钢弹簧浮置板减振轨道在城市地铁中的应用
摘要:研究目的:钢弹簧浮置板减振道床近年来在国内城市地铁建设中得到了广泛的应用,由于地铁建设要求高、专业众多、工期紧迫,研究其减振性能及其与相关施工工序的科学衔接显得尤为必要。
研究结论:相比别的减振方式,钢弹簧浮置板道床具有减振效果明显、少维修等优点,同时通过对各施工工序的科学安排,可弥补钢弹簧浮置板减振道床施工周期长的缺陷,进一步发挥其在城市轨道交通建设中特殊减振地段的重要作用。
如何解决轨道交通中振动和噪声对环境的破坏和居民生活的影响,成为人们关注地铁建设的焦点,也成为城市轨道交通建设能否可持续发展的关键之一。传统减振技术在减振降噪方面因减振效果有限,列车运行经过时产生的振动和噪声仍会直接影响到人们的生活和健康,对周围环境在一定程度上也造成了不良影响,因此在减振要求高的特殊地段传统减振技术显然已不再适用。正因如此,国内外对减振降噪问题的研究从未停止过,试图找到一种在减振降噪方面有突出效果的技术。经过多年的潜心研究,德国在减振隔振方面率先取得突破,他们在浮置板轨道结构研究与应用方面作了大量工作,相继开发了多种浮置板结构形式以及配套隔振支座和施工工艺。德国最先在科隆地铁中采用了浮置板轨道系统,并在1994年投入运营的柏林地铁中采用了钢弹簧浮置板道床轨道结构。因钢弹簧浮置板道床减振效果明显,随即在日本、韩国、新加坡等国得到应用和推广。国内最先在北京地铁13号线得到应用,上海、广州等城市随后也相继采用。由于目前国内地铁采用的钢弹簧浮置板减振道床均为德国隔而固公司提供的技术与产品,造价较高,故仅限于有特殊减振降噪要求的地段,如音乐厅、歌剧院、医院、市政厅、会议中心、博物馆、实验室、居民区等周围地区。
本文通过对比各种减振技术的减振效果,介绍钢弹簧浮置板减振轨道在减振降噪方面所独具的优势地位。同时通过北京地铁10号线一期工程中特殊减振地段钢弹簧浮置板减振轨道的成功实施,在实践中摸索出工期紧迫的情况下施工方案灵活选用的实例及相关工序衔接处理的要点,有效地弥补了钢弹簧浮置板减振轨道施工周期长的缺陷,对今后城市地铁中类似工程施工的质量、进度控制具有重要的现实意义。
1 工程概况
北京地铁10号线一期工程为奥运配套工程,是一条先东西走向、后南北走向的半环线,它西起巴沟站,南至劲松站,全长49.2km。根据市政府“以人为本、创建和谐社会”的指示精神,经过方案比选及专家论证,决定全线除在一般地段采用普通整体道床线路及在减振要求相对较高的地段采用Ⅲ型轨道减振器外,在特殊减振地段采用钢弹簧浮置板减振轨道,全线共有钢弹簧浮置板减振道床线路2.93km。
公司承担施工的北京地铁10号线一期轨道铺设工程Ⅰ合同段包含K0+050~K5+200段正线、出入段线及万柳车辆段。因正线线路穿越海淀妇幼保健院、北京卫星制造厂及中国空间技术研究院,故在K1+130~K1+250及K3+435~K3+655两地段设计为无枕式钢弹簧浮置板减振道床线路,轨道类型为60kg/m,采用DTVI2型扣件,长度共计0.68km。
2 钢弹簧浮置板减振轨道简介
2.1 工艺原理
钢弹簧浮置板减振轨道是将具有一定质量和刚度的混凝土道床板浮置于钢弹簧隔振器上,距离基础垫层顶面30mm或40mm,构成质量-弹簧-隔振系统。隔振器内放有螺旋钢弹簧和粘滞阻尼,钢弹簧隔振器内的粘滞阻尼使钢弹簧具有三维弹性,增加了系统的各向稳定性和安全性,且能抑制和吸收固体声。作用在钢轨上的力传递给浮置于钢弹簧隔振器上的道床板,道床板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过弹性支承传递到基础垫层中去。道床板受力后,在惯性作用下将受到的力经过重新分配后传递给固定在基础垫层上的隔振器,再通过隔振器传递到基础垫层,在此过程中由隔振器进行调谐、滤波、吸收能量,达到隔振减振的目的。
2.2 工艺特点
钢弹簧浮置板减振道床工程内容多、工序复杂、施工周期长,现场施工通常采用预铺的方式进行。施工时先浇筑基础垫层,再进行浮置板道床施工。通常采用工具轨及与浮置板断面形式相适应的钢轨支撑架调整线路几何尺寸,扣配件类型及标准与普通整体道床线路相同,轨道调整就位后道床混凝土采用现场泵送的方式进行浇筑。浮置板与基础垫层之间铺设聚乙烯隔离层,将基础垫层与浮置板隔开,以便于后期钢弹簧浮置板道床的顶升。顶升工作在浮置板混凝土浇筑完成28d后进行。为保证钢弹簧浮置板道床的整体性,每块板必须一次性浇注完毕,板与板之间通过剪力铰进行连接,板缝即为施工缝。
2.3 道床断面型式
钢弹簧浮置板减振道床的断面型式根据其所处工况的不同而有所区别:高架桥上的钢弹簧浮置板道床断面如图1所示,盾构、矿山法等施工的隧道内道床断面如图2~图4所示。
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3 各种减振技术及性能比较
3.1 轨下垫板减振
轨下垫板减振方式包括轨下橡胶垫板及Ⅲ型轨道垫板,其中轨下橡胶垫板是最基本的减振手段,减振设计时在普通地段一般采用轨下橡胶垫板,在要求较高的地段则采用Ⅲ型轨道垫板替代传统的铁垫板。Ⅲ型轨道垫板也称科隆蛋,是常见的较好的隔振手段,在北京地铁10号线一期工程中应用较广,一般可以取得减振 5~8dB的效果。它由金属承轨板、底座与橡胶圈硫化为一个整体,橡胶圈承受压力与剪力,较充分地利用了橡胶的剪切变形,具有横向和垂向弹性。其缺点是横向刚度较低,橡胶圈可能脱落而影响减振效果。
3.2 弹性短轨枕减振
弹性短轨枕整体道床由2个独立的短轨枕、钢轨扣件和轨下垫板及混凝土道床等部分组成。短轨枕外设橡胶套提供轨道的纵、横向弹性变形,具有较好的噪声和振动衰减特性,可取得减振5~10dB的效果,弥补了无砟轨道刚性大的缺陷,它在广州地铁2、3号线中得到大量应用。但是,在高架桥上使用这种轨道结构时,当高温暴晒和雨水或脏物进入橡胶套靴内部时可能对结构性能或寿命产生不利影响,同时,橡胶套侧面磨损后,其横向刚度也会降低,影响减振效果。
3.3 扣件减振
扣件减振方面应用比较成功的是Vanguard扣件,它是一种新型的减振扣件,是英国Pandrol(潘得路)公司的专利技术,国内最先在广州地铁1号线进行试验,并在广州地铁3号线中首次得到了应用。该系统较其它传统铁路扣件最大的优点在于列车运行中允许更大的垂直变形量,可减少轨道两侧及列车内的辐射噪音和振动,同时能保证轨道几何状态不变,可以较低的轨道高度实现较好的减振效果。特别适用于因减振需要对营业线进行换铺工程;但是它对轨道几何尺寸、组装精度的要求很高,其减振效果可达到11~16dB。
3.4 道床减振
道床减振是将整体道床与基础结构分离,通过橡胶或螺旋钢弹簧等弹性元件支承整体道床,并分别构成橡胶浮置板道床和钢弹簧浮置板道床。浮置板可以提供足够的惯性质量来抵消车辆产生的动荷载,只有静荷载和少量残余动荷载会通过橡胶或螺旋钢弹簧等弹性元件传递到基础结构上。
橡胶浮置板在广州地铁2号线中应用较多,其减振效果优于Ⅲ型轨道减振器及弹性短轨枕,但由于以下问题的存在影响了它的进一步推广:(1)橡胶易老化,检修困难;(2)由于横向刚度较低及阻尼较小,列车运行至隔振地段时车内振动噪声明显增大,钢轨内侧磨损加剧;(3)隔振效果10~15dB,但固有频率为 15~20Hz,对于软土地基及低频振源地段隔振效果并不理想。
钢弹簧浮置板道床是德国GERB(隔尔固)公司研制的弹簧隔振器浮置板轨道,它采用螺旋弹簧支承浮置板道床,在减振效能方面,弹簧隔振器浮置板轨道比橡胶支承式浮置板轨道的效果还要好。截至目前钢弹簧浮置板道床已具有90多年的历史,由于造价较高,它主要用于医院、研究院、博物馆、音乐厅等对减振降噪有特殊要求的场合。除在德国、日本、韩国等国应用外,国内近年来在北京、上海、广州等城市的地铁建设中也得到了推广。它具有如下优点:(1)隔振效果好,可减振25~40dB;(2)使用寿命达30年以上;(3)同时具有三维弹性,水平方向位移小,无需附加限位装置;(4)检查或更换十分方便,不用拆卸钢轨, 不影响地铁列车运行;(5)基础沉降造成的高度变化可通过增减调平钢板厚度实现。
4 施工方案的选用及工序衔接处理
4.1 施工方案的选用
钢弹簧浮置板减振道床是近年来在国内地铁领域中广泛采用的一种新型道床形式,它包含基础垫层、隔离层、隔振器、浮置板、剪力铰、顶升等工程内容,钢筋绑扎及混凝土灌注工作量大,综合施工进度为5m/d,施工周期长。如果采用顺序施工的方式显然难以保证工期,所以在钢弹簧浮置板地段通常采用预铺方案,在普通整体道床线路施工到达前将钢弹簧浮置板道床施做完毕。施工时宜在土建结构单位明挖车站或坚井封闭前将工具轨、钢筋等大宗材料卸至洞内,然后人工转移到工作面。在北京地铁10号线一期工程施工时我们根据现场实际情况,在知春里站结构及风井封闭前将K3+435~K3+655段钢弹簧浮置板减振道床施工所需工具轨及钢筋卸至站内。K1+130~K1+250段钢弹簧浮置板道床因离万柳铺轨基地较近,施工时则采取临时线路进行过渡,在普通整体道床线路施做完毕换线施工时再拆除临时线路进行该段钢弹簧浮置板道床施工,具体施工方案如图5所示。这样可以争取作业时间,使钢弹簧浮置板道床与普通整体道床线路施工齐头并进,需要注意的是要提前进行现场调查并选择好下料口用于泵送混凝土。
4.2 与普通整体道床线路的连接
如在普通整体道床线路施工到达前钢弹簧浮置板道床已顶升完毕,则按照正常作业程序进行普通整体道床线路铺设即可。但实际上因工期及设计位置等原因,往往在钢弹簧浮置板道床混凝土浇筑完毕但尚未进行顶升时,普通整体道床线路施工就已到达(该段钢弹簧浮置板道床最后一块板灌注完毕28d后方能进行顶升),此时应注意普通整体道床线路与钢弹簧浮置板道床线路的连接处理,须考虑钢弹簧浮置板减振道床预留的顶升高度,防止出现错台现象。
4.3 排水沟的顺接
钢弹簧浮置板道床施工基础垫层时,除注意按设计位置及尺寸做好排水沟外,因排水沟流水面至轨面高差与普通整体道床线路不一致,还应考虑与两端普通整体道床线路排水沟的顺接问题。通常在上水端进水口处做好雨水蓖子,防止杂物等进入排水沟而造成积水现象,影响粘滞阻尼的正常使用。同时在下水端处进行排水沟坡度过渡,以使钢弹簧浮置板减振道床地段排水畅通。
4.4 轨道平板车运输
钢弹簧浮置板减振道床施工过程中常有这样的误区:认为钢弹簧浮置板道床顶升工作完成后方可通过轨道平板车进行轨排、混凝土等输送工作。事实上钢弹簧浮置板道床线路与普通整体道床线路大致相同,在道床混凝土强度达到设计强度的70%时,就可通行车辆及承重,浮置板未顶升时其与两端普通整体道床线路的高差(通常为30mm或40mm)可通过铁垫板或橡胶垫板进行坡度过渡加以解决,以争取作业时间,待条件成熟时再择时进行钢弹簧浮置板道床的顶升工作。
4.5 焊轨施工
受施工场地条件限制,国内地铁洞内铺轨施工时通常先采用短轨进行铺设,长轨施工时再利用现场移动式接触焊机进行短轨焊接作业。同样因工期原因,可在钢弹簧浮置板道床顶升前进行焊轨工作,长轨焊接与浮置板顶升间并无直接先后联系。
4.6 接触轨施工
北京地铁10号线一期工程采用接触轨供电,接触轨安装在轨道铺设后随即进行,同样因工期原因,且顶升过程并不改变接触轨与钢轨的相对位置关系,所以顶升前就可进行绝缘子、玻璃钢底座、接触轨及防护罩的安装施工。钢弹簧浮置板道床线路两端与普通整体道床线路相接处的接触轨及防护罩的连接工作待钢弹簧浮置板道床顶升完成后进行。
5 结论
(1)与别的减振方式相比,钢弹簧浮置板减振轨道具有减振效果明显、少维修等优点。
(2)通过合理的施工组织,可有效地克服其施工周期长的缺陷,是城市地铁建设中特殊减振地段的最佳选择。
(3)钢弹簧浮置板减振轨道自首次在北京地铁13号线试用以来,已陆续在上海地铁、广州地铁中得到采用,并逐步延伸到深圳地铁、南京地铁、杭州地铁及成都地铁,成为国内地铁建设不可分割的组成部分,具有广阔的应用前景。
参考文献:
[1]GB50299—1999,地下铁道工程施工及验收规范[S].
[2]张宝才,等.钢弹簧浮置板隔振道床在北京城铁敏感路段的应用[J].铁道建筑,2003(增刊):26-28.
[3]王建立,等.盾构隧道中钢弹簧浮置板道床的施工技术[J].铁道标准设计,2007(10):47-50.
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