滿小愚 陳 鋒 王益平

(中國中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的加快,降低軌道噪聲對鐵路兩側(cè)居民的侵擾是環(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，減少對鐵路運輸?shù)挠绊?。?yōu)化了聲屏障立柱，穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)材料選型，能減少后期維護工作，形成產(chǎn)品材料技術(shù)參數(shù)標準。采用分層拼裝的結(jié)構(gòu)方案，能解決施工場地狹窄、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。本次實驗研究工點——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)計主要采用分層拼裝式非金屬聲屏障方案。根據(jù)環(huán)評報告的要求，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，其中RPC立柱采用左右分幅預(yù)制與現(xiàn)場注膠粘結(jié)工藝。其中設(shè)計荷載要求如下：自然風(fēng)壓值按照0.563 kN/m2計；列車風(fēng)壓根據(jù)TB 10621—2014高速鐵路設(shè)計規(guī)范執(zhí)行；設(shè)計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荷載兩部分，根據(jù)TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范與《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中列車產(chǎn)生的水平氣動力荷載計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)件撓度等方面進行計算，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)計方案(見圖1)。對比現(xiàn)場測試結(jié)果知，兩次撓度試驗在加載至設(shè)計荷載時，立柱頂端的位移分別為12.5 mm,6 mm，小于計算撓度值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。依次進行螺栓臨時固定、灌注環(huán)氧砂漿進行粘結(jié)的工序。

安裝步驟：

1)構(gòu)件到場后，首先嵌入或粘結(jié)橡膠條。

2)根據(jù)設(shè)計要求，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混凝土對杯口進行二次澆筑。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接長。

3)下層立柱吊裝時利用上層立柱的吊裝孔進行吊裝，同時對下層減重孔進行密封。

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

5)每2 m設(shè)置一個灌漿觀測孔。

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

針對本工藝聲屏障的特點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，提高整體自動化、機械化水平，提高勞動效率，降低施工成本、施工難度及安全風(fēng)險。

1.3 足尺模型實驗

試驗段內(nèi)分層拼裝式聲屏障立柱進行破壞試驗，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)的測定，據(jù)此評定分層拼裝式聲屏障結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)計算的預(yù)制立柱薄弱點確定應(yīng)變片布置點。

由現(xiàn)場記錄情況及計算數(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)場測試知，在拉力達到設(shè)計荷載值2.0倍時出現(xiàn)裂縫，當(dāng)拉力達到設(shè)計荷載值2.6倍～2.8倍時柱子出現(xiàn)斷裂。由測試結(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)場記錄情況知，在施加荷載為2.0～2.2時測試立柱出現(xiàn)裂縫，對應(yīng)的抗彎剛度、彈性模量在該荷載作用下不同測點均達到最大值。對測試結(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，帶縫工作時的彈性模量大于45 GPa(該測試結(jié)果大于設(shè)計院理論計算中選取的彈性模量值38 GPa)，此結(jié)論也符合現(xiàn)場測試過程中，施加荷載為設(shè)計荷載時測得的預(yù)制立柱撓曲變形小于理論計算值的測試結(jié)果。

1.4 吸聲板板材

非金屬復(fù)合吸聲板設(shè)計采用兩種無機材料組合而成：活性粉末混凝土(RPC120)和多孔無機吸聲材料。其中RPC指標要求：抗壓強度不小于120 MPa，抗折強度不小于14 MPa，彈性模量不小于40 GPa，電通量小于50 C，抗凍性大于F400；多孔無機材料指標要求：抗壓強度不小于2.5 MPa，干密度不大于700 kg/m2。其中對應(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，三者對比分析如下。

2.1 經(jīng)濟效益

根據(jù)國務(wù)院批準的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》到2020年鐵路網(wǎng)規(guī)模達到15萬km，其中客運專線規(guī)劃1.6萬km。以客運專線為例，通常情況下客運專線沿線經(jīng)過居民區(qū)或城鎮(zhèn)時必須設(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。非金屬無機聲屏障的設(shè)計使用壽命60年，其中聲屏障吸隔聲材料設(shè)計使用壽命25年。在相同的前期投入下，使用非金屬無機聲屏障將從根本上解決維護問題，遠期來看將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

2.2 技術(shù)效益

針對營業(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，須依賴大型運輸車輛、起重設(shè)備的運輸通道，施工時起吊高度較高且所有施工項目必須在停運鐵路的天窗內(nèi)進行，施工效率低。采用大型運輸車輛、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)險高，同時還需要準備通行大型運輸車輛的施工便道和必要的施工場地。這使得在緊鄰既有營運鐵路和城市建筑物密集區(qū)進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，人工進行拼接安裝且可取消H型鋼立柱運輸、吊裝施工作業(yè)內(nèi)容。

2.3 安全隱患

在鐵路運營過程中，列車通過該聲屏障路段時會產(chǎn)生劇烈的“活塞運動”(正負壓交替現(xiàn)象)，運營一段時間后材料疲勞損傷斷裂并易脫落且斷裂時不易被發(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更換，從國內(nèi)現(xiàn)有金屬聲屏障的維護經(jīng)驗來看，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，它不僅前期造價昂貴，后期維護成本也非常高。類似中空復(fù)合結(jié)構(gòu)的無機聲屏障，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)場安裝時，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)計優(yōu)化后增加金屬網(wǎng)片提高RPC混凝土強度可有效解決。

2)立柱安裝完畢后，在壓環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑時，如何有效封堵構(gòu)件間的縫隙，需進一步優(yōu)化封堵方案。

3)該新工藝成功應(yīng)用于鐵路工點——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)計及施工項目。

4 結(jié)語

本次科研試驗對聲屏障展開深入分析，對緊鄰營業(yè)線施工、安裝隔聲設(shè)備的耐久性、工藝條件、安全措施、安裝機械設(shè)備進行系統(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),并配套研制各項施工新工藝、新設(shè)備，同時研究出了預(yù)應(yīng)力RPC各項材料性能及其生產(chǎn)、制造新工藝。