京原鐵路既有線聲屏障施工建議與應用

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）

0 引言

隨著我國鐵路建設快速發展，鐵路噪聲問題被高度關注。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意識提高，鐵路兩側聲環境功能區超標成為普遍問題，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既有鐵路［3-4］，交通條件艱難，路基地質復雜。如何保證既有線施工安全順利進行［5］，已經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，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］，對山區既有線聲屏障施工進行系統性總結。

1 工程概況

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、王安鎮站，西至招柏站。全線共設置8 524延米聲屏障。

工程為非金屬直立插板式聲屏障，由樁基礎和上部結構2部分組成。樁基礎采用人工挖孔灌注樁，標準樁直徑800 mm，標準樁間距4 m。上部結構以H型鋼立柱作為屏障支撐，采用摩擦型高強螺栓與基礎相連，屏體采用非金屬吸聲材料，高度為2 950 mm，吸聲材料設計使用壽命為25年。

2 工程特點

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較多，包括路基、橋涵、隧道、軌道、通信、信號、電力、變電、接觸網等，接口涉及面大，交叉作業多。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，又因施工現場地處山區，沿線均無大型機械進場道路，材料轉運是一大難題。

3 解決的關鍵問題

3.1 施工材料二次轉運

3.1.1 存在問題

（1）聲屏障敏感點多設置在護坡地段，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運至坡頂，效率極低。

（2）如利用軌道車進行聲屏障材料轉運，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，材料轉運成本巨大。

（3）為保證主專業優先施工的前提及考慮軌道車運輸成本問題，聲屏障材料轉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，結合現場實際情況，利用軌道式卷揚機結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、經濟等性能進行大量試驗，得出結論：軌道式上料機在針對類似京原鐵路工程山區既有線施工中，各項性能均能滿足預期效果及要求。

圖1 軌道式上料機

選擇在施工現場相對比較便利的位置設置上料點，根據現場地形及邊坡坡度搭設腳手架，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、鋼絲繩、軌道、定滑輪、跑車、料斗（架）組成。根據運輸材料不同，設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，可實現一機多用途。

軌道式上料機是針對京原鐵路山區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、長度可調節、可隨意搭配、結構緊湊、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、可連續工作。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。該機采用分體式結構，質量輕、速度快、占地面積小，架設移動方便。

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，隨時檢查鋼絲繩的磨損程度，定期調節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）經濟性能。聲屏障的材料轉運一般包括人工轉運和軌道車轉運，人工轉運耗時長、消耗大、效率低，且轉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運（見圖2），需要要點作業，還需要協調解決可以進行卸料的貨場，以便裝卸材料。根據軌道車尺寸，每節平板車裝吸聲板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，材料轉運成本巨大。

圖2 利用軌道車轉運聲屏障材料

利用軌道式上料機進行聲屏障材料轉運不受營業線施工限制，只利用臨近營業線施工計劃即可實施，可連續作業，并可在多個區段同時布置作業。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

通過對比發現，軌道式上料機的經濟性能明顯優于軌道車。

（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運（見圖3、圖4），使用期間運行良好，未發生任何安全隱患，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

圖4 軌道式上料機在板城村聲屏障工點進行運輸作業

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，作業靈活，降低了施工安全風險，每個隊投入1臺，同時作業，節省工期。

3.2 人工挖孔樁安全防護

3.2.1 存在問題

（1）山區既有鐵路聲屏障工程，基巖埋深較淺，采用傳統的挖孔灌注樁基礎，需通過人工進行基礎開挖，施工周期長，難度大。

（2）沿線路基地質復雜，土質不均勻，夾碎石棄渣、砂類土細粒土混合充填，挖孔時常伴隨涌土、涌砂現象。包括列車運行通過對路基產生的振動，很可能形成孔樁坍塌風險，對孔內挖樁人員的人身安全及路基的穩定性造成嚴重威脅。

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）聲屏障樁基礎全部采用人工挖孔樁，采用混凝土井圈護壁進行防護。根據現場限界位置，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。再對現場標高進行測量，確定樁位標高。

樁位線定好后，在基礎開挖前應每隔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

（2）根據每段施工平面布置圖從設計規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樁中心點，再向兩側進行放線至設計起始點。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位置，撒石灰線作為樁孔開挖尺寸線。

3.2.2.2 開挖第1節樁孔土方

（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節護筒深度，每節護壁高度不超過1 m。

（2）為防止樁孔壁坍方，確保安全施工，每節護壁高度不超過1 m。第1節井圈護壁的中心線與設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節護壁混凝土

樁孔護壁混凝土每挖完1節以后應立即澆筑混凝土（見圖8），護壁混凝土在現場用機械集中攪拌，由人工搗實，坍落度控制在80～100 mm，確保孔壁的穩定性。護壁混凝土應根據氣候條件，一般澆灌24 h后方可拆模。混凝土可由試驗室確定摻入早強劑，以加速混凝土硬化。

圖8 澆筑第1節護壁混凝土

3.2.2.4 架設垂直運輸架

第1節樁孔成孔后，即著手在樁孔上口架設垂直運輸支架。支架采用鋼管或鋼筋制成的吊架；要求搭設穩定、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節樁孔土方

（1）開挖吊運第2節樁孔土方，從第2節開始，利用提升設備運土，樁孔內人員要戴好安全帽，防止土塊、石塊等雜物墜落孔內傷人。吊桶在小推車內卸土后，下放吊桶裝土。

（2）樁孔挖至規定深度后，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節支第2節護壁模板

護壁模板采用拆上節支下節依次周轉使用。模板上口預留下節的混凝土澆筑口，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 循環作業

檢查樁位中心軸線及標高，以樁孔口的定位線為依據，逐節校測，符合設計要求，逐層往下循環作業，將樁孔挖至設計深度（見圖9），清除虛土，檢查土質情況，樁底應支承在設計規定的持力層上。孔樁無人員作業時，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、不需要大型機械設備。人工挖孔樁的孔徑一般不會太大，山區土質復雜，易發生孔樁坍塌風險，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場直接使用，無需養護，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下挖，延緩了施工進度。

3.3 樁基承載力試驗

3.3.1 存在問題

根據TB 10428—2012《鐵路聲屏障工程施工質量驗收標準》第4.2.14條規定進行樁基靜載試驗。靜載試驗加載反力裝置可根據現場選擇，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：錨樁橫梁反力系統采用相鄰的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：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：由對稱安裝在試驗樁兩側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 沉降穩定標準

當每小時內沉降量不超過0.1 mm，并連續出現2次，可加下一級荷載。

3.3.2.3 終止加載條件

當出現下列情況之一時，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24 h尚未達到相對穩定標準。

（3）已達到設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：采用鄰近樁配合配重塊等做反力。水平荷載設計值為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：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：在水平力作用平面的受檢樁兩側應對稱安裝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 沉降穩定標準

當每小時內水平位移量不超過0.1 mm，并連續出現2次，可加下一級荷載。

3.3.3.3 終止加載條件

當出現下列情況之一時，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）水平位移達到設計要求的水平位移允許值。

3.3.4 實施成果

經過實際測驗，抗壓、水平承載力完全能達到設計要求。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。

4 結束語

通過京原鐵路電氣化改造項目，對聲屏障現場施工管理有了進一步認識，在山區既有線施工經驗和能力方面有了全面提高，充分認識聲屏障在山區既有鐵路施工的特點要素，結合工程特點，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、物力充分發揮作用。并提高工程技術管理和施工裝備水平，使施工科學性、先進性、經濟性、合理性與實用性相結合，確保每道工序質量達到驗收標準的要求，做到方案科學、技術先進，確保實現設計意圖。

類似工程要考慮多種因素包括環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的各類矛盾，最大限度地減少施工與生產的相互干擾。