王秋雨,閆成天
(中鐵電氣化局集團有限公司 京原鐵路電化工程指揮部,河北 保定 074300)
隨著我國鐵路建設(shè)快速發(fā)展,鐵路噪聲問題被高度關(guān)注。我國對噪聲污染治理的重視程度逐漸增加[1-2],民眾對噪聲污染的自我維權(quán)意識提高,鐵路兩側(cè)聲環(huán)境功能區(qū)超標成為普遍問題,因此應采取措施降低鐵路噪聲。
京原鐵路自北京石景山南站起,經(jīng)河北省中部、山西省東北部,至山西省原平站,全長418.64 km。
因京原鐵路既有線聲屏障施工工程地處山區(qū)既有鐵路[3-4],交通條件艱難,路基地質(zhì)復雜。如何保證既有線施工安全順利進行[5],已經(jīng)成為各參建方迫切解決的問題。從既有線聲屏障施工角度出發(fā),通過在京原鐵路施工1年來所采取的一系列安全防護措施、施工方案[6-8],對山區(qū)既有線聲屏障施工進行系統(tǒng)性總結(jié)。
京原鐵路石景山南—大澗電氣化改造工程JYDHGZ-SG2標段聲屏障工程,自保定市淶水縣白澗村至大同市招柏村,東自白澗站起,途徑坂城、南城司、塔崖驛、王安鎮(zhèn)站,西至招柏站。全線共設(shè)置8 524延米聲屏障。
工程為非金屬直立插板式聲屏障,由樁基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)2部分組成。樁基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁,標準樁直徑800 mm,標準樁間距4 m。上部結(jié)構(gòu)以H型鋼立柱作為屏障支撐,采用摩擦型高強螺栓與基礎(chǔ)相連,屏體采用非金屬吸聲材料,高度為2 950 mm,吸聲材料設(shè)計使用壽命為25年。
工程全線均為既有線,涉及大量既有線施工,電氣化改造施工涉及專業(yè)較多,包括路基、橋涵、隧道、軌道、通信、信號、電力、變電、接觸網(wǎng)等,接口涉及面大,交叉作業(yè)多。改造期間還需保證線路正常運營,因此既有線施工安全是工程重點。且京原鐵路建成年代較久,沿線情況比較復雜,又因施工現(xiàn)場地處山區(qū),沿線均無大型機械進場道路,材料轉(zhuǎn)運是一大難題。
3.1.1 存在問題
(1)聲屏障敏感點多設(shè)置在護坡地段,護坡高度5~15 m,因聲屏障安裝位置處于坡頂路肩處,在軌道車無法實施的情況下,材料只能使用人工肩抗、背馱、手推車等從護坡坡腳處轉(zhuǎn)運至坡頂,效率極低。
(2)如利用軌道車進行聲屏障材料轉(zhuǎn)運,每周3個天窗點,每個天窗點約為120 min,扣除進離場時間,有效施工時間較短,工作量無法保證,材料轉(zhuǎn)運成本巨大。
(3)為保證主專業(yè)優(yōu)先施工的前提及考慮軌道車運輸成本問題,聲屏障材料轉(zhuǎn)運靠軌道車運輸無法實施。
3.1.2 解決方案
針對工程的特殊性,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,利用軌道式卷揚機結(jié)合腳手架改造成一種軌道式上料機(見圖1),通過對軌道式上料機的工作、安全、經(jīng)濟等性能進行大量試驗,得出結(jié)論:軌道式上料機在針對類似京原鐵路工程山區(qū)既有線施工中,各項性能均能滿足預期效果及要求。
圖1 軌道式上料機
選擇在施工現(xiàn)場相對比較便利的位置設(shè)置上料點,根據(jù)現(xiàn)場地形及邊坡坡度搭設(shè)腳手架,將該上料機固定在腳手架上使用,上料機主要由卷揚機及控制開關(guān)、鋼絲繩、軌道、定滑輪、跑車、料斗(架)組成。根據(jù)運輸材料不同,設(shè)置可拆卸料斗及料架,料斗主要用于運輸砂、石、水泥等材料,料架主要用于運輸鋼立柱、吸聲板、底梁材料等,可實現(xiàn)一機多用途。
軌道式上料機是針對京原鐵路山區(qū)聲屏障施工制作的理想運輸工具,其特點為安裝簡單、使用方便、長度可調(diào)節(jié)、可隨意搭配、結(jié)構(gòu)緊湊、體積輕巧、能快速投入工地施工、工作量大、動力強勁、運行平穩(wěn)、可連續(xù)工作。該上料機可用于不同工點斜坡(1∶0.75;1∶1.25)的坡道運料,極大地減輕人工工作難度、提高工作效率,是山區(qū)高路基聲屏障施工的理想運具。軌道式上料機基本性能如下:
(1)工作性能。該機采用分體式結(jié)構(gòu),質(zhì)量輕、速度快、占地面積小,架設(shè)移動方便。
軌道最大長度:100 m;
載重爬高速度:25~30 m/min(邊坡斜率1∶0.75時的豎直高度);
爬高載重量:500~1 000 kg;
額定功率:3/4/5.5/7.5 kW;
額定電壓:220/380 V。
(2)安全性能。軌道式上料機有機械剎車裝置,在電源中斷及鋼絲繩斷裂情況下剎車裝置啟動,能有效保護人身安全。電源處加裝漏電斷路保護裝置,在使用過程中禁止超負荷作業(yè),隨時檢查鋼絲繩的磨損程度,定期調(diào)節(jié)渦輪變速箱蝸桿頂頭螺栓,以防起吊下滑、蝸桿間隙過大而損壞軸承。
(3)經(jīng)濟性能。聲屏障的材料轉(zhuǎn)運一般包括人工轉(zhuǎn)運和軌道車轉(zhuǎn)運,人工轉(zhuǎn)運耗時長、消耗大、效率低,且轉(zhuǎn)運途中易對材料磕碰磨損;而利用軌道車進行聲屏障材料轉(zhuǎn)運(見圖2),需要要點作業(yè),還需要協(xié)調(diào)解決可以進行卸料的貨場,以便裝卸材料。根據(jù)軌道車尺寸,每節(jié)平板車裝吸聲板90塊(3.96 mm×500 mm×140 mm,2層),裝鋼柱160根,裝砂石料60 t。每周3個天窗點,每個天窗點約為120 min,除去進離場時間,有效施工時間60 min,工作量無法保證,大部分天窗點位于夜間,夜間施工安全隱患大,需汽車吊配合作業(yè),材料轉(zhuǎn)運成本巨大。
圖2 利用軌道車轉(zhuǎn)運聲屏障材料
利用軌道式上料機進行聲屏障材料轉(zhuǎn)運不受營業(yè)線施工限制,只利用臨近營業(yè)線施工計劃即可實施,可連續(xù)作業(yè),并可在多個區(qū)段同時布置作業(yè)。軌道車與軌道式上料機性能分析見表1。
表1 軌道車與軌道式上料機性能分析
通過對比發(fā)現(xiàn),軌道式上料機的經(jīng)濟性能明顯優(yōu)于軌道車。
(4)廣泛應用。自2020年10月13日京原鐵路聲屏障施工至今,該軌道式上料機一直應用于聲屏障施工材料轉(zhuǎn)運(見圖3、圖4),使用期間運行良好,未發(fā)生任何安全隱患,反映良好。
圖3 軌道式上料機在小河村聲屏障工點進行運輸作業(yè)
圖4 軌道式上料機在板城村聲屏障工點進行運輸作業(yè)
3.1.3 實施成果
京原鐵路石景山南—大澗電氣化改造2標聲屏障工程,全線使用鋼柱2 170根,吸聲板12 700塊,護壁用水泥砂石料11 172 t。
截至目前已完成鋼柱安裝1 194根,吸聲板安裝6 985塊,護壁用水泥砂石料6 145 t。其中利用軌道式上料機運輸立柱836根,吸聲板4 890塊,水泥砂石料4 301 t。
綜上所述,軌道式上料機目前在京原項目施工應用上是成功的,使用軌道式上料機后,施工不需要天窗點,也不受天窗點施工限制,作業(yè)靈活,降低了施工安全風險,每個隊投入1臺,同時作業(yè),節(jié)省工期。
3.2.1 存在問題
(1)山區(qū)既有鐵路聲屏障工程,基巖埋深較淺,采用傳統(tǒng)的挖孔灌注樁基礎(chǔ),需通過人工進行基礎(chǔ)開挖,施工周期長,難度大。
(2)沿線路基地質(zhì)復雜,土質(zhì)不均勻,夾碎石棄渣、砂類土細粒土混合充填,挖孔時常伴隨涌土、涌砂現(xiàn)象。包括列車運行通過對路基產(chǎn)生的振動,很可能形成孔樁坍塌風險,對孔內(nèi)挖樁人員的人身安全及路基的穩(wěn)定性造成嚴重威脅。
3.2.2 解決方案
人工挖孔樁主要采用混凝土井圈護壁進行防護(見圖5),特殊地段采用鋼護壁。以下主要介紹混凝土護壁方法,工藝流程見圖6。
圖5 混凝土護壁
圖6 工藝流程
3.2.2.1 放線定樁位及高程
(1)聲屏障樁基礎(chǔ)全部采用人工挖孔樁,采用混凝土井圈護壁進行防護。根據(jù)現(xiàn)場限界位置,確定好樁位中心,以中點為圓心,撒石灰線作為樁孔開挖尺寸線。再對現(xiàn)場標高進行測量,確定樁位標高。
樁位線定好后,在基礎(chǔ)開挖前應每隔30 m左右垂直鐵路方向開挖探溝,探明地下管線位置,并用石灰畫出電纜走線,進行插牌標識(見圖7)。聲屏障位置與電纜管線影響段將電纜排移或者聲屏障避讓。
圖7 排纜作業(yè)
(2)根據(jù)每段施工平面布置圖從設(shè)計規(guī)定的起點和終點進行起測,有涵洞地段測量應先確定涵洞兩側(cè)樁中心點,再向兩側(cè)進行放線至設(shè)計起始點。確定好樁位中心,以中點為圓心,以樁身半徑加護壁厚度為半徑畫出基礎(chǔ)位置,撒石灰線作為樁孔開挖尺寸線。
3.2.2.2 開挖第1節(jié)樁孔土方
(1)開挖樁孔應從上到下逐層進行,先挖中間部分的土方,然后擴及周邊,有效控制開挖樁孔的截面尺寸。每根樁每天宜開挖1節(jié)護筒深度,每節(jié)護壁高度不超過1 m。
(2)為防止樁孔壁坍方,確保安全施工,每節(jié)護壁高度不超過1 m。第1節(jié)井圈護壁的中心線與設(shè)計軸線的偏差不大于15 mm;井圈頂面應比場地高出100 mm。
3.2.2.3 澆筑第1節(jié)護壁混凝土
樁孔護壁混凝土每挖完1節(jié)以后應立即澆筑混凝土(見圖8),護壁混凝土在現(xiàn)場用機械集中攪拌,由人工搗實,坍落度控制在80~100 mm,確??妆诘姆€(wěn)定性。護壁混凝土應根據(jù)氣候條件,一般澆灌24 h后方可拆模?;炷量捎稍囼炇掖_定摻入早強劑,以加速混凝土硬化。
圖8 澆筑第1節(jié)護壁混凝土
3.2.2.4 架設(shè)垂直運輸架
第1節(jié)樁孔成孔后,即著手在樁孔上口架設(shè)垂直運輸支架。支架采用鋼管或鋼筋制成的吊架;要求搭設(shè)穩(wěn)定、牢固。在垂直運輸支架上安裝滑輪組,選擇適當位置安裝卷揚機。地面運土用手推車或翻斗車。
3.2.2.5 開挖吊運第2節(jié)樁孔土方
(1)開挖吊運第2節(jié)樁孔土方,從第2節(jié)開始,利用提升設(shè)備運土,樁孔內(nèi)人員要戴好安全帽,防止土塊、石塊等雜物墜落孔內(nèi)傷人。吊桶在小推車內(nèi)卸土后,下放吊桶裝土。
(2)樁孔挖至規(guī)定深度后,用支桿檢查樁孔的直徑及井壁圓弧度,上下要垂直平順,修整孔壁。
3.2.2.6 拆除第1節(jié)支第2節(jié)護壁模板
護壁模板采用拆上節(jié)支下節(jié)依次周轉(zhuǎn)使用。模板上口預留下節(jié)的混凝土澆筑口,接口處要搗固密實,護壁混凝土凝固24 h后方可拆模。
3.2.2.7 循環(huán)作業(yè)
檢查樁位中心軸線及標高,以樁孔口的定位線為依據(jù),逐節(jié)校測,符合設(shè)計要求,逐層往下循環(huán)作業(yè),將樁孔挖至設(shè)計深度(見圖9),清除虛土,檢查土質(zhì)情況,樁底應支承在設(shè)計規(guī)定的持力層上??讟稛o人員作業(yè)時,坑口覆蓋木板遮蓋,木板四角各用不少于10 kg的裝土袋壓實。
圖9 混凝土護壁成型
3.2.3 實施成果
因臨近既有線施工條件受限,不允許使用機械鉆孔,只能使用人工挖孔樁。人工挖孔樁施工方便、速度較快、不需要大型機械設(shè)備。人工挖孔樁的孔徑一般不會太大,山區(qū)土質(zhì)復雜,易發(fā)生孔樁坍塌風險,考慮到孔樁的安全性,必須對孔樁采取防護措施。首先可以用鋼板卷制鋼護壁,在工廠加工完成后運至施工現(xiàn)場直接使用,無需養(yǎng)護,直接放坑中即可。但一般一次性使用,與樁身澆筑在一起,澆筑完畢后無法取出,成本極高。
混凝土護壁比鋼護壁成本低,強度高,抗震能力強,孔內(nèi)挖孔人員的人身安全得到了極大保障。但混凝土護壁需等待混凝土凝固后才能繼續(xù)下挖,延緩了施工進度。
3.3.1 存在問題
根據(jù)TB 10428—2012《鐵路聲屏障工程施工質(zhì)量驗收標準》第4.2.14條規(guī)定進行樁基靜載試驗。靜載試驗加載反力裝置可根據(jù)現(xiàn)場選擇,主要分3種:錨樁橫梁反力裝置、壓重平臺反力裝置和錨樁壓重聯(lián)合反力裝置。
對于靜載試驗一般選擇壓重平臺反力裝置,簡單方便,但是占地面積大。因臨近既有線特殊性,大面積擺列壓重材料,會使列車行車安全存在一定隱患。故臨近既有線要選擇占地面積小、輕便快捷的靜載試驗模式,錨樁橫梁反力裝置見圖10、圖11。
圖10 錨樁橫梁反力靜載示意圖
圖11 錨樁橫梁反力靜載試驗
3.3.2 單樁豎向抗壓靜載試驗實施方案
3.3.2.1 試驗裝置
(1)反力系統(tǒng):錨樁橫梁反力系統(tǒng)采用相鄰的2根工程樁作為錨樁,錨固螺栓作為抗拔筋。通過自制U型架和反力梁組成反力裝置。
設(shè)計承載力特征值為71kN,最大加荷載為142kN,即14.2 t。分級荷載為最大加載量的1/10,加載時按照每14.2 kN進行,第1級加載為分級荷載的2倍,為28.4 kN。
(2)加載系統(tǒng):采用慢速維持荷載法,由靜力載荷測試儀自動控制油壓千斤頂施加荷載,使用圓形承壓板,其直徑與設(shè)計樁徑相同,承壓板中心與樁中心相一致,并與荷載作用點重合。
(3)觀測系統(tǒng):由對稱安裝在試驗樁兩側(cè)的電子位移傳感器自動量測沉降值。每加一級荷載,按間隔5、10、15、15、15 min讀記沉降量,以后每隔0.5 h讀記1次沉降量。
3.3.2.2 沉降穩(wěn)定標準
當每小時內(nèi)沉降量不超過0.1 mm,并連續(xù)出現(xiàn)2次,可加下一級荷載。
3.3.2.3 終止加載條件
當出現(xiàn)下列情況之一時,即可終止加載:
(1)某級荷載作用下,樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍。
注:當樁頂沉降能相對穩(wěn)定且總沉降量小于40 mm時,宜加載至樁頂沉降量超過40 mm。
(2)某級荷載用下,樁頂沉降量大于前一級荷載作用下的2倍,且經(jīng)24 h尚未達到相對穩(wěn)定標準。
(3)已達到設(shè)計要求的最大加載量。
(4)工程樁作錨樁時,錨樁上拔量已達到允許值。
(5)荷載-沉降曲線呈緩變時,可加載至樁頂總沉降量60~80 mm。
3.3.3 單樁水平靜載試驗實施方案
3.3.3.1 試驗裝置
(1)反力系統(tǒng):采用鄰近樁配合配重塊等做反力。水平荷載設(shè)計值為34 kN,即3.4 t。分級荷載為最大加載量的1/10,加載時按照每級6.8 kN進行,第1級取分級荷載的2倍即13.6 kN。
(2)加載系統(tǒng):采用慢速維持荷載法,由靜力載荷測試儀自動控制油壓千斤頂施加荷載。水平力作用點宜與實際工程的樁基承臺底面標高一致;千斤頂和試驗樁接觸處應安置球形支座,千斤頂作用力應水平通過樁身軸線,千斤頂與試樁的接觸處宜適當補強。
(3)觀測系統(tǒng):在水平力作用平面的受檢樁兩側(cè)應對稱安裝2個位移計(必要時應在水平力作用平面以上0.5 m和樁頂附近各安裝1個位移計),自動量測水平位移量。試驗方法同單樁豎向抗壓靜載試驗。
3.3.3.2 沉降穩(wěn)定標準
當每小時內(nèi)水平位移量不超過0.1 mm,并連續(xù)出現(xiàn)2次,可加下一級荷載。
3.3.3.3 終止加載條件
當出現(xiàn)下列情況之一時,即可終止加載:
(1)樁身折斷。
(2)水平位移超過30~40 mm(軟土取40 mm)。
(3)水平位移達到設(shè)計要求的水平位移允許值。
3.3.4 實施成果
經(jīng)過實際測驗,抗壓、水平承載力完全能達到設(shè)計要求。此模式的試驗材料成本低,零部件較少,拼裝方便,還可以重復利用,比常見的壓重平臺模式占地面積小,非常適合既有線使用。
通過京原鐵路電氣化改造項目,對聲屏障現(xiàn)場施工管理有了進一步認識,在山區(qū)既有線施工經(jīng)驗和能力方面有了全面提高,充分認識聲屏障在山區(qū)既有鐵路施工的特點要素,結(jié)合工程特點,抓住重點難點,分部分項突出重點,安排好各個施工流程的銜接,使人力、物力充分發(fā)揮作用。并提高工程技術(shù)管理和施工裝備水平,使施工科學性、先進性、經(jīng)濟性、合理性與實用性相結(jié)合,確保每道工序質(zhì)量達到驗收標準的要求,做到方案科學、技術(shù)先進,確保實現(xiàn)設(shè)計意圖。
類似工程要考慮多種因素包括環(huán)境條件和施工合理性等,制定具有針對性的施工方案及措施,妥善解決施工中出現(xiàn)的各類矛盾,最大限度地減少施工與生產(chǎn)的相互干擾。