兰新铁路防风明洞结构形式设计研究

盛智平

(铁道部 工程管理中心，北京 100844)

1 兰新铁路风害概况

兰新铁路第二双线东起兰州市，经青海省会西宁后折向北穿越祁连山山脉进入甘肃省河西走廊西行，沿古丝绸之路西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市，线路正线全长1 777 km。

沿线主要风口包括安西风口、烟墩风口、百里风区、三十里风区和达坂城风口，线路主要风口分布见图1。全线经过大风区的长度合计约330 km，其中百里风区、三十里风区的风力最为强劲，最大风速可达60 m/s，是全世界内陆铁路风速最高的地区。

既有兰新铁路、南疆铁路经常遭受大风危害，有大风吹翻棚车的记录多次，甚至有客车被吹翻的情况，既有铁路，路堤、路堑边坡以及桥梁、线路标志等被风蚀，背风地段路堑遭沙埋，沿途路基多设有挡风墙进行防护。大风问题是该段线路面临的重要问题，给铁路的运输生产造成了重大损失。

为了保证兰新铁路第二双线列车安全、快速、正常运营，最大限度地减少限速和停轮，在百里风区和三十里风区的核心区设置了防风明洞。

图1 线路主要风口分布

两大风区位于哈密、吐鲁番盆地北缘天山南麓山前冲、洪积平原区，地形平坦开阔，地势略有起伏，地面高程700～1 050 m，为典型的戈壁荒漠地貌，区内荒芜人烟。

隧址内仅有季节性冲沟，无长流地表水。地下水水位埋深＞50 m。该段主要地层为第四系上更新统至全新统砾砂、细圆砾土和第三系中新统泥岩、砂岩。

新建兰新第二双线沿线大风具有风速高、风期长、季节性强、变化速度快的特点，三十里风区和百里风区最大风速达60 m/s。大风区一年中大于8级风的大风天数基本上都超过百天，百里风区超过200 d。每年冬春交替季节大风最为集中，占全年大风天数的30%以上，风速也最大。秋冬交替季节大风天气也较多，但最大风速小于冬春交替季节。风区大风主要受寒潮天气影响，因素单一，主风向主要在NW0°～NW40°范围内。风区大风天气起风速度在15～40 min内风速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。

根据沿线各气象站建站以来的最大风速记录，如图2。百里风区、三十里风区是全线风力最为强劲的地区。

2 防风明洞的设置研究

2.1 防风明洞设置必要性

根据《铁路客运专线技术管理办法(试行)》(300～350 km/h部分)的规定，结合兰新第二双线沿线既有铁路沿线大风观测站2004年—2010年统计资料及气象局近30年统计资料的大风风速、频率，对列车可能因大风出现的限速及停轮天数进行了分析研究。在三十里风区、百里风区如果不设防风措施，动车组正常运行的天数不足180 d，大部分时间需要限速，甚至可能出现停运天数超过30 d，若采用挡风墙，限速运行天数超过100 d，停运天数超过20 d，运营很难正常进行。因此，要保证列车安全、快速、正常运营，最大限度地减少限速，设置防风明洞是非常必要的。

图2 铁路沿线测风站极大风速年最大风速

2.2 防风明洞设置情况

综合考虑沿线大风的风力、频率、风向及沙害影响，进行沿线大风分区，根据不同的风区采用重型、中型和轻型的防风措施。考虑到百里风区和三十里风区区段不仅风力强劲，而且出现大风的频率也高。因此，在百里风区、三十里风区的核心区的浅路堑、路堤段落设置防风明洞。初步设计中设置防风明洞工程的里程长61.817 km。

3 防风明洞结构形式研究

在防风明洞的前期研究过程中，从结构形状、建筑材料和施工工艺等方面对明洞结构形式进行了研究。

3.1 结构形状

从结构形状方面，主要研究了矩形结构和拱形结构，如图3。

两种结构形式施工难度相当，但矩形结构直边墙较高，受风面积大，墙底弯矩大，结构受力条件差;而拱形结构直边墙低、拱部较为圆顺，对风沙流具有疏导作用，作用在结构上的风荷载相对较小，对结构受力有利，而且与一般隧道结构内轮廓一致，施工方便。

通过比较，拱形结构受力条件好、材料省，优先选用拱形结构。

3.2 建筑材料

建筑材料分为混凝土(或钢筋混凝土)、钢结构、混合(钢、混凝土、RPC混凝土)结构等。

从施工方便角度说，钢结构、RPC混凝土结构可以工厂化加工预制，现场安装，具有施工简单方便、速度快等优点，但该类结构位于这种自然条件恶劣、紫外线强、昼夜温差大、风沙磨蚀严重的地区，需要对钢结构进行定期养护，并需要对结构的连接部位及构件定期进行检查、维修或更换，这对于地处环境恶劣的无人区长达数十公里的大型结构来说，运营维护的难度和成本是相当大的。通过比较，明洞结构采用耐久性好、养护维修工作量小的钢筋混凝土结构。

3.3 施工工艺

对于钢筋混凝土结构，结合现场实际情况，分别研究了现浇结构明洞和分块预制拼装明洞(图4)结构。

防风明洞位于戈壁荒漠地区，自然环境恶劣，建筑材料与施工用水相当缺乏，全部现浇施工的成本和难度较大，而且还存在外部模板难以固定、施工速度慢、自然环境恶劣使施工质量难以保证等缺点，因此，明洞结构应以预制结构为主，预制结构的连接缝为薄弱环节，而且施工工序复杂，所以预制结构的连接缝应尽量减少。通过比较分析，明洞优先选用分片式预制结构，在个别预制拼装困难、方便现浇的小段落可采用现浇结构。

4 明洞结构形式设计

图3 防风明洞结构形状(单位:cm)

图4 管片式预制钢筋混凝土结构(单位:cm)

图5 防风明洞横断面(单位:cm)

防风明洞采用分片式预制结构，下部为不封闭结构，明洞边墙基础采用桩基础。考虑到明洞内的通风采光问题以及缓解运营期间的空气动力学效应，结构在背风侧开设通风采光孔。拱部分的3块预制件尺寸基本相同，一块预制件的质量约12.4 t，边墙两侧各1块，不开孔块重约9.6 t，纵向长度为2 m，防风明洞横断面见图5。作用在防风明洞结构上的荷载主要包括:结构自重、风荷载、列车通过时的空气动力学荷载等。风荷载的取值主要根据《建筑结构荷载设计规范》和CFD数值模拟分析结果确定，经过最不利工况组合下明洞结构内力分布检算，结果表明明洞结构的强度、变形等均满足要求。

5 结束语

通过分析比较研究，防风明洞选用接缝较少，施工较为方便的分片式预制结构，对于接缝为结构的关键部位和薄弱环节，需要对其连接方式、施工工艺结合试验段进一步研究。目前，在百里风区设置了两段防风明洞试验段，共276 m，预制块预制已完成，拼装施工正在进行中。后续设计将结合试验段的测试与研究成果，对防风明洞的结构形式、接缝连接、施工工艺进行进一步优化。

［1］高广军，田红旗，姚松，等.兰新线强横风对车辆倾覆稳定性的影响［J］.铁道学报，2004，26(4):36-40.

［2］程淞.电气化铁路强侧风条件下列车防风研究［J］.铁道建筑，2009(6):90-92.