京原铁路既有线声屏障施工建议与应用

王秋雨，闫成天

（中铁电气化局集团有限公司 京原铁路电化工程指挥部，河北 保定 074300）

0 引言

随着我国铁路建设快速发展，铁路噪声问题被高度关注。我国对噪声污染治理的重视程度逐渐增加［1-2］，民众对噪声污染的自我维权意识提高，铁路两侧声环境功能区超标成为普遍问题，因此应采取措施降低铁路噪声。

京原铁路自北京石景山南站起，经河北省中部、山西省东北部，至山西省原平站，全长418.64 km。

因京原铁路既有线声屏障施工工程地处山区既有铁路［3-4］，交通条件艰难，路基地质复杂。如何保证既有线施工安全顺利进行［5］，已经成为各参建方迫切解决的问题。从既有线声屏障施工角度出发，通过在京原铁路施工1年来所采取的一系列安全防护措施、施工方案［6-8］，对山区既有线声屏障施工进行系统性总结。

1 工程概况

京原铁路石景山南—大涧电气化改造工程JYDHGZ-SG2标段声屏障工程，自保定市涞水县白涧村至大同市招柏村，东自白涧站起，途径坂城、南城司、塔崖驿、王安镇站，西至招柏站。全线共设置8 524延米声屏障。

工程为非金属直立插板式声屏障，由桩基础和上部结构2部分组成。桩基础采用人工挖孔灌注桩，标准桩直径800 mm，标准桩间距4 m。上部结构以H型钢立柱作为屏障支撑，采用摩擦型高强螺栓与基础相连，屏体采用非金属吸声材料，高度为2 950 mm，吸声材料设计使用寿命为25年。

2 工程特点

工程全线均为既有线，涉及大量既有线施工，电气化改造施工涉及专业较多，包括路基、桥涵、隧道、轨道、通信、信号、电力、变电、接触网等，接口涉及面大，交叉作业多。改造期间还需保证线路正常运营，因此既有线施工安全是工程重点。且京原铁路建成年代较久，沿线情况比较复杂，又因施工现场地处山区，沿线均无大型机械进场道路，材料转运是一大难题。

3 解决的关键问题

3.1 施工材料二次转运

3.1.1 存在问题

（1）声屏障敏感点多设置在护坡地段，护坡高度5～15 m，因声屏障安装位置处于坡顶路肩处，在轨道车无法实施的情况下，材料只能使用人工肩抗、背驮、手推车等从护坡坡脚处转运至坡顶，效率极低。

（2）如利用轨道车进行声屏障材料转运，每周3个天窗点，每个天窗点约为120 min，扣除进离场时间，有效施工时间较短，工作量无法保证，材料转运成本巨大。

（3）为保证主专业优先施工的前提及考虑轨道车运输成本问题，声屏障材料转运靠轨道车运输无法实施。

3.1.2 解决方案

针对工程的特殊性，结合现场实际情况，利用轨道式卷扬机结合脚手架改造成一种轨道式上料机（见图1），通过对轨道式上料机的工作、安全、经济等性能进行大量试验，得出结论：轨道式上料机在针对类似京原铁路工程山区既有线施工中，各项性能均能满足预期效果及要求。

图1 轨道式上料机

选择在施工现场相对比较便利的位置设置上料点，根据现场地形及边坡坡度搭设脚手架，将该上料机固定在脚手架上使用，上料机主要由卷扬机及控制开关、钢丝绳、轨道、定滑轮、跑车、料斗（架）组成。根据运输材料不同，设置可拆卸料斗及料架，料斗主要用于运输砂、石、水泥等材料，料架主要用于运输钢立柱、吸声板、底梁材料等，可实现一机多用途。

轨道式上料机是针对京原铁路山区声屏障施工制作的理想运输工具，其特点为安装简单、使用方便、长度可调节、可随意搭配、结构紧凑、体积轻巧、能快速投入工地施工、工作量大、动力强劲、运行平稳、可连续工作。该上料机可用于不同工点斜坡（1∶0.75；1∶1.25）的坡道运料，极大地减轻人工工作难度、提高工作效率，是山区高路基声屏障施工的理想运具。轨道式上料机基本性能如下：

（1）工作性能。该机采用分体式结构，质量轻、速度快、占地面积小，架设移动方便。

轨道最大长度：100 m；

载重爬高速度：25～30 m/min（边坡斜率1∶0.75时的竖直高度）；

爬高载重量：500～1 000 kg；

额定功率：3/4/5.5/7.5 kW；

额定电压：220/380 V。

（2）安全性能。轨道式上料机有机械刹车装置，在电源中断及钢丝绳断裂情况下刹车装置启动，能有效保护人身安全。电源处加装漏电断路保护装置，在使用过程中禁止超负荷作业，随时检查钢丝绳的磨损程度，定期调节涡轮变速箱蜗杆顶头螺栓，以防起吊下滑、蜗杆间隙过大而损坏轴承。

（3）经济性能。声屏障的材料转运一般包括人工转运和轨道车转运，人工转运耗时长、消耗大、效率低，且转运途中易对材料磕碰磨损；而利用轨道车进行声屏障材料转运（见图2），需要要点作业，还需要协调解决可以进行卸料的货场，以便装卸材料。根据轨道车尺寸，每节平板车装吸声板90块（3.96 mm×500 mm×140 mm，2层），装钢柱160根，装砂石料60 t。每周3个天窗点，每个天窗点约为120 min，除去进离场时间，有效施工时间60 min，工作量无法保证，大部分天窗点位于夜间，夜间施工安全隐患大，需汽车吊配合作业，材料转运成本巨大。

图2 利用轨道车转运声屏障材料

利用轨道式上料机进行声屏障材料转运不受营业线施工限制，只利用临近营业线施工计划即可实施，可连续作业，并可在多个区段同时布置作业。轨道车与轨道式上料机性能分析见表1。

表1 轨道车与轨道式上料机性能分析

通过对比发现，轨道式上料机的经济性能明显优于轨道车。

（4）广泛应用。自2020年10月13日京原铁路声屏障施工至今，该轨道式上料机一直应用于声屏障施工材料转运（见图3、图4），使用期间运行良好，未发生任何安全隐患，反映良好。

图3 轨道式上料机在小河村声屏障工点进行运输作业

图4 轨道式上料机在板城村声屏障工点进行运输作业

3.1.3 实施成果

京原铁路石景山南—大涧电气化改造2标声屏障工程，全线使用钢柱2 170根，吸声板12 700块，护壁用水泥砂石料11 172 t。

截至目前已完成钢柱安装1 194根，吸声板安装6 985块，护壁用水泥砂石料6 145 t。其中利用轨道式上料机运输立柱836根，吸声板4 890块，水泥砂石料4 301 t。

综上所述，轨道式上料机目前在京原项目施工应用上是成功的，使用轨道式上料机后，施工不需要天窗点，也不受天窗点施工限制，作业灵活，降低了施工安全风险，每个队投入1台，同时作业，节省工期。

3.2 人工挖孔桩安全防护

3.2.1 存在问题

（1）山区既有铁路声屏障工程，基岩埋深较浅，采用传统的挖孔灌注桩基础，需通过人工进行基础开挖，施工周期长，难度大。

（2）沿线路基地质复杂，土质不均匀，夹碎石弃渣、砂类土细粒土混合充填，挖孔时常伴随涌土、涌砂现象。包括列车运行通过对路基产生的振动，很可能形成孔桩坍塌风险，对孔内挖桩人员的人身安全及路基的稳定性造成严重威胁。

3.2.2 解决方案

人工挖孔桩主要采用混凝土井圈护壁进行防护（见图5），特殊地段采用钢护壁。以下主要介绍混凝土护壁方法，工艺流程见图6。

图5 混凝土护壁

图6 工艺流程

3.2.2.1 放线定桩位及高程

（1）声屏障桩基础全部采用人工挖孔桩，采用混凝土井圈护壁进行防护。根据现场限界位置，确定好桩位中心，以中点为圆心，撒石灰线作为桩孔开挖尺寸线。再对现场标高进行测量，确定桩位标高。

桩位线定好后，在基础开挖前应每隔30 m左右垂直铁路方向开挖探沟，探明地下管线位置，并用石灰画出电缆走线，进行插牌标识（见图7）。声屏障位置与电缆管线影响段将电缆排移或者声屏障避让。

图7 排缆作业

（2）根据每段施工平面布置图从设计规定的起点和终点进行起测，有涵洞地段测量应先确定涵洞两侧桩中心点，再向两侧进行放线至设计起始点。确定好桩位中心，以中点为圆心，以桩身半径加护壁厚度为半径画出基础位置，撒石灰线作为桩孔开挖尺寸线。

3.2.2.2 开挖第1节桩孔土方

（1）开挖桩孔应从上到下逐层进行，先挖中间部分的土方，然后扩及周边，有效控制开挖桩孔的截面尺寸。每根桩每天宜开挖1节护筒深度，每节护壁高度不超过1 m。

（2）为防止桩孔壁坍方，确保安全施工，每节护壁高度不超过1 m。第1节井圈护壁的中心线与设计轴线的偏差不大于15 mm；井圈顶面应比场地高出100 mm。

3.2.2.3 浇筑第1节护壁混凝土

桩孔护壁混凝土每挖完1节以后应立即浇筑混凝土（见图8），护壁混凝土在现场用机械集中搅拌，由人工捣实，坍落度控制在80～100 mm，确保孔壁的稳定性。护壁混凝土应根据气候条件，一般浇灌24 h后方可拆模。混凝土可由试验室确定掺入早强剂，以加速混凝土硬化。

图8 浇筑第1节护壁混凝土

3.2.2.4 架设垂直运输架

第1节桩孔成孔后，即着手在桩孔上口架设垂直运输支架。支架采用钢管或钢筋制成的吊架；要求搭设稳定、牢固。在垂直运输支架上安装滑轮组，选择适当位置安装卷扬机。地面运土用手推车或翻斗车。

3.2.2.5 开挖吊运第2节桩孔土方

（1）开挖吊运第2节桩孔土方，从第2节开始，利用提升设备运土，桩孔内人员要戴好安全帽，防止土块、石块等杂物坠落孔内伤人。吊桶在小推车内卸土后，下放吊桶装土。

（2）桩孔挖至规定深度后，用支杆检查桩孔的直径及井壁圆弧度，上下要垂直平顺，修整孔壁。

3.2.2.6 拆除第1节支第2节护壁模板

护壁模板采用拆上节支下节依次周转使用。模板上口预留下节的混凝土浇筑口，接口处要捣固密实，护壁混凝土凝固24 h后方可拆模。

3.2.2.7 循环作业

检查桩位中心轴线及标高，以桩孔口的定位线为依据，逐节校测，符合设计要求，逐层往下循环作业，将桩孔挖至设计深度（见图9），清除虚土，检查土质情况，桩底应支承在设计规定的持力层上。孔桩无人员作业时，坑口覆盖木板遮盖，木板四角各用不少于10 kg的装土袋压实。

图9 混凝土护壁成型

3.2.3 实施成果

因临近既有线施工条件受限，不允许使用机械钻孔，只能使用人工挖孔桩。人工挖孔桩施工方便、速度较快、不需要大型机械设备。人工挖孔桩的孔径一般不会太大，山区土质复杂，易发生孔桩坍塌风险，考虑到孔桩的安全性，必须对孔桩采取防护措施。首先可以用钢板卷制钢护壁，在工厂加工完成后运至施工现场直接使用，无需养护，直接放坑中即可。但一般一次性使用，与桩身浇筑在一起，浇筑完毕后无法取出，成本极高。

混凝土护壁比钢护壁成本低，强度高，抗震能力强，孔内挖孔人员的人身安全得到了极大保障。但混凝土护壁需等待混凝土凝固后才能继续下挖，延缓了施工进度。

3.3 桩基承载力试验

3.3.1 存在问题

根据TB 10428—2012《铁路声屏障工程施工质量验收标准》第4.2.14条规定进行桩基静载试验。静载试验加载反力装置可根据现场选择，主要分3种：锚桩横梁反力装置、压重平台反力装置和锚桩压重联合反力装置。

对于静载试验一般选择压重平台反力装置，简单方便，但是占地面积大。因临近既有线特殊性，大面积摆列压重材料，会使列车行车安全存在一定隐患。故临近既有线要选择占地面积小、轻便快捷的静载试验模式，锚桩横梁反力装置见图10、图11。

图10 锚桩横梁反力静载示意图

图11 锚桩横梁反力静载试验

3.3.2 单桩竖向抗压静载试验实施方案

3.3.2.1 试验装置

（1）反力系统：锚桩横梁反力系统采用相邻的2根工程桩作为锚桩，锚固螺栓作为抗拔筋。通过自制U型架和反力梁组成反力装置。

设计承载力特征值为71kN，最大加荷载为142kN，即14.2 t。分级荷载为最大加载量的1/10，加载时按照每14.2 kN进行，第1级加载为分级荷载的2倍，为28.4 kN。

（2）加载系统：采用慢速维持荷载法，由静力载荷测试仪自动控制油压千斤顶施加荷载，使用圆形承压板，其直径与设计桩径相同，承压板中心与桩中心相一致，并与荷载作用点重合。

（3）观测系统：由对称安装在试验桩两侧的电子位移传感器自动量测沉降值。每加一级荷载，按间隔5、10、15、15、15 min读记沉降量，以后每隔0.5 h读记1次沉降量。

3.3.2.2 沉降稳定标准

当每小时内沉降量不超过0.1 mm，并连续出现2次，可加下一级荷载。

3.3.2.3 终止加载条件

当出现下列情况之一时，即可终止加载：

（1）某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍。

注：当桩顶沉降能相对稳定且总沉降量小于40 mm时，宜加载至桩顶沉降量超过40 mm。

（2）某级荷载用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下的2倍，且经24 h尚未达到相对稳定标准。

（3）已达到设计要求的最大加载量。

（4）工程桩作锚桩时，锚桩上拔量已达到允许值。

（5）荷载-沉降曲线呈缓变时，可加载至桩顶总沉降量60～80 mm。

3.3.3 单桩水平静载试验实施方案

3.3.3.1 试验装置

（1）反力系统：采用邻近桩配合配重块等做反力。水平荷载设计值为34 kN，即3.4 t。分级荷载为最大加载量的1/10，加载时按照每级6.8 kN进行，第1级取分级荷载的2倍即13.6 kN。

（2）加载系统：采用慢速维持荷载法，由静力载荷测试仪自动控制油压千斤顶施加荷载。水平力作用点宜与实际工程的桩基承台底面标高一致；千斤顶和试验桩接触处应安置球形支座，千斤顶作用力应水平通过桩身轴线，千斤顶与试桩的接触处宜适当补强。

（3）观测系统：在水平力作用平面的受检桩两侧应对称安装2个位移计（必要时应在水平力作用平面以上0.5 m和桩顶附近各安装1个位移计），自动量测水平位移量。试验方法同单桩竖向抗压静载试验。

3.3.3.2 沉降稳定标准

当每小时内水平位移量不超过0.1 mm，并连续出现2次，可加下一级荷载。

3.3.3.3 终止加载条件

当出现下列情况之一时，即可终止加载：

（1）桩身折断。

（2）水平位移超过30～40 mm（软土取40 mm）。

（3）水平位移达到设计要求的水平位移允许值。

3.3.4 实施成果

经过实际测验，抗压、水平承载力完全能达到设计要求。此模式的试验材料成本低，零部件较少，拼装方便，还可以重复利用，比常见的压重平台模式占地面积小，非常适合既有线使用。

4 结束语

通过京原铁路电气化改造项目，对声屏障现场施工管理有了进一步认识，在山区既有线施工经验和能力方面有了全面提高，充分认识声屏障在山区既有铁路施工的特点要素，结合工程特点，抓住重点难点，分部分项突出重点，安排好各个施工流程的衔接，使人力、物力充分发挥作用。并提高工程技术管理和施工装备水平，使施工科学性、先进性、经济性、合理性与实用性相结合，确保每道工序质量达到验收标准的要求，做到方案科学、技术先进，确保实现设计意图。

类似工程要考虑多种因素包括环境条件和施工合理性等，制定具有针对性的施工方案及措施，妥善解决施工中出现的各类矛盾，最大限度地减少施工与生产的相互干扰。