地鐵運營線路彈性短軌枕改造大修技術(shù)研究

王海峰

(中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司 廣東深圳 518083)

1 引言

地鐵從出現(xiàn)至今已有百年歷史，隨著軌道交通環(huán)評要求的不斷提高，地鐵建設(shè)中根據(jù)沿線環(huán)保要求設(shè)置相應(yīng)的減振降噪措施[1]，彈性短軌枕就是其中一種中等減振措施。我國已開通的地鐵運營中，采用彈性短軌枕的有廣州、上海、深圳、武漢、天津及沈陽等城市。彈性短軌枕既有優(yōu)點也有缺點:優(yōu)點是具有較好的噪聲和振動衰減特性，彌補了很多軌枕在剛度、強度上的缺陷，并且其制造成本相對較低，減振效果也好；缺點是經(jīng)過長時間運營后，出現(xiàn)軌枕套靴道床之間剝離、間隙擴大、軌枕空吊、軌距變化大、減振量下降、短軌枕破裂等現(xiàn)象[2]。針對彈性短軌枕病害問題嚴(yán)重、影響線路設(shè)備運營情況的問題，在日常養(yǎng)護維修中主要采取:切開長軌釋放應(yīng)力、調(diào)高墊板處理、臨時加固措施(加裝軌距拉桿)、加強軌道安全管理，采取各種預(yù)防措施制定短軌枕失效的修復(fù)工藝來整治病害，最大程度上保證線路設(shè)備穩(wěn)定[3]。通過對比分析可知，采用以上措施來整治彈性短軌枕病害，只能起到延緩作用，屬于臨時性技術(shù)措施，安全系數(shù)較低；而且改變了軌道原有設(shè)計，不利于地鐵正常運營，日常養(yǎng)護維修不易，若相同地段再次出現(xiàn)問題，甚至無法再次整治。因此從根本上解決彈性短軌枕病害是一個重要的研究課題。

地鐵運營線路彈性短軌枕改造大修技術(shù)研究背景:廣州地鐵二、三、八號線彈性短軌枕應(yīng)用長度共計55 536 m[4]，彈性短軌枕經(jīng)過多年運營，其鋪設(shè)的彈性短軌枕出現(xiàn)一定的傷損和性能下降，根據(jù)中國鐵道科學(xué)研究院2010年對送檢的3套廣州地鐵二號線彈性短軌枕橡膠包套的檢測報告〔(2010)JHC字第 1202號〕，橡膠包套扯斷伸長率均值為183.9%(原設(shè)計要求為≥250%)，微孔橡膠墊板拉伸強度、扯斷伸長率、靜剛度均值分別為3.76 MPa、217.3%、17.8 kN/mm(原設(shè)計要求分別為≥12 MPa、≥250%、20～25 kN/mm)，已不滿足原設(shè)計要求。為研究彈性短軌枕傷損整治的改造大修技術(shù)，同時為今后彈性短軌枕的全面病害整治提供技術(shù)支持，依托廣州地鐵二號線(廣州南站～嘉禾望崗)公園前～紀(jì)念堂下行 ZDK14＋268～ZDK14＋418共150 m彈性短軌枕試驗段先行改造工程進行研究總結(jié)。

2 彈性短軌枕改造大修施工特點

(1)施工作業(yè)時間有限:改造大修主要工作內(nèi)容必須在夜間地鐵停運期間方可實施，夜間作業(yè)非運營時間約3.5 h(含請點、銷點、清退場時間)，每天施工后必須迅速清理現(xiàn)場，保證次日地鐵的安全、正常運營。

(2)進度質(zhì)量要求較高:彈性短軌枕改造大修將破壞原有線路的軌道幾何狀態(tài)，并且在嚴(yán)格規(guī)定的時間內(nèi)必須完成當(dāng)次施工內(nèi)容；同時對最不利狀態(tài)的小半徑曲線線路恢復(fù)軌道幾何尺寸以開通線路。

(3)安全管控難度較大:彈性短軌枕更換大修涉及運營、車輛、調(diào)度、信號、通信、電務(wù)等諸多專業(yè)，作業(yè)過程中對線網(wǎng)線路設(shè)備設(shè)施的保護難度較大；施工機具及材料搬運頻繁，特別是較大的機具無法存放，每次作業(yè)完成后必須帶出施工現(xiàn)場，做到工清場清。

(4)作業(yè)空間狹小封閉:作業(yè)主要在場地狹小的隧道內(nèi)，線性施工作業(yè)溝通管理難度大、枕坑鑿毛粉塵消散較慢；作業(yè)人員密集疫情防控難度大。

(5)方案選型要求較高:項目為試驗段先行改造大修項目，要求施工工藝方面從根本上解決消除彈性短軌枕病害；通過扣件、軌枕、灌漿料選型改造后的軌道應(yīng)具有足夠的強度、穩(wěn)定性、耐久性以及適量的彈性。

3 改造大修需要遵循的主要原則

(1)除需改造大修部位外，軌道的其余技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡量與既有線路統(tǒng)一，并采用通用的零部件，以方便維修保養(yǎng)和運營管理；考慮軌底坡，在扣件上實現(xiàn)。

(2)改造后的軌道應(yīng)具有足夠的強度、穩(wěn)定性、耐久性及適量的彈性，還需考慮與改造范圍外軌道結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)過渡，以確保列車運行平穩(wěn)性、安全性和乘客舒適度。

(3)考慮充分利用原有的軌道部件，不破壞既有的整體道床結(jié)構(gòu)，又考慮灌漿層的厚度，綜合設(shè)計確定混凝土短軌枕的尺寸。

(4)軌道結(jié)構(gòu)改造應(yīng)力求簡單，方便施工及養(yǎng)護維修，且不能影響既有線路的正常運營。

(5)考慮改造仍采用既有線鋼軌，而既有鋼軌存在一定的垂向及側(cè)向磨耗，改造后的扣件及軌枕位置是根據(jù)既有鋼軌輪廓確定的；因此，若改造時按照標(biāo)準(zhǔn)扣件安裝(即采用標(biāo)準(zhǔn)軌距塊和不設(shè)置調(diào)高墊板)，在將來更換新鋼軌時會導(dǎo)致軌面抬高以及增大軌距調(diào)整工作量等問題。

4 改造大修需要滿足的技術(shù)要求

地鐵運營線路因其在城市當(dāng)中特殊性的存在，因此在彈性短軌枕改造大修當(dāng)中具有較高的特殊性，對技術(shù)具有較高的要求[5]。

(1)軌道中等減振:外軌中心距離住宅區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、機關(guān)等建筑物大于10 m且振動預(yù)測值VLmax＜6 dB[6]，因此要求改造后的軌道比普通整體道床減少6 dB以上。

(2)研究解決彈性短軌枕更換采用的扣件、軌枕、灌漿料選型，確保改造后其強度及疲勞性能測試等滿足相關(guān)要求，并與原線路設(shè)計匹配、易于維保等技術(shù)要求。

(3)施工過程中通過對技術(shù)參數(shù)、工藝流程、施工方法、操作規(guī)程、驗收標(biāo)準(zhǔn)等比選確定，在施工方法方面從根本上解決消除彈性短軌枕病害。

(4)改造大修施工中對既有線設(shè)備和既有線行車干擾較大[7]，施工作業(yè)過程中做好對線網(wǎng)線路設(shè)備設(shè)施保護，確保次日地鐵正常安全運營。

(5)既有地鐵線路各種工況下改造大修后，線路軌道幾何尺寸恢復(fù)技術(shù)；尤其是最不利狀態(tài)的小半徑曲線線路恢復(fù)技術(shù)。

5 改造大修施工重難點及關(guān)鍵技術(shù)

改造大修重難點是降噪減振措施的選擇及減振效果參數(shù)的確定、滿足強度及相關(guān)疲勞性能要求材料的選型、當(dāng)日作業(yè)完成后線路軌道幾何尺寸的恢復(fù)、既有地鐵線網(wǎng)線路設(shè)備設(shè)施的保護等。針對重難點形成以下關(guān)鍵技術(shù):

(1)彈性短軌枕改造大修后，降噪減振僅能通過扣件實現(xiàn)；對中等減振措施的比較，根據(jù)減振效果和可更換性進行扣件選型；采用低高度上部自鎖式雙層非線性減振扣件，該扣件在國內(nèi)地鐵已廣泛運用，具有良好的減振性能(減振效果不低于8 dB)，使用效果良好，改造施工簡單，后期線路維修保養(yǎng)方便[8]。

(2)彈性短軌枕大修為盡量降低改造工程量，依據(jù)既有的道床結(jié)構(gòu)、扣件尺寸及灌漿層構(gòu)造厚度等進行短軌枕尺寸的確定；采用普通混凝土短軌枕，應(yīng)進行既有道床植筋，植入鋼筋須與鋼筋網(wǎng)片、短枕鋼筋焊接。

(3)結(jié)合改造大修作業(yè)時間要求嚴(yán)格的特點，灌漿料采用水泥基灌漿材料，依據(jù)初凝時間、強度及疲勞性能等參數(shù)進行灌漿料選型；選定 Sika Grout-212HP高早強高終強無收縮灌漿材料。

(4)施工前進行實驗室模擬現(xiàn)場工況，采用選定的扣件、軌枕、灌漿料及施工工藝模擬現(xiàn)場工況，檢測短軌枕固化后的靜態(tài)拉拔力、組裝疲勞性能以及疲勞試驗后固化軌枕外觀傷損情況。滿足檢測指標(biāo):短軌枕和道床基礎(chǔ)固定后的靜態(tài)拉拔力不得小于120 kN，垂向載荷8～40 kN(橫向載荷4～20 kN)，經(jīng)300萬次載荷循環(huán)后連接部位無松動、開裂現(xiàn)象。

6 改造大修安全質(zhì)量保證技術(shù)措施

6.1 改造大修施工工藝

彈性短軌枕改造大修施工工藝:不破壞既有整體道床，采用低高度上部自鎖式雙層非線性減振扣件實現(xiàn)原彈性短軌枕減振降噪性能，澆筑水泥基灌漿料將新設(shè)計混凝土短軌枕與既有整體道床枕坑固結(jié)。水泥基灌漿料采用自重法澆筑，軌道其余技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與既有線路統(tǒng)一，采用通用的零部件，以方便維修保養(yǎng)及運營管理。

施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

6.2 改造大修技術(shù)措施

為保證地鐵安全正常運營，施工方法采用軌枕“隔5拔1”(見圖2)、高早強現(xiàn)拌水泥基灌漿料固結(jié)軌枕和道床的技術(shù)措施(見圖3)。根據(jù)技術(shù)特點、初凝時間、強度及疲勞性能等要求，采用高早強高終強無收縮灌漿材料，澆筑24 h后進行減振扣件安裝。

圖2 “隔5拔1”示意

圖3 改造大修示意

6.3 改造大修技術(shù)要點

(1)施工前對作業(yè)區(qū)段線路幾何尺寸進行整體精調(diào)，并記錄每根軌枕扣件采用的調(diào)高量、軌距調(diào)整量；對線路的軌向、曲線方向進行整正，恢復(fù)曲線設(shè)計時的圓順程度[9]；確保線路軌距、高低、水平、軌向等符合維修規(guī)程要求。

(2)為保證新設(shè)計混凝土短軌枕與既有道床之間的粘結(jié)牢固，必須對枕坑進行鑿毛處理，鑿毛后將碎屑與粉塵徹底清理干凈。

(3)新軌枕按設(shè)計定位后將錨固鋼筋植入道床枕坑，鋼筋的直徑應(yīng)為12 mm，植入坑底深度要不小于120 mm，且避免與原有縱向鋼筋接觸[10]。

(4)線路恢復(fù)幾何尺寸后，對新軌枕進行精確定位，安裝扣件及配件后將軌枕鋼筋與錨固鋼筋焊接連接。焊接完成后再次確認軌枕定位誤差及埋入灌漿料的深度等滿足規(guī)范要求。

(5)灌漿料由較高一側(cè)流向另一側(cè)，以便排出新軌枕枕坑周圍的空氣，并與原道床面平齊[11]。澆筑前將枕坑充分灑水潤濕且無積水，澆筑完成后拆除扣件及配件使新軌枕處于自由狀態(tài)。

(6)原彈性短軌枕取出枕坑后，使用短木枕及膠墊做鋼軌的臨時支撐加以防護，必要時將軌距拉桿安裝在合適位置。

(7)大修作業(yè)動道時，將原軌距塊、調(diào)高墊板放于枕旁指定位置，線路恢復(fù)時保證原位安裝。避免將來更換新鋼軌時會導(dǎo)致軌面抬高以及增大軌距調(diào)整工作量等問題。

6.4 軌枕大修新工裝

軌枕改造大修施工過程中存在問題:其一因曲線超高采用自重法澆筑會產(chǎn)生錯臺，且后續(xù)需要二次修補，不易保證施工質(zhì)量；其二灌漿作業(yè)完成后地鐵正常運營，無法進行養(yǎng)護。通過設(shè)計新工裝:澆筑模板(見圖4)、養(yǎng)護夾具(見圖5)，解決了施工難題，保證了工程質(zhì)量。道床枕坑鑿毛采用專業(yè)電動鑿毛工具(見圖6)，提高施工效率，節(jié)省了工序作業(yè)時間。

圖4 澆筑模板

圖5 養(yǎng)護夾具

圖6 鑿毛工具

6.5 安全技術(shù)措施

地鐵運營線路施工前做好作業(yè)區(qū)域確認、影響范圍分析、防護條件設(shè)置、施工計劃分解等準(zhǔn)備工作。組織施工時不僅要掌控作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)進度，更重要的是做好安全防護及應(yīng)急措施。

(1)根據(jù)地鐵營運線路特殊性，時間和空間局限比較大[12]，改造大修作業(yè)實行精細化管理。嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)點審批制，對軌枕大修作業(yè)區(qū)間、作業(yè)時間、作業(yè)數(shù)量進行準(zhǔn)確計算精心安排；當(dāng)次作業(yè)精確進行工藝時間把控，工后執(zhí)行“2次清點、3遍出清”制，確保次日地鐵安全正常運營。

(2)當(dāng)次動道作業(yè)保持一股鋼軌不變，作業(yè)完成后恢復(fù)軌道幾何狀態(tài)以此股鋼軌為基準(zhǔn)，減少改道工作量、提高施工安全性。

(3)澆筑模板、養(yǎng)護夾具實施中需要錨固于道床面，同時控制鋼軌軌底至工裝面預(yù)留足夠的空間，保證具有良好的電氣絕緣性，滿足軌道信號傳輸及防雜散電流要求。

(4)需要運營調(diào)度部門的密切配合，彈性短軌枕線路改造大修施工期間列車以35 km/h以下限速行駛。

(5)對既有線路設(shè)備設(shè)施保護及應(yīng)急措施:施工前制定科學(xué)合理有針對性的應(yīng)急預(yù)案。作業(yè)前清點確認應(yīng)急工器具及物資；作業(yè)過程中對線網(wǎng)線路設(shè)備設(shè)施進行防護；必需要拆裝的經(jīng)線路設(shè)備設(shè)施專業(yè)人員確認同意，并配合、監(jiān)督作業(yè)。

(6)為消除粉塵和防疫需要，作業(yè)過程中注意加強通風(fēng)；采用吸塵器清除枕坑粉塵、現(xiàn)場設(shè)置小型霧炮等措施減少隧道內(nèi)揚塵；同時作業(yè)人員佩戴相應(yīng)防塵勞保用品。

7 結(jié)束語

在保證地鐵安全、正常運營條件下，應(yīng)用彈性短軌枕改造大修技術(shù)研究成果，從根本上解決了彈性短軌枕病害。

(1)改造大修采用澆筑水泥基灌漿料將新設(shè)計混凝土短軌枕與既有整體道床枕坑固結(jié)，消除了彈性短軌枕病害；采用低高度上部自鎖式雙層非線性減振扣件實現(xiàn)了原彈性短軌枕減振降噪性能；采用當(dāng)次動道作業(yè)保持一股鋼軌不變?yōu)榛鶞?zhǔn)，另一股軌枕“隔5拔1”的技術(shù)措施滿足工藝、質(zhì)量及安全要求并能保證次日地鐵安全正常運營。

(2)廣州地鐵彈性短軌枕試驗段先行改造工程已安全、快速、保質(zhì)地完成了施工任務(wù)。經(jīng)廣州地鐵基地維修中心評定，廣州地鐵二號線彈性短軌枕試驗段大修項目符合驗收標(biāo)準(zhǔn)，已通過竣工驗收。

(3)目前國內(nèi)如武漢、廣州、深圳剛開始彈性短軌枕改造大修，本研究技術(shù)實體應(yīng)用對今后彈性短軌枕的全面病害整治有重要意義。