鋼彈簧浮置板減振軌道在城市地鐵中的應用
摘要:研究目的:鋼彈簧浮置板減振道床近年來在國內(nèi)城市地鐵建設中得到了廣泛的應用,由于地鐵建設要求高、專業(yè)眾多、工期緊迫,研究其減振性能及其與相關施工工序的科學銜接顯得尤為必要。
研究結論:相比別的減振方式,鋼彈簧浮置板道床具有減振效果明顯、少維修等優(yōu)點,同時通過對各施工工序的科學安排,可彌補鋼彈簧浮置板減振道床施工周期長的缺陷,進一步發(fā)揮其在城市軌道交通建設中特殊減振地段的重要作用。
如何解決軌道交通中振動和噪聲對環(huán)境的破壞和居民生活的影響,成為人們關注地鐵建設的焦點,也成為城市軌道交通建設能否可持續(xù)發(fā)展的關鍵之一。傳統(tǒng)減振技術在減振降噪方面因減振效果有限,列車運行經(jīng)過時產(chǎn)生的振動和噪聲仍會直接影響到人們的生活和健康,對周圍環(huán)境在一定程度上也造成了不良影響,因此在減振要求高的特殊地段傳統(tǒng)減振技術顯然已不再適用。正因如此,國內(nèi)外對減振降噪問題的研究從未停止過,試圖找到一種在減振降噪方面有突出效果的技術。經(jīng)過多年的潛心研究,德國在減振隔振方面率先取得突破,他們在浮置板軌道結構研究與應用方面作了大量工作,相繼開發(fā)了多種浮置板結構形式以及配套隔振支座和施工工藝。德國最先在科隆地鐵中采用了浮置板軌道系統(tǒng),并在1994年投入運營的柏林地鐵中采用了鋼彈簧浮置板道床軌道結構。因鋼彈簧浮置板道床減振效果明顯,隨即在日本、韓國、新加坡等國得到應用和推廣。國內(nèi)最先在北京地鐵13號線得到應用,上海、廣州等城市隨后也相繼采用。由于目前國內(nèi)地鐵采用的鋼彈簧浮置板減振道床均為德國隔而固公司提供的技術與產(chǎn)品,造價較高,故僅限于有特殊減振降噪要求的地段,如音樂廳、歌劇院、醫(yī)院、市政廳、會議中心、博物館、實驗室、居民區(qū)等周圍地區(qū)。
本文通過對比各種減振技術的減振效果,介紹鋼彈簧浮置板減振軌道在減振降噪方面所獨具的優(yōu)勢地位。同時通過北京地鐵10號線一期工程中特殊減振地段鋼彈簧浮置板減振軌道的成功實施,在實踐中摸索出工期緊迫的情況下施工方案靈活選用的實例及相關工序銜接處理的要點,有效地彌補了鋼彈簧浮置板減振軌道施工周期長的缺陷,對今后城市地鐵中類似工程施工的質(zhì)量、進度控制具有重要的現(xiàn)實意義。
1 工程概況
北京地鐵10號線一期工程為奧運配套工程,是一條先東西走向、后南北走向的半環(huán)線,它西起巴溝站,南至勁松站,全長49.2km。根據(jù)市政府“以人為本、創(chuàng)建和諧社會”的指示精神,經(jīng)過方案比選及專家論證,決定全線除在一般地段采用普通整體道床線路及在減振要求相對較高的地段采用Ⅲ型軌道減振器外,在特殊減振地段采用鋼彈簧浮置板減振軌道,全線共有鋼彈簧浮置板減振道床線路2.93km。
公司承擔施工的北京地鐵10號線一期軌道鋪設工程Ⅰ合同段包含K0+050~K5+200段正線、出入段線及萬柳車輛段。因正線線路穿越海淀婦幼保健院、北京衛(wèi)星制造廠及中國空間技術研究院,故在K1+130~K1+250及K3+435~K3+655兩地段設計為無枕式鋼彈簧浮置板減振道床線路,軌道類型為60kg/m,采用DTVI2型扣件,長度共計0.68km。
2 鋼彈簧浮置板減振軌道簡介
2.1 工藝原理
鋼彈簧浮置板減振軌道是將具有一定質(zhì)量和剛度的混凝土道床板浮置于鋼彈簧隔振器上,距離基礎墊層頂面30mm或40mm,構成質(zhì)量-彈簧-隔振系統(tǒng)。隔振器內(nèi)放有螺旋鋼彈簧和粘滯阻尼,鋼彈簧隔振器內(nèi)的粘滯阻尼使鋼彈簧具有三維彈性,增加了系統(tǒng)的各向穩(wěn)定性和安全性,且能抑制和吸收固體聲。作用在鋼軌上的力傳遞給浮置于鋼彈簧隔振器上的道床板,道床板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動荷載,只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過彈性支承傳遞到基礎墊層中去。道床板受力后,在慣性作用下將受到的力經(jīng)過重新分配后傳遞給固定在基礎墊層上的隔振器,再通過隔振器傳遞到基礎墊層,在此過程中由隔振器進行調(diào)諧、濾波、吸收能量,達到隔振減振的目的。
2.2 工藝特點
鋼彈簧浮置板減振道床工程內(nèi)容多、工序復雜、施工周期長,現(xiàn)場施工通常采用預鋪的方式進行。施工時先澆筑基礎墊層,再進行浮置板道床施工。通常采用工具軌及與浮置板斷面形式相適應的鋼軌支撐架調(diào)整線路幾何尺寸,扣配件類型及標準與普通整體道床線路相同,軌道調(diào)整就位后道床混凝土采用現(xiàn)場泵送的方式進行澆筑。浮置板與基礎墊層之間鋪設聚乙烯隔離層,將基礎墊層與浮置板隔開,以便于后期鋼彈簧浮置板道床的頂升。頂升工作在浮置板混凝土澆筑完成28d后進行。為保證鋼彈簧浮置板道床的整體性,每塊板必須一次性澆注完畢,板與板之間通過剪力鉸進行連接,板縫即為施工縫。
2.3 道床斷面型式
鋼彈簧浮置板減振道床的斷面型式根據(jù)其所處工況的不同而有所區(qū)別:高架橋上的鋼彈簧浮置板道床斷面如圖1所示,盾構、礦山法等施工的隧道內(nèi)道床斷面如圖2~圖4所示。
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3 各種減振技術及性能比較
3.1 軌下墊板減振
軌下墊板減振方式包括軌下橡膠墊板及Ⅲ型軌道墊板,其中軌下橡膠墊板是最基本的減振手段,減振設計時在普通地段一般采用軌下橡膠墊板,在要求較高的地段則采用Ⅲ型軌道墊板替代傳統(tǒng)的鐵墊板。Ⅲ型軌道墊板也稱科隆蛋,是常見的較好的隔振手段,在北京地鐵10號線一期工程中應用較廣,一般可以取得減振 5~8dB的效果。它由金屬承軌板、底座與橡膠圈硫化為一個整體,橡膠圈承受壓力與剪力,較充分地利用了橡膠的剪切變形,具有橫向和垂向彈性。其缺點是橫向剛度較低,橡膠圈可能脫落而影響減振效果。
3.2 彈性短軌枕減振
彈性短軌枕整體道床由2個獨立的短軌枕、鋼軌扣件和軌下墊板及混凝土道床等部分組成。短軌枕外設橡膠套提供軌道的縱、橫向彈性變形,具有較好的噪聲和振動衰減特性,可取得減振5~10dB的效果,彌補了無砟軌道剛性大的缺陷,它在廣州地鐵2、3號線中得到大量應用。但是,在高架橋上使用這種軌道結構時,當高溫暴曬和雨水或臟物進入橡膠套靴內(nèi)部時可能對結構性能或壽命產(chǎn)生不利影響,同時,橡膠套側面磨損后,其橫向剛度也會降低,影響減振效果。
3.3 扣件減振
扣件減振方面應用比較成功的是Vanguard扣件,它是一種新型的減振扣件,是英國Pandrol(潘得路)公司的專利技術,國內(nèi)最先在廣州地鐵1號線進行試驗,并在廣州地鐵3號線中首次得到了應用。該系統(tǒng)較其它傳統(tǒng)鐵路扣件最大的優(yōu)點在于列車運行中允許更大的垂直變形量,可減少軌道兩側及列車內(nèi)的輻射噪音和振動,同時能保證軌道幾何狀態(tài)不變,可以較低的軌道高度實現(xiàn)較好的減振效果。特別適用于因減振需要對營業(yè)線進行換鋪工程;但是它對軌道幾何尺寸、組裝精度的要求很高,其減振效果可達到11~16dB。
3.4 道床減振
道床減振是將整體道床與基礎結構分離,通過橡膠或螺旋鋼彈簧等彈性元件支承整體道床,并分別構成橡膠浮置板道床和鋼彈簧浮置板道床。浮置板可以提供足夠的慣性質(zhì)量來抵消車輛產(chǎn)生的動荷載,只有靜荷載和少量殘余動荷載會通過橡膠或螺旋鋼彈簧等彈性元件傳遞到基礎結構上。
橡膠浮置板在廣州地鐵2號線中應用較多,其減振效果優(yōu)于Ⅲ型軌道減振器及彈性短軌枕,但由于以下問題的存在影響了它的進一步推廣:(1)橡膠易老化,檢修困難;(2)由于橫向剛度較低及阻尼較小,列車運行至隔振地段時車內(nèi)振動噪聲明顯增大,鋼軌內(nèi)側磨損加劇;(3)隔振效果10~15dB,但固有頻率為 15~20Hz,對于軟土地基及低頻振源地段隔振效果并不理想。
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,在減振效能方面,彈簧隔振器浮置板軌道比橡膠支承式浮置板軌道的效果還要好。截至目前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場合。除在德國、日本、韓國等國應用外,國內(nèi)近年來在北京、上海、廣州等城市的地鐵建設中也得到了推廣。它具有如下優(yōu)點:(1)隔振效果好,可減振25~40dB;(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)。
4 施工方案的選用及工序銜接處理
4.1 施工方案的選用
鋼彈簧浮置板減振道床是近年來在國內(nèi)地鐵領域中廣泛采用的一種新型道床形式,它包含基礎墊層、隔離層、隔振器、浮置板、剪力鉸、頂升等工程內(nèi)容,鋼筋綁扎及混凝土灌注工作量大,綜合施工進度為5m/d,施工周期長。如果采用順序施工的方式顯然難以保證工期,所以在鋼彈簧浮置板地段通常采用預鋪方案,在普通整體道床線路施工到達前將鋼彈簧浮置板道床施做完畢。施工時宜在土建結構單位明挖車站或堅井封閉前將工具軌、鋼筋等大宗材料卸至洞內(nèi),然后人工轉移到工作面。在北京地鐵10號線一期工程施工時我們根據(jù)現(xiàn)場實際情況,在知春里站結構及風井封閉前將K3+435~K3+655段鋼彈簧浮置板減振道床施工所需工具軌及鋼筋卸至站內(nèi)。K1+130~K1+250段鋼彈簧浮置板道床因離萬柳鋪軌基地較近,施工時則采取臨時線路進行過渡,在普通整體道床線路施做完畢換線施工時再拆除臨時線路進行該段鋼彈簧浮置板道床施工,具體施工方案如圖5所示。這樣可以爭取作業(yè)時間,使鋼彈簧浮置板道床與普通整體道床線路施工齊頭并進,需要注意的是要提前進行現(xiàn)場調(diào)查并選擇好下料口用于泵送混凝土。
4.2 與普通整體道床線路的連接
如在普通整體道床線路施工到達前鋼彈簧浮置板道床已頂升完畢,則按照正常作業(yè)程序進行普通整體道床線路鋪設即可。但實際上因工期及設計位置等原因,往往在鋼彈簧浮置板道床混凝土澆筑完畢但尚未進行頂升時,普通整體道床線路施工就已到達(該段鋼彈簧浮置板道床最后一塊板灌注完畢28d后方能進行頂升),此時應注意普通整體道床線路與鋼彈簧浮置板道床線路的連接處理,須考慮鋼彈簧浮置板減振道床預留的頂升高度,防止出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象。
4.3 排水溝的順接
鋼彈簧浮置板道床施工基礎墊層時,除注意按設計位置及尺寸做好排水溝外,因排水溝流水面至軌面高差與普通整體道床線路不一致,還應考慮與兩端普通整體道床線路排水溝的順接問題。通常在上水端進水口處做好雨水蓖子,防止雜物等進入排水溝而造成積水現(xiàn)象,影響粘滯阻尼的正常使用。同時在下水端處進行排水溝坡度過渡,以使鋼彈簧浮置板減振道床地段排水暢通。
4.4 軌道平板車運輸
鋼彈簧浮置板減振道床施工過程中常有這樣的誤區(qū):認為鋼彈簧浮置板道床頂升工作完成后方可通過軌道平板車進行軌排、混凝土等輸送工作。事實上鋼彈簧浮置板道床線路與普通整體道床線路大致相同,在道床混凝土強度達到設計強度的70%時,就可通行車輛及承重,浮置板未頂升時其與兩端普通整體道床線路的高差(通常為30mm或40mm)可通過鐵墊板或橡膠墊板進行坡度過渡加以解決,以爭取作業(yè)時間,待條件成熟時再擇時進行鋼彈簧浮置板道床的頂升工作。
4.5 焊軌施工
受施工場地條件限制,國內(nèi)地鐵洞內(nèi)鋪軌施工時通常先采用短軌進行鋪設,長軌施工時再利用現(xiàn)場移動式接觸焊機進行短軌焊接作業(yè)。同樣因工期原因,可在鋼彈簧浮置板道床頂升前進行焊軌工作,長軌焊接與浮置板頂升間并無直接先后聯(lián)系。
4.6 接觸軌施工
北京地鐵10號線一期工程采用接觸軌供電,接觸軌安裝在軌道鋪設后隨即進行,同樣因工期原因,且頂升過程并不改變接觸軌與鋼軌的相對位置關系,所以頂升前就可進行絕緣子、玻璃鋼底座、接觸軌及防護罩的安裝施工。鋼彈簧浮置板道床線路兩端與普通整體道床線路相接處的接觸軌及防護罩的連接工作待鋼彈簧浮置板道床頂升完成后進行。
5 結論
(1)與別的減振方式相比,鋼彈簧浮置板減振軌道具有減振效果明顯、少維修等優(yōu)點。
(2)通過合理的施工組織,可有效地克服其施工周期長的缺陷,是城市地鐵建設中特殊減振地段的最佳選擇。
(3)鋼彈簧浮置板減振軌道自首次在北京地鐵13號線試用以來,已陸續(xù)在上海地鐵、廣州地鐵中得到采用,并逐步延伸到深圳地鐵、南京地鐵、杭州地鐵及成都地鐵,成為國內(nèi)地鐵建設不可分割的組成部分,具有廣闊的應用前景。
參考文獻:
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