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桥梁板式无碴轨道施工技术

信息来源:hunningtu.biz  时间:2006-07-18  浏览次数:164

  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
  中图分类号:U215 文献标识码:A
  1 前言
  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。由于板式无碴轨道具有结构简单、具有足够的强度和稳定性及设有提高轨道弹性的水泥沥青砂浆垫层而优于其它无碴轨道结构,被很多专家认为是一种应该在高速铁路广泛采用的结构形式。与有碴轨道相比,板式轨道具有更好的整体性、稳定性和耐久性,虽然技术较复杂,一次性投资要略大于有碴轨道,但其使用寿命周期长,通常使用周期为30年,轨道板在使用周期内基本上免维修,运营过程中维修工作量可减少70以上,能够有效缓解高速铁路运营与维修的矛盾,且高速行车时的安全性和舒适性亦优越于普通轨道。
  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,为京沪高速铁路的施工做了一定的技术准备。
  2 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。
  3 施工工艺要点
  3.1 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C60混凝土,要求弹性模量为35GPa,分A、B、C、D、E五种型式,其中A型外形尺寸为4930×2400X190 mm ,B、C 型为4765X 2400X190 mm ,D、E型为3765X2400X190 mm。
  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ф18mm 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4O~50 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。
  3.2 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。
  3.3 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。
  轨道板利用专用机具设备精确调整对位,前后和左右方向由调整器旋转丝杠进行调整,上下由松紧倒链或调整螺栓进行调整。其允许偏差:与线路中心线的偏差2mm,支撑点处板顶高程偏差±1 mm,前后位置偏差±3mm。
  3.4 CA 砂浆研制与施工
  3.4.1 CA砂浆特性
  CA 砂浆由水泥、乳化沥青、细骨料(砂)、混合料、水、铝粉、各种外加剂等多种原材料组成,其基本配方为:水泥225 kg,膨胀混合物45 kg,乳化沥青480kg,砂600 kg,铝粉0.04 kg,消泡剂0.15 kg,引气剂2.5 kg,水105 kg。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。为此,秦沈客运专线桥上无碴轨道课题组对板式轨道CA 砂浆开展了为期3年的科研攻关工作,在科研、设计与施工部门的大力配合下,课题研究取得了可喜的成果,其各项性能指标均达到或接近国外同类产品的质量水平,为板式无碴轨道结构在我国快速客运专线的首次铺设创造了条件。
  在秦沈客运专线桥上桥式轨道CA 砂浆的研究与试验过程中,为少走弯路,加快研究进程,在借鉴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,以保证其长期使用的耐久性。
  3.4.2 主要技术性能指标与试验方法
  3.4.2.1 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
  最大合力F为:
  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。秦沈客运专线板式轨道CA砂浆设计时还应考虑其抗冻性能,相应的强度指标也要提高。但强度指标太高,弹性模量相应增大,势必影响适度弹性的设计初衷,为此,借鉴日本板式轨道CA 砂浆的强度指标,设计要求CA 砂浆28 d的抗压强度指标应在1.8~2.5 MPa范围内。
  为提高CA 砂浆抗初期冻害性,提高施工工效,设计中,相应地对不同龄期的强度提出要求。
  (3)试验方法
  CA砂浆抗压强度试验采用“单轴压缩法”进行。试件为70.7×70.7×70.7 mm 的立方体,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。
  3.4.2.2 弹性模量
  在CA 砂浆的强度指标范围内,在配制各种砂浆配方的试验中,进行了大量试验,确定砂浆28d的弹性模量范围在200~600 MPa之间。
  CA 砂浆弹性模量试验方法与抗压强度基本相同,试件为70.7×70.7×220 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。
  3.4.2.3 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问,即为流动度。适宜的流动度对于砂浆的性能与灌注质量非常重要,流动度过小,砂浆材料会出现离析,影响其强度和耐久性;流动度过大,砂浆粘稠,就难以将轨道板与基础间的空隙填充密实,影响其强度和耐久性,直接影响灌注质量。结合大量试验,确定流动度指标在16~26s范围内。
  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。
  CA砂浆的可工作时问是指CA 砂浆处于规定的流动度范围内所经历的时问,考虑到现场从砂浆拌和站配制好、运输过程、灌注作业所需要的时问,规定CA 砂浆的可工作时问不少于30min。
  CA砂浆流动度的试验采用“漏斗法”进行。将配制好的砂浆注入漏斗内,打开出口阀门,同时开始计时,砂浆从漏斗全部流出所经历的时问,即为砂浆的流动度——t(以s计)。
  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)。
  3.4.2.4 膨胀率
  CA 砂浆灌注后固化,一般会产生2~3 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1~3 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。
  3.4.2.5 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。
  3.4.2.6 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,根据日本铁路的研究结果,空气含量达8以上时,抗冻害性有显著的提高,但若超过16,砂浆层的密实度降低,影响其抗压强度。为此,设计中将空气量控制在8~12 范围内。
  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。
  3.4.2.7 耐久性(抗冻性能)
  普通的CA 砂浆容易遭受冻害,表层会发生结构松疏和局部掉落的情况,必须研制并开发出抗冻性CA 砂浆。
  (1)冻害分析
  CA 砂浆受冻害劣化的情况,主要分固结体的冻害和未固结或未达龄期前的初期冻害两种。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:
  ① 优化配合比、改进原材料
  采用42.5级早强普通硅酸盐水泥,加快CA 砂浆的凝结固化时间,提高CA砂浆的早期强度;加入膨胀性混合材料,用以补偿CA砂浆的凝结固化时的收缩;加入防水性材料,增加CA砂浆的密实度,降低CA 砂浆的透水率,阻止补给水。
  ② 引入一定量的微小气泡
  加入消泡剂及引气剂,引入一定量的微小气泡。在拌合时,加入适量的消泡剂,使比较大的气泡破泡并细化。加入引气剂,使引入的气泡含量稳定。气泡的主要作用是阻止补给水及水的游动和缓冲冰晶压力。经试验,气泡含量在9~ 12 范围内效果最佳。
  ③ 减少拌合用水
  通过减少拌合用水,降低CA 砂浆内的水含量,减少冻害。用水量必须在保证CA砂浆各项指标符合要求下方可降低。
  ④ 加强养护
  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5~25℃ 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(8~12%)对防止冻害是最有效的措施。
  CA 砂浆抗冻性试验采用10×1O0×400mm 的棱柱体试件,试件在28天龄期时开始冻融试验,试验前在温度15~12℃ 的水中浸泡,浸泡4天后进行试验。参照混凝土冻融试验标准,CA 砂浆的冻融循环试验评定标准为冻融循环300次后,相对动弹模量P下降到冻融前的百分比不超过60 。
  3.4.3 CA 砂浆的性能试验结果
  为达到上述CA砂浆性能指标的设计要求,课题组进行了近百种砂浆配方的试制工作,并在砂浆基本力学性能指标满足设计要求的基础上,从中选定了8种配方于2000年9月~11月进行了CA砂浆的抗冻性试验,其中的6种配方满足了耐久性的试验标准。为进一步完善板式轨道CA 砂浆的配方研制与拌和工艺,在第一阶段砂浆抗冻性试验满足要求的6种配方基础上,第二阶段选定了2种各项性能优良的砂浆配方,在砂浆配方中添加聚合物乳液、聚丙烯纤维等外加剂,于2001年2月~4月再次进行了冻融循环试验。试验结果见表2:
  3.5 CA 砂浆施工
  3.5.1 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。
  3.5.1.1 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,其步骤如下:
  ① 把材料的用量按实际使用的搅拌机和容量进行换算。此时,以相当于一批配料的水泥用量(袋数)为基准求取其它各材料的用量,作为现象配合比,其它材料除水和铝粉外都使用换算值。
  ② 添加水的用量以拌和初期的流动度约为18~22S来选定。
  ③ 铝粉的用量按膨胀率为1~3%来选取,一般情况下,其添加量为(C+AM)×(0.01—0.02%),高温时的用量较低温时为少。
  (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,在(1)项现场制配时应分别减少水用量,增加砂用量,逐项调整。
  (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。
  3.5.1.2 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。
  (1)搅拌机旋转速度
  砂浆的强度依搅拌机的旋转速度和拌和时间的不同而受影响,尤其是在夏季高温时,这种影响是被确认的。虽然依搅拌机的性能而多少有些差别,但通常是搅拌机的旋转速度越大,并且拌和时间越长,强度就越降低,这是需要注意的,搅拌机每min的旋转次数,按表4—4所列的规定进行。
  (2)拌和时间
  CA 砂浆的拌和状态,因依搅拌机的性能而异,所以预先应用实际使用的搅拌机进行拌和试验,以确保砂浆所需质量的技术要求。
  就事先确保的技术性能,为能得到CA 砂浆所需的质量,要考虑搅拌机的旋转次数、拌和时分、注入时适当的流动性(流动时间16~26S),可用时分、气温和砂浆温度的关系等。
  3.5.1.3 低温时的CA 砂浆施工
  因为我国东北地区冬天气温低,为防止填充层免受冻害的影响,应选择具有良好的抗冻性和耐久性的CA 砂浆用于秦沈客运专线高架桥上的板式无碴轨道工程,并要求施工过程中遵循以下规定。
  CA砂浆中的乳剂的使用温度为5~30℃ ,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。
  3.5.1.4 CA 砂浆的现场灌注
  秦沈客运专线双何特大桥施工时,CA 砂浆拌和站均设在桥的中部,拌和站采用自动加料、电子自动计量、严格准确控制投料的重量并且自动拌和。CA砂浆由拌和机倒出后装人车载具有保温的搅拌桶内,搅拌桶内的装置可使CA 砂浆处于搅拌状态,车载搅拌桶将CA砂浆运输到待灌孔跨。
  (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:
  ① 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;
  ② 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;
  ③ 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;
  ④ 模板依其使用目的有下述三种,其各自的施工方法如下:
  A、侧面模板
  侧面模板是利用专用装置来安装,注入的CA 砂浆高度,因为规定轨道板底面至少在3cm 以上,所以模板的高度要以能保证这种要求为宜,但一般是采用15cm 左右的模板高度。此外,为不使从模板和混凝土基床之间漏出CA 砂浆,在模板底部敷设一层氨基甲酸乙酯泡沫或用胶条等措施确保砂浆不外漏。而对于CA 砂浆有局部漏出的情况,采取用砂子堵塞的办法可获得良好的效果。
  在轨道板侧面和模板之间留出2cm 左右的空隙,这是为了观察CA 砂浆的注入状态,同时兼用排气口。在有坡度和大超高量的场合,因为砂浆溢出不好注入,所以可在高的一侧(外轨)设置间隔并作为排气口,或者在模板上钻通气孔,并插入比CA 砂浆落差长的乙烯塑料管。为防止空气跟进去,在低的一侧(内轨)安放模板密贴轨道板侧面,并避免CA 砂浆溢出。
  B、间隔板
  在每一块轨道之间设置间隔板,砂浆的注入以一台搅拌机一次拌和量注入一块轨道板底为原则。如果间隔板的设置不良,就会成为轨道板底面和CA 砂浆层顶面之间发