蘭新鐵路防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)研究

盛智平

(鐵道部 工程管理中心，北京 100844)

1 蘭新鐵路風(fēng)害概況

蘭新鐵路第二雙線東起蘭州市，經(jīng)青海省會西寧后折向北穿越祁連山山脈進(jìn)入甘肅省河西走廊西行，沿古絲綢之路西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市，線路正線全長1 777 km。

沿線主要風(fēng)口包括安西風(fēng)口、煙墩風(fēng)口、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)和達(dá)坂城風(fēng)口，線路主要風(fēng)口分布見圖1。全線經(jīng)過大風(fēng)區(qū)的長度合計(jì)約330 km，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，最大風(fēng)速可達(dá)60 m/s，是全世界內(nèi)陸鐵路風(fēng)速最高的地區(qū)。

既有蘭新鐵路、南疆鐵路經(jīng)常遭受大風(fēng)危害，有大風(fēng)吹翻棚車的記錄多次，甚至有客車被吹翻的情況，既有鐵路，路堤、路塹邊坡以及橋梁、線路標(biāo)志等被風(fēng)蝕，背風(fēng)地段路塹遭沙埋，沿途路基多設(shè)有擋風(fēng)墻進(jìn)行防護(hù)。大風(fēng)問題是該段線路面臨的重要問題，給鐵路的運(yùn)輸生產(chǎn)造成了重大損失。

為了保證蘭新鐵路第二雙線列車安全、快速、正常運(yùn)營，最大限度地減少限速和停輪，在百里風(fēng)區(qū)和三十里風(fēng)區(qū)的核心區(qū)設(shè)置了防風(fēng)明洞。

圖1 線路主要風(fēng)口分布

兩大風(fēng)區(qū)位于哈密、吐魯番盆地北緣天山南麓山前沖、洪積平原區(qū)，地形平坦開闊，地勢略有起伏，地面高程700～1 050 m，為典型的戈壁荒漠地貌，區(qū)內(nèi)荒蕪人煙。

隧址內(nèi)僅有季節(jié)性沖溝，無長流地表水。地下水水位埋深＞50 m。該段主要地層為第四系上更新統(tǒng)至全新統(tǒng)礫砂、細(xì)圓礫土和第三系中新統(tǒng)泥巖、砂巖。

新建蘭新第二雙線沿線大風(fēng)具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強(qiáng)、變化速度快的特點(diǎn)，三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)最大風(fēng)速達(dá)60 m/s。大風(fēng)區(qū)一年中大于8級風(fēng)的大風(fēng)天數(shù)基本上都超過百天，百里風(fēng)區(qū)超過200 d。每年冬春交替季節(jié)大風(fēng)最為集中，占全年大風(fēng)天數(shù)的30%以上，風(fēng)速也最大。秋冬交替季節(jié)大風(fēng)天氣也較多，但最大風(fēng)速小于冬春交替季節(jié)。風(fēng)區(qū)大風(fēng)主要受寒潮天氣影響，因素單一，主風(fēng)向主要在NW0°～NW40°范圍內(nèi)。風(fēng)區(qū)大風(fēng)天氣起風(fēng)速度在15～40 min內(nèi)風(fēng)速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。

根據(jù)沿線各氣象站建站以來的最大風(fēng)速記錄，如圖2。百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)是全線風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)。

2 防風(fēng)明洞的設(shè)置研究

2.1 防風(fēng)明洞設(shè)置必要性

根據(jù)《鐵路客運(yùn)專線技術(shù)管理辦法(試行)》(300～350 km/h部分)的規(guī)定，結(jié)合蘭新第二雙線沿線既有鐵路沿線大風(fēng)觀測站2004年—2010年統(tǒng)計(jì)資料及氣象局近30年統(tǒng)計(jì)資料的大風(fēng)風(fēng)速、頻率，對列車可能因大風(fēng)出現(xiàn)的限速及停輪天數(shù)進(jìn)行了分析研究。在三十里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)如果不設(shè)防風(fēng)措施，動車組正常運(yùn)行的天數(shù)不足180 d，大部分時間需要限速，甚至可能出現(xiàn)停運(yùn)天數(shù)超過30 d，若采用擋風(fēng)墻，限速運(yùn)行天數(shù)超過100 d，停運(yùn)天數(shù)超過20 d，運(yùn)營很難正常進(jìn)行。因此，要保證列車安全、快速、正常運(yùn)營，最大限度地減少限速，設(shè)置防風(fēng)明洞是非常必要的。

圖2 鐵路沿線測風(fēng)站極大風(fēng)速年最大風(fēng)速

2.2 防風(fēng)明洞設(shè)置情況

綜合考慮沿線大風(fēng)的風(fēng)力、頻率、風(fēng)向及沙害影響，進(jìn)行沿線大風(fēng)分區(qū)，根據(jù)不同的風(fēng)區(qū)采用重型、中型和輕型的防風(fēng)措施。考慮到百里風(fēng)區(qū)和三十里風(fēng)區(qū)區(qū)段不僅風(fēng)力強(qiáng)勁，而且出現(xiàn)大風(fēng)的頻率也高。因此，在百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的核心區(qū)的淺路塹、路堤段落設(shè)置防風(fēng)明洞。初步設(shè)計(jì)中設(shè)置防風(fēng)明洞工程的里程長61.817 km。

3 防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形式研究

在防風(fēng)明洞的前期研究過程中，從結(jié)構(gòu)形狀、建筑材料和施工工藝等方面對明洞結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究。

3.1 結(jié)構(gòu)形狀

從結(jié)構(gòu)形狀方面，主要研究了矩形結(jié)構(gòu)和拱形結(jié)構(gòu)，如圖3。

兩種結(jié)構(gòu)形式施工難度相當(dāng)，但矩形結(jié)構(gòu)直邊墻較高，受風(fēng)面積大，墻底彎矩大，結(jié)構(gòu)受力條件差;而拱形結(jié)構(gòu)直邊墻低、拱部較為圓順，對風(fēng)沙流具有疏導(dǎo)作用，作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載相對較小，對結(jié)構(gòu)受力有利，而且與一般隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓一致，施工方便。

通過比較，拱形結(jié)構(gòu)受力條件好、材料省，優(yōu)先選用拱形結(jié)構(gòu)。

3.2 建筑材料

建筑材料分為混凝土(或鋼筋混凝土)、鋼結(jié)構(gòu)、混合(鋼、混凝土、RPC混凝土)結(jié)構(gòu)等。

從施工方便角度說，鋼結(jié)構(gòu)、RPC混凝土結(jié)構(gòu)可以工廠化加工預(yù)制，現(xiàn)場安裝，具有施工簡單方便、速度快等優(yōu)點(diǎn)，但該類結(jié)構(gòu)位于這種自然條件惡劣、紫外線強(qiáng)、晝夜溫差大、風(fēng)沙磨蝕嚴(yán)重的地區(qū)，需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)，并需要對結(jié)構(gòu)的連接部位及構(gòu)件定期進(jìn)行檢查、維修或更換，這對于地處環(huán)境惡劣的無人區(qū)長達(dá)數(shù)十公里的大型結(jié)構(gòu)來說，運(yùn)營維護(hù)的難度和成本是相當(dāng)大的。通過比較，明洞結(jié)構(gòu)采用耐久性好、養(yǎng)護(hù)維修工作量小的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.3 施工工藝

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，分別研究了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)明洞和分塊預(yù)制拼裝明洞(圖4)結(jié)構(gòu)。

防風(fēng)明洞位于戈壁荒漠地區(qū)，自然環(huán)境惡劣，建筑材料與施工用水相當(dāng)缺乏，全部現(xiàn)澆施工的成本和難度較大，而且還存在外部模板難以固定、施工速度慢、自然環(huán)境惡劣使施工質(zhì)量難以保證等缺點(diǎn)，因此，明洞結(jié)構(gòu)應(yīng)以預(yù)制結(jié)構(gòu)為主，預(yù)制結(jié)構(gòu)的連接縫為薄弱環(huán)節(jié)，而且施工工序復(fù)雜，所以預(yù)制結(jié)構(gòu)的連接縫應(yīng)盡量減少。通過比較分析，明洞優(yōu)先選用分片式預(yù)制結(jié)構(gòu)，在個別預(yù)制拼裝困難、方便現(xiàn)澆的小段落可采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。

4 明洞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

圖3 防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形狀(單位:cm)

圖4 管片式預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(單位:cm)

圖5 防風(fēng)明洞橫斷面(單位:cm)

防風(fēng)明洞采用分片式預(yù)制結(jié)構(gòu)，下部為不封閉結(jié)構(gòu)，明洞邊墻基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。考慮到明洞內(nèi)的通風(fēng)采光問題以及緩解運(yùn)營期間的空氣動力學(xué)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)在背風(fēng)側(cè)開設(shè)通風(fēng)采光孔。拱部分的3塊預(yù)制件尺寸基本相同，一塊預(yù)制件的質(zhì)量約12.4 t，邊墻兩側(cè)各1塊，不開孔塊重約9.6 t，縱向長度為2 m，防風(fēng)明洞橫斷面見圖5。作用在防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)上的荷載主要包括:結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、列車通過時的空氣動力學(xué)荷載等。風(fēng)荷載的取值主要根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》和CFD數(shù)值模擬分析結(jié)果確定，經(jīng)過最不利工況組合下明洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布檢算，結(jié)果表明明洞結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、變形等均滿足要求。

5 結(jié)束語

通過分析比較研究，防風(fēng)明洞選用接縫較少，施工較為方便的分片式預(yù)制結(jié)構(gòu)，對于接縫為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)，需要對其連接方式、施工工藝結(jié)合試驗(yàn)段進(jìn)一步研究。目前，在百里風(fēng)區(qū)設(shè)置了兩段防風(fēng)明洞試驗(yàn)段，共276 m，預(yù)制塊預(yù)制已完成，拼裝施工正在進(jìn)行中。后續(xù)設(shè)計(jì)將結(jié)合試驗(yàn)段的測試與研究成果，對防風(fēng)明洞的結(jié)構(gòu)形式、接縫連接、施工工藝進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］高廣軍，田紅旗，姚松，等.蘭新線強(qiáng)橫風(fēng)對車輛傾覆穩(wěn)定性的影響［J］.鐵道學(xué)報，2004，26(4):36-40.

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