既有南疆線大風區(qū)預制拼裝化擋風墻設(shè)計研究

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043

新疆鐵路沿線風區(qū)是全世界內(nèi)陸鐵路風災最嚴重的地區(qū)，嚴重影響鐵路客貨車輛及運輸生產(chǎn)安全。為使南疆鐵路“快起來”，2019年開行了動力集中動車組。由于動車組自身的重量輕及懸掛參數(shù)與普速車存在很大差異，對風載變化的敏感程度和要求比普速客車更高[1]。經(jīng)試車，橋梁與路基間的既有擋風墻未設(shè)置過渡段，存在缺口，部分擋風墻防風高度不足，經(jīng)常因最大瞬時風速大于25m/s而停運，嚴重影響旅客出行。開行動力集中動車組后，南疆線前百公里K9+755～K108+680段擋風墻防風能力不足是南疆線的主要薄弱環(huán)節(jié)。因此，對南疆線前百公里風區(qū)既有擋風墻進行改造和補強意義重大。

1 既有擋風墻情況

既有南疆線平行運行圖通過能力為220對/d，2020年圖定客車21對/d、貨物列車30對/d。南疆線前百公里K9+755～K108+680段屬于吐魯番至魚兒溝區(qū)間，線路走行于北天山南麓與吐善托盆地西北部邊緣，主要地形為交錯分布的山區(qū)和山前傾斜平原。受復雜地形影響，山體缺口處極易形成風口[2]，山梁和山谷抵近線路易形成山梁風和山谷風，下坡地形下氣流速度加強易形成下坡風。南疆線前百公里風區(qū)具有風速高、大風日數(shù)多、持續(xù)時間長、風速變化快的特點[1]。2007—2015年，南疆線在改建、增建二線時，針對當時在線運行的普速客車、貨車，大部分段落已經(jīng)設(shè)置了擋風墻，擋風墻主要有土堤式、對拉式、路塹式等[3]。

南疆線前百公里K9+755～K108+680段擋風墻補強設(shè)計關(guān)鍵在于綜合考慮既有線地形、大風、既有擋風墻及行車情況，合理確定擋風墻補強高度以滿足動車組運行要求，合理確定擋風墻結(jié)構(gòu)形式以適應現(xiàn)場情況、方便施工和降低施工對既有線的干擾。

2 既有擋風墻加高及過渡段設(shè)置

2.1 既有擋風墻加高高度

針對現(xiàn)場調(diào)查的土堤式、對拉式和路塹式擋風墻的薄弱地段，按照最大風速60m/s設(shè)計，綜合考慮迎風側(cè)地面橫坡、迎風側(cè)高度（或路塹高度）、凹槽風口等因素，采用計算機模擬確定既有土堤式、對拉式和路塹式擋風墻的補強加高高度[4]，如表1、表2所示。需要說明的是，既有土堤式擋風墻在土堤頂面加高，既有對拉式擋風墻在外側(cè)1.5m外加高以避免破壞對拉式擋風墻，塹頂無土堤的既有路塹在塹頂外3.5m加高，塹頂有土堤的既有路塹在土堤頂面加高。

表1 既有土堤式擋風墻和對拉式擋風墻補強加高高度

表2 既有路塹式擋風墻補強加高高度

2.2 過渡段設(shè)置

土堤式擋風墻與橋鋼屏風、土堤式擋風墻與對拉式擋風墻過渡處，平面位置的突變將導致氣動力的突變從而造成晃車，應設(shè)置過渡段以平緩兩種擋風墻的平面位置、高差突變。對拉式擋風墻和橋鋼屏風平面位置與中線距離基本一致，但銜接處多存在缺口，應封閉。路塹與橋梁鋼屏風過渡處存在缺口，過渡處地形陡峭且風力強勁，此處缺口是列車安全運行的隱患，需要設(shè)置過渡段。

3 既有擋風墻補強結(jié)構(gòu)形式

為適應現(xiàn)場情況、方便施工和降低施工對既有線的干擾，借鑒構(gòu)件標準化、模數(shù)化、輕量化、少規(guī)格、多組合、工廠易生產(chǎn)、施工易操作的裝配式建筑設(shè)計理念，提出了預制柱板式、拼裝重力式、拼裝框架式等結(jié)構(gòu)，易于工廠化預制、裝配式施工。

3.1 預制柱板式擋風墻

預制柱板式擋風墻由預制柱、A型塊板、B型塊板、擋風板、工字鋼拼裝而成，如圖1所示。預制柱設(shè)置0.75m、1m、1.25m、1.5m四種高度，分別配置預制擋風板1塊、2塊、3塊、4塊。

圖1 預制柱板式擋風墻示意圖（單位：m）

3.2 拼裝重力式擋風墻

拼裝重力式擋風墻由B型塊板、工字鋼拼裝而成，如圖2所示。拼裝重力式擋風墻適用于加高高度為1.5～4.0m，根據(jù)加高高度不同設(shè)置不同層數(shù)的B型塊板和采用不同長度的工字鋼。

圖2 拼裝重力式擋風墻示意圖（單位：m）

3.3 拼裝框架式擋風墻

拼裝框架式擋風墻，上部結(jié)構(gòu)由鋼制擋風板、鋼立柱、鋼梁等采用螺栓拼裝而成，下部結(jié)構(gòu)為混凝土錨固樁，如圖3所示。拼裝框架式擋風墻，根據(jù)高度不同，設(shè)置4.2m、3.2m、2.2m擋風屏，分別采用8塊、6塊、4塊擋風屏。

圖3 拼裝框架式擋風墻示意圖（單位：m）

4 預制拼裝化擋風墻適用性和優(yōu)越性

4.1 適用性

（1）土堤式擋風墻加高高度小于1.5m，采用預制柱板式擋風墻；土堤式擋風墻加高高度為2～4m，采用拼裝框架式擋風墻，樁頂高度同地面線。

（2）對拉式擋風墻加高高度為1.25～3.5m，采用拼裝框架式擋風墻，橫梁小于對拉式擋風墻0.5m。

（3）路塹塹頂加高高度小于1.5m，采用預制柱板式擋風墻；路塹塹頂加高高度大于1.5m，采用拼裝重力式擋風墻；路塹風口加高高度為4.5m，采用拼裝框架式擋風墻，樁頂高度同地面線。

（4）土堤式擋風墻與橋鋼屏風、土堤式擋風墻與對拉式擋風墻過渡段采用沿線路12m長、4.5m高的拼裝重力式擋風墻斜角過渡。對拉式擋風墻與橋鋼屏風過渡缺口采用鋼屏風擋風板封閉，擋風板與對拉式擋風墻拉桿和橋梁鋼屏風通過螺栓連接。路塹邊坡與橋梁鋼屏風過渡段，路塹邊坡高度小于5m，采用沿線路12m長、4.5m高的拼裝框架式擋風墻順接。

4.2 優(yōu)越性

預制拼裝化擋風墻構(gòu)件在工廠化預制生產(chǎn)過程中易控制溫度、濕度條件，容易保證質(zhì)量，生產(chǎn)更加環(huán)保，減少了現(xiàn)場現(xiàn)澆產(chǎn)生的環(huán)境污染和破壞。輕量化、標準化的構(gòu)件易于吊裝運輸，更好適應現(xiàn)場復雜環(huán)境，解決了復雜地形導致的材料、模板運輸困難，裝配式施工機械化程度高、施工效率高，裝配式施工有效減小了現(xiàn)澆施工中腳手架、模板對既有線的干擾。由于融入了裝配式建筑的先進理念，預制拼裝化擋風墻比傳統(tǒng)現(xiàn)場現(xiàn)澆擋風墻具有更突出的優(yōu)勢，特別是在環(huán)境復雜的既有線附近。

5 結(jié)束語

根據(jù)計算機模擬結(jié)果顯示，工程完成后，動車組在大風區(qū)以最低速度120km/h運行，由原來的最大瞬時風速大于25m/s停運，提高至最大瞬時風速小于51.56m/時可以運行。根據(jù)2020年3月的實車大風試驗，擋風墻補強加高工程顯著提高了列車運行能力，降低了大風對列車的影響。擋風墻補強加高工程完成以來，動車組在大風天氣下運行良好。由此可知，預制拼裝式設(shè)計對相關(guān)工程具有借鑒意義。