高速铁路桥梁板式无碴轨道的施工技术.docx

高速铁路桥梁板式无碴轨道的施工技术作者：周一明提要：本文介绍了用于秦沈客运专线桥梁上的一种新型轨道结构 板式无碴轨道施工技术，主要包括轨道板的制造、CA 砂浆的研究及配制，混凝土底座及凸形挡台施工、轨道板铺设、CA 砂浆灌注、充填式垫板的施工等一系列关键技术，对城市高架轻轨、高速铁路桥梁等工程推广此项新技术具有重要参考价值和实用价值。关键词：客运专线；桥梁；板式无碴轨道前言高速铁路是我国国民经济发展对铁路路网建设的必然要求，特别是党的十六大确定了全面建设小康社会的宏伟目标，铁道部党组提出了铁路跨越式发展的新思路，并制定了铁路中长期发展规划，2004年年初于国务院办公会上获得通过。高速铁路不同于以往的铁路建设，我们可以从直观上认识到：“建设标准高，运营速度快”。如何做到建设高标准和运营高速度，涉及到设计水平、施工工艺、设备的先进性和运转状况等各方面。设计是项目前期工作的重点，直接影响项目建设的成效和建设资金的效果，必须高度重视。 随着我国铁路运营速度的不断提高，有碴轨道在列车荷载反复作用下轨道残余变形积累很快，从而导致轨道高低不平顺，影响旅客乘坐的舒适性，增大轨道养护维修工作量。板式无碴轨道是用双向预应力轨道板及CA 砂浆替换传统有碴轨道的轨枕和道碴的一种新型轨道型式。秦沈客运专线是我国第一条设计时速大于200 km/h的高速铁路，其中双何特大桥全长703.33 m，梁体为单线箱梁，上下线并行。桥梁位于两个曲线及其间的夹直线上，纵坡为9.9 和一1.5 。为提高旅客乘坐的安全性、舒适性，减小桥梁振害及减少运营期间的维修工作量，满足高速铁路运营的要求，梁上采用的板式无碴轨道。一.结构设计及特点 板式无碴轨道是由预制的轨道板、混凝土底座，以及介于两者之间的CA 砂浆填充层组成，在两块轨道板之间设凸形挡台以承受纵、横向水平力。 秦沈客运专线双河特大桥板式无碴轨道特点是：结构高度699mm，3.2 t/延m。具有结构高度低、自重轻、现场混凝土施工量少、可修复行强、施工需专用设备等特点。二.施工工艺要点 1. 轨道板制造 轨道板是板式无碴轨道的重要组成部分之一，列车荷载和振动等产生的巨大能量先由其传给桥梁。轨道板的平整度、预埋件位置直接影响铺轨质量及桥梁振动，因此，轨道板制造精度要求非常高，而且必须具有很高的平整度和抗裂性。轨道板设计为双向预应力混凝土构件。 轨道板的平整度及预埋件、预留管道位置的精度主要通过模型的精度来控制。钢模型底模平整度保证在0.5 mm 范围内，各预埋件在底模上的预留安装偏差不得大于0.5 mm，采用螺栓固定安装预埋件。钢模板允许偏差：长度、宽度为士1.5 mm，高度为+0一1.5 mm，预埋件及平整度为0.5 mm。 钢筋加工及绑扎在专用模具上完成，预应力孔道采用18mm 的钢管成孔，混凝土浇注过程中以底振为主，面振为辅，采用蒸汽养护，静停3h后升温，升温、降温速度不超过每h15 C，恒温控制在4O50 C。最高温度不大于55 ，恒温的持续时间在6 h以内。张拉时先对称先张拉横向孔道，后张拉纵向孔道，纵向双层孔道每排同时对称张拉。采用张拉力控制，伸长值量作为校核，并严格控制夹片回缩量。 2 .底座混凝土基础 底座混凝土基础是板式无碴轨道基础的找平层及桥上曲线段超高设置的调整层，施工的关键是施工控制测量及凸形挡台的准确定位。 凸形挡台模型的安装，曲线段遵循调平、对中、再调平的原则，反复调整直至满足要求为止。 3. 轨道板铺设 不同型号的轨道板按设计位置要求放置，曲线梁段每块轨道板必须按相应的偏转角放置，并在凸形挡台上标出线路中心线。4. CA 砂浆研制与施工 CA砂浆特性CA 砂浆作为板式轨道混凝土底座与轨道板问的弹性调整层，是一种具有混凝土的刚性和沥青的弹性的半刚性体。 CA 砂浆调整层是板式无碴轨道结构的关键组成部分，其性能的好坏直接影响板式轨道应用的耐久性和维修工作量。在日本新干线板式轨道CA 砂浆研究资料的基础上，结合我国前期的研究成果，针对性地提出了板式轨道CA 砂浆的性能指标及相应的试验方法。其主要性能指标要求如下表。 从CA 砂浆的材料组成及性能指标要求可以看出，其技术的开发难度较大。材料既要满足强度和弹性要求。又必须具有必要的施工性能，同时考虑到CA 砂浆在寒冷地区使用工况，还应具备抗冻融性能以保正其长期使用的耐久。三.主要技术性能指标与试验方法 抗压强度 (1)由轮重决定的抗压强度 板式轨道CA砂浆填充于轨道板板底及凸形挡台四周，因此其抗压强度的确定取决于设计轮重以及作用于凸形挡台上纵向力的大小。设计轮重作用下轨道板下CA 砂浆所需要的抗压强度为0.1 MPa。(2)由作用于凸形挡台上纵向力决定的抗压强度凸型挡台与轨道板间的CA砂浆填充层所承受的 板式轨道CA 砂浆的抗压强度主要由凸形挡台周围的CA砂浆层的受力条件所决定。 (3)试验方法 CA砂浆抗压强度试验采用“单轴压缩法”进行。利用压力试验机以每min试件变形0.5 mm加载速率匀速加载，当压力不再上升时停止加载，其压力最大值即为该试件在各龄期时的抗压强度。 弹性模量 CA 砂浆弹性模量试验方法与抗压强度基本相同，试件为70.770.7220 mm 的棱柱体，利用压力试验机以试件变形0.5 mm/min加载速率匀速加载，加载最大值为抗压强度的1/3。由于CA 砂浆具有一定的塑性，弹性模量试验曲线实际上为一螺旋线，试验中取第四次加载曲线起始点的割线斜率为该试件的弹性模量。 流动度与可工作时间 CA 砂浆流动度与可工作时间是保证板式轨道CA 砂浆现场灌注施工质量的重要指标。为确定CA砂浆流动度指标，试验采用容积为640ml的特制漏斗进行测定，将拌和好的砂浆注入漏斗、自打开出口开始，至砂浆全部流出所经历的时间，即为流动度。 影响CA 砂浆流动度的因素很多，在拌和方式，投料顺序一定的条件下，流动度随温度、外加剂、主要原材料的配合比、水灰比的变化而不同。 可工作时间的试验方法与流动度相同，但同一试样每隔5 min做一次，并绘出流动度曲线，既流动度与累计时问的对应关系。砂浆在流动度设计范围内所经历的时间即为砂浆的可工作时间T(以min计)。 膨胀率 CA 砂浆灌注后固化，一般会产生23 mm 的收缩，因此直接影响板底砂浆的填充效果，为此设计中必须考虑在原材料中添加适量的膨胀剂(如铝粉等)使砂浆产生膨胀。设计中要求CA 砂浆膨胀率应控制在13 之内。 CA砂浆膨胀率采用量筒、游标卡尺进行测定。将配制好的CA 砂浆注入量筒内，其上加上一块玻璃板，用游标卡尺测量玻璃板至砂浆表面的高度。 材料分离度 保证CA砂浆固化体的匀质性，采用材料分离度作为匀质性评价的指标，借鉴日本板式轨道CA 砂浆与我国前期试验的结果，确定CA 砂浆的材料分离度在3以下。材料分离度试验采用“等分法”进行测定。 空气含量 在CA砂浆的配制过程中导入适量的微小气泡，可提高抗冻性，这种气泡可缓和CA 砂浆层内的自由水等受冻害膨胀时产生的冻晶压力。 在CA 砂浆内导入空气后，相应地要采取添加适量的消泡剂以及采用特殊的拌和方法等措施，以提高CA砂浆的质量。 空气量的试验主要是实测砂浆试件的单位容积的重量。为得出空气量的大小，在砂浆配制前，称量砂浆所用原材料的重量，了解原材料的比重，从而计算出砂浆理论单位容积重量。耐久性(抗冻性能) (1)冻害分析。普通CA砂浆拌合后，部分水开始与水泥发生水化反应，成为水泥浆，在凝固并达到一定强度以前，水化反应一直进行。在水泥的水化、凝结作用下CA砂浆将产生一定收缩，而同时砂浆中的游离水较多，当温度低时，游离水结冰造成CA 砂浆体积膨胀，产生冰晶压力，且初期强度较低，CA 砂浆很容易发生冻胀破坏。水泥水化全部完成后，仍有部分水以游离水的状态存在CA 砂浆中，当温度降低后，CA 砂浆中沥青随温度下降而体积收缩，同时由于游离水受冻产生的冰晶压力的影响而导致组织结构劣化，从而发生破坏。故冻害产生的原因主要是CA 砂浆的不匀质组织结构、结构中存在的游离水和体积收缩。 (2)提高抗冻性的措施 经上分析可知，通过改善CA 砂浆的组织结构、减少拌合用水及补偿体积收缩可防止冻害。防止初期冻害主要采取提高CA砂浆早期强度、加速凝结时间、选择适宜的养生条件等措施，CA 砂浆拌合须严格按照要求进行，保证早期强度及空气含量，同时加强养护工作，保证CA 砂浆灌注完成后处于525 的养护环境。 (3)冻融试验及结论 对不同配方的CA 砂浆进行快速冻融循环试验，以检验其耐久性。根据其研究结果，提高CA 砂浆抗冻性的对策，主要有：改进沥青乳化剂和减少砂的用量来减少搅拌水；使用消泡剂或聚合物使结构致密化，提高防水性；采用AE剂用微小气泡来缓冲冰晶压力是有效的，试验结果得出导入适量的空气量(812%)对防止冻害是最有效的措施四CA 砂浆首先是CA 砂浆的制配 在施工现场制配时，CA 砂浆的配合比要根据气候条件、温度条件及现场所采购的材料性能的变化，通过试验及时修正配合比，每次要求留足够的砂浆用于检测的砂浆试块，并做好试验记录。 其次， 现场配合比的修正 (1)标准配合比是基础，要根据使用的搅拌机和容量，求出现场的配合比。 (2)测定当日使用砂的表面水量。(3)砂的表面水量、吸水率的水量。(4)河砂进货时表面有较多的附着水，因此使用时要测定表面水进行必要的修正 最后， CA 砂浆的搅拌 CA 砂浆的搅拌是用水泥沥青砂浆搅拌机(容量为1m。)进行的，材料的加入是按A型乳剂一水(聚合物、消泡剂)一细骨料(砂)、铝粉一混合料CAA一水泥一AE剂的顺序进行的，材料的投入通常都是仔细地进行的，A 型乳剂和水泥一经接触就开始反应，为有效地利用可注入时间，而把水泥的加入放在最后进行，因为铝粉的用量是微少的，为防止投入铝粉时发生飞散现象，在投入之前最好与砂料掺合之后再投入，水泥的加入以分散加入为最好，为此，应在搅拌机投料口上安置一个用6mm 左右的钢筋制成的孔径为10 cm 的钢丝网罩，或者像用落水管送入那样为宜，另外，材料的计量以重量计量为原则。低温时的CA 砂浆施工： CA砂浆中的乳剂的使用温度为530 ，搅拌温度以1O 25 为标准。在低温施工时，为了达到这种温度需要加热原材料、容器保温、还要有防风设备，并采用如下一系列供热手段，以达到施工可能，得到要求的CA 砂浆性能。 低温时，砂浆拌和的温度要使用1O 以上的材料，沥青A乳剂保持在5O ，与水泥混合时在3O以下是必要的。 采用温水，砂水要不受雪冻、雨水，用罩布盖好保管为好。水泥可原状使用，不能直接加热、与高温水接触。乳剂桶、搅拌机、管道。软管等以及保温材等都用罩布覆盖为好，养生时最好盖上罩布，并采用积极手段，从外面加热的方法等。 CA 砂浆的现场灌注 (1)安置模板。 轨道板的整正一经完毕，就应在轨道板和混凝土基床、混凝土凸型挡台之间注入CA 砂浆，在注入之前，为不使CA砂浆溢出，并能填筑充分，应安置模板，进行模板的施工时，应注意以下几点： 轨道板和混凝土基床之间，检查是否积有尘埃或水、冰、雪等物，如有应事先清除，并且在安置完模板以后，也不应混入尘埃或水等物，为此最好覆以罩布防护为宜； 模板用钢模或木模都可以，但应当是在注入过程中不致发生变形的； 对模板应事先涂敷脱模剂，因为不涂敷脱模剂在脱模时容易伤损CA 砂浆；所用脱模剂应以不防碍CA 砂浆的硬化为原则； 了解模板依其使用目的 砂浆的注入 CA 砂浆的注人，要以不致带人空气为原则徐徐地连续进行，还应注意不致引起材料离析，并且完全充分地充填孔隙。因此，应加强对CA 砂浆的注人。 无级调高充填式垫板施工 当板式无碴轨道应用于轨面标高渐变的缓和曲线与竖曲线地段时，最小厚度为2mm 的轨下调高垫板难以实现对板长范围内的轨道不平顺的精细调整，因此必须采用与板式轨道相配套的充填式无级调高垫板，以实现线路的高平顺性要求。 轨道状态调整 充填式垫板的充填厚度以46 mm 左右为宜，超出部分应在铁垫板下垫入预制的调高垫板。在每块轨道板范围内，每股钢轨的轨底与板顶之间插入3个调整垫块，调整垫块前后的扣件必须按规定的扭矩拧紧，其它扣件螺栓用手拧紧即可。 无级调高充填式垫板施工 充填式垫板注入袋必须在轨道状态精细调整全部结束后插入。注入袋的注入口应置于轨道的同一侧，按一致的注入方向插入。对于曲线超高区段，注入口应朝低的方向，从低侧注入。 采用机械注入树脂，连续地进行充填作业。注入的压力应严格控制，要求以1.5 kg/cm。以下的压力缓慢注入；在确认树脂固化后，方可剪除注入口、排气口，且不得损伤垫板；轨底与轨道板顶间设置的调整垫块应在充填式垫板允许可承载时间(10 h)后撤出。 结束语 综上所述，秦沈客运专线双河曲线特大桥上板式无碴轨道完全采用了具有中国知识产权的“综合施工技术科研成果”，并成功运用于秦沈客运专线首座曲线桥上，总结出了一套完整的施工工艺及综合施工技术，自主研发了高精度的双向预应力轨道板钢模型及蒸养控制技术，成功研制出抗冻性CA 砂浆及拌制工艺，自主研制了无级变频调速控制及电脑程序控制的双卧轴强制式拌合机、无级调高充填式垫板、轨道板铺设及精调技术。这些技术首次在秦沈客运专线双河特大桥