高速鐵路路肩結構的施工方法創(chuàng)新分析

李忠玉

(中鐵十九局集團有限公司， 北京 100176)

高速鐵路須在接觸網(wǎng)立柱外側設置預制混凝土蓋板通信、信號電纜槽及護肩[1-2]，如圖1所示。電纜槽采用鋼筋混凝土在工廠預制，并加設鋼筋混凝土蓋板，待路基基床表層施工完畢后，采用切割的方法把路肩位置填筑好的路基表層填筑體去除，然后再在切割面上施工電纜槽和路基護肩。由于路基表層填筑材料為級配碎石，其壓實度高、強度大，切割工作十分困難且效率低。還會經(jīng)常出現(xiàn)切割面不平整，特別是切割出的水平斜面經(jīng)常凹凸不平，使得電纜槽下滲水很容易進入路基填筑體，同時還會引起較大的切割飛塵問題。

圖1 高速鐵路路基路肩構造示意圖

針對上述問題，通過創(chuàng)新方法[3-8]分析，提出高速鐵路路基電纜槽及護肩結構及相應的施工方法，可有效避免切割路基表層結構所帶來的問題，并應具有操作簡單、省時、經(jīng)濟等特點。

1 系統(tǒng)功能模型建立

應用創(chuàng)新方法原理，把高速鐵路路肩切割施工前的各組成部分進行編號，如圖2所示。

圖2 組成部件編號

然后建立高速鐵路路肩結構的功能模型，如圖3所示。路基底層A與路基表層切割體C之間形成切割平面D，路基表層B與路基表層切割體C之間形成切割立面E，路基表層切割體C可作為路基表層B內(nèi)側的施工約束模板作用，以確保內(nèi)側路基表層B施工的壓實度滿足要求。

圖3 功能模型

2 沖突區(qū)域分析

采用創(chuàng)新方法進行問題的原因分析，即找出路肩結構問題的根本原因，其分析如下：

(1)傳統(tǒng)高速鐵路路基路肩結構存在的問題。路基表層結構施工完成后，采用切割機把路肩位置的基床表層切除，然后施工電纜槽和路肩護結構，切割施工困難、效率低、環(huán)境污染大、切除部分材料浪費。

(2)切割存在施工困難、效率低、環(huán)境污染大、切除部分材料浪費的問題。因為基床表層結構采用級配碎石填筑，且壓實度很高，水平面切割尤其困難，切割后的材料已成塊狀、級配變化，通常不重復利用。

(3)切除部分需要采用級配碎石材料，并且要求壓實度很高是因為切除部分與內(nèi)側的基床表層結構采用相同的級配碎石，便于一體化施工，采用較高的壓實度是為了內(nèi)側的基床表層結構施工具有較大側向約束力，以保證內(nèi)側基床表層的高壓實度。

(4)切割路肩位置壓實后的基床表層級配碎石是要為路肩電線槽和護肩提供空間位置。

(5)路肩電線槽和護肩不提前放置，而需要把路肩位置的級配碎石壓實后切割后再放置。由于傳統(tǒng)電纜槽和護肩結構不能為內(nèi)側基床表層結構提供較大的側向約束力，且結構在較大側向力作用下易發(fā)生破壞。

上述問題分析表明，路基表層切割體C是路肩結構存在問題的根本原因，是問題的沖突區(qū)域，如圖4所示。

圖4 路肩結構沖突區(qū)域

3 問題求解

根據(jù)創(chuàng)新方法中的分析原理，可選擇多種能使用的解決路肩結構問題的分析方法，分析得出比選方案，然后進行比較確定。

3.1 理想解分析

問題的完全理想解分析為：表層切割體C能為內(nèi)側的基床表層B提供較大的側向約束力，而本身不占據(jù)電纜槽和護肩的空間位置，并且不需要拆除；或者表層切割體C能為內(nèi)側的基床表層B提供較大的側向約束力，表層切割體C本身能兼作電纜槽和護肩的功能，不需要拆除。

經(jīng)分析，表層切割體C不需要拆除還不占據(jù)電纜槽和護肩的空間位置，那么表層切割體C可以設置成一種攔擋結構(攔擋連續(xù)墻方案1、攔擋L型墻方案2)，如圖5所示。

圖5 理想解分析(方案1、方案2)

如果表層切割體C能為內(nèi)側的基床表層B提供較大的側向約束力，表層切割體C本身能兼作電纜槽和護肩的功能，不需要拆除，那么表層切割體C可以設置成一種整體式路肩式電纜槽結構(方案3)，如圖6所示。

圖6 理想解分析(方案3)

3.2 裁減分析

根據(jù)系統(tǒng)裁減理論，通過裁減系統(tǒng)中多余或有害的部件，采用其它部件來實現(xiàn)被裁減部件的功能。如圖7所示，裁減部件C，其功能可以通過改變其它部件來實現(xiàn)，解決電纜槽及護肩結構內(nèi)側的路基表層填筑施工需求。部件C裁減后，部件D和E則自動不存在，部件A和B是結構主要功能的組成部件，不能裁減。故對部件C進行裁減，通過部件B的局部材質(zhì)或結構形式改變實現(xiàn)部件C所具有功能，裁減后新的結構形式如方案4、方案5所示。方案4把鄰近電纜槽位置的級配碎石結構改變?yōu)橐欢▽挾鹊幕炷两Y構，從而為內(nèi)側基床表層結構施工提供側向約束力并兼作路基表層結構的一部分；方案5把基床底B的一部分變?yōu)殇摻罨炷两Y構，并改變其結構型式，做成反L型結構，方案4、方案5，如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)裁減

圖8 裁減理論分析(方案4、方案5)

3.3 沖突理論分析

采用創(chuàng)新方法中沖突理論進行分析，該高速鐵路路肩結構的作用關系為：路基表層切割體C對路基表層B產(chǎn)生有利的側向約束力，通過與路基底層A的接觸摩擦力實現(xiàn)路基表層切割體C的抗滑移，進而完成路基表層B的施工，然后切除表層切割體C以滿足電纜槽和護肩的空間位置需求。該系統(tǒng)的矛盾為：“力”與“操作流程的方便性”，查找“矛盾矩陣表”得到創(chuàng)新原理有：分割原理、局部質(zhì)量原理、自服務原理、機械系統(tǒng)替代原理。

上述各發(fā)明原理的含義為：

(1)分割原理：將物體分成獨立的部分；使物體成為可拆卸的；增加物體的分割程度。

(2)局部質(zhì)量原理：系統(tǒng)結構由一致變成為不一致，將外部作用或外部環(huán)境由一致變成為不一致；系統(tǒng)各組件在最適于的條件下發(fā)揮功能；系統(tǒng)各部件實現(xiàn)有差異且有用的功能。

(3)自服務原理：使物體實施有益的輔助功能，自我服務；利用浪費的材料、能量或物質(zhì)。

(4)機械系統(tǒng)替代原理：用光、熱、聲、嗅覺系統(tǒng)替代機械系統(tǒng)；用磁、電或電磁場與物體交互作用；移動場代替靜止場，時間變化場代替固定場，結構化場代替隨機場。

通過分析，可選擇分割原理和局部質(zhì)量原理進行路肩結構問題分析。

(1)分割原理，把原本一同整體填筑的路基表層B和C分離成2個部分，同時也把表層切割體C與路基底層A分離開，由于路基底層A、B、表層切割體表層切割體C均為碎石類土工材料，難以單獨施工成型，可選擇施工過程中在切割平面D、切割立面E切割面位置鋪設一層復合土工膜，使施工完成后的路基底層A、B、表層切割體C分成獨立的部分，從而利于后期表層切割體C的拆除?？梢酝瞥龇桨?，如圖9所示。

圖9 沖突理論分析(方案6)

(2)局部質(zhì)量原理，通過改變組件表層切割體C的材料性質(zhì)，從而其不需要與路基表層B同步分層施工，或者表層切割體C采用預制件結構直接放在路基底層A頂面為路基表層B提供側向約束力，得到方案7(大重量結構)，如圖10所示和方案8(輕型結構，設錨固釘增大約束固定力)，如圖11所示。

圖10 沖突理論分析(方案7)

圖11 沖突理論分析(方案8)

3.4 物質(zhì)-場分析及標準解

物質(zhì)-場分析模型為：功能作用體S1，是希望發(fā)生變化的物體；功能載體S2，是對功能作用體施加動作的物體，它能使功能體作用發(fā)生改變；場F，是作用發(fā)生的關鍵因素。

根據(jù)物質(zhì)-場模型分析，可知在高速鐵路路肩結構結構系統(tǒng)中，路基表層切割體C對路基底層A和路基表層B的切割產(chǎn)生有害作用，從而形成不平整的切割平面D和切割立面E，其建立的物質(zhì)-場分析模型，如圖12所示。

圖12 物-場分析模型

查標準解法：“S1.2.1引入S3減小或消除有害作用”，通過在S1與S2之間引入S3來減小或消除S1對S2的有害作用，即減小或消除由于表層切割體C對路基底層A和路基表層B造成的切割困難和切割面D和E的不平整。經(jīng)分析可以通過在表層切割體C與路基底層A和路基表層B中間引入隔離復合土工膜來完成此功能，可以分析得出圖9的方案6。

4 問題的解

通過創(chuàng)新方法的分析，得出了8種方案，各方案的優(yōu)缺點比較分析如下：

(1)方案1：鋼筋混凝土連續(xù)墻結構

優(yōu)點：不需要拆除、不占電纜槽和護肩位置，能對內(nèi)側基床表層施工提供較大約束力；

缺點：需要把攔擋結構埋入路基底層結構中一定深度以固定，施工困難，投資大。

(2)方案2：小型鋼筋混凝土懸臂擋墻結構或剛度較大的角鋼類結構

優(yōu)點：不需要拆除、不占電纜槽和護肩位置，能對內(nèi)側基床表層施工提供較大約束力，不需開挖埋設，施工快速；

缺點：內(nèi)側存在較長的踵板才能提供足夠的抗滑力，路肩內(nèi)側設置高速鐵路接觸網(wǎng)支柱基礎時存在工程交差、相互影響，工程投資較大。

(3)方案3：整體式現(xiàn)澆電纜槽

優(yōu)點：電纜槽和護肩一次成型，兼有內(nèi)側基床表層施工的模板作用，沒有拆除流程，避免了傳統(tǒng)電纜槽和防排水的復雜結構組成，結構重量大提供側向約束力大；

缺點：需要現(xiàn)場澆筑施工，混凝土用量較大。

(4)方案4：部分混凝土基礎表層結構

優(yōu)點：不需要拆除、不占電纜槽和護肩位置，能對內(nèi)側基床表層施工提供較大約束力，不需開挖埋設，施工快速；

缺點：以混凝土替代級配碎石投資增大，對后期接觸網(wǎng)立柱基礎施工存在影響，易造成軌道結構下剛度不均勻。

(5)方案5：埋式鋼筋混凝土懸臂擋墻結構

優(yōu)點：不需要拆除、不占電纜槽和護肩位置，能對內(nèi)側基床表層施工提供較大約束力；

缺點：工程投資較大。

(6)方案6：復合土工膜隔離結構

優(yōu)點：路基表層結構填筑一體化、施工影響小，工程投資小，后期不存在水平面的切割施工；

缺點：填筑體存在二次拆除，豎向復合土工膜難以鋪設豎直，存在豎向面的切割修整。

(7)方案7：混凝土攔擋結構

優(yōu)點：提供側向約束力大，拆除快速；

缺點：混凝土攔擋結構重復利用及拆除施工較困難，工程投資較高。

(8)方案8：錨定輕型攔擋結構

優(yōu)點：結構輕，固定及拆除施工快速，重復利用方便，投資低；

缺點：需對輕型結構進行錨定以提供較大的側向約束力。

經(jīng)過綜合分析，推薦方案3和方案8。方案3采用混凝土整體式現(xiàn)筑結構，結構內(nèi)側墻可采用鋼筋混凝土結構，以滿足內(nèi)側路基表層施工時不會發(fā)生結構破壞；方案8可采用剛度較大角鋼配合固定螺桿。

5 結論

針對傳統(tǒng)高速鐵路路肩電纜槽和護肩施工存在的技術問題，通過創(chuàng)新方法分析，推薦了2種高速鐵路路基路肩結構的技術方案：

(1)采用一種混凝土整體式現(xiàn)筑電纜槽護肩一體化結構，簡化了路肩電纜槽及護肩結構組成；先施工整體式電纜槽護肩結構，再施工內(nèi)側的路基表層結構。

(2)采用傳統(tǒng)的路肩電纜槽和護肩結構，先施工一種固定的大剛度模板，再施工內(nèi)側的路基表層結構，拆除模板重復利用。