鐵路分層拼裝式聲屏障新工藝研究★

滿小愚 陳 鋒 王益平

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國鐵路建設的加快,降低軌道噪聲對鐵路兩側居民的侵擾是環保中的重要任務。建造聲屏障是解決鐵路噪聲污染的主要方式，既有大多數鐵路聲屏障采用“插板式”技術。市區新建鐵路沿既有鐵路通道引入城市區域，由于某些原因，環境規劃預留寬度無法滿足環境保護法中間隔30 m以上的要求，必須采取降低噪聲的工程技術措施——增設隔聲屏障。

鐵路分層拼裝式聲屏障新結構與工藝能大幅減少高起吊作業，提高既有線施工工效，減少對鐵路運輸的影響。優化了聲屏障立柱，穩定框架結構材料選型，能減少后期維護工作，形成產品材料技術參數標準。采用分層拼裝的結構方案，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

為解決緊鄰營業線增設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線增建二線工程。

1.1 結構工藝

該段降噪設計主要采用分層拼裝式非金屬聲屏障方案。根據環評報告的要求，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，聲屏障基礎采用樁基礎。將常規H型鋼立柱優化為分節(段)搭接拼裝式預應力RPC立柱的整體設計，其中RPC立柱采用左右分幅預制與現場注膠粘結工藝。其中設計荷載要求如下：自然風壓值按照0.563 kN/m2計；列車風壓根據TB 10621—2014高速鐵路設計規范執行；設計地基基本承載力不小于150 kPa。

聲屏障的荷載考慮水平風荷載與列車水平氣動荷載兩部分，根據TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范與《高速鐵路設計規范》中列車產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。根據聲屏障所受荷載情況，對分層拼裝式聲屏障預制立柱基礎埋深、抗拉承載力、構件撓度等方面進行計算，并通過數值模擬分析，最終得到分層拼裝式聲屏障的截面設計方案(見圖1)。對比現場測試結果知，兩次撓度試驗在加載至設計荷載時，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，符合預期并證明聲屏障新工藝滿足設計要求。

1.2 施工工藝

聲屏障立柱為預應力RPC構件，預應力采用先張法施工，基礎采用樁基。先將預應力RPC構件插入杯口，再將左右半邊結構拼接。依次進行螺栓臨時固定、灌注環氧砂漿進行粘結的工序。

安裝步驟：

1)構件到場后，首先嵌入或粘結橡膠條。

2)根據設計要求，先安裝底立柱，埋入基礎，垂直度調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，用環氧樹脂對拼接縫進行由下往上的環氧樹脂類灌漿粘結施工，待環氧樹脂膠凝固70%強度后，進行插板施工。

5)每2 m設置一個灌漿觀測孔。

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

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量，并減少高空作業工作量，提高整體自動化、機械化水平，提高勞動效率，降低施工成本、施工難度及安全風險。

1.3 足尺模型實驗

試驗段內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的測定，據此評定分層拼裝式聲屏障結構性能。根據計算的預制立柱薄弱點確定應變片布置點。

由現場記錄情況及計算數據知，在距離立柱底端1.5 m處，無裂縫一端的立柱承受應力最大。由現場測試知，在拉力達到設計荷載值2.0倍時出現裂縫，當拉力達到設計荷載值2.6倍～2.8倍時柱子出現斷裂。由測試結果知，抗彎剛度、等效彈性模量隨著施加荷載、立柱工作情況而發生變化，根據現場記錄情況知，在施加荷載為2.0～2.2時測試立柱出現裂縫，對應的抗彎剛度、彈性模量在該荷載作用下不同測點均達到最大值。對測試結果處理后得出：聲屏障立柱抗彎剛度正常工作狀態下，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(該測試結果大于設計院理論計算中選取的彈性模量值38 GPa)，此結論也符合現場測試過程中，施加荷載為設計荷載時測得的預制立柱撓曲變形小于理論計算值的測試結果。

1.4 吸聲板板材

非金屬復合吸聲板設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 經濟效益

根據國務院批準的《中長期鐵路網規劃》到2020年鐵路網規模達到15萬km，其中客運專線規劃1.6萬km。以客運專線為例，通常情況下客運專線沿線經過居民區或城鎮時必須設置聲屏障，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計使用壽命60年，其中聲屏障吸隔聲材料設計使用壽命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，遠期來看將產生巨大的經濟效益。

2.2 技術效益

針對營業線鐵路，由于目前的鋼結構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進行，施工效率低。采用大型運輸車輛、起重設備作業危及既有鐵路設備的安全，施工安全風險高，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。

鄰近營業線鐵路采用拼裝式聲屏障，將H型鋼立柱改為RPC立柱的設計，人工進行拼接安裝且可取消H型鋼立柱運輸、吊裝施工作業內容。

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生劇烈的“活塞運動”(正負壓交替現象)，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現，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，尤其是一些受力螺栓銹蝕后需及時更換，從國內現有金屬聲屏障的維護經驗來看，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

針對上述國內聲屏障現狀，國內已經有研發單位研發了鐵路曲線形復合金屬聲屏障，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。類似中空復合結構的無機聲屏障，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。

3 存在的問題與建議

1)立柱現場安裝時，發現螺栓固定件處的RPC混凝土較薄且容易被破壞，設計優化后增加金屬網片提高RPC混凝土強度可有效解決。

2)立柱安裝完畢后，在壓環氧樹脂類粘結劑時，如何有效封堵構件間的縫隙，需進一步優化封堵方案。

3)該新工藝成功應用于鐵路工點——成都至蒲江鐵路成都樞紐西環線增建二線工程，但由于單位聲屏障造價低，施工質量效果良好且便捷，不僅適用于營業線鐵路增設聲屏障工程，還可以推廣至其他鐵路聲屏障設計及施工項目。

4 結語

本次科研試驗對聲屏障展開深入分析，對緊鄰營業線施工、安裝隔聲設備的耐久性、工藝條件、安全措施、安裝機械設備進行系統研究，提出鄰近營業線鐵路分層拼裝式聲屏障新結構,并配套研制各項施工新工藝、新設備，同時研究出了預應力RPC各項材料性能及其生產、制造新工藝。