铁路主要大型临时工程设计技术探析
2012-11-27张立青
张立青
(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)
1 概述
铁路工程可分为基本工程和辅助工程,基本工程包括路基、桥涵、隧道及明洞、轨道、通信、信号、信息、电力、电力牵引供电、房屋、其他运营生产设备及建筑物等正式永久工程;辅助工程由临时工程和过渡工程组成[1]。
大型临时工程(以下简称大临工程)是铁路工程重要组成部分,是保证正式工程顺利实施的重要辅助工程。大临工程设计直接影响铁路工程征地、环保、水保、复垦、安全、质量、进度等,大临工程投资一般占静态投资的1.0% ~1.5%,间接影响工程投资达2.0%~3.0%[2-4]。但在传统大临工程设计技术上,相对于基本工程来说是落后的;随着近年铁路科学发展,铁道行业针对大临工程做了大量工作,相继发布了系列标准和文件,并要求针对制(存)梁场、轨道板(枕)场等要求完成地质钻探工作和施工图设计[5]。文章依托大临工程设计技术积累,结合科技研发项目《铁路主要大型临时工程计算方法及设计技术研究》和铁道行业系列大临工程标准(标准设计)编制成果,以若干工程为例,对主要大临工程设计技术进行综合分析和论述。
2 大临工程设计的主要内容、基本要求和基本思路
2.1 内容和特点
大临工程包括拌和站(混凝土集中拌和站、填料集中拌和站),铺轨基地(普通线路铺轨基地、无缝线路铺轨基地、道砟存放场),轨道板(枕)预制场(无砟轨道板预制场、双块式轨枕预制场),材料厂,制存梁场(箱梁预制场、T梁制存梁场),铁路岔线、便线与便桥,汽车运输便道(运梁便道、汽车运输便道),临时管线路等设施(通信、电力、给水干管道),钢梁拼装场,临时渡口、码头、栈桥等[6]。从设计角度来看,大临工程主要有如下特点。
(1)占地面积大、工程数量大、投资额度大,整体规划设计要求系统完整
大临工程普遍占地面积大、工程数量大、投资额度大,以箱梁制梁场为例,占地面积数百亩,土建投资数千万,整体规划设计选址、关键参数拟定将直接影响整体投资、占地等,规划设计要求系统完整。
(2)工序复杂、工艺完整,兼具工厂和工场特点,平面布置设计要求通顺流畅
大临工程具现场工场性质,但在使用中又兼具工厂特点,如箱梁或轨道板预制场,其预制产品属于工业产品,技术标准控制严格,变形量一般以mm级控制[7-8],须取得生产许可证方可制造,故在平面布置设计上应严格按照工厂生产工序和工艺流程进行。
(3)土建种类多,设计寿命短,部分土建标准要求相当严格,土建结构设计要求兼顾全面
作为辅助工程,大临工程设计使用寿命较短,但部分土建结构如轮轨式提梁机轨道基础荷载重大、标准严格[9-10],土建结构的繁杂性决定不能按照一种标准去设计,需要根据不同的大临工程自身特点,建立并完善大临工程土建结构计算方法。
(4)机械种类多,配置复杂,机械配置要求科学经济
近年来大临工程场内施工机械化水平大幅提高,以集中工厂化生产的混凝土拌和站为例,包括混凝土制备机械、混凝土输送机械、冬夏期施工设备、其他机械(原材料称量、运输机械,骨料清洗设备,供电设施和供暖设施,场地洒水和车辆清洗设备)等,供应方向则有线下工程、混凝土梁预制场、无砟轨道板预制场、双块式轨枕预制场、小型构件预制场等[11],机械种类繁多复杂、能力相差很大,必须实现机械配置的科学经济。
2.2 设计基本要求
大临工程设计应满足安全适用、经济环保、技术先进的基本要求。
(1)安全适用是指在大临工程施工、为基本工程提供服务、拆除等整个过程中的安全、质量、适用性和进度,安全适用不仅仅针对基本工程,对大临工程自身在使用寿命中也有着相同的要求。
(2)经济环保是指大临工程在保证基本工程建设前提下,实现节约用地、节省投资、环保节能、永临结合等目标,并实现防灾减灾和文物保护。
(3)技术先进是指在大临工程设计、施工过程中采用四新技术,从技术角度上保证安全适用和经济环保。
传统大临工程设计认为设计的核心为安全适用,但是从近年铁路的发展趋势来看,仅安全适用不能满足铁路科学发展要求,集中表现在对征地、环保、水保、复垦和投资的影响,须将安全适用、经济环保、技术先进三者同时作为工程设计的核心理念,以实现大临工程设计的精细化、标准化和规范化设计。
2.3 精细化、标准化和规范化工程设计的基本思路
根据对大临工程设计技术研发和对以制存梁场、轨道板(枕)预制场、拌和站和铺轨基地等主要大临设计实践,大临工程设计的精细化、标准化和规范化设计主要思路如下。
(1)整体规划设计
整体规划设计应确定工程数量、分布和选址,确定生产能力和关键参数计算公式,建立生产能力、关键参数、占地面积等之间匹配关系,实现工程整体规划阶段的量化设计。
(2)平面布置设计
平面布置设计应树立生产线为主线有效合理串联各功能区的理念,建立主要大临工程布置型式图库(标准设计),实现场内各功能集约使用土地和高效生产相统一。
(3)土建结构物设计
土建结构物设计宜根据大临工程场内不同土建结构物使用频率、破坏后果的严重程度进行结构重要性分级,结合自身特点,采用以概率论为基础的极限状态设计法,以可靠指标度量结构的可靠度,采用以分项系数的设计表达式进行设计,确保结构物安全可靠同时降低工程投资。
(4)机械设备配置
机械设备配置应确定大临工程机械设备配置的主要依据、选型原则、选择方法、配套技术,以充分发挥各种作业机具的协同作业效率为原则,实现优化设备、机具配置,节约资源目标。
3 大临工程整体规划设计
整体规划设计是大临工程设计的关键和先导,整体规划设计应通过大量的相关大临设计参数统计、分析、处理,实现量化设计,从而从根本环节上实现控制用地面积、节省工程投资目标。本部分结合CRTSⅡ型轨道板预制场整体规划设计为例进行叙述。
3.1 数量、分布与选址
CRTSⅡ型轨道板预制场选址应考虑以下主要原则进行数量、分布设置和选址。
(1)预制场的数量和位置应从全线角度考虑设置,统筹安排;从工期和经济技术分析计算统计可得预制场建设工期(包括试生产和上道审查)不宜超过6个月,生产和铺设工期宜为8~12个月,生产工期和铺设工期宜相等,生产工期和铺设工期相差时间不宜超过2个月,一般可按生产工期和铺设工期为12个月考虑;根据CRTSⅡ型无砟轨道板铺设尺寸得预制场供应半径可按40~80 km考虑进行数量和分布设置[12]。
(2)预制场应选在供应范围的中点附近,挑选平坦开阔的地段;其他选址原则略,具体可参考文献[12]。
3.2 生产能力与关键参数匹配关系建立
大临工程应根据其种类和生产能力选择确定控制性关键参数,CRTSⅡ型无砟轨道板预制场控制生产能力的关键参数包括制板周期、存板时间、存板方式、制板台座(模型)数量、存板台座数量等,其中制板周期、存板时间、存板方式等根据技术和经济统计得出,制板台座(模型)数量和存板台座数量等应进行推导,本部分仅以CRTSⅡ型轨道板制板模型和成品板存板台座数量确定为例叙述。
(1)CRTSⅡ型轨道板预制场可按以下公式确定制板模型数量:
式中 M——制板模型数量,套;
R——设计供应线路半径,km;
L——轨道板单块长度,m;
Ts——预制场生产工期,月;
k——备用系数,可取1.0 ~1.2;
2×2——常数,2×2为双线双向,1 000为千米与米的转换系数,每月按25个工作日计。
(2)成品板存放台座数量可按如下公式计算
式中 Np——成品存板台座数量,套;
Tc——存板周期,月;
np——成品板叠放层数,不宜超过9;
k——备用系数,可取1.0 ~1.2;
n——预制场计划每天制板数量。
3.3 工程实例
[8]中相关工程实例。
4 大临工程平面布置设计
平面布置设计宜建立大临工程为正式工程提供产品生产线的理念,并通过生产线的不同过程(阶段)将大临工程进行分区和串联,确定生产线为平面布置的核心,并在此基础上围绕生产线进行平面布置、土建平面布置和辅助工程布置等后续工作。本部分结合箱梁预制场平面布置设计进行叙述。
4.1 生产线确定与功能分区
箱梁预制场生产线应根据箱梁生产流程确定,预制生产线是箱梁制、搬(移)、存、提(运)等一整套流程控制下钢筋绑扎台座、制梁台座、搬梁通道(搬、移梁轨道)、存梁台座、提梁上桥轨道(运梁出场通道)及其附属设备和设施组成制梁单元集合。预制场平面布置,应以生产线布置为核心,其他区域及设施的布置应围绕生产线进行。
确定箱梁预制场生产线之后,即可根据箱梁在生产的流程,将箱梁预制场分为保障区、制梁区、存梁区、提梁上桥区(装车区)、办公区和生活区等[13],各功能区的具体组成和要求可参考《铁路后张法预应力混凝土梁预制场建设技术指南》(TZ321—2009)。
4.2 方案布置与比选
箱梁预制场平面布置方案主要体现在生产线的布置形式上,按照生产线的排列、数量等特征可分为横列式、纵列式和纵横混合式。其中横列式根据箱梁上线(上桥)方式不同,可分为运梁车运输箱梁出场、箱梁通过提梁平台上桥和箱梁通过搬梁机直接上线布置形式;纵列式根据生产线数量不同分为单条生产线和多条生产线纵列式布置形式[14],各种不同形式制梁场布置及适用性可参考文献[14]。
4.3 土建平面布置与辅助工程布置
制梁场土建包括混凝土拌和站、钢筋绑扎台座、制梁台座、存梁台座、搬梁通道(搬、移梁轨道)、存梁台座、提梁上桥轨道(运梁出场通道)及其他附属设施,这些主要土建结构也是生产线的基本组成,其布置应围绕核心土建结构(制梁台座和存梁台座)进行,在平面方案布置选定之后,即可根据整体规划设计确定的关键参数,结合平面布置形式,进行土建平面布置。
辅助工程布置包含运输道路、电力、给水输水、雨污排水、热力、混凝土输送以及其他工程管线系统等布置[15],辅助工程应结合确定的平面布置形式、土建平面等因素按专业进行,其布置要求可参考《铁路后张法预应力混凝土梁预制场建设技术指南》(TZ321—2009)。
4.4 工程实例
可参考文献[14]中相关工程实例。
5 大临工程土建结构设计技术
现阶段,我国铁路工程设计是基于容许应力法的,但铁路工程结构采用极限状态法进行设计是趋势,铁道行业正在进行系统转轨[16-17],大临工程作为铁路工程和建筑工程交叉工程,更宜提早进行转轨。
5.1 土建结构的分类
根据研究成果[18],可将大临工程土建结构分为承受重大移动荷载的土建结构和一般土建结构,承受重大移动荷载的土建结构物包括铁路岔线、便线与便桥,汽车运输便道,临时渡口、码头、栈桥等,此部分宜依据现行行业规范取相应等级进行设计[6];其他主要大临工程等宜结合实际特点,按照极限状态法进行设计,以下主要针对一般土建结构物计算方法进行叙述。
5.2 土建结构极限状态法设计的基本思路
作用、抗力、可靠性构成大临土建结构计算的三要素,但是需要强调,相对于正式工程,大临工程土建结构较短寿命和较低可靠性是需要重点考虑的。结合大临工程土建结构设计经验、经济性因素、课题研究成果和设计应用经验,可认为大临工程土建结构失效概率Pf取为10-3~10-4量级是可满足大临工程在5年设计基准期内使用要求的,给出的大临工程土建结构目标控制性可靠指标β和对应失效概率Pf列于表1。
表1 铁路大临工程土建结构控制性目标可靠指标β对应的失效概率P f
5.3 土建结构极限状态法设计
(1)结构极限状态与设计状况
大临工程土建结构极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态:承载能力极限状态对应结构达到最大承载能力或不适于继续承载的变形;正常使用极限状态对应结构达到正常使用的某项规定限值。两种状态的设计表达式应符合《工程结构可靠性设计统一标准》(GB50153—2008)的相关规定[19]。
大临工程土建结构一般可分为持久设计状况和短暂设计状况,一般可不考虑偶然设计状况和地震设计状况(必要时应针对偶然状况和地震状况采取相应措施)。持久设计状况应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计,短暂设计状况应进行承载力能力极限状态设计,必要时进行正常使用极限状态设计。
(2)荷载与荷载(效应)组合
作用在大临工程土建结构上的荷载可分为恒载和活载:对恒载采用标准值作为代表值;承载能力极限状态设计或正常使用极限状态按标准组合设计时,对活载应按组合规定采用标准值或组合值作为代表值。
大临工程土建结构进行承载能力极限状态设计时,可按基本组合进行;进行正常使用极限状态设计时,一般按不可逆正常使用极限状态的标准组合进行。
(3)分项系数的设计方法
分项系数应根据荷载(或作用)基本变量的统计参数和目标可靠指标按公式计算确定;以某箱梁制梁场制梁区轮轨式搬梁机轨道基础承载能力极限状态为例,由于其作用和作用效应可按线性关系考虑,作用效应基本组合公式
式中 γGi——第i个恒载的分项系数;
SGik——第i个恒载作用标准值的效应;
SQ1k——第一个活载(主导活载)标准值的效应;
γQ1——第一个活载(主导活载)的分项系数;
γQj——第j个活载的分项系数;
SQjk——第j个活载标准值的效应;
ψcj——第j个活载Qj的组合值系数。
取恒载分项系数γG1=1.1,搬梁机荷载分项系数γQ1=1.2,门式吊机荷载分项系数γQ2=1.2,组合系数ψc2=0.8,计算可靠指标β=2.88,对应失效概率Pf=2.0 ×10-3。将其代入公式(3),则得
5.4 工程实例
可参考文献[10]中相关工程实例。
6 大临工程机械配置
大临工程机械设备配置是保证机械化生产的基础,应以充分发挥各种作业机具的协同作业效率为原则,实现优化设备、机具配置,节约资源目标。
6.1 机械设备的分类
大临工程机械设备整体上可分为通用机械和专用机械,不同大临工程通用机械和专用机械包含的内容不同。以T形梁预制场为例,通用机械包含钢筋加工机械、混凝土施工机械、预应力施工机械、一般起重机械、常用制式器材和发电机、蒸养设备、压浆设备、防水层铺设机械等,专用机械则为针对T形梁自身制、搬(移)、运工程特点而配置的机械设备,包括T形梁成套模板、搬梁机(移梁小车)、自调平式运梁车(铁路专用运梁车)等[20]。
6.2 机械设备配置
大临工程场内机械配置应与其施工方法配套,与施工工期相适应,满足质量、安全要求,一般以专用机械配置为核心进行通用机械配置,应注重发挥机械总体最大效率,场内施工机械配置的生产能力大于均衡施工能力,均衡施工能力大于施工进度指标要求。本部分结合混凝土拌和站简述机械配置技术。
混凝土拌和站专用机械包括混凝土制备机械、混凝土输送机械,通用机械则包括原材料称量、原材料运输、骨料清洗设备、供电设施、供暖设施、场地洒水及设备清洁设施、试验检测设备、其他设施设备等。混凝土拌和站机械规格、型号和数量应满足集中搅拌混凝土的数量、质量和进度要求,通用机械配置应围绕混凝土制备机械、输送机械配置进行。专用机械配置基本原则是混凝土制备机械和输送机械配置应根据单位时间混凝土的最大需求量进行,以满足单位时间最大生产量要求和混凝土生产总体进度为原则。部分专用机械的配置可按如下公式进行。
(1)混凝土搅拌站
式中 Q——混凝土搅拌站容量,m3;
n——混凝土搅拌机台数;
V——混凝土需求量,m3/h;
t1——混凝土搅拌机每拌和一次混凝土的搅拌时间,min;
t2——混凝土搅拌机每拌和一次混凝土的出料时间,min;
K1——混凝土搅拌机利用系数,无资料时可取0.9;
K2——工作时间利用系数,无资料时可取0.9。
应注意,由于铁路混凝土广泛进行双掺,铁路混凝土搅拌站理论生产率中的单台搅拌机生产率应按照搅拌周期进行确定,而不是铭牌标示的理论单机生产率。
(2)混凝土搅拌运输车
混凝土搅拌运输车的配置数量与单位时间混凝土实际需求量以及运输距离有关,可按下式进行计算
式中 N——所需配备的混凝土运输车台数;
Q——单位时间混凝土实际最大需求量,m3/h;
q——混凝土运输车容量,m3;
v——混凝土运输车车速,km/h,无资料时可取30 km/h;
l——搅拌站到施工现场往返距离,km/h;
t——由于客观原因造成的停车时间,min,一个运输周期总停歇时间包含装料、卸料、停歇和冲洗等时间[21-22]。
6.3 工程实例
可参考文献[22]中相关工程实例。
7 结语
文章依托我院铁路大临工程设计研究成果,结合若干大临工程设计实例,对铁路大临工程设计技术进行了叙述,近年在铁路行业的规模应用证明,采用本技术可实现安全适用、经济环保、技术先进的大临工程建设目标,项目组针对铁路大临工程编制系列铁道行业标准设计、建设技术指南和机械配置指导意见,希望本文、相关标准和标准设计对铁路大型临时工程的设计起到有益作用。
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