铁路分层拼装式声屏障新工艺研究★

满小愚 陈 锋 王益平

(中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

随着我国铁路建设的加快,降低轨道噪声对铁路两侧居民的侵扰是环保中的重要任务。建造声屏障是解决铁路噪声污染的主要方式，既有大多数铁路声屏障采用“插板式”技术。市区新建铁路沿既有铁路通道引入城市区域，由于某些原因，环境规划预留宽度无法满足环境保护法中间隔30 m以上的要求，必须采取降低噪声的工程技术措施——增设隔声屏障。

铁路分层拼装式声屏障新结构与工艺能大幅减少高起吊作业，提高既有线施工工效，减少对铁路运输的影响。优化了声屏障立柱，稳定框架结构材料选型，能减少后期维护工作，形成产品材料技术参数标准。采用分层拼装的结构方案，能解决施工场地狭窄、施工道路不畅、临近既有线施工困难等问题。

1 基于分层拼装式声屏障新工艺的工程实例

为解决紧邻营业线增设声屏障等降噪措施与铁路行车安全与运输效率等矛盾，研究邻近营业线铁路分层拼装式声屏障新工艺。本次实验研究工点——成都至蒲江铁路成都枢纽西环线增建二线工程。

1.1 结构工艺

该段降噪设计主要采用分层拼装式非金属声屏障方案。根据环评报告的要求，声屏障高度H=3.0 m～7.0 m，分层拼装式立柱间距采用4.0 m，声屏障基础采用桩基础。将常规H型钢立柱优化为分节(段)搭接拼装式预应力RPC立柱的整体设计，其中RPC立柱采用左右分幅预制与现场注胶粘结工艺。其中设计荷载要求如下：自然风压值按照0.563 kN/m2计；列车风压根据TB 10621—2014高速铁路设计规范执行；设计地基基本承载力不小于150 kPa。

声屏障的荷载考虑水平风荷载与列车水平气动荷载两部分，根据TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范与《高速铁路设计规范》中列车产生的水平气动力荷载计算出声屏障受到的水平荷载组合值为0.82 kN/m2。根据声屏障所受荷载情况，对分层拼装式声屏障预制立柱基础埋深、抗拉承载力、构件挠度等方面进行计算，并通过数值模拟分析，最终得到分层拼装式声屏障的截面设计方案(见图1)。对比现场测试结果知，两次挠度试验在加载至设计荷载时，立柱顶端的位移分别为12.5 mm,6 mm，小于计算挠度值15.68 mm,12.12 mm，符合预期并证明声屏障新工艺满足设计要求。

1.2 施工工艺

声屏障立柱为预应力RPC构件，预应力采用先张法施工，基础采用桩基。先将预应力RPC构件插入杯口，再将左右半边结构拼接。依次进行螺栓临时固定、灌注环氧砂浆进行粘结的工序。

安装步骤：

1)构件到场后，首先嵌入或粘结橡胶条。

2)根据设计要求，先安装底立柱，埋入基础，垂直度调整完成后采用自密实混凝土对杯口进行二次浇筑。上层立柱采用左右叠合并相互咬合，保证两构件间密封。左右立柱采用螺栓连接并交错接长。

3)下层立柱吊装时利用上层立柱的吊装孔进行吊装，同时对下层减重孔进行密封。

4)安装完成后，用环氧树脂对拼接缝进行由下往上的环氧树脂类灌浆粘结施工，待环氧树脂胶凝固70%强度后，进行插板施工。

5)每2 m设置一个灌浆观测孔。

6)首先由最底部灌浆观测孔进行灌注，当2 m灌浆观测孔流出环氧胶时即完成一个循环；再由4 m灌浆观测孔进行灌注，分段灌注到顶。若灌浆时出现漏浆等情况，应立刻采用快速凝结环氧进行堵漏。

针对本工艺声屏障的特点研究特制器具拼装立柱以提高施工精度和保证立柱安装质量，并减少高空作业工作量，提高整体自动化、机械化水平，提高劳动效率，降低施工成本、施工难度及安全风险。

1.3 足尺模型实验

试验段内分层拼装式声屏障立柱进行破坏试验，完成了分层拼装式声屏障的抗弯刚度、等效弹性模量等参数的测定，据此评定分层拼装式声屏障结构性能。根据计算的预制立柱薄弱点确定应变片布置点。

由现场记录情况及计算数据知，在距离立柱底端1.5 m处，无裂缝一端的立柱承受应力最大。由现场测试知，在拉力达到设计荷载值2.0倍时出现裂缝，当拉力达到设计荷载值2.6倍～2.8倍时柱子出现断裂。由测试结果知，抗弯刚度、等效弹性模量随着施加荷载、立柱工作情况而发生变化，根据现场记录情况知，在施加荷载为2.0～2.2时测试立柱出现裂缝，对应的抗弯刚度、弹性模量在该荷载作用下不同测点均达到最大值。对测试结果处理后得出：声屏障立柱抗弯刚度正常工作状态下，最大抗弯刚度大于90×106N·m2，带缝工作时的抗弯刚度大于70×106N·m2；等效弹性模量最大值大于60 GPa，带缝工作时的弹性模量大于45 GPa(该测试结果大于设计院理论计算中选取的弹性模量值38 GPa)，此结论也符合现场测试过程中，施加荷载为设计荷载时测得的预制立柱挠曲变形小于理论计算值的测试结果。

1.4 吸声板板材

非金属复合吸声板设计采用两种无机材料组合而成：活性粉末混凝土(RPC120)和多孔无机吸声材料。其中RPC指标要求：抗压强度不小于120 MPa，抗折强度不小于14 MPa，弹性模量不小于40 GPa，电通量小于50 C，抗冻性大于F400；多孔无机材料指标要求：抗压强度不小于2.5 MPa，干密度不大于700 kg/m2。其中对应客车车窗高度的单元板采用通透板材，其他单元板采用非金属板材。

2 三种常用声屏障形式对比分析

传统插板式非金属声屏障与金属声屏障是目前运用最广的两种声屏障工艺，拼装式声屏障是研究出的声屏障新工艺，三者对比分析如下。

2.1 经济效益

根据国务院批准的《中长期铁路网规划》到2020年铁路网规模达到15万km，其中客运专线规划1.6万km。以客运专线为例，通常情况下客运专线沿线经过居民区或城镇时必须设置声屏障，比例约占总里程的5%以上。因此到2020年客运专线的声屏障约为800 km，假设声屏障平均高度为3 m～4 m，金属声屏障价格约1 750元/m2，以高度4.0 m声屏障为例，则声屏障总投资约42亿元。非金属无机声屏障的设计使用寿命60年，其中声屏障吸隔声材料设计使用寿命25年。在相同的前期投入下，使用非金属无机声屏障将从根本上解决维护问题，远期来看将产生巨大的经济效益。

2.2 技术效益

针对营业线铁路，由于目前的钢结构立柱金属声屏障在施工安装时，须依赖大型运输车辆、起重设备的运输通道，施工时起吊高度较高且所有施工项目必须在停运铁路的天窗内进行，施工效率低。采用大型运输车辆、起重设备作业危及既有铁路设备的安全，施工安全风险高，同时还需要准备通行大型运输车辆的施工便道和必要的施工场地。这使得在紧邻既有营运铁路和城市建筑物密集区进行金属声屏障的施工几乎不可能完成。插板式非金属声屏障的施工及安装亦有上述问题。

邻近营业线铁路采用拼装式声屏障，将H型钢立柱改为RPC立柱的设计，人工进行拼接安装且可取消H型钢立柱运输、吊装施工作业内容。

2.3 安全隐患

在铁路运营过程中，列车通过该声屏障路段时会产生剧烈的“活塞运动”(正负压交替现象)，运营一段时间后材料疲劳损伤断裂并易脱落且断裂时不易被发现，有巨大的安全隐患。金属插板式声屏障使用到一定年限后也需要修复，尤其是一些受力螺栓锈蚀后需及时更换，从国内现有金属声屏障的维护经验来看，要想更换金属声屏障的螺栓是一件非常困难的事。

2.4 其他新工艺

针对上述国内声屏障现状，国内已经有研发单位研发了铁路曲线形复合金属声屏障，从而消除了德国声屏障脱落和吸声材料腐烂的隐患。然而，金属声屏障的耐候性问题始终未能从根本上解决，它不仅前期造价昂贵，后期维护成本也非常高。类似中空复合结构的无机声屏障，底部与在安装完成后桥梁浇筑为一体，高度也只能做到2 m～4 m，此类声屏障并不适用于大部分既有线声屏障的安装作业。

3 存在的问题与建议

1)立柱现场安装时，发现螺栓固定件处的RPC混凝土较薄且容易被破坏，设计优化后增加金属网片提高RPC混凝土强度可有效解决。

2)立柱安装完毕后，在压环氧树脂类粘结剂时，如何有效封堵构件间的缝隙，需进一步优化封堵方案。

3)该新工艺成功应用于铁路工点——成都至蒲江铁路成都枢纽西环线增建二线工程，但由于单位声屏障造价低，施工质量效果良好且便捷，不仅适用于营业线铁路增设声屏障工程，还可以推广至其他铁路声屏障设计及施工项目。

4 结语

本次科研试验对声屏障展开深入分析，对紧邻营业线施工、安装隔声设备的耐久性、工艺条件、安全措施、安装机械设备进行系统研究，提出邻近营业线铁路分层拼装式声屏障新结构,并配套研制各项施工新工艺、新设备，同时研究出了预应力RPC各项材料性能及其生产、制造新工艺。