鋼彈簧浮置板

鋼彈簧浮置板道床是將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置在鋼彈簧隔振器上,構成質量-彈簧-隔振系統。

1.概述
如何解決軌道交通中振動和噪聲對環境的破壞和居民生活的影響,成為人們關注捷運建設的焦點,也成為城市軌道交通建設能否可持續發展的關鍵之一。傳統減振技術在減振降噪方面因減振效果有限,列車運行經過時產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減振技術顯然已不再適用。正因如此,國內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套用方面作了大量工作,相繼開發了多種浮置板結構形式以及配套隔振支座和施工工藝。德國最先在科隆捷運中採用了浮置板軌道系統,並在1994年投入運營的柏林捷運中採用了鋼彈簧浮置板道床軌道結構。
截至目前鋼彈簧浮置板道床已具有90多年的歷史,由於造價較高,它主要用於醫院、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、韓國等國套用外,國內近年來在北京、上海、廣州、成都、重慶等城市的捷運建設中也得到了推廣。它具有如下優點:(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,不影響捷運列車運行;(5)基礎沉降造成的高度變化可通過增減調平鋼板厚度實現。
鋼彈簧浮置板減振道床是近年來在國內捷運領域中廣泛採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、頂升等工程內容,鋼筋綁紮及混凝土灌注工作量大,綜合施工進度為5m/d,施工周期長。如果採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採用預鋪方案,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,然後人工轉移到工作面。
2.1　工藝原理
鋼彈簧浮置板減振軌道是將具有一定質量和剛度的混凝土道床板浮置於鋼彈簧隔振器上,距離基礎墊層頂面30mm或40mm,構成質量-彈簧-隔振系統。隔振器內放有螺鏇鋼彈簧和粘滯阻尼,鋼彈簧隔振器內的粘滯阻尼使鋼彈簧具有三維彈性,增加了系統的各向穩定性和安全性,且能抑制和吸收固體聲。作用在鋼軌上的力傳遞給浮置於鋼彈簧隔振器上的道床板,道床板可以提供足夠的慣性質量來抵消車輛產生的動荷載,只有靜荷載和少量殘餘動荷載會通過彈性支承傳遞到基礎墊層中去。道床板受力後,在慣性作用下將受到的力經過重新分配後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容多、工序複雜、施工周期長,現場施工通常採用預鋪的方式進行。施工時先澆築基礎墊層,再進行浮置板道床施工。通常採用工具軌及與浮置板斷面形式相適應的鋼軌支撐架調整線路幾何尺寸,扣配件類型及標準與普通整體道床線路相同,軌道調整就位後道床混凝土採用現場泵送的方式進行澆築。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,以便於後期鋼彈簧浮置板道床的頂升。頂升工作在浮置板混凝土澆築完成28d後進行。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線,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其所處工況的不同而有所區別:‍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道床斷面如圖2~圖4所示。 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採用軌下橡膠墊板,在要求較高的地段則採用Ⅲ型軌道墊板替代傳統的鐵墊板。Ⅲ型軌道墊板也稱科隆蛋,是常見的較好的隔振手段,在北京捷運10號線一期工程中套用較廣,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下變形,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,它在廣州捷運2、3號線中得到大量套用。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髒物進入橡膠套靴內部時可能對結構性能或壽命產生不利影響,同時,橡膠套側面磨損後,其橫向剛度也會降低,影響減振效果。
3.3　扣件減振
扣件減振方面套用比較成功的是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,國內最先在廣州捷運1號線進行試驗,並在廣州捷運3號線中首次得到了套用。該系統較其它傳統鐵路扣件最大的優點在於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的輻射噪音和振動,同時能保證軌道幾何狀態不變,可以較低的軌道高度實現較好的減振效果。特別適用於因減振需要對營業線進行換鋪工程;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,通過橡膠或螺鏇鋼彈簧等彈性元件支承整體道床,並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量來抵消車輛產生的動荷載,只有靜荷載和少量殘餘動荷載會通過橡膠或螺鏇鋼彈簧等彈性元件傳遞到基礎結構上。
橡膠浮置板在廣州捷運2號線中套用較多,其減振效果優於Ⅲ型軌道減振器及彈性短軌枕,但由於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)由於橫向剛度較低及阻尼較小,列車運行至隔振地段時車內振動噪聲明顯增大,鋼軌內側磨損加劇;(3)隔振效果10~15dB,但固有頻率為15~20Hz,對於軟土地基及低頻振源地段隔振效果並不理想。
鋼彈簧浮置板道床是德國GERB(隔爾固)公司研製的彈簧隔振器浮置板軌道,它採用螺鏇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,由於造價較高,它主要用於醫院、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、韓國等國套用外,國內近年來在北京、上海、廣州等城市的捷運建設中也得到了推廣。它具有如下優點:(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,不影響捷運列車運行;(5)基礎沉降造成的高度變化可通過增減調平鋼板厚度實現。
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捷運領域中廣泛採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、頂升等工程內容,鋼筋綁紮及混凝土灌注工作量大,綜合施工進度為5m/d,施工周期長。如果採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採用預鋪方案,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,然後人工轉移到工作面。在北京捷運10號線一期工程施工時我們根據現場實際情況,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。K1+130~K1+250段鋼彈簧浮置板道床因離萬柳鋪軌基地較近,施工時則採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。這樣可以爭取作業時間,使鋼彈簧浮置板道床與普通整體道床線路施工齊頭並進,需要注意的是要提前進行現場調查並選擇好下料口用於泵送混凝土。
4.2　與普通整體道床線路的連線
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,則按照正常作業程式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築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後一塊板灌注完畢28d後方能進行頂升),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線處理,須考慮鋼彈簧浮置板減振道床預留的頂升高度,防止出現錯台現象。
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:認為鋼彈簧浮置板道床頂升工作完成後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,國內捷運洞內鋪軌施工時通常先採用短軌進行鋪設,長軌施工時再利用現場移動式接觸焊機進行短軌焊接作業。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並無直接先後聯繫。
4.6　接觸軌施工
採用接觸軌供電,接觸軌安裝在軌道鋪設後隨即進行,同樣因工期原因,且頂升過程並不改變接觸軌與鋼軌的相對位置關係,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線工作待鋼彈簧浮置板道床頂升完成後進行。
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,是城市捷運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捷運13號線試用以來,已陸續在上海捷運、廣州捷運中得到採用,並逐步延伸到深圳捷運、南京捷運、杭州捷運及成都捷運,成為國內捷運建設不可分割的組成部分,具有廣闊的套用前景。
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