鋼彈簧浮置板

1.概述

如何解決軌道交通中振動(dòng)和噪聲對(duì)環(huán)境的破壞和居民生活的影響,成為人們關(guān)注地鐵建設(shè)的焦點(diǎn),也成為城市軌道交通建設(shè)能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)減振技術(shù)在減振降噪方面因減振效果有限,列車運(yùn)行經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲仍會(huì)直接影響到人們的生活和健康,對(duì)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(shù)顯然已不再適用。正因如此,國內(nèi)外對(duì)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(shù)。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?cè)诟≈冒遘壍澜Y(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用方面作了大量工作,相繼開發(fā)了多種浮置板結(jié)構(gòu)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(yùn)營的柏林地鐵中采用了鋼彈簧浮置板道床軌道結(jié)構(gòu)。

2.1　工藝原理

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)的各項(xiàng)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(dòng)荷載,只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過彈性支承傳遞到基礎(chǔ)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(chǔ)墊層上的隔振器,再通過隔振器傳遞到基礎(chǔ)墊層,在此過程中由隔振器進(jìn)行調(diào)諧、濾波、吸收能量,達(dá)到隔振減振的目的。

2.2　工藝特點(diǎn)

鋼彈簧浮置板減振道床工程內(nèi)容多、工序復(fù)雜、施工周期長,現(xiàn)場施工通常采用預(yù)鋪的方式進(jìn)行。施工時(shí)先澆筑基礎(chǔ)墊層,再進(jìn)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(yīng)的鋼軌支撐架調(diào)整線路幾何尺寸,扣配件類型及標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行澆筑。浮置板與基礎(chǔ)墊層之間鋪設(shè)聚乙烯隔離層,將基礎(chǔ)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(jìn)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(jìn)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(gòu)、礦山法等施工的隧道內(nèi)道床斷面如圖1的2、3、4所示。3　各種減振技術(shù)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(shè)計(jì)時(shí)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(hào)線一期工程中應(yīng)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(gè)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(diǎn)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(gè)獨(dú)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(shè)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(dòng)衰減特性,可取得減振5~10dB的效果,彌補(bǔ)了無砟軌道剛性大的缺陷,它在廣州地鐵2、3號(hào)線中得到大量應(yīng)用。但是,在高架橋上使用這種軌道結(jié)構(gòu)時(shí),當(dāng)高溫暴曬和雨水或臟物進(jìn)入橡膠套靴內(nèi)部時(shí)可能對(duì)結(jié)構(gòu)性能或壽命產(chǎn)生不利影響,同時(shí),橡膠套側(cè)面磨損后,其橫向剛度也會(huì)降低,影響減振效果。

3.3　扣件減振

扣件減振方面應(yīng)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(shù),國內(nèi)最先在廣州地鐵1號(hào)線進(jìn)行試驗(yàn),并在廣州地鐵3號(hào)線中首次得到了應(yīng)用。該系統(tǒng)較其它傳統(tǒng)鐵路扣件最大的優(yōu)點(diǎn)在于列車運(yùn)行中允許更大的垂直變形量,可減少軌道兩側(cè)及列車內(nèi)的輻射噪音和振動(dòng),同時(shí)能保證軌道幾何狀態(tài)不變,可以較低的軌道高度實(shí)現(xiàn)較好的減振效果。特別適用于因減振需要對(duì)營業(yè)線進(jìn)行換鋪工程;但是它對(duì)軌道幾何尺寸、組裝精度的要求很高,其減振效果可達(dá)到11~16dB。

3.4　道床減振

道床減振是將整體道床與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dòng)荷載,只有靜荷載和少量殘余動(dòng)荷載會(huì)通過橡膠或螺旋鋼彈簧等彈性元件傳遞到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上。

橡膠浮置板在廣州地鐵2號(hào)線中應(yīng)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(jìn)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(yùn)行至隔振地段時(shí)車內(nèi)振動(dòng)噪聲明顯增大,鋼軌內(nèi)側(cè)磨損加劇;(3)隔振效果10~15dB,但固有頻率為15~20Hz,對(duì)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。鋼彈簧浮置板道床已具有90多年的歷史,由于造價(jià)較高,它主要用于醫(yī)院、研究院、博物館、音樂廳等對(duì)減振降噪有特殊要求的場合。除在德國、日本、韓國等國應(yīng)用外,國內(nèi)在北京、上海、廣州等城市的地鐵建設(shè)中也得到了推廣。它具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)隔振效果好,可減振25~40dB;(2)使用壽命達(dá)30年以上;(3)同時(shí)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(yùn)行;(5)基礎(chǔ)沉降造成的高度變化可通過增減調(diào)平鋼板厚度實(shí)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國內(nèi)地鐵領(lǐng)域中廣泛采用的一種新型道床形式,它包含基礎(chǔ)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(jìn)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(yù)鋪方案,在普通整體道床線路施工到達(dá)前將鋼彈簧浮置板道床施做完畢。施工時(shí)宜在土建結(jié)構(gòu)單位明挖車站或堅(jiān)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(zhuǎn)移到工作面。在北京地鐵10號(hào)線一期工程施工時(shí)我們根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,在知春里站結(jié)構(gòu)及風(fēng)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(shí)則采取臨時(shí)線路進(jìn)行過渡,在普通整體道床線路施做完畢換線施工時(shí)再拆除臨時(shí)線路進(jìn)行該段鋼彈簧浮置板道床施工,具體施工方案。這樣可以爭取作業(yè)時(shí)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(jìn),需要注意的是要提前進(jìn)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(dá)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(jìn)行普通整體道床線路鋪設(shè)即可。但實(shí)際上因工期及設(shè)計(jì)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(jìn)行頂升時(shí),普通整體道床線路施工就已到達(dá)(該段鋼彈簧浮置板道床最后一塊板灌注完畢28d后方能進(jìn)行頂升),此時(shí)應(yīng)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(yù)留的頂升高度,防止出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。

4.3　排水溝的順接

鋼彈簧浮置板道床施工基礎(chǔ)墊層時(shí),除注意按設(shè)計(jì)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(yīng)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(jìn)水口處做好雨水蓖子,防止雜物等進(jìn)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(shí)在下水端處進(jìn)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(yùn)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(rèn)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(jìn)行軌排、混凝土等輸送工作。事實(shí)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(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí),就可通行車輛及承重,浮置板未頂升時(shí)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(jìn)行坡度過渡加以解決,以爭取作業(yè)時(shí)間,待條件成熟時(shí)再擇時(shí)進(jìn)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(shí)通常先采用短軌進(jìn)行鋪設(shè),長軌施工時(shí)再利用現(xiàn)場移動(dòng)式接觸焊機(jī)進(jìn)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(jìn)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

采用接觸軌供電,接觸軌安裝在軌道鋪設(shè)后隨即進(jìn)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(duì)位置關(guān)系，所以頂升前就可進(jìn)行絕緣子、玻璃鋼底座、接觸軌及防護(hù)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(hù)罩的連接工作待鋼彈簧浮置板道床頂升完成后進(jìn)行。

5　結(jié)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(diǎn)。

(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(shè)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(hào)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(shè)不可分割的組成部分,具有廣闊的應(yīng)用前景。