鋼彈簧浮置板道床“拼裝一體化”施工設備及機具的設計與改造

楊寶鋒,車彥海

(中鐵一局集團新運工程有限公司,陜西咸陽 712000)

1 鋼彈簧浮置板道床簡介

鋼彈簧浮置板道床是德國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,由于造價較高,它主要用于醫(yī)院、研究院、博物館、音樂廳等對減振降噪有特殊要求的建筑。除在德國、日本、韓國等國應用外,國內(nèi)近年來在北京、上海、廣州、成都、重慶等城市的地鐵建設中也得到了推廣應用。它具有如下優(yōu)點:(1)隔振降噪效果好,可達25～40 dB；(2)使用壽命達30年以上；(3)同時具有三維彈性,水平方向位移小,無需附加限位裝置；(4)檢查或更換十分方便,不用拆卸鋼軌,不影響地鐵列車運行；(5)基礎沉降造成的高度變化可通過增減調(diào)平鋼板厚度實現(xiàn)。

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

圖1 鋼彈簧浮置板一般結構

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之上,隔振器內(nèi)安裝有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼,構成質(zhì)量-彈簧隔振系統(tǒng)。隔振器上部結構所受的車輛動擾力通過隔振器傳遞到結構底部。在此過程中由隔振器進行調(diào)諧、吸收能量,達到隔振減振的目的。

2 亦莊線鋼彈簧浮置板道床特點

2.1 工程簡況

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

2.2 與傳統(tǒng)浮置板結構的差別

亦莊線鋼彈簧浮置板結構與傳統(tǒng)結構有所不同,是GERB公司對彈簧浮置板道床結構優(yōu)化的結果,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,亦莊線浮置板道床如圖3所示；二是曲線地段采取墊層整體旋轉(zhuǎn),應對曲線地段超高,板與墊層表面平行設置,曲線段傳統(tǒng)浮置板道床如圖4所示,亦莊線曲線段浮置板道床如圖5所示。

圖2 傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板道床結構

圖3 亦莊線鋼彈簧浮置板道床結構

圖4 曲線段傳統(tǒng)浮置板道床結構

圖5 亦莊線曲線段浮置板道床結構

2.3 亦莊線鋼彈簧浮置板結構的特點

(1)板厚薄均勻,傳統(tǒng)浮置板在曲線地段因超高設置導致一側(cè)板厚局部過薄的問題得以解決,使曲線位置浮置板的受力性能得到提升,整體設計也更加合理。

(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。

(3)傾斜的隔振器更有利于抵抗列車轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的離心力,在離心力作用下整個浮置板的橫向變形量會相對減小,提高車輛運行的平穩(wěn)性。但隔振器的受力狀況復雜,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),如列車通過時速度較低,則對隔振器的抗水平力能力要求更高。

2.4 實現(xiàn)機械化施工的優(yōu)勢

新型鋼彈簧浮置板結構為施工作業(yè)實現(xiàn)機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,統(tǒng)一型號簡化了隔振器的生產(chǎn)組織,為機械化施工組織工作帶來很大便利。

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

(3)鋼筋籠可分解成2部分,如圖6所示。方案的設計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,使主體部分整體運輸成為可能。

圖6 亦莊線鋼彈簧浮置橫向板鋼筋示意

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

3 “拼裝一體化”施工工藝

通過對亦莊線浮置板道床特點的分析及對傳統(tǒng)鋼彈簧浮置板道床施工工藝的研究,以機械化作業(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整體,采用龍門吊吊裝到軌道運輸車上,運送至鋪軌作業(yè)面,洞內(nèi)采用門式起重機將軌排及鋼筋網(wǎng)整體吊鋪到位,調(diào)整軌道幾何尺寸,進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 施工設備、機具的設計和改進

根據(jù)施工流程,對流程中對施工效率產(chǎn)生制約的工序進行改進,提高工序的機械化程度,使整個工藝流程向流水化、工廠化發(fā)展,從而減輕施工人員勞動強度,提高作業(yè)效率。

4.1 鋼筋加工機具

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,設計專門的鋼筋彎曲機有一定的現(xiàn)實意義。

鋼筋調(diào)直后,裝入鋼筋加工設備后,可根據(jù)預設值自動實現(xiàn)相對長度的鋼筋進料問題,并自動折彎至預設角度。鋼筋加工設備可自由更換預設值,確保實現(xiàn)對不同的鋼筋進行加工,加工機具示意如圖8所示。

鋼筋由5夾持,放入1的鉗口內(nèi),1由限位點B1、B2、C1和C2控制；2由人工控制,控制點A1、A2為1、7的長閉、2的長開開關。當B1、B2點接觸時,啟動后彎曲機開始工作,鋼筋和3同時向右移動,到達8的第一道彎曲位置時,3推動4向下移動,使點7的控制開關A1、A2接通,2停止工作,1和7同時開始工作,直至A1、A2點脫開,1、7繼續(xù)工作,進入下一個彎曲點。當限位開關C1、C2點接觸時,取出加工好的鋼筋,啟動開關1、7反轉(zhuǎn)直B1、B2點閉合,開始下一個鋼筋的加工。本設備需配合延時開關以確保加工流水間的配合,更換模具3即可實現(xiàn)加工另一規(guī)格的鋼筋。

4.2 主體鋼筋籠加工機具

亦莊線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,占用時間較多,為加快施工進度,確保施工質(zhì)量和進度,可設置主體鋼筋綁扎臺位,以確保施工速度以及滿足鋼筋綁扎間距和位置的要求。

橫向鋼筋臺位和縱向鋼筋臺位長度均為25 m,如圖9所示。橫向鋼筋臺位用于布設橫向鋼筋和定位隔振器、觀察口，如圖10所示。縱向鋼筋臺位,根據(jù)縱向鋼筋的布設位置,利用臺車將分部鋼筋送入縱向鋼筋籠內(nèi),臺車在運送的時候,可卡緊縱向鋼筋,運送到位時,可實現(xiàn)縱向鋼筋的定位,裝置結構如圖11所示。縱向鋼筋到達設計位置,人工進行鋼筋綁扎和焊接,臺車退回縱向鋼筋綁扎臺位,吊裝走綁扎好的成品鋼筋籠,進入下一個主體鋼筋籠的綁扎工作。

圖9 主體鋼筋加工臺位(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 軌排架設機具

圖12 鋼軌及扣件示意

亦莊線鋼彈簧浮置板道床采用預埋套管式鋼軌扣件,施工時先在釘聯(lián)臺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,以保證預埋套管的垂直度，如圖12所示。連接成軌排后對軌排的縮進量、扣件、軌距位置等進行檢查,合格后吊運至主體鋼筋籠進行連接加固。

4.4 鋼筋籠運輸機具

鋼筋籠運輸動力設備宜采用軌道車運輸,軌道車牽引力根據(jù)最大坡度及運輸質(zhì)量選定。運輸設備選用2輛長12.5 m的軌道平板車運送一段浮置板鋼筋籠,由于運輸途中經(jīng)過曲線,鋼筋籠存在變形,存在以下問題：

(1)平板車迫使鋼筋籠變形經(jīng)過曲線,鋼筋籠存在彈性應力,平板車可能存在掉道隱患；

(2)平板車與鋼筋籠的變形軸線不一致,鋼筋籠與平板車存在一定量的縱向位移；

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

因此,運輸過程中在平板車上設置轉(zhuǎn)向裝置,減小并控制經(jīng)過曲線地段時鋼筋籠及鋼軌的變形量,轉(zhuǎn)向裝置應具有橫向位置鎖定,縱向位置可控功能,從而使鋼筋籠變形量基本均勻。平板車轉(zhuǎn)向裝置如圖13所示。

圖13 鋼筋籠運輸轉(zhuǎn)向裝置

4.5 鋼筋籠吊裝機具

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)場地較為寬敞,可采用門式起重機進行吊裝,吊裝點可設置在鋼軌上,但鋼軌與鋼筋籠的連接一定要經(jīng)過受力計算,并保證足夠的連接點。

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上吊裝至設計位置。由于空間狹小,特別是隧道內(nèi)作業(yè),必須使用專用的帶走行系統(tǒng)的門式起重機進行吊裝作業(yè),起重機的設計除考慮起重量、運行速度、走行速度等問題外,還應考慮以下幾點要求。

(1)起重機限界。作業(yè)時門式起重機輪廓線應小于區(qū)間設備安裝限界,防止作業(yè)時與其他設備發(fā)生空間上的交叉,造成作業(yè)不便。在曲線地段,由于線路設置有超高,起重機不能進行傾斜作業(yè),故需抬升起重機行駛軌道,使起重機兩側(cè)走行線水平。設計時應考慮超高量,確保走行線抬高后起重機仍不侵犯設備安裝限界。

(2)起重機作業(yè)凈空。起重機內(nèi)部需吊裝鋼筋籠,內(nèi)部要有足夠的空間。起重機內(nèi)部橫向作業(yè)空間應要滿足吊裝寬帶的要求,起升高度應滿足在平板車上吊運鋼筋籠的要求。

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

綜上所述,亦莊線根據(jù)現(xiàn)場實際情況,設計了專門的門式起重機,滿足了施工需要,如圖14所示。

5 結語

通過對傳統(tǒng)人工散鋪施工工藝的研究,在改進施工設備和機具的基礎上,使鋼彈簧浮置板道床“拼裝一體化”施工工藝得以實現(xiàn),拓展了施工作業(yè)的空間和時間。大大提高了施工作業(yè)效率,降低了勞動強度,使鋼彈簧浮置板道床的施工速度從原來的6 m/d提高到了20～30 m/d,為亦莊線軌道工程安全、高效完成施工任務奠定了基礎。

圖14 鋼彈簧浮置板專用門式起重機

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