蘭新鐵路防風明洞結構形式設計研究

盛智平

(鐵道部 工程管理中心，北京 100844)

1 蘭新鐵路風害概況

蘭新鐵路第二雙線東起蘭州市，經青海省會西寧后折向北穿越祁連山山脈進入甘肅省河西走廊西行，沿古絲綢之路西至新疆維吾爾自治區首府烏魯木齊市，線路正線全長1 777 km。

沿線主要風口包括安西風口、煙墩風口、百里風區、三十里風區和達坂城風口，線路主要風口分布見圖1。全線經過大風區的長度合計約330 km，其中百里風區、三十里風區的風力最為強勁，最大風速可達60 m/s，是全世界內陸鐵路風速最高的地區。

既有蘭新鐵路、南疆鐵路經常遭受大風危害，有大風吹翻棚車的記錄多次，甚至有客車被吹翻的情況，既有鐵路，路堤、路塹邊坡以及橋梁、線路標志等被風蝕，背風地段路塹遭沙埋，沿途路基多設有擋風墻進行防護。大風問題是該段線路面臨的重要問題，給鐵路的運輸生產造成了重大損失。

為了保證蘭新鐵路第二雙線列車安全、快速、正常運營，最大限度地減少限速和停輪，在百里風區和三十里風區的核心區設置了防風明洞。

圖1 線路主要風口分布

兩大風區位于哈密、吐魯番盆地北緣天山南麓山前沖、洪積平原區，地形平坦開闊，地勢略有起伏，地面高程700～1 050 m，為典型的戈壁荒漠地貌，區內荒蕪人煙。

隧址內僅有季節性沖溝，無長流地表水。地下水水位埋深＞50 m。該段主要地層為第四系上更新統至全新統礫砂、細圓礫土和第三系中新統泥巖、砂巖。

新建蘭新第二雙線沿線大風具有風速高、風期長、季節性強、變化速度快的特點，三十里風區和百里風區最大風速達60 m/s。大風區一年中大于8級風的大風天數基本上都超過百天，百里風區超過200 d。每年冬春交替季節大風最為集中，占全年大風天數的30%以上，風速也最大。秋冬交替季節大風天氣也較多，但最大風速小于冬春交替季節。風區大風主要受寒潮天氣影響，因素單一，主風向主要在NW0°～NW40°范圍內。風區大風天氣起風速度在15～40 min內風速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。

根據沿線各氣象站建站以來的最大風速記錄，如圖2。百里風區、三十里風區是全線風力最為強勁的地區。

2 防風明洞的設置研究

2.1 防風明洞設置必要性

根據《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)》(300～350 km/h部分)的規定，結合蘭新第二雙線沿線既有鐵路沿線大風觀測站2004年—2010年統計資料及氣象局近30年統計資料的大風風速、頻率，對列車可能因大風出現的限速及停輪天數進行了分析研究。在三十里風區、百里風區如果不設防風措施，動車組正常運行的天數不足180 d，大部分時間需要限速，甚至可能出現停運天數超過30 d，若采用擋風墻，限速運行天數超過100 d，停運天數超過20 d，運營很難正常進行。因此，要保證列車安全、快速、正常運營，最大限度地減少限速，設置防風明洞是非常必要的。

圖2 鐵路沿線測風站極大風速年最大風速

2.2 防風明洞設置情況

綜合考慮沿線大風的風力、頻率、風向及沙害影響，進行沿線大風分區，根據不同的風區采用重型、中型和輕型的防風措施。考慮到百里風區和三十里風區區段不僅風力強勁，而且出現大風的頻率也高。因此，在百里風區、三十里風區的核心區的淺路塹、路堤段落設置防風明洞。初步設計中設置防風明洞工程的里程長61.817 km。

3 防風明洞結構形式研究

在防風明洞的前期研究過程中，從結構形狀、建筑材料和施工工藝等方面對明洞結構形式進行了研究。

3.1 結構形狀

從結構形狀方面，主要研究了矩形結構和拱形結構，如圖3。

兩種結構形式施工難度相當，但矩形結構直邊墻較高，受風面積大，墻底彎矩大，結構受力條件差;而拱形結構直邊墻低、拱部較為圓順，對風沙流具有疏導作用，作用在結構上的風荷載相對較小，對結構受力有利，而且與一般隧道結構內輪廓一致，施工方便。

通過比較，拱形結構受力條件好、材料省，優先選用拱形結構。

3.2 建筑材料

建筑材料分為混凝土(或鋼筋混凝土)、鋼結構、混合(鋼、混凝土、RPC混凝土)結構等。

從施工方便角度說，鋼結構、RPC混凝土結構可以工廠化加工預制，現場安裝，具有施工簡單方便、速度快等優點，但該類結構位于這種自然條件惡劣、紫外線強、晝夜溫差大、風沙磨蝕嚴重的地區，需要對鋼結構進行定期養護，并需要對結構的連接部位及構件定期進行檢查、維修或更換，這對于地處環境惡劣的無人區長達數十公里的大型結構來說，運營維護的難度和成本是相當大的。通過比較，明洞結構采用耐久性好、養護維修工作量小的鋼筋混凝土結構。

3.3 施工工藝

對于鋼筋混凝土結構，結合現場實際情況，分別研究了現澆結構明洞和分塊預制拼裝明洞(圖4)結構。

防風明洞位于戈壁荒漠地區，自然環境惡劣，建筑材料與施工用水相當缺乏，全部現澆施工的成本和難度較大，而且還存在外部模板難以固定、施工速度慢、自然環境惡劣使施工質量難以保證等缺點，因此，明洞結構應以預制結構為主，預制結構的連接縫為薄弱環節，而且施工工序復雜，所以預制結構的連接縫應盡量減少。通過比較分析，明洞優先選用分片式預制結構，在個別預制拼裝困難、方便現澆的小段落可采用現澆結構。

4 明洞結構形式設計

圖3 防風明洞結構形狀(單位:cm)

圖4 管片式預制鋼筋混凝土結構(單位:cm)

圖5 防風明洞橫斷面(單位:cm)

防風明洞采用分片式預制結構，下部為不封閉結構，明洞邊墻基礎采用樁基礎。考慮到明洞內的通風采光問題以及緩解運營期間的空氣動力學效應，結構在背風側開設通風采光孔。拱部分的3塊預制件尺寸基本相同，一塊預制件的質量約12.4 t，邊墻兩側各1塊，不開孔塊重約9.6 t，縱向長度為2 m，防風明洞橫斷面見圖5。作用在防風明洞結構上的荷載主要包括:結構自重、風荷載、列車通過時的空氣動力學荷載等。風荷載的取值主要根據《建筑結構荷載設計規范》和CFD數值模擬分析結果確定，經過最不利工況組合下明洞結構內力分布檢算，結果表明明洞結構的強度、變形等均滿足要求。

5 結束語

通過分析比較研究，防風明洞選用接縫較少，施工較為方便的分片式預制結構，對于接縫為結構的關鍵部位和薄弱環節，需要對其連接方式、施工工藝結合試驗段進一步研究。目前，在百里風區設置了兩段防風明洞試驗段，共276 m，預制塊預制已完成，拼裝施工正在進行中。后續設計將結合試驗段的測試與研究成果，對防風明洞的結構形式、接縫連接、施工工藝進行進一步優化。

［1］高廣軍，田紅旗，姚松，等.蘭新線強橫風對車輛傾覆穩定性的影響［J］.鐵道學報，2004，26(4):36-40.

［2］程淞.電氣化鐵路強側風條件下列車防風研究［J］.鐵道建筑，2009(6):90-92.