李忠玉

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司， 北京 100176)

高速鐵路須在接觸網(wǎng)立柱外側(cè)設(shè)置預(yù)制混凝土蓋板通信、信號電纜槽及護(hù)肩[1-2]，如圖1所示。電纜槽采用鋼筋混凝土在工廠預(yù)制，并加設(shè)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(hù)肩。由于路基表層填筑材料為級配碎石，其壓實(shí)度高、強(qiáng)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(jìn)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(gòu)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(hù)肩結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的施工方法，可有效避免切割路基表層結(jié)構(gòu)所帶來的問題，并應(yīng)具有操作簡單、省時、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)功能模型建立

應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(cè)的施工約束模板作用，以確保內(nèi)側(cè)路基表層B施工的壓實(shí)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(jìn)行問題的原因分析，即找出路肩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)存在的問題。路基表層結(jié)構(gòu)施工完成后，采用切割機(jī)把路肩位置的基床表層切除，然后施工電纜槽和路肩護(hù)結(jié)構(gòu)，切割施工困難、效率低、環(huán)境污染大、切除部分材料浪費(fèi)。

(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(fèi)的問題。因?yàn)榛脖韺咏Y(jié)構(gòu)采用級配碎石填筑，且壓實(shí)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(fù)利用。

(3)切除部分需要采用級配碎石材料，并且要求壓實(shí)度很高是因?yàn)榍谐糠峙c內(nèi)側(cè)的基床表層結(jié)構(gòu)采用相同的級配碎石，便于一體化施工，采用較高的壓實(shí)度是為了內(nèi)側(cè)的基床表層結(jié)構(gòu)施工具有較大側(cè)向約束力，以保證內(nèi)側(cè)基床表層的高壓實(shí)度。

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

(5)路肩電線槽和護(hù)肩不提前放置，而需要把路肩位置的級配碎石壓實(shí)后切割后再放置。由于傳統(tǒng)電纜槽和護(hù)肩結(jié)構(gòu)不能為內(nèi)側(cè)基床表層結(jié)構(gòu)提供較大的側(cè)向約束力，且結(jié)構(gòu)在較大側(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)問題的分析方法，分析得出比選方案，然后進(jìn)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(cè)的基床表層B提供較大的側(cè)向約束力，而本身不占據(jù)電纜槽和護(hù)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(cè)的基床表層B提供較大的側(cè)向約束力，表層切割體C本身能兼作電纜槽和護(hù)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(hù)肩的空間位置，那么表層切割體C可以設(shè)置成一種攔擋結(jié)構(gòu)(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(cè)的基床表層B提供較大的側(cè)向約束力，表層切割體C本身能兼作電纜槽和護(hù)肩的功能，不需要拆除，那么表層切割體C可以設(shè)置成一種整體式路肩式電纜槽結(jié)構(gòu)(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(shí)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(shí)現(xiàn)，解決電纜槽及護(hù)肩結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)主要功能的組成部件，不能裁減。故對部件C進(jìn)行裁減，通過部件B的局部材質(zhì)或結(jié)構(gòu)形式改變實(shí)現(xiàn)部件C所具有功能，裁減后新的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)改變?yōu)橐欢▽挾鹊幕炷两Y(jié)構(gòu)，從而為內(nèi)側(cè)基床表層結(jié)構(gòu)施工提供側(cè)向約束力并兼作路基表層結(jié)構(gòu)的一部分；方案5把基床底B的一部分變?yōu)殇摻罨炷两Y(jié)構(gòu)，并改變其結(jié)構(gòu)型式，做成反L型結(jié)構(gòu)，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(jìn)行分析，該高速鐵路路肩結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系為：路基表層切割體C對路基表層B產(chǎn)生有利的側(cè)向約束力，通過與路基底層A的接觸摩擦力實(shí)現(xiàn)路基表層切割體C的抗滑移，進(jìn)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(hù)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(wù)原理、機(jī)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(dú)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)有差異且有用的功能。

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

(4)機(jī)械系統(tǒng)替代原理：用光、熱、聲、嗅覺系統(tǒng)替代機(jī)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(jié)構(gòu)化場代替隨機(jī)場。

通過分析，可選擇分割原理和局部質(zhì)量原理進(jìn)行路肩結(jié)構(gòu)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(dú)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(shè)一層復(fù)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(dú)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(yù)制件結(jié)構(gòu)直接放在路基底層A頂面為路基表層B提供側(cè)向約束力，得到方案7(大重量結(jié)構(gòu))，如圖10所示和方案8(輕型結(jié)構(gòu)，設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵因素。

根據(jù)物質(zhì)-場模型分析，可知在高速鐵路路肩結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(diǎn)比較分析如下：

(1)方案1：鋼筋混凝土連續(xù)墻結(jié)構(gòu)

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

缺點(diǎn)：需要把攔擋結(jié)構(gòu)埋入路基底層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或剛度較大的角鋼類結(jié)構(gòu)

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

缺點(diǎn)：內(nèi)側(cè)存在較長的踵板才能提供足夠的抗滑力，路肩內(nèi)側(cè)設(shè)置高速鐵路接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)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(diǎn)：電纜槽和護(hù)肩一次成型，兼有內(nèi)側(cè)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(fù)雜結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)重量大提供側(cè)向約束力大；

缺點(diǎn)：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(chǔ)表層結(jié)構(gòu)

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

缺點(diǎn)：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(chǔ)施工存在影響，易造成軌道結(jié)構(gòu)下剛度不均勻。

(5)方案5：埋式鋼筋混凝土懸臂擋墻結(jié)構(gòu)

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

缺點(diǎn)：工程投資較大。

(6)方案6：復(fù)合土工膜隔離結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：路基表層結(jié)構(gòu)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(diǎn)：填筑體存在二次拆除，豎向復(fù)合土工膜難以鋪設(shè)豎直，存在豎向面的切割修整。

(7)方案7：混凝土攔擋結(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：提供側(cè)向約束力大，拆除快速；

缺點(diǎn)：混凝土攔擋結(jié)構(gòu)重復(fù)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(jié)構(gòu)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)輕，固定及拆除施工快速，重復(fù)利用方便，投資低；

缺點(diǎn)：需對輕型結(jié)構(gòu)進(jìn)行錨定以提供較大的側(cè)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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)墻可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，以滿足內(nèi)側(cè)路基表層施工時不會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞；方案8可采用剛度較大角鋼配合固定螺桿。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)高速鐵路路肩電纜槽和護(hù)肩施工存在的技術(shù)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(jié)構(gòu)的技術(shù)方案：

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

(2)采用傳統(tǒng)的路肩電纜槽和護(hù)肩結(jié)構(gòu)，先施工一種固定的大剛度模板，再施工內(nèi)側(cè)的路基表層結(jié)構(gòu)，拆除模板重復(fù)利用。