短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法.pdf

一种短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，将三支以上标准钢轨在基地焊接成长轨条，将两支长轨条与短轨枕、扣件及钢枕组成长轨排。由轻轨牵引车将长轨排运至施工现场并由龙门吊车组将长轨排吊运至设计安装位置进行调轨、焊接和临时固定，然后进行道床浇灌，轨温锁定。本发明的方法，将传统的大量需要在洞内或轻轨施工现场完成的作业移至铺轨基地，采用工厂化流水作业完成，既提高了轨排组装质量，又减轻了工人的劳动强度和对环境的污染，缩短了施工工期，钢轨间的焊接质量有了保证，焊接接头不会置于轨枕上，曲线线路圆顺。在洞内采用机械整体吊运和安装轨排，使作业面简洁、安全、文明，同时也加快了工程进度。本发明的方法可以将轨排长度为125米更长的长轨排一次组装、运输、焊接并安装成功。

1、  一种短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，包括如下步骤：
a：将至少三支以上的标准轻钢轨首尾相连焊接成长轨条；
b：将两支长轨条与若干个短轨枕及相应的扣件和若干个带铰的长钢枕组装成一个长轨排；
c：由轨道牵引列车将上述长轨排运送至施工现场；
d：在施工现场由若干台起吊设备将所述长轨排吊运至设计安装位置；
e：将所述长轨排一端接头与上支已安装固定的长轨排端部接头焊接后进行状态调整；
f：将焊接后的长轨排下部的短轨枕进行间隔固定；
g：检查轨排状态符合规范要求，对道床进行混凝土灌注；
h：道床混凝土灌注完毕后，其强度达到设计强度的70％以上时进行下一个从步骤c开始的循环铺设安装，直至整个线路全部铺设完毕。

2、  按照权利要求1的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其特征在于步骤a所述的长轨条是由5支或5支以上标准短轨条组成的。

3、  按照权利要求2的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其特征在于步骤c长轨排运输过程中，所述长轨排在牵引列车上的安放采用中部固定、其它若干点设置横向限位、纵向自由移动装置的方法。

4、  按照权利1、2或3的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其特征在于所述长轨排的焊接过程中，在焊接接头附近设置有临时滚道，临时滚道之外的轨排仍然悬吊在起吊设备的吊索上。

5、  按照权利要求4的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其特征在于所述的临时滚道是在焊接接头附近每隔2-4米设置一个独立的滚轴支架，并且至少设置三个以上同样的支架构成一个临时滚道。

6、  按照权利要求1、2、3或5的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其特征在于将所述长轨排进行间隔固定时，采用间隔2-6个短轨枕设置一对支墩模的方法。

7、  按照权利要求1、2、3或5的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其特征在于整体或一个单元区段的整体道床施工完毕后，对线路分区段进行温度锁定。

短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法
技术领域
本发明涉及一种城市轨道交通的轨道施工方法，具体为一种采用长轨排的整体道床无缝线路施工方法。
背景技术
目前在城市轨道交通施工中广泛采用的是短轨排法，包括“换轨法”与“线上焊轨法“。其中“换轨法”的主要不足是需占用大量工具钢轨，加大了施工成本，又需安排集中换捕作业，延长了工期，因此其综合成本较高。“线上焊轨法”的主要缺点是：①在曲线地段调轨时，临时夹板附近的钢轨很难达到圆顺，影响线路质量；②焊轨车配备的内燃发电机组在洞内所排出的废气和噪音严重超标，直接危及洞内施工人员的身心健康；③焊轨时，焊轨车前轮所处钢轨至焊机钢轨接头前后间在很短的距离内是一段小半径竖向反向曲线，无法保证焊接接头前后一段距离内钢轨的顺直要求；④由于钢轨被焊轨车车轮所压，在其附近的钢轨打磨时位置偏低，操作极不方便，尤其是轨底打磨的质量更无法保证；⑤由于接头顶煅量的原因，每焊一个接头钢轨约缩短5cm左右，如果不锯轨，约有40％的焊轨接头将落在轨枕上，这是施工规范所不充许的；⑥在施工组织安排上，若在整体道床全部完成后，再集中焊轨则其工期比“换轨法”还长，若与整体道床施工形成“流水作业”，则焊轨时严重影响道床施工的运输作业，使整体道床施工进度下降。另外，由于项锻缩短量的影响，还需不时加铺短轨，以维持线路的连续。
目前在高速铁路施工中已广泛采用了长轨排法一次铺设无缝线路的方法。但城市轨道交通的施工条件与高速铁路有着很大的不同。比如，在施工环境方面，城市轨道交通主要在喧闹的市区或地下深处，其施工区域狭窄，操作受限多，大型施工机械难以施展等；第二，施工线路的曲线半径小，普通铁路施工的曲线半径在1000m以上，而城铁线路的曲线半径都比较小，其中最小半径只有300m，在这种超短半径线路上要采用长轨排法施工有着很大的难度；第三是线路坡度大，而地铁与轻轨高架线路的桥梁设计对牵引车的动力与轴重有严格的限制，因此轨排重量不能太大；第四是长轨排运输过程中通过弯道时两轨条间有一定量的相对位移。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的不足，提出了一种适合城市轨道交通施工中使用的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法。该方法克服了目前城铁施工中广泛采用的换轨法及线上焊轨法存在的不足；解决了在城铁施工中应用长轨排法必须要克服的诸多难点，比如：①线路半径小，最低只有300m半径；②运输机车牵引力小，轴重轻，要求轨排重量轻；③轨排运输过程中通过弯道时内外轨条有相对位移；④因轨排长度的增加使得轨排整体重量超过短轨排数倍，因此加大焊接时顶锻的阻力。
本发明的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，包括如下步骤：
a：将至少三支以上的标准轻钢轨首尾相连焊接成长轨条；
b：将两支长轨条与若干个短轨枕及相应的扣件和若干个带铰的长钢枕组装成一个长轨排；
c：由轨道牵引列车将上述长轨排运送至施工现场；
d：在施工现场由若干台起吊设备将所述长轨排吊运至设计安装位置；
e：将所述长轨排一端接头与上支已安装固定的长轨排端部接头焊接后进行状态调整；
f：将焊接后的长轨排下部的短轨枕进行间隔固定；
g：检查轨排状态符合规范要求，对道床进行混凝土灌注；
h：道床混凝土灌注完毕后，其强度达到设计强度的70％以上时进行下一个从步骤c开始的循环铺设安装，直至整个线路全部铺设完毕。
所述的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其中步骤a所述的长轨条是由5支或5支以上标准轻钢轨组成的。
所述的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其中步骤c长轨排运输过程中，所述长轨排在牵引列车上的安放采用中部固定、其它若干点设置横向限位、纵向自由移动装置的方法。
所述的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其中所述长轨排的焊接过程中，在焊接接头附近设置有临时滚道，临时滚道之外的轨排仍然悬吊在起吊设备的吊索上。
所述的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其中的临时滚道是在焊接接头附近每隔2-4米设置一个独立的滚轴支架，并且至少设置三个以上同样的支架构成一个临时滚道。
所述的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，其中将所述长轨排进行间隔固定时，采用间隔2-6个短轨枕设置一对支墩模的方法。
所述的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，在整体或一个单元区段的整体道床施工完毕后，对线路分区段进行温度应力锁定或采用拉伸方法对钢轨进行拉伸锁定。
本发明的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法，将传统的大量需要在洞内或轻轨施工现场完成的作业移至铺轨基地，采用工厂化流水作业完成，既提高了轨排组装质量，又减轻了工人的劳动强度和对环境的污染，缩短了施工工期，钢轨间的焊接质量有了保证，焊接接头不会散落于轨枕上，曲线线路圆顺。在洞内采用机械整体吊运和安装轨排，使作业面简洁、安全、文明，特别是可以大幅度缩短工期，加快了工程进度。本发明的方法可以将比轨排长度为125米更长的长轨排一次组装、运输、焊接并安装成功。
采用本发明的方法，在运输过程中将长轨排中部固定，其余若干点为横向限位、纵向自由移动的运输方法，使125米或更长地长轨排在运输过程中可以通过最小半径为300米的弯道。如果设计弯道半径大于300米，则使用本发明的运输方法可以加长轨排长度。在洞内轨排联合接头焊接过程中，采用临时滚道法并且在滚道长度以外部分仍由吊索悬吊，可以确保钢轨在焊接接头附近保持一条直线，同时也减少顶锻时轨底的摩擦阻力，保证了焊接质量。对焊接后的轨排进行临时间隔固定后，可以保证道床浇注时轨排整体水平高度的一致性。对整体道床混凝土灌注完成后，对线路进行分区段温度应力锁定或采用拉伸方法对钢轨进行拉伸锁定，使钢轨的温度应力与混凝土温度应力相匹配，消除钢轨与下部混凝土间应力不同造成的隐患。
附图说明
图1是短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法工艺流程图
图2是长轨排组装构造示意图
图3是长轨排在运输平板车上固定布置图
图4是长轨排运输车固定托架主视图
图5是长轨排运输车固定托架左视图
图6是长轨排运输车移动托架主视图
图7是长轨排运输车移动托架左视图
图8是临时滚道与轨排配合示意图
图9是轨排支撑墩临时固定示意图
图10是铰接型钢枕
图中1-钢轨  2-短轨枕  3-钢枕  4-轨排  5-牵引车  6-平板车  7-待焊钢轨  8-加热器  9-压接机  10-已固定钢轨  11-成型道床  12-固定托架13-活动托架  14-挂钩  15-丝杠  16-活动头  17-钢轨夹紧装置  18-横梁19-横向限位板  20-支承滚轮  21-移动小车  22-小车滚轮  23-移动滑道24-活动托架底座  25-钢枕固定装置  26-钢枕固定螺栓  27-铰轴  28-钢枕活动部件  29-支撑墩  30-道床混凝土  32-钢轨调整架  33-滚轴支架
具体实施方式
以下结合附图对本发明的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法进行详细描述(以5条25米标准轨组装125米长轨排为例)。
本发明的短轨枕长轨排整体道床无缝线路施工方法主要包括长轨排的基地组装、长轨排运输、长轨排的吊运安装与焊接、长轨排的固定、整体道床浇注及锁定几个步骤(详细工艺步骤如图1所示)。
1、长轨排基地组装
1.1对将要焊接的钢轨进行型式试验，以确定该批钢轨接头焊接的最佳参数；
1.2按配轨表要求对焊接钢轨进行配轨，对选好的钢轨进行外观检查，对轨头两端有弯曲的部位进行校直，然后对钢轨夹钳导电部位进行打磨、除锈；
1.3采用固定式接触焊机进行焊接、推瘤；
1.4将焊接部位进行正火处理；
1.5经正火处理的焊接接头进行粗打磨、精打磨、内部探伤和外观检查；
1.6按照无缝线路设计和铺轨综合图要求编制配轨表，依据配轨表将长钢轨1、短轨枕2和扣件进行组装，每隔4-6米用一个带铰的钢枕3将两条钢轨连接，组装成长轨排4。组装后的长轨排结构如图2所示。该轨排全长125米，总重65-75吨，轨距1435mm。
钢枕3如图10所示。该钢枕的两端各有一个钢枕固定装置25，中部有一个活动部件28，该活动部件两端通过铰轴27分别与两个钢枕固定装置25连接。使用时，用钢枕固定装置25夹持钢轨1下部，并由钢枕固定螺栓26固定。在运输过程中通过弯道时该钢枕可满足内外轨经常出现的相对位移变化。
2、长轨排运输
2.1如图3所示，选用10节四轴轻型平板车6，单节车长12.5米，车宽2.3米，自重8吨，额定载重量16吨，由一台牵引车5牵引。在列车的中部安装有两个固定托架12分别固定轨排4的两条钢轨1，固定托架结构如图4和图5所示。该固定托架包括底座，通过该底座将托架固定在平板车6上，在底座上有一个横梁18，在横梁上有两个门字形的钢轨夹紧装置17，该钢轨夹紧装置有两个固定立柱34，固定立柱上部是一个活动头16，活动头的一端铰接在一个固定立柱上，另一端通过挂钩14与另一个固定立柱连接。在活动头上部有一个丝杠15。吊装钢轨时，将活动头打开，钢轨放入钢轨夹紧装置内，将活动头16的挂钩14挂上后，用活动头上部的丝杠15将钢轨夹紧。
在其余各车上分别设置与两支钢轨位置对应的活动托架13，这些活动托架的作用是支承轨排并限制轨排的横向移动，而在纵向可保持自由伸缩或移动。所述活动托架的结构如图6和图7所示。所述的活动托架13包括活动托架底座24，在底座上部有固定有左右各两条纵向移动滑道23，有一个下部装有滚轮22的移动小车21可沿滑道23纵向移动，在小车的上部有一个支承滚轮20。移动小车21的外侧有一个横向限位板19。工作时将底座24固定在平板车6上，轨排放置在小车的支承滚轮20上。
2.2用基地龙门吊将长轨排吊装到轨排专用列车的托架上，并将中部固定托架进行固定。
2.3针对125米长轨排通过最小曲线半径为300米弯道的计算：
因地铁线路设计最小曲线半径为300米，较普通铁路的最小半径为1000米要小的多，因此，设计长轨排时能否在运输过程中通过该曲线半径是关键之一。
根据材料力学原理，物体变形与其内力相对应，弯曲半径与弯矩有如下关系：
1/R＝M/EI    或    M＝EI/R
式中：R-半径  M-弯矩  E-弹性模量  I-惯性矩
60kg/m钢轨在水平弯曲时的惯性矩I_轨＝524cm⁴
长轨枕轨排在水平弯曲时，如果外轨能充分受拉伸长，内轨能充分受压缩矩，则轨排的惯性矩为：I_轨排＝2I_轨+2A_轨.(S/2)²＝2×524+2×77.45×75²＝872360cm⁴，约为2根钢轨的惯性矩之和。
短轨枕轨排是通过临时长钢枕与钢轨形成轨道框架的，如果长钢枕与钢轨是铰接。轨排弯曲时，钢枕与钢轨之间为理想铰，其夹角可随之自由调整，则钢枕不会对钢轨施加轴向力，外轨与内轨可自由伸长和缩短，而仍维持原长度，则轨排的惯性矩为I_轨排＝2I_轨＝2×524＝1048cm⁴。
对于由两端带铰的长钢枕组成的短轨枕长轨排，钢枕间距为6.25～7.5m，并考虑铰接处的摩擦力矩和活动钢轨支座的摩擦力，轨排的惯性矩可取I_轨排＝1.5×2I_轨＝1.5×1048＝1572cm⁴。
故短轨枕长轨排在小半径曲线R＝300m处，其所需的弯矩为：
M＝EI/R＝2.1×10⁵×1572×10⁴/(300×10³)＝11.00×10⁶N.mm＝11.00N.m
长轨排运输列车位于曲线上时，轨排所需的弯矩由2节平板车中部钢轨支座的横向反力组成的力偶提供。由于列车采用10辆车长12.5m、限载16t的4轴平板车连挂而成，故钢轨支座所受的横向反力为F_支＝11.00/12.5＝0.88kN，每个车轮作用在走行轨上的横向反力为F_轮＝0.88/4＝0.22kN，远小于单个钢轨扣件所允许的横向力，故长轨排运输是安全的。
由于短轨枕长轨排是由两端带铰的长钢枕联接而成，在曲线上运输时外轨与内轨仍维持原长度，当列车中间的平板车上安装具有纵、横向限位功能的固定支座将钢轨固定后，轨排前后两端的外轨相对于平板车将向内缩进，内轨相对于平板车将向外伸出，其最大窜动量Δ＝SL/4R＝(1.5×125)/(4×300)＝0.156m＝156mm。因此，在其余的平板车上应在左右股分别安装仅有横向限位、容许纵向移动的钢轨活动支座，以确保列车进入曲线时，长轨排中间固定，左右股钢轨可前后自由窜动的状态。
3、长轨排的吊运安装与焊接
3.1长轨排运送至施工现场，用现场龙门吊将其吊运至设计安装位置。所述的现场龙门吊采用8台铺轨龙门吊，最好是8台可以同步运行的龙门。
如果吊运作业是在曲线上进行，则用8台铺轨龙门吊机组吊运长轨排时，轨排所需的弯矩由2台龙门吊索的水平分力组成的力偶提供。
龙门吊间距为15m；
吊索的水平分力为F_吊＝11.00/15＝0.733kN；
吊索的垂直分力N_吊＝15×5.2＝78kN；(轨排每米重5.2kN)
则吊索的偏角α_吊＝arctg(F_吊/N_吊)＝arctg(0.733/78)＝0.537°＝32′13″。
龙门吊车轮的水平分力为F_轮＝0.733/2＝0.367kN；
车轮的垂直分力为N_轮＝78/4＝19.5；
则车轮合力作用线的偏角：
α_轮＝arctg(F_轮/N_轮)＝arctg(0.367/19.5)＝1°04′37″。
由此可以得出结论，在曲线上用龙门吊吊运长轨排是可行的。
如果是整条线路的第一支长轨排安装，则直接进行长轨排的固定及该段整体道床浇注施工。
3.2将长轨排进行联合接头焊接，由于焊轨时的长钢轨是吊挂有短轨枕及扣件的，其重量约为长钢轨轨重的4-5倍，大大增加了气压焊顶锻时的阻力。为了确保联合接头的焊接质量，在焊接接头两侧钢轨各约15米长度范围内，每隔2-4米设一个滚轴支架33，本实施例中是每隔3米设置一个。共需5个滚轴支架形成一个临时滚道。在已固定钢轨10一侧也可直接利用钢轨调整架32，不必再设临时滚道。这样方便对长轨排进行调整，保证轨排在焊接接头附近保持一直线。而在15米范围之外安装轨排则仍悬吊在铺轨龙门吊机组上，且门吊偏高吊点约5-10cm，由此，可以减少焊接顶锻时的轨底阻力。采用这些措施后即可用气压焊或铝热焊装置进行联合接头焊接。
图8所示，已固定钢轨10的大部均由混凝土浇注形成成型道床11。在待焊接部位附近的下部则由钢轨调整架32支撑，另一端待焊钢轨7的接头附近则由滚轴支架33构成的临时滚道支撑。压接机9进行调整后由加热器8进行加热焊接。
3.3对焊接后的接头进行正火处理并打磨和探伤检查。
3.4在轨排上安装调轨支撑架，依据铺轨基标和铺轨综合图要求对轨道状态进行方向、水平、高低和轨距及正矢等方面的调整，使轨道状态满足施工规范要求。
4、长轨排的固定及整体道床浇注
4.1对轨排进行临时固定，即沿轨排每间隔2-6个短轨枕设一对支墩模，如图9所示。本实施例中每间隔3个短轨枕设置一对支墩模。用与道床混凝土同等级的并添加早强剂的混凝土浇注支撑墩29对短轨枕进行固定。当固定混凝土初凝后，拧松支撑墩29处的钢轨扣件，防止钢轨的温度应力收缩带动支撑墩29松动而影响轨道状态。支撑墩混凝土强度达到5Mp后，拆除调轨支撑架和支墩模板。
4.2灌注道床混凝土并作好灌注时的轨温记录。轨排状态符合设计要求后，根据道床型式支立道床模板对道床实施混凝土灌注。当混凝土灌注完毕后，其强度达到设计强度的70％以上时，即可进行下一个循环的轨排安装。
5、长轨排温度锁定
在一个区段整体道床施工完毕后对该区段进行无缝线路钢轨锁定。长轨排法道床混凝土施工时，随着道床混凝土30的凝固、强度的提高，当道床混凝土对短轨枕的阻力大于钢轨的温度应力时，实际上已经对长钢轨进行了锁定。道床混凝土施工时，不一定轨温正好在设计要求锁定轨温范围内，而一个不同施工段有不同的施工锁定轨温，因此，必须记录道床灌注时的钢轨温度，当一个无缝线路设计区段单元轨节整体道床灌注完毕后，根据道床混凝土灌注时的轨温记录，比照设计锁定轨温制定实施方案，对该段长钢轨进行锁定。
当该区段内道床混凝土灌注时轨温已在设计锁定轨温要求范围内时，可视为该段长钢轨已在设计轨温时锁定，仅对道床施工时的不同施工段连接部位两侧一定范围内的扣件卸开，用滚筒法或幢轨法进行局部应力调整，然后进行锁定。
如果该区段内道床混凝土灌注时轨温不在设计锁定轨温要求范围内，按方案要求拆除不符合锁定轨温要求区段内的扣件(该区段向两侧延长400-500米，作为应力调整区段)，计算出钢轨的放散量，打开钢轨扣件，用滚筒法或幢轨法或车辆碾压对钢轨进行应力放散，然后按要求对钢轨进行锁定。如果此时轨温低于设计锁定轨温，则采用拉伸方法对钢轨进行拉伸锁定。如果此时轨温高于设计锁定轨温，则选择一天之中满足轨温锁定要求的时间段进行钢轨锁定。
当钢轨应力调整均匀，满足设计锁定时，立即对该区段进行锁定，并记录好锁定的轨温，锁定后整理扣配件，安装防爬观察标志，做好记录，按要求进行防爬观察。