黨 輝

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 機械動力與環(huán)境工程設(shè)計研究院，天津 300308）

1 概述

京沈客運專線(以下簡稱“京沈客專”)星火樞紐工程包含新建京沈客專始發(fā)終到站星火站、DK12+200～DK18+190 段京沈正線、動車走行線、試車線、既有東北環(huán)線改造等。其中，星火站至五環(huán)路段線路毗鄰居住區(qū)，為降低鐵路噪聲影響，2013年原環(huán)境保護部對項目環(huán)評[1]批復(fù)要求該線路區(qū)段采取設(shè)置封閉式框架結(jié)構(gòu)聲屏障措施。

2014年至今，為提高隔聲效果，設(shè)計研究采用混凝土明洞方案，區(qū)段一長度約650 m，區(qū)段二長度約1 200 m，總計長度約1 850 m。其中，區(qū)段一為6 軌線并行區(qū)段，聲屏障主體結(jié)構(gòu)采用無柱單拱跨混凝土結(jié)構(gòu)；區(qū)段二為多軌線交叉區(qū)段，聲屏障主體結(jié)構(gòu)采用帶中柱的拱形框架結(jié)構(gòu)；沿軌道方向拱距6 m，垂直軌道方向跨度40~80 m，拱頂建筑高度14.5~16.5 m，混凝土拱腳基礎(chǔ)采用重力式條形基礎(chǔ)，中柱采用樁基礎(chǔ)。聲屏障接口設(shè)計考慮接觸網(wǎng)、通信、照明、防雷接地、疏散維修等需求。工程于2019 年開工建設(shè)，擬于2020年底完工。

根據(jù)線路平面布局，京沈客專環(huán)評階段建議采用封閉式框架結(jié)構(gòu)聲屏障，降噪效果需達(dá)到16 dB(A)以上，但封閉式框架結(jié)構(gòu)聲屏障在鐵路上應(yīng)用尚處于起步階段，實測數(shù)據(jù)較少，國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》(HJ/T 90—2004)、《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則聲環(huán)境》(HJ 2.4—2009)推薦采用的聲程差計算方法，僅適用于一般直立式及折角式聲屏障，對于聲源完全遮蔽的框架式結(jié)構(gòu)聲屏障，聲程差的計算方法不能準(zhǔn)確給出插入損失。因此，結(jié)合京沈客專立項課題對封閉式框架結(jié)構(gòu)聲屏障綜合技術(shù)的研究[2-3]，采用邊界元法、能量疊加法等數(shù)值計算方法，利用噪聲預(yù)測軟件通過建模方式，計算得到京沈客?？蚣苁铰暺琳侠碚摻翟胄Ч迦霌p失為20 dB(A)。初步設(shè)計最終批復(fù)采用明洞封閉式聲屏障體系，由于聲屏障為混凝土全封閉殼體，參考圖集《建筑隔聲與吸聲構(gòu)造》(08J931)，整體隔聲效果可達(dá)30 dB(A)。

2 聲屏障建筑景觀設(shè)計

封閉式聲屏障的景觀設(shè)計除包括聲屏障自身景觀，也應(yīng)囊括沿線的自然人文元素，將封閉式聲屏障龐大的體量與城市設(shè)計相融合，在滿足聲學(xué)降噪功能的前提下，突出其與環(huán)境生態(tài)的和諧設(shè)計理念，強調(diào)綠色架構(gòu)、可持續(xù)發(fā)展，賦予封閉式聲屏障更深刻的文化內(nèi)涵。

京沈客專星火站至五環(huán)路段鐵路外圍與城市道路、城市建筑物之間有綠化隔離帶，線路東側(cè)為城市公園，鐵路本身對城市綠廊有所分隔。明洞式聲屏障設(shè)計中景觀設(shè)計考慮綠化和環(huán)境設(shè)計，希望借用建筑手法，將綠化帶、城市公園與聲屏障結(jié)合，營造協(xié)調(diào)統(tǒng)一的景觀環(huán)境。明洞聲屏障分2 個區(qū)域，區(qū)域一長650 m、寬40 m，區(qū)域二長1 200 m、寬65～80 m，地面至結(jié)構(gòu)屋面板建筑高度13.5～15.5 m，屋面呈拱形，聲屏障立面設(shè)計力求做到簡潔、適用、經(jīng)濟、美觀的統(tǒng)一，本著因地制宜、經(jīng)濟適用、簡潔美觀的原則，聲屏障外殼設(shè)置耐久、防曬、抗裂、耐污性能的保溫層和防水層，并噴涂綠色涂料烘托建筑意境，使建筑、場地、景觀融為一體。

明洞式聲屏障建筑設(shè)計主要包括屋面、變形縫、散水、疏散及檢修口、爬梯、掛鉤等。外屋面按照二級防水設(shè)計，并做聚氨酯防水保溫層，屋面、外墻保溫耐火等級為B1 級，設(shè)鋼爬梯，設(shè)消防疏散口兼作檢修口。京沈客專聲屏障設(shè)計效果如圖1所示。

3 聲屏障主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主體結(jié)構(gòu)絕大部分為混凝土拱形框架結(jié)構(gòu)，主拱框架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，薄殼采用預(yù)制裝配式殼板，拱腳基礎(chǔ)均采用重力式條形基礎(chǔ)，有條件設(shè)中柱地段采用樁基承臺基礎(chǔ)，通過地基處理措施控制不同基礎(chǔ)形式間的沉降變形差。下部條件受限地段采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)主體采用實腹式拱形鋼框架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件采用整體剛度較好的矩形鋼管截面，根據(jù)下部控制條件設(shè)中柱和拱腳；殼板采用現(xiàn)澆混凝土板，利用鋼筋桁架樓承板實現(xiàn)免支模工藝。封閉式聲屏障沿軌道方向約50 m 設(shè)置變形縫，共分成36 段，除局部線路叉出的位置外，其他區(qū)段均采用分段等跨度等截面結(jié)構(gòu)形式。沿軌道方向拱距6 m，垂直軌道方向跨度40~80 m，最大無柱跨度40 m，屋面為鋼筋混凝土屋面，厚度150 mm。區(qū)域一、區(qū)域二聲屏障典型拱剖面如圖2和圖3所示。

圖1 京沈客專聲屏障效果圖

3.1 設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù)

（1）建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限及安全等級。結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期50年；結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100年；建筑結(jié)構(gòu)的安全等級一級；結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)1.1；建筑抗震設(shè)防類別乙類；地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級。

（2）荷載情況。基本風(fēng)壓為0.50 kN/m2(重現(xiàn)期100年)；地面粗糙度C類；列車風(fēng)吸荷載0.40 kN/m2；附加恒荷載2.5 kN/m2；施工或檢修集中荷載1.0 kN/m2；活荷載1.0 kN/m2，放大1.1倍；基本雪壓為0.45 kN/m2(重現(xiàn)期100年)；抗震設(shè)防烈度8度、設(shè)計基本地震加速度0.20 g、設(shè)計地震分組第二組、建筑場地類別Ⅲ類、地震作用調(diào)整系數(shù)1.4(對應(yīng)于設(shè)計使用年限100年)；溫度作用為升溫、降溫25 度；基礎(chǔ)變位豎向20 mm、水平10 mm。

3.2 基礎(chǔ)形式

拱腳基礎(chǔ)采用重力式條形基礎(chǔ)，基底持力層為粉土、粉質(zhì)黏土或砂土層，個別地段受地下管線、地下建筑物影響，拱腳采用樁基礎(chǔ)。為提高基礎(chǔ)的水平抗滑移承載力，基礎(chǔ)采用1:10的反傾角設(shè)計，且基坑肥槽采用飽和重度不小于20 kN/m3的碎石土回填。

中柱位于線路中心，線間距較小，無法滿足獨立基礎(chǔ)的空間要求，且基礎(chǔ)容易受路基荷載長期干擾，因而中柱采用樁基承臺基礎(chǔ)。樁基采用混凝土灌注樁，樁身直徑800 mm，樁長20~30 m，根據(jù)項目地質(zhì)勘察報告參數(shù)計算，灌注樁均為摩擦樁。

根據(jù)既有鐵路設(shè)施及線路運營安全，在充分考慮開挖深度范圍地層分布的復(fù)雜性、地下水的不利影響及周邊環(huán)境的重要性基礎(chǔ)上，確定安全合理的支護及施工方案；基槽開挖至基底標(biāo)高以上300 mm 時，組織地質(zhì)勘察、監(jiān)理、設(shè)計等單位共同驗槽，確定持力層準(zhǔn)確無誤后，進(jìn)行下一道工序。肥槽要求分層夯實，分層鋪填厚度200~300 mm，壓實系數(shù)不小于0.94，分層進(jìn)行檢驗；施工中進(jìn)行沉降觀測。

圖2 區(qū)域一聲屏障典型拱剖面設(shè)計

圖3 區(qū)域二聲屏障典型拱剖面設(shè)計

3.3 結(jié)構(gòu)材料

聲屏障大部分主拱框架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，殼板采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制板，少部分受限地段主骨架采用鋼結(jié)構(gòu)，殼板采用現(xiàn)澆混凝土板。

鋼筋：一級、二級、三級抗震等級的構(gòu)件縱向鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值不小于1.25；屈服強度實測值與強度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不大于1.30；鋼筋在最大拉力下的總伸長率實測值不小于9%；鋼筋的強度標(biāo)準(zhǔn)值不小于95%的保證率。鋼筋HRB400；鋼材Q345B。

混凝土：工程地上外露結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》I-B 類和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》二b 類，要求混凝土最大水膠比、最大氯離子含量和最大堿含量符合上述規(guī)范的規(guī)定。施工中應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)要求，采取預(yù)防堿集料反應(yīng)的有效措施。對于二b類環(huán)境類別，要求混凝土總含堿量不超過3 kg/m3。拱、梁、混凝土殼板、基礎(chǔ)、樁均采用C40混凝土；基礎(chǔ)墊層采用C15混凝土。

3.4 結(jié)構(gòu)布置與結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)分析軟件和計算模型結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用有限元程序SAP 2000 和ANSYS 軟件進(jìn)行分析。整體剛度計算、強度驗算、模態(tài)分析、反應(yīng)譜法計算地震作用采用SAP2000 模型，穩(wěn)定驗算采用ANSYS 模型。封閉式聲屏障采用拱式加肋混凝土薄殼結(jié)構(gòu)，拱間距采用6 m，拱跨度根據(jù)軌道線路的平面變化而變化，聲屏障結(jié)構(gòu)按照50 m左右分段，包括框構(gòu)所造成的分段共分為36 段，段與段之間的雙拱中心間距1 800 mm，懸挑800 mm，凈距200 mm，依據(jù)結(jié)構(gòu)拱腳、柱位與軌道軸線關(guān)系平面圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)的平面定位，依據(jù)每道拱的剖面圖來進(jìn)行立面構(gòu)件定位及構(gòu)件尺寸的確定。

3.5 拱截面、次梁、柱配筋

采用概率極限狀態(tài)設(shè)計方法對拱截面在各工況作用下的正截面受力狀況進(jìn)行配筋計算，計算結(jié)果以配筋率和配筋面積的形式給出；次梁按照6.0 m和9.0 m跨度的連續(xù)梁進(jìn)行配筋，柱配筋按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行配筋，均按照模型中實際受力的最不利工況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。

3.6 結(jié)構(gòu)計算分析

聲屏障結(jié)構(gòu)計算包含結(jié)構(gòu)的動力特性、變形情況、整體穩(wěn)定情況及構(gòu)件校核，并按照3 個模型包絡(luò)設(shè)計，分別是考慮殼剛度的模型、不考慮殼剛度的模型和半跨模型。

結(jié)構(gòu)的動力特性中結(jié)構(gòu)振型分析共取30~60 個振型，X、Y、Z方向質(zhì)量參與系數(shù)均大于95%，給出周期表；結(jié)構(gòu)變形分析針對典型段聲屏障在恒荷載+活荷載作用下和在X向風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形；結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析主要是針對結(jié)構(gòu)在1.0恒荷載+1.0活荷載作用下的穩(wěn)定性，主要包括殼板的穩(wěn)定和拱的穩(wěn)定。

4 聲屏障接口設(shè)計

聲屏障接口設(shè)計中考慮鐵路接觸網(wǎng)吊柱懸掛、防雷接地、通信照明、排水、消防疏散等。

（1）接觸網(wǎng)。一般在滿足支柱側(cè)面限界對正線不小于2.5 m 的線間，優(yōu)先考慮接觸網(wǎng)單獨立柱方案，否則考慮與全封閉聲屏障合建并按吊柱方案設(shè)計。吊柱、下錨等安裝按在聲屏障內(nèi)壁預(yù)埋滑槽考慮，槽道根據(jù)《鐵路工程建設(shè)通用參考圖鐵路綜合接地系統(tǒng)》(通號(2016)9301)接入綜合接地系統(tǒng)，并按《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》(TB/T 3329—2013)材質(zhì)采用Q355B，熱浸鍍鋅防腐鋅層厚度不低于86 μm。

（2）聲屏障動力照明通信。全封閉聲屏障內(nèi)按照有關(guān)規(guī)范設(shè)計采光，利用聲屏障內(nèi)箱式變電站為聲屏障照明設(shè)施供電，照明燈具安裝在聲屏障側(cè)壁，燈具、開關(guān)選擇考慮鐵路行車安全、防潮、防風(fēng)壓、防腐、防震，并設(shè)動力照明接地系統(tǒng)。聲屏障內(nèi)壁掛通信漏纜、定向天線，聲屏障防雷保護范圍覆蓋定向天線。

（3）防雷接地。按二類防雷建筑考慮，在聲屏障屋面設(shè)置接閃帶網(wǎng)格。在聲屏障兩側(cè)拱腳基礎(chǔ)的內(nèi)側(cè)每隔50 m分別設(shè)置1個接地端子。

（4）排水。聲屏障與地面交匯處設(shè)屋面散水系統(tǒng)，聲屏障外側(cè)設(shè)置排水溝，可將聲屏障屋面匯水倒入自然地表。

（5）行車及安全。列車行駛在全封閉聲屏障洞內(nèi)時，需考慮車輛的行駛安全和條件。全封閉聲屏障內(nèi)凈空高度約10~16 m，基礎(chǔ)及中間柱距臨近軌道距離均大于4 m，軌道采用護輪軌，避免發(fā)生意外時影響整個結(jié)構(gòu)的安全。聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級為一級，結(jié)構(gòu)設(shè)計中進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌計算，防止聲屏障局部破壞造成結(jié)構(gòu)的大范圍坍塌。

5 聲屏障施工及防護設(shè)計

聲屏障工程施工鄰近既有鐵路，西側(cè)為既有居民建筑，東側(cè)為場坪。既有線路為電氣化鐵路，接觸網(wǎng)供電設(shè)備為單桿形式。聲屏障布置范圍涉及2 處鐵路道口、2處跨河中橋，周邊分布地下管線、鐵路電纜、地方電纜等，聲屏障施工需結(jié)合星火站過渡同步實施，每步過渡完成階段聲屏障工程。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，在勘探深度范圍內(nèi)的巖土由上至下為第四系人工堆積層、第四系全新沖洪積層、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層，地下水位埋深為0.7~17.3 m。工程基坑結(jié)合聲屏障基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置，開挖寬度為基礎(chǔ)兩側(cè)各外擴800 mm，寬約12~15 m，基坑開挖深度為基礎(chǔ)底面下100 mm，深約5~8 m。

結(jié)合星火站過渡施工方案，聲屏障主拱采用全斷面法施工，施工作業(yè)面均搭設(shè)滿堂紅腳手架，既有鐵路上方搭設(shè)門洞式防護棚架保證行車安全。聲屏障基礎(chǔ)采用明挖法施工，西側(cè)基坑一側(cè)臨近既有運營鐵路，另一側(cè)鄰近砌體結(jié)構(gòu)房屋，東側(cè)基坑場地開闊。結(jié)合施工組織和地勘情況，西側(cè)基坑支護采用灌注樁(或鋼板樁)+內(nèi)支撐系統(tǒng)支護體系，東側(cè)基坑采用三級放坡開挖、土釘墻支護體系。

6 結(jié)論

（1）京沈客專星火樞紐鐵路工程方案復(fù)雜，列車運營對周邊環(huán)境產(chǎn)生噪聲影響，環(huán)評批復(fù)要求采用封閉式框架結(jié)構(gòu)聲屏障降低噪聲影響。設(shè)計階段從降噪效果、工程可實施性、景觀效果及運營維護等方面進(jìn)行綜合比選，最終采用明洞式混凝土結(jié)構(gòu)聲屏障。在業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理等各方面積極努力及參與配合下，項目進(jìn)展順利，預(yù)計2020 年12 月隨京沈客專北京段開通運營同步投入使用。

（2）該聲屏障采用的大跨度拱形混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)應(yīng)用案例較少，聲屏障主體結(jié)構(gòu)設(shè)計需要處理好路基、橋梁、接觸網(wǎng)等專業(yè)之間的銜接，滿足相關(guān)專業(yè)的要求；同時，必須檢算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，保證結(jié)構(gòu)的安全。施工過程中，還需緊密結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)勘查、征地拆遷、管線遷改、施工工藝、施工組織等完成優(yōu)化和變更設(shè)計。

（3）聲屏障的設(shè)計及施工質(zhì)量還需經(jīng)受長時間的運行考驗，一些技術(shù)問題和設(shè)計理念也將得到實踐的檢驗。從環(huán)境保護及噪聲控制的技術(shù)角度看，全封閉聲屏障雖然在目前的鐵路降噪措施中降噪效果最佳，在鐵路穿越的高層密集居民區(qū)也有采用，但相較于單側(cè)聲屏障等措施，存在造價偏高及后期養(yǎng)護難度大等問題，是否廣泛推廣尚需反復(fù)論證，同時也需要進(jìn)一步得到社會的認(rèn)可。