橋梁板式無碴軌道施工技術(shù)
提要:本文介紹了用于秦沈客運專線橋梁上的一種新型軌道結(jié)構(gòu)—— 板式無碴軌道施工技術(shù),主要包括軌道板的制造、CA 砂漿的研究及配制,混凝土底座及凸形擋臺施工、軌道板鋪設(shè)、CA 砂漿灌注、充填式墊板的施工等一系列關(guān)鍵技術(shù),對城市高架輕軌、高速鐵路橋梁等工程推廣此項新技術(shù)具有重要參考價值和實用價值。 關(guān)鍵詞:客運專線;橋梁;板式無碴軌道 中圖分類號:U215 文獻標識碼:A 1 前言 隨著我國鐵路運營速度的不斷提高,有碴軌道在列車荷載反復(fù)作用下軌道殘余變形積累很快,從而導(dǎo)致軌道高低不平順,影響旅客乘坐的舒適性,增大軌道養(yǎng)護維修工作量。板式無碴軌道是用雙向預(yù)應(yīng)力軌道板及CA 砂漿替換傳統(tǒng)有碴軌道的軌枕和道碴的一種新型軌道型式。由于板式無碴軌道具有結(jié)構(gòu)簡單、具有足夠的強度和穩(wěn)定性及設(shè)有提高軌道彈性的水泥瀝青砂漿墊層而優(yōu)于其它無碴軌道結(jié)構(gòu),被很多專家認為是一種應(yīng)該在高速鐵路廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。與有碴軌道相比,板式軌道具有更好的整體性、穩(wěn)定性和耐久性,雖然技術(shù)較復(fù)雜,一次性投資要略大于有碴軌道,但其使用壽命周期長,通常使用周期為30年,軌道板在使用周期內(nèi)基本上免維修,運營過程中維修工作量可減少70以上,能夠有效緩解高速鐵路運營與維修的矛盾,且高速行車時的安全性和舒適性亦優(yōu)越于普通軌道。 秦沈客運專線是我國第一條設(shè)計時速大于200 km/h的高速鐵路,其中雙何特大橋全長703.33 m,梁體為單線箱梁,上下線并行。橋梁位于兩個曲線及其間的夾直線上,縱坡為9.9‰ 和一1.5‰ 。為提高旅客乘坐的安全性、舒適性,減小橋梁振害及減少運營期間的維修工作量,滿足高速鐵路運營的要求,梁上采用的板式無碴軌道,為京滬高速鐵路的施工做了一定的技術(shù)準備。 2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及特點 板式無碴軌道是由預(yù)制的軌道板、混凝土底座,以及介于兩者之間的CA 砂漿填充層組成,在兩塊軌道板之間設(shè)凸形擋臺以承受縱、橫向水平力。 秦沈客運專線雙河特大橋板式無碴軌道特點是:結(jié)構(gòu)高度699mm,3.2 t/延m。具有結(jié)構(gòu)高度低、自重輕、現(xiàn)場混凝土施工量少、可修復(fù)行強、施工需專用設(shè)備等特點。 3 施工工藝要點 3.1 軌道板制造 軌道板是板式無碴軌道的重要組成部分之一,列車荷載和振動等產(chǎn)生的巨大能量先由其傳給橋梁。軌道板的平整度、預(yù)埋件位置直接影響鋪軌質(zhì)量及橋梁振動,因此,軌道板制造精度要求非常高,而且必須具有很高的平整度和抗裂性。軌道板設(shè)計為雙向預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。 軌道板C60混凝土,要求彈性模量為35GPa,分A、B、C、D、E五種型式,其中A型外形尺寸為4930×2400X190 mm ,B、C 型為4765X 2400X190 mm ,D、E型為3765X2400X190 mm。 軌道板的平整度及預(yù)埋件、預(yù)留管道位置的精度主要通過模型的精度來控制。鋼模型底模平整度保證在0.5 mm 范圍內(nèi),各預(yù)埋件在底模上的預(yù)留安裝偏差不得大于0.5 mm,采用螺栓固定安裝預(yù)埋件。鋼模板允許偏差:長度、寬度為士1.5 mm,高度為+0~一1.5 mm,預(yù)埋件及平整度為±0.5 mm。 鋼筋加工及綁扎在專用模具上完成,預(yù)應(yīng)力孔道采用ф18mm 的鋼管成孔,混凝土澆注過程中以底振為主,面振為輔,采用蒸汽養(yǎng)護,靜停3h后升溫,升溫、降溫速度不超過每h15 C,恒溫控制在4O~50 C。最高溫度不大于55℃ ,恒溫的持續(xù)時間在6 h以內(nèi)。張拉時先對稱先張拉橫向孔道,后張拉縱向孔道,縱向雙層孔道每排同時對稱張拉。采用張拉力控制,伸長值量作為校核,并嚴格控制夾片回縮量。 3.2 底座混凝土基礎(chǔ) 底座混凝土基礎(chǔ)是板式無碴軌道基礎(chǔ)的找平層及橋上曲線段超高設(shè)置的調(diào)整層,施工的關(guān)鍵是施工控制測量及凸形擋臺的準確定位。 凸形擋臺模型的安裝,曲線段遵循調(diào)平、對中、再調(diào)平的原則,反復(fù)調(diào)整直至滿足要求為止。 3.3 軌道板鋪設(shè) 不同型號的軌道板按設(shè)計位置要求放置,曲線梁段每塊軌道板必須按相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角放置,并在凸形擋臺上標出線路中心線。 軌道板利用專用機具設(shè)備精確調(diào)整對位,前后和左右方向由調(diào)整器旋轉(zhuǎn)絲杠進行調(diào)整,上下由松緊倒鏈或調(diào)整螺栓進行調(diào)整。其允許偏差:與線路中心線的偏差2mm,支撐點處板頂高程偏差±1 mm,前后位置偏差±3mm。 3.4 CA 砂漿研制與施工 3.4.1 CA砂漿特性 CA 砂漿由水泥、乳化瀝青、細骨料(砂)、混合料、水、鋁粉、各種外加劑等多種原材料組成,其基本配方為:水泥225 kg,膨脹混合物45 kg,乳化瀝青480kg,砂600 kg,鋁粉0.04 kg,消泡劑0.15 kg,引氣劑2.5 kg,水105 kg。CA 砂漿作為板式軌道混凝土底座與軌道板問的彈性調(diào)整層,是一種具有混凝土的剛性和瀝青的彈性的半剛性體。 CA 砂漿調(diào)整層是板式無碴軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分,其性能的好壞直接影響板式軌道應(yīng)用的耐久性和維修工作量。為此,秦沈客運專線橋上無碴軌道課題組對板式軌道CA 砂漿開展了為期3年的科研攻關(guān)工作,在科研、設(shè)計與施工部門的大力配合下,課題研究取得了可喜的成果,其各項性能指標均達到或接近國外同類產(chǎn)品的質(zhì)量水平,為板式無碴軌道結(jié)構(gòu)在我國快速客運專線的首次鋪設(shè)創(chuàng)造了條件。 在秦沈客運專線橋上橋式軌道CA 砂漿的研究與試驗過程中,為少走彎路,加快研究進程,在借鑒日本新干線板式軌道CA 砂漿研究資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國前期的研究成果,針對性地提出了板式軌道CA 砂漿的性能指標及相應(yīng)的試驗方法。其主要性能指標要求如下表。 從CA 砂漿的材料組成及性能指標要求可以看出,其技術(shù)的開發(fā)難度較大。材料既要滿足強度和彈性要求。又必須具有必要的施工性能,同時考慮到CA 砂漿在寒冷地區(qū)使用工況,還應(yīng)具備抗凍融性能,以保證其長期使用的耐久性。 3.4.2 主要技術(shù)性能指標與試驗方法 3.4.2.1 抗壓強度 (1)由輪重決定的抗壓強度 板式軌道CA砂漿填充于軌道板板底及凸形擋臺四周,因此其抗壓強度的確定取決于設(shè)計輪重以及作用于凸形擋臺上縱向力的大小。設(shè)計輪重作用下軌道板下CA 砂漿所需要的抗壓強度為0.1 MPa。 (2)由作用于凸形擋臺上縱向力決定的抗壓強度凸型擋臺與軌道板間的CA砂漿填充層所承受的 最大合力F為: 板式軌道CA 砂漿的抗壓強度主要由凸形擋臺周圍的CA砂漿層的受力條件所決定。秦沈客運專線板式軌道CA砂漿設(shè)計時還應(yīng)考慮其抗凍性能,相應(yīng)的強度指標也要提高。但強度指標太高,彈性模量相應(yīng)增大,勢必影響適度彈性的設(shè)計初衷,為此,借鑒日本板式軌道CA 砂漿的強度指標,設(shè)計要求CA 砂漿28 d的抗壓強度指標應(yīng)在1.8~2.5 MPa范圍內(nèi)。 為提高CA 砂漿抗初期凍害性,提高施工工效,設(shè)計中,相應(yīng)地對不同齡期的強度提出要求。 (3)試驗方法 CA砂漿抗壓強度試驗采用“單軸壓縮法”進行。試件為70.7×70.7×70.7 mm 的立方體,利用壓力試驗機以每min試件變形0.5 mm加載速率勻速加載,當壓力不再上升時停止加載,其壓力最大值即為該試件在各齡期時的抗壓強度。 3.4.2.2 彈性模量 在CA 砂漿的強度指標范圍內(nèi),在配制各種砂漿配方的試驗中,進行了大量試驗,確定砂漿28d的彈性模量范圍在200~600 MPa之間。 CA 砂漿彈性模量試驗方法與抗壓強度基本相同,試件為70.7×70.7×220 mm 的棱柱體,利用壓力試驗機以試件變形0.5 mm/min加載速率勻速加載,加載最大值為抗壓強度的1/3。由于CA 砂漿具有一定的塑性,彈性模量試驗曲線實際上為一螺旋線,試驗中取第四次加載曲線起始點的割線斜率為該試件的彈性模量。 3.4.2.3 流動度與可工作時間 CA 砂漿流動度與可工作時間是保證板式軌道CA 砂漿現(xiàn)場灌注施工質(zhì)量的重要指標。為確定CA 砂漿流動度指標,試驗采用容積為640ml的特制漏斗進行測定,將拌和好的砂漿注入漏斗、自打開出口開始,至砂漿全部流出所經(jīng)歷的時問,即為流動度。適宜的流動度對于砂漿的性能與灌注質(zhì)量非常重要,流動度過小,砂漿材料會出現(xiàn)離析,影響其強度和耐久性;流動度過大,砂漿粘稠,就難以將軌道板與基礎(chǔ)間的空隙填充密實,影響其強度和耐久性,直接影響灌注質(zhì)量。結(jié)合大量試驗,確定流動度指標在16~26s范圍內(nèi)。 影響CA 砂漿流動度的因素很多,在拌和方式,投料順序一定的條件下,流動度隨溫度、外加劑、主要原材料的配合比、水灰比的變化而不同。 CA砂漿的可工作時問是指CA 砂漿處于規(guī)定的流動度范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時問,考慮到現(xiàn)場從砂漿拌和站配制好、運輸過程、灌注作業(yè)所需要的時問,規(guī)定CA 砂漿的可工作時問不少于30min。 CA砂漿流動度的試驗采用“漏斗法”進行。將配制好的砂漿注入漏斗內(nèi),打開出口閥門,同時開始計時,砂漿從漏斗全部流出所經(jīng)歷的時問,即為砂漿的流動度——t(以s計)。 可工作時間的試驗方法與流動度相同,但同一試樣每隔5 min做一次,并繪出流動度曲線,既流動度與累計時問的對應(yīng)關(guān)系。砂漿在流動度設(shè)計范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間即為砂漿的可工作時間——T(以min計)。 3.4.2.4 膨脹率 CA 砂漿灌注后固化,一般會產(chǎn)生2~3 mm 的收縮,因此直接影響板底砂漿的填充效果,為此設(shè)計中必須考慮在原材料中添加適量的膨脹劑(如鋁粉等)使砂漿產(chǎn)生膨脹。設(shè)計中要求CA 砂漿膨脹率應(yīng)控制在1~3 之內(nèi)。 CA砂漿膨脹率采用量筒、游標卡尺進行測定。將配制好的CA 砂漿注入量筒內(nèi),其上加上一塊玻璃板,用游標卡尺測量玻璃板至砂漿表面的高度。 3.4.2.5 材料分離度 保證CA砂漿固化體的勻質(zhì)性,采用材料分離度作為勻質(zhì)性評價的指標,借鑒日本板式軌道CA 砂漿與我國前期試驗的結(jié)果,確定CA 砂漿的材料分離度在3以下。材料分離度試驗采用“等分法”進行測定。 3.4.2.6 空氣含量 在CA砂漿的配制過程中導(dǎo)入適量的微小氣泡,可提高抗凍性,這種氣泡可緩和CA 砂漿層內(nèi)的自由水等受凍害膨脹時產(chǎn)生的凍晶壓力,根據(jù)日本鐵路的研究結(jié)果,空氣含量達8以上時,抗凍害性有顯著的提高,但若超過16,砂漿層的密實度降低,影響其抗壓強度。為此,設(shè)計中將空氣量控制在8~12 范圍內(nèi)。 在CA 砂漿內(nèi)導(dǎo)入空氣后,相應(yīng)地要采取添加適量的消泡劑以及采用特殊的拌和方法等措施,以提高CA砂漿的質(zhì)量。 空氣量的試驗主要是實測砂漿試件的單位容積的重量。為得出空氣量的大小,在砂漿配制前,稱量砂漿所用原材料的重量,了解原材料的比重,從而計算出砂漿理論單位容積重量。 3.4.2.7 耐久性(抗凍性能) 普通的CA 砂漿容易遭受凍害,表層會發(fā)生結(jié)構(gòu)松疏和局部掉落的情況,必須研制并開發(fā)出抗凍性CA 砂漿。 (1)凍害分析 CA 砂漿受凍害劣化的情況,主要分固結(jié)體的凍害和未固結(jié)或未達齡期前的初期凍害兩種。普通CA砂漿拌合后,部分水開始與水泥發(fā)生水化反應(yīng),成為水泥漿,在凝固并達到一定強度以前,水化反應(yīng)一直進行。在水泥的水化、凝結(jié)作用下CA砂漿將產(chǎn)生一定收縮,而同時砂漿中的游離水較多,當溫度低時,游離水結(jié)冰造成CA 砂漿體積膨脹,產(chǎn)生冰晶壓力,且初期強度較低,CA 砂漿很容易發(fā)生凍脹破壞。水泥水化全部完成后,仍有部分水以游離水的狀態(tài)存在CA 砂漿中,當溫度降低后,CA 砂漿中瀝青隨溫度下降而體積收縮,同時由于游離水受凍產(chǎn)生的冰晶壓力的影響而導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)劣化,從而發(fā)生破壞。故凍害產(chǎn)生的原因主要是CA 砂漿的不勻質(zhì)組織結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)中存在的游離水和體積收縮。 (2)提高抗凍性的措施 經(jīng)上分析可知,通過改善CA 砂漿的組織結(jié)構(gòu)、減少拌合用水及補償體積收縮可防止凍害。防止初期凍害主要采取提高CA砂漿早期強度、加速凝結(jié)時間、選擇適宜的養(yǎng)生條件等措施: ① 優(yōu)化配合比、改進原材料 采用42.5級早強普通硅酸鹽水泥,加快CA 砂漿的凝結(jié)固化時間,提高CA砂漿的早期強度;加入膨脹性混合材料,用以補償CA砂漿的凝結(jié)固化時的收縮;加入防水性材料,增加CA砂漿的密實度,降低CA 砂漿的透水率,阻止補給水。 ② 引入一定量的微小氣泡 加入消泡劑及引氣劑,引入一定量的微小氣泡。在拌合時,加入適量的消泡劑,使比較大的氣泡破泡并細化。加入引氣劑,使引入的氣泡含量穩(wěn)定。氣泡的主要作用是阻止補給水及水的游動和緩沖冰晶壓力。經(jīng)試驗,氣泡含量在9~ 12 范圍內(nèi)效果最佳。 ③ 減少拌合用水 通過減少拌合用水,降低CA 砂漿內(nèi)的水含量,減少凍害。用水量必須在保證CA砂漿各項指標符合要求下方可降低。 ④ 加強養(yǎng)護 CA 砂漿拌合須嚴格按照要求進行,保證早期強度及空氣含量,同時加強養(yǎng)護工作,保證CA 砂漿灌注完成后處于5~25℃ 的養(yǎng)護環(huán)境。 (3)凍融試驗及結(jié)論 對不同配方的CA 砂漿進行快速凍融循環(huán)試驗,以檢驗其耐久性。根據(jù)其研究結(jié)果,提高CA 砂漿抗凍性的對策,主要有:改進瀝青乳化劑和減少砂的用量來減少攪拌水;使用消泡劑或聚合物使結(jié)構(gòu)致密化,提高防水性;采用AE劑用微小氣泡來緩沖冰晶壓力是有效的,試驗結(jié)果得出導(dǎo)入適量的空氣量(8~12%)對防止凍害是最有效的措施。 CA 砂漿抗凍性試驗采用10×1O0×400mm 的棱柱體試件,試件在28天齡期時開始凍融試驗,試驗前在溫度15~12℃ 的水中浸泡,浸泡4天后進行試驗。參照混凝土凍融試驗標準,CA 砂漿的凍融循環(huán)試驗評定標準為凍融循環(huán)300次后,相對動彈模量P下降到凍融前的百分比不超過60 。 3.4.3 CA 砂漿的性能試驗結(jié)果 為達到上述CA砂漿性能指標的設(shè)計要求,課題組進行了近百種砂漿配方的試制工作,并在砂漿基本力學性能指標滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上,從中選定了8種配方于2000年9月~11月進行了CA砂漿的抗凍性試驗,其中的6種配方滿足了耐久性的試驗標準。為進一步完善板式軌道CA 砂漿的配方研制與拌和工藝,在第一階段砂漿抗凍性試驗滿足要求的6種配方基礎(chǔ)上,第二階段選定了2種各項性能優(yōu)良的砂漿配方,在砂漿配方中添加聚合物乳液、聚丙烯纖維等外加劑,于2001年2月~4月再次進行了凍融循環(huán)試驗。試驗結(jié)果見表2: 3.5 CA 砂漿施工 |
原作者: 李俊 中鐵三局集團有限公司 |
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