鐵路分層拼裝式聲屏障新工藝研究★

滿小愚 陳 鋒 王益平

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的加快,降低軌道噪聲對(duì)鐵路兩側(cè)居民的侵?jǐn)_是環(huán)保中的重要任務(wù)。建造聲屏障是解決鐵路噪聲污染的主要方式，既有大多數(shù)鐵路聲屏障采用“插板式”技術(shù)。市區(qū)新建鐵路沿既有鐵路通道引入城市區(qū)域，由于某些原因，環(huán)境規(guī)劃預(yù)留寬度無法滿足環(huán)境保護(hù)法中間隔30 m以上的要求，必須采取降低噪聲的工程技術(shù)措施——增設(shè)隔聲屏障。

鐵路分層拼裝式聲屏障新結(jié)構(gòu)與工藝能大幅減少高起吊作業(yè)，提高既有線施工工效，減少對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊憽?yōu)化了聲屏障立柱，穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)材料選型，能減少后期維護(hù)工作，形成產(chǎn)品材料技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。采用分層拼裝的結(jié)構(gòu)方案，能解決施工場(chǎng)地狹窄、施工道路不暢、臨近既有線施工困難等問題。

1 基于分層拼裝式聲屏障新工藝的工程實(shí)例

為解決緊鄰營業(yè)線增設(shè)聲屏障等降噪措施與鐵路行車安全與運(yùn)輸效率等矛盾，研究鄰近營業(yè)線鐵路分層拼裝式聲屏障新工藝。本次實(shí)驗(yàn)研究工點(diǎn)——成都至蒲江鐵路成都樞紐西環(huán)線增建二線工程。

1.1 結(jié)構(gòu)工藝

該段降噪設(shè)計(jì)主要采用分層拼裝式非金屬聲屏障方案。根據(jù)環(huán)評(píng)報(bào)告的要求，聲屏障高度H=3.0 m～7.0 m，分層拼裝式立柱間距采用4.0 m，聲屏障基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。將常規(guī)H型鋼立柱優(yōu)化為分節(jié)(段)搭接拼裝式預(yù)應(yīng)力RPC立柱的整體設(shè)計(jì)，其中RPC立柱采用左右分幅預(yù)制與現(xiàn)場(chǎng)注膠粘結(jié)工藝。其中設(shè)計(jì)荷載要求如下：自然風(fēng)壓值按照0.563 kN/m2計(jì)；列車風(fēng)壓根據(jù)TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行；設(shè)計(jì)地基基本承載力不小于150 kPa。

聲屏障的荷載考慮水平風(fēng)荷載與列車水平氣動(dòng)荷載兩部分，根據(jù)TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范與《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中列車產(chǎn)生的水平氣動(dòng)力荷載計(jì)算出聲屏障受到的水平荷載組合值為0.82 kN/m2。根據(jù)聲屏障所受荷載情況，對(duì)分層拼裝式聲屏障預(yù)制立柱基礎(chǔ)埋深、抗拉承載力、構(gòu)件撓度等方面進(jìn)行計(jì)算，并通過數(shù)值模擬分析，最終得到分層拼裝式聲屏障的截面設(shè)計(jì)方案(見圖1)。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果知，兩次撓度試驗(yàn)在加載至設(shè)計(jì)荷載時(shí)，立柱頂端的位移分別為12.5 mm,6 mm，小于計(jì)算撓度值15.68 mm,12.12 mm，符合預(yù)期并證明聲屏障新工藝滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 施工工藝

聲屏障立柱為預(yù)應(yīng)力RPC構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力采用先張法施工，基礎(chǔ)采用樁基。先將預(yù)應(yīng)力RPC構(gòu)件插入杯口，再將左右半邊結(jié)構(gòu)拼接。依次進(jìn)行螺栓臨時(shí)固定、灌注環(huán)氧砂漿進(jìn)行粘結(jié)的工序。

安裝步驟：

1)構(gòu)件到場(chǎng)后，首先嵌入或粘結(jié)橡膠條。

2)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，先安裝底立柱，埋入基礎(chǔ)，垂直度調(diào)整完成后采用自密實(shí)混凝土對(duì)杯口進(jìn)行二次澆筑。上層立柱采用左右疊合并相互咬合，保證兩構(gòu)件間密封。左右立柱采用螺栓連接并交錯(cuò)接長。

3)下層立柱吊裝時(shí)利用上層立柱的吊裝孔進(jìn)行吊裝，同時(shí)對(duì)下層減重孔進(jìn)行密封。

4)安裝完成后，用環(huán)氧樹脂對(duì)拼接縫進(jìn)行由下往上的環(huán)氧樹脂類灌漿粘結(jié)施工，待環(huán)氧樹脂膠凝固70%強(qiáng)度后，進(jìn)行插板施工。

5)每2 m設(shè)置一個(gè)灌漿觀測(cè)孔。

6)首先由最底部灌漿觀測(cè)孔進(jìn)行灌注，當(dāng)2 m灌漿觀測(cè)孔流出環(huán)氧膠時(shí)即完成一個(gè)循環(huán)；再由4 m灌漿觀測(cè)孔進(jìn)行灌注，分段灌注到頂。若灌漿時(shí)出現(xiàn)漏漿等情況，應(yīng)立刻采用快速凝結(jié)環(huán)氧進(jìn)行堵漏。

針對(duì)本工藝聲屏障的特點(diǎn)研究特制器具拼裝立柱以提高施工精度和保證立柱安裝質(zhì)量，并減少高空作業(yè)工作量，提高整體自動(dòng)化、機(jī)械化水平，提高勞動(dòng)效率，降低施工成本、施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 足尺模型實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)段內(nèi)分層拼裝式聲屏障立柱進(jìn)行破壞試驗(yàn)，完成了分層拼裝式聲屏障的抗彎剛度、等效彈性模量等參數(shù)的測(cè)定，據(jù)此評(píng)定分層拼裝式聲屏障結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)計(jì)算的預(yù)制立柱薄弱點(diǎn)確定應(yīng)變片布置點(diǎn)。

由現(xiàn)場(chǎng)記錄情況及計(jì)算數(shù)據(jù)知，在距離立柱底端1.5 m處，無裂縫一端的立柱承受應(yīng)力最大。由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試知，在拉力達(dá)到設(shè)計(jì)荷載值2.0倍時(shí)出現(xiàn)裂縫，當(dāng)拉力達(dá)到設(shè)計(jì)荷載值2.6倍～2.8倍時(shí)柱子出現(xiàn)斷裂。由測(cè)試結(jié)果知，抗彎剛度、等效彈性模量隨著施加荷載、立柱工作情況而發(fā)生變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄情況知，在施加荷載為2.0～2.2時(shí)測(cè)試立柱出現(xiàn)裂縫，對(duì)應(yīng)的抗彎剛度、彈性模量在該荷載作用下不同測(cè)點(diǎn)均達(dá)到最大值。對(duì)測(cè)試結(jié)果處理后得出：聲屏障立柱抗彎剛度正常工作狀態(tài)下，最大抗彎剛度大于90×106N·m2，帶縫工作時(shí)的抗彎剛度大于70×106N·m2；等效彈性模量最大值大于60 GPa，帶縫工作時(shí)的彈性模量大于45 GPa(該測(cè)試結(jié)果大于設(shè)計(jì)院理論計(jì)算中選取的彈性模量值38 GPa)，此結(jié)論也符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中，施加荷載為設(shè)計(jì)荷載時(shí)測(cè)得的預(yù)制立柱撓曲變形小于理論計(jì)算值的測(cè)試結(jié)果。

1.4 吸聲板板材

非金屬復(fù)合吸聲板設(shè)計(jì)采用兩種無機(jī)材料組合而成：活性粉末混凝土(RPC120)和多孔無機(jī)吸聲材料。其中RPC指標(biāo)要求：抗壓強(qiáng)度不小于120 MPa，抗折強(qiáng)度不小于14 MPa，彈性模量不小于40 GPa，電通量小于50 C，抗凍性大于F400；多孔無機(jī)材料指標(biāo)要求：抗壓強(qiáng)度不小于2.5 MPa，干密度不大于700 kg/m2。其中對(duì)應(yīng)客車車窗高度的單元板采用通透板材，其他單元板采用非金屬板材。

2 三種常用聲屏障形式對(duì)比分析

傳統(tǒng)插板式非金屬聲屏障與金屬聲屏障是目前運(yùn)用最廣的兩種聲屏障工藝，拼裝式聲屏障是研究出的聲屏障新工藝，三者對(duì)比分析如下。

2.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》到2020年鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬km，其中客運(yùn)專線規(guī)劃1.6萬km。以客運(yùn)專線為例，通常情況下客運(yùn)專線沿線經(jīng)過居民區(qū)或城鎮(zhèn)時(shí)必須設(shè)置聲屏障，比例約占總里程的5%以上。因此到2020年客運(yùn)專線的聲屏障約為800 km，假設(shè)聲屏障平均高度為3 m～4 m，金屬聲屏障價(jià)格約1 750元/m2，以高度4.0 m聲屏障為例，則聲屏障總投資約42億元。非金屬無機(jī)聲屏障的設(shè)計(jì)使用壽命60年，其中聲屏障吸隔聲材料設(shè)計(jì)使用壽命25年。在相同的前期投入下，使用非金屬無機(jī)聲屏障將從根本上解決維護(hù)問題，遠(yuǎn)期來看將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 技術(shù)效益

針對(duì)營業(yè)線鐵路，由于目前的鋼結(jié)構(gòu)立柱金屬聲屏障在施工安裝時(shí)，須依賴大型運(yùn)輸車輛、起重設(shè)備的運(yùn)輸通道，施工時(shí)起吊高度較高且所有施工項(xiàng)目必須在停運(yùn)鐵路的天窗內(nèi)進(jìn)行，施工效率低。采用大型運(yùn)輸車輛、起重設(shè)備作業(yè)危及既有鐵路設(shè)備的安全，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)還需要準(zhǔn)備通行大型運(yùn)輸車輛的施工便道和必要的施工場(chǎng)地。這使得在緊鄰既有營運(yùn)鐵路和城市建筑物密集區(qū)進(jìn)行金屬聲屏障的施工幾乎不可能完成。插板式非金屬聲屏障的施工及安裝亦有上述問題。

鄰近營業(yè)線鐵路采用拼裝式聲屏障，將H型鋼立柱改為RPC立柱的設(shè)計(jì)，人工進(jìn)行拼接安裝且可取消H型鋼立柱運(yùn)輸、吊裝施工作業(yè)內(nèi)容。

2.3 安全隱患

在鐵路運(yùn)營過程中，列車通過該聲屏障路段時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的“活塞運(yùn)動(dòng)”(正負(fù)壓交替現(xiàn)象)，運(yùn)營一段時(shí)間后材料疲勞損傷斷裂并易脫落且斷裂時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，有巨大的安全隱患。金屬插板式聲屏障使用到一定年限后也需要修復(fù)，尤其是一些受力螺栓銹蝕后需及時(shí)更換，從國內(nèi)現(xiàn)有金屬聲屏障的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來看，要想更換金屬聲屏障的螺栓是一件非常困難的事。

2.4 其他新工藝

針對(duì)上述國內(nèi)聲屏障現(xiàn)狀，國內(nèi)已經(jīng)有研發(fā)單位研發(fā)了鐵路曲線形復(fù)合金屬聲屏障，從而消除了德國聲屏障脫落和吸聲材料腐爛的隱患。然而，金屬聲屏障的耐候性問題始終未能從根本上解決，它不僅前期造價(jià)昂貴，后期維護(hù)成本也非常高。類似中空復(fù)合結(jié)構(gòu)的無機(jī)聲屏障，底部與在安裝完成后橋梁澆筑為一體，高度也只能做到2 m～4 m，此類聲屏障并不適用于大部分既有線聲屏障的安裝作業(yè)。

3 存在的問題與建議

1)立柱現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺栓固定件處的RPC混凝土較薄且容易被破壞，設(shè)計(jì)優(yōu)化后增加金屬網(wǎng)片提高RPC混凝土強(qiáng)度可有效解決。

2)立柱安裝完畢后，在壓環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑時(shí)，如何有效封堵構(gòu)件間的縫隙，需進(jìn)一步優(yōu)化封堵方案。

3)該新工藝成功應(yīng)用于鐵路工點(diǎn)——成都至蒲江鐵路成都樞紐西環(huán)線增建二線工程，但由于單位聲屏障造價(jià)低，施工質(zhì)量效果良好且便捷，不僅適用于營業(yè)線鐵路增設(shè)聲屏障工程，還可以推廣至其他鐵路聲屏障設(shè)計(jì)及施工項(xiàng)目。

4 結(jié)語

本次科研試驗(yàn)對(duì)聲屏障展開深入分析，對(duì)緊鄰營業(yè)線施工、安裝隔聲設(shè)備的耐久性、工藝條件、安全措施、安裝機(jī)械設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出鄰近營業(yè)線鐵路分層拼裝式聲屏障新結(jié)構(gòu),并配套研制各項(xiàng)施工新工藝、新設(shè)備，同時(shí)研究出了預(yù)應(yīng)力RPC各項(xiàng)材料性能及其生產(chǎn)、制造新工藝。