尼日利亚现代化铁路快速铺架施工技术研究

文/李福财

1 前言

近年来，通过引入价值工程理论来控制工程成本、优化项目设计方案、和施工组织设计正成为一个研究和应用的热点，例如李世良等基于价值工程在水利工程设计或者产品设计中的应用研究，以控制设计阶段的成本为主[1]。但是价值工程在施工组织设计或者施工方案优化中应用的实例并不多，而且国内对施工方案优化主要集中在施工现场应用和定性分析方面，例如范先知等基于既有繁忙铁路大型车站改造工程等具体的施工模式或者其他施工方案在现场应用中的定性分析和优化所开展的定性和定量分析就比较少[2]。另外，铺架工程施工方案是铁路建设过程中重要的组成部分，其方案的选择直接影响到施工总工期，由此，本文以尼日利亚现代化铁路阿布贾至卡杜那段铁路铺架工程施工为实际工程背景，利用价值工程理论对满足工期要求的两种施工方案进行定性和定量的分析研究，从而优选出最佳方案。

2 工程概况

2.1 项目简介

尼日利亚现代化铁路阿布贾至卡杜那段位于西非国家尼日利亚的中部，线路走向与首都阿布贾市和卡杜纳州首府卡杜纳市的既有A2公路平行，设计时速150km/h，按照中国铁路标准设计施工，线路起点阿布贾伊都站，终点卡杜那州卡杜纳站，正线全长186.5km，共设9个车站。

2.2 主要铺架工程数量

阿卡铁路的主要铺架工程数量为铁路T 梁架设348 孔、机械铺轨186.5km、铺设道岔55 组。

2.3 制梁场设置及供应范围

阿卡铁路的起点位置和68km 各设置一处预制梁场，其中位于铁路起点位置的伊都梁场负责预制0～50km 区间的T 梁（数量为104 孔、208 片梁的预制），位于68km 的杰瑞梁场负责预制50～186.5km 区间的T 梁（数量为244 孔、488 片梁的预制）。

2.4 铺轨基地布置

阿卡铁路的起点位置布置一处铺轨基地，负责存储全线的轨道材料、组装25m 工具轨排、焊接250m 长钢轨以及工程列车的整备。

2.5 工期要求

阿卡铁路铺架工程施工采取从起点至终点分段施工、分段完成的总体部署，总体进度计划自2013年4月1日开始，于2014年10月31日全线铺通，总工期579 天。

3 施工方法简述

通过分析项目具体特点和环境条件，初步筛选出满足总体施工组织要求的两种铺架工程施工方案：“先架后铺”“边铺边架”。

3.1 “先架后铺”施工方案

桥梁墩台等下部基础完工以及台后填筑压实并检测合格后，利用公路运梁专用平板车将梁场提前预制储备好的铁路T 梁通过运梁便道运输到待架桥梁的桥头，然后公铁两用架桥机分片逐孔进行铁路T 梁的架设，待该座桥梁的全部铁路T 梁架设完毕后，将公铁两用架桥机沿着运梁便道转运至下一座待架桥梁位置，继续下一座桥梁的铁路T 梁架设，直至全线铁路T 梁架设完毕。

路基完工并经沉降观测、评估合格、铁路桥梁架设完毕后，铺轨机和滚筒平车进入现场，做好铺轨准备；机车从后方铺轨基地并将组装的25m 轨排通过轨排运输列车推送至现场，利用轨排倒装龙门架将运输列车上的轨排分批次倒装到滚筒平车上，由滚筒平车近距离运送到铺轨机后端，通过铺轨机进行分批次铺轨作业；待铺轨完成后，机车牵引风动卸碴车对初步铺设的轨道进行补碴作业，随后由配碴整形车、捣固机、动力稳定车组成的大型养路机械，对初步铺设的轨道进行配碴、起道、拨道、捣固、动力稳定等机械养路作业。

“先架后铺”铺架工程施工方案所使用的主要施工设备有：公铁两用架桥机、公路运梁专用平板车、机车、轨排运输列车、轨排倒装龙门架、滚筒平车、铺轨机、风动卸碴车、配碴整形车、捣固机、动力稳定车等。

“先架后铺”铺架工程施工方案的施工顺序为：施工准备→公路运梁专用平板车运输铁路T 梁至桥头→公铁两用架桥机架设铁路T 梁→架桥机转场→机车推送轨排运输列车进入现场→轨排倒装龙门架将轨排倒装到滚筒平车上→铺轨机铺设轨排→机车牵引风动卸碴车进行补碴→配碴整形车、捣固机、动力稳定车进行机械养路作业→质量检查和验收。

“先架后铺”铺架工程施工方案的优缺点分析详见表1 所示。

表1 “先架后铺”施工优缺点分析表

3.2 “边铺边架”施工方案

“边铺边架”施工方案简述：铁路路基以及桥梁墩台等下部工程全部完工后，铺轨机和滚筒平车进入现场，做好铺轨准备；机车从后方铺轨基地将组装的25m 轨排通过轨排运输列车推送至现场，利用轨排倒装龙门架将运输列车上的轨排分批次倒装到滚筒平车上，由滚筒平车近距离运送到铺轨机后端，通过铺轨机进行分批次铺轨作业；当铺轨至待架桥梁位置后，铺轨机退回基地或者后方车站进行避让；机车牵引风动卸碴车对初步铺设的轨道进行补碴作业，随后由配碴整形车、捣固机、动力稳定车组成的大型养路机械，对初步铺设的轨道进行配碴、起道、拨道、捣固、动力稳定等机械养路作业。

铁路架桥机从基地或者后方车站出发到达待架桥梁位置，铁路运梁列车从梁场运输铁路T 梁到达桥头附近，利用桥梁倒装龙门架将铁路T 梁换装至运梁车，再由运梁车为架桥机喂梁，同时铁路架桥机进行桥梁架设；待该座桥梁的全部铁路T 梁架设完毕后，将架桥机退回至基地或者后方车站，铺轨机再次前行至现场继续进行铺轨作业。

“边铺边架”铺架工程施工方案所使用的主要施工设备有：机车、轨排运输列车、轨排倒装龙门架、滚筒平车、铺轨机、铁路架桥机、铁路运梁车、桥梁倒装龙门架、风动卸碴车、配碴整形车、捣固机、动力稳定车等。

“边铺边架”铺架工程施工方案的施工顺序为：施工准备→机车推送轨排运输列车进入现场→轨排倒装龙门架将轨排倒装到滚筒平车上→铺轨机铺设轨排至待架桥梁位置→铺轨机退回基地或者后方车站→机车牵引风动卸碴车进行补碴→配碴整形车、捣固机、动力稳定车进行机械养路作业→铁路架桥机到达待架桥梁位置→铁路运梁列车运输铁路T 梁进场→T 梁换装至运梁车→运梁车喂梁→架设铁路T 梁→架桥机退回→铺轨机进场继续铺轨。

“边铺边架”铺架工程施工方案的优缺点分析详见表2 所示。

表2 “边铺边架”施工优缺点分析表

4 价值工程理论

价值工程产生于20世纪40年代后期的美国，创始人是美国通用电气公司负责物资采购工作的电气工程师麦尔斯(L．D．Miles)[3]。价值工程理论就是对产品或服务的功能进行分析，找出并实现其必要功能，以尽可能低的成本来实现产品或服务必要功能的具有集体智慧的一种活动[4]。

根据价值工程的基本原理，产品价值与产品功能和产品成本的关系可以用公式(1)表示。

式中，V 为产品价值；F 为产品功能；C 为产品成本。

近年来应用价值工程所取得的经济效果显著，越来越多地被应用于建设工程领域中的房屋建筑、水利水电工程、公路桥梁等各领域，具有强大的生命力。

5 施工方案的优化

5.1 对象选择

阿卡铁路主要包括桥梁及涵洞工程、路基工程、车站房建工程、通信和信号工程、铺架工程施工等内容。对以上施工项目按照表3 阿卡铁路各项指标测算表中所列指标进行测算。

表3 阿卡铁路各项指标测算表

从表3 阿卡铁路各项指标测算表的分析数据可以看出，铺架工程的各项指标测算值汇总为300%，位居第一位；其次是桥梁及涵洞工程，各项指标测算值汇总为80%，位居第二位；最后一位是房建以及通信和信号工程，各项指标测算值汇总为30%。

因此，铺架工程施工的权重比较大，属于重点管理的主要问题，需要根据前述关于价值工程理论的描述开展价值工程活动。

5.2 功能分析

在功能定义的基础上，根据铺架工程施工的特点，对铺架工程施工的功能进行整理，详见图1 铺架工程施工功能系统图所示。

5.3 方案创造

依据前述关于“先架后铺”“边铺边架”两种铺架工程施工方案的描述和定性分析，以价值工程理论为基础，对初步筛选出“先架后铺”“边铺边架”两种铺架工程施工方案开展进一步的价值分析。

5.4 施工方案评价

按照表4 施工方案评价表所列内容和指标对上述施工方案进行定量评价，方案A 代表“先架后铺”铺架工程施工方案，方案B 代表“边铺边架”铺架工程施工方案。

由表4 施工方案评价表可以看出在两种施工方案中，得分由高到低依次是方案A、方案B。具体情况如下：排在第一位的是方案A“先架后铺”铺架工程施工方案，得分80 分；排名第二位的是方案B“边铺边架”铺架工程施工方案，得分20 分。

表4 施工方案评价表

其中，方案A 由于充分利用了铺轨机和架桥机等大型机械设备、节省施工准备时间、不需要铺轨机和架桥机的转场、不需要设置运梁岔线、不需要铺设桥面短轨节方面的原因，节省机械设备和人员的配置，在加快施工速度方面效果显著，得分较高，而其缺点在于需要修建运梁便道；方案B 由于不需要修建和维护运梁便道等方面存在一定优势，但其他方面与方案A 相比效果略差，得分较低。

因此，方案A“先架后铺”铺架工程施工方案为最佳方案。

6 施工方案的进一步优化和确定

虽然“先架后铺”优于“边铺边架”铺架工程施工方案，但它本身也存在一些问题，例如铁路T 梁的长距离运输存在安全风险大、铁路T 梁的长距离运输时间较长、架桥机等待喂梁时间过长、修建运梁便道较长、便道维护比较困难等缺陷，因此为了有效缩减工期、提高效益、保障安全，必须以问题为导向，着力解决上述缺陷，对铁路T 梁的长距离运输方式进一步优化[5]。

6.1 卡杜纳大桥概况

卡杜纳大桥位于尼日利亚的北部卡杜纳州首府卡杜纳市，是尼日利亚现代化铁路阿布贾至卡杜纳段最后一座大桥。该桥横跨卡杜纳大河，大桥的中心里程为DK165+620，孔跨布置为42 孔84 片32m 铁路T 梁[6]。

6.2 运梁方法的优化

采用“先架后铺”铺架工程施工方案时，公路运梁专用平板车从68km 梁场运输铁路T 梁进入现场，平均运距约为100km。由此，需要修建的运梁便道较长，便道维护比较困难，同时在长距离运输过程中要多次穿过沿线的村庄、与既有道路多次平面交叉，运输干扰较多，运输安全性较差。

根据前述分析，不论是“先架后铺”还是“边铺边架”铺架工程施工方案，都是采用公路或者铁路单一运梁方式进行铁路T 梁的运输，在铁路T 梁到达施工现场后，由运梁车配合架桥机进行铁路T 梁的架设作业[7]。

公路运梁专用平板车运梁的特点：运梁车方便、灵活，受场地制约性较小，且前期需要做的准备工作相对较少。主要适用于预制梁场与架桥工地较远、不适合铺轨或铺轨费用较高的场合。公路运梁专用平板车属于轮胎式运梁车，具有载重量大、自行式、运输不受距离限制的特点。

铁路运梁列车运梁的特点：适合于长距离运梁作业，避免了公路运梁时受既有道路通行条件的限制；铁路T 梁不仅能够及时运送到位，而且还能保证架桥作业的连续性[8]。

因此，采用“先架后铺”铺架工程施工方案架设卡杜纳大桥42 孔32m 铁路T 梁时，为了确保长距离运输过程中的安全，加快铺架工程施工进度，需要对提高铁路T 梁的长距离运输方案进一步优化。

通过对公路运梁专用平板车运梁和铁路运梁列车运梁的特点分析，将“先架后铺”铺架工程施工方案中的运梁方式由采用公路单一运梁方式进行铁路T 梁的运输改为铁路转公路运梁、公路运梁车运送到桥头的公铁转运方式。

6.3 卡杜纳大桥桥梁架设方案确定

待铺轨至卡杜纳大桥架梁现场附近后，铺轨机返回后方车站进行避让；机车牵引风动卸碴车对初步铺设的轨道进行补碴作业，随后由配碴整形车、捣固机、动力稳定车组成的大型养路机械对初步铺设的轨道进行配碴、起道、拨道、捣固、动力稳定等机械养路作业[9]。

在距架梁现场较近的位置附近支立桥梁倒装龙门架，桥梁倒装龙门架设置在线路纵坡不超过8‰的直线地段或曲线半径大于2000m 曲线地段，桥梁倒装龙门架净空应满足公路运梁专用平板车和铁路运梁列车通行的要求。铁路运梁列车从梁场运输铁路T 梁到达桥头附近，利用桥梁倒装龙门架将铁路T 梁换装至公路运梁专用平板车，由公路运梁专用平板车为架桥机喂梁，公铁两用架桥机进行桥梁架设。待桥梁架设完毕后，架桥机退场，铺轨机及轨排运输列车再次前行至现场继续进行铺轨作业，直至全线铺轨完成。

在“先架后铺”施工设备的基础上需要增加的设备有：铁路运梁列车、桥梁倒装龙门架。

其施工顺序为：施工准备→机车推送轨排运输列车进入现场→轨排倒装龙门架将轨排倒装到滚筒平车上→铺轨至卡杜纳大桥现场→铺轨机退回后方车站避让→机车牵引风动卸碴车进行补碴→配碴整形车、捣固机、动力稳定车进行机械养路作业→支立桥梁倒装龙门架→铁路运梁列车运输铁路T 梁至桥头→倒装龙门架将铁路T 梁换装至公路运梁专用平板车→公路运梁专用平板车运梁、喂梁→公铁两用架桥机架设铁路T 梁→架桥机退场→铺轨机进场铺轨→全线铺轨完成→质量检查和验收[10]。

优化后的最佳方案，是在充分发挥工作积极性和减小了劳动强度的前提下，对初步确定的“先架后铺”施工组织方案开展进一步分析和优化，将铁路T 梁的远距离运输方式优化为公铁转运的方式，即在靠近架梁现场附近支立倒装龙门架，将铁路运梁列车运输的铁路T 梁倒装至公路运梁专用平板车上，由公路运梁专用平板车运至架梁现场。公铁转运的方式充分发挥了铁路运梁列车在长距离运输方面的优势，克服了公路运梁专用平板车在公路运输中复杂多变的道路因素，确保铺架工程施工组织更加科学高效，加快了铺架施工进度[11]。

7 结语

根据上述分析，从铺架工程施工多方案比较和优选的角度，对铺架工程施工方案进行定性和定量分析，可以为类似的大型铁路铺架工程施工方案的优化提供借鉴和参考[12]。但由于不同新建铁路项目铺架工程的施工范围和现场施工条件存在差异性，因此可供选择的施工方法也不尽相同，在实际工程施工过程中需要根据线下工程的施工进展情况，在充分利用现有资源的情况下，动态调整铺架工程施工方案，使得铺架工程施工方案能够更加合理安排使用资源，在确保建设工程质量的前提下尽可能地缩短建设周期，加快施工进度。