7）：將安裝鋼筋骨架的底模臺車走行至澆筑區(qū)，此時側模通過吊桿懸掛在橫梁上。

圖6 曲線簡支梁端模

圖7 曲線梁模板安拆步驟一

步驟二（見圖8）：（1）電動推桿拉伸實現模板平曲線；（2）拆除側模兩端頂部吊桿，側模中間吊掛在橫梁上，兩端通過螺旋頂升裝置支撐在底模小車上。

步驟三（見圖9）：操作上、下排推桿使模板傾斜，同時調整吊桿及頂升裝置距離，滿足超高要求。

圖8 曲線梁模板安拆步驟二

圖9 曲線梁模板安拆步驟三

步驟四（見圖10）：（1）操作推桿使模板整體平移與底模合模；（2）調整線型條，經檢查合格后澆筑混凝土。

圖10 曲線梁模板安拆步驟四

步驟五（見圖11）：（1）混凝土達到要求強度后，操作推桿整體橫移打開側模；（2）安裝吊桿使側模懸掛在橫梁上；（3）所有推桿回歸零位；（4）底模臺車移動至蒸養(yǎng)區(qū)。

4 線形動態(tài)控制方法

為滿足行車舒適性要求，軌道梁制造精度要求很高，而在施工過程中其線形是動態(tài)變化的，因此找到軌道梁線形動態(tài)控制的方法至關重要。

4.1 工法指導書

預應力軌道梁制作工法指導書是為控制預應力混凝土軌道梁預制生產過程中鋼筋和預埋件布置、支座安裝、預應力張拉、混凝土收縮與徐變、梁體線形誤差等制作質量的一種施工技術文件。工法指導書是根據設計文件，按照線路線形構造、孔跨布置、梁體結構等要素結合施工模板、工藝、材料等特點編制的，每榀梁一對一專用，主要用來指導軌道梁線形放樣值、各工況下測量值，并通過統(tǒng)計、分析來調整后續(xù)參數值的重要線形控制資料。施工前根據設計文件結合施工條件編制工法指導書，施工中嚴格按照工法指導書規(guī)定參數進行控制，如模板尺寸、混凝土標高、預應力位置等，在重要工況施工前后均要對梁體線形參數進行測量，將采集到的數據進行統(tǒng)計、分析，找到影響線形偏差的主要因素，為后續(xù)軌道梁的線形控制提供依據。

圖11 曲線梁模板安拆步驟五

4.2 影響線形的主要因素

PC 軌道梁主要是由鋼筋、預應力、混凝土材料組成的一種分均質彈塑性體，在預應力張拉、混凝土收縮和徐變等工況下，梁體線形參數會發(fā)生變化。造成軌道梁線形變化的因素很多，主要有混凝土彈性模量及收縮徐變（粗細骨料、混凝土水灰比、和易性、齡期等）、施工條件（模板偏差、振搗方式、養(yǎng)護情況等）、預應力張拉（管道偏差、張拉順序、千斤頂性能等）等[2]。因此在施工過程中應嚴格控制混凝土原材料、減少施工條件變化、加強預應力張拉控制等，如某項因素發(fā)生變化應做好詳細記錄，為線形變化因素分析提供有效數據。

4.3 線形監(jiān)測及參數調整

為獲取軌道梁線形變化規(guī)律，在重要工況變化前后對軌道梁線形進行測量，將實測值與設計值進行對比，結合影響線形變化的主要因素，經過統(tǒng)計、分析，找到造成軌道梁線形偏差的原因，從而調整后續(xù)軌道梁線形控制參數，如此反復進行，最終使得實際值無限接近于設計值，達到軌道梁線形動態(tài)控制的目的。重要工況變化前后測量時間節(jié)點主要有拆模后、初張拉前后、終張拉前后、28 d、60 d、出場前。從數理分析的角度，理論上，參考的影響因素越多則分析的結果越準確，但實際操作中，數據過于復雜、離散性較大不利于結果的判定。因此實際操作中統(tǒng)計的影響參數有梁體重量偏差、彈性模量差異、張拉應力偏差、收縮徐變量。施工中將取得的成果應用到后續(xù)軌道梁的線形控制中，以滿足高精度線形要求。

5 結 語

（1）跨座式單軌PC 軌道梁的制造難度遠遠高于普通橋梁，先進可靠的施工方法是其成功的關鍵，蕪湖市軌道交通工程PC 軌道梁已全部預制完成，其質量及線形合格率達到100%，先行段行車體驗舒適度滿足且優(yōu)于設計預期。

（2）近5 年國內跨座式單軌發(fā)展迅猛，形成了多種軌道體系并進的局面，現行國家標準《跨座式單軌交通施工及驗收規(guī)范》（GB 50614—2010）起草于重慶市單軌交通建設期間，已無法滿足目前多種體系軌道梁的施工要求，亟需修編適應性的國家標準。本文采用的直曲梁專用生產線、智能三維可調節(jié)模板、線形動態(tài)控制方法可提供有益借鑒。