既有南疆线大风区预制拼装化挡风墙设计研究

中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043

新疆铁路沿线风区是全世界内陆铁路风灾最严重的地区，严重影响铁路客货车辆及运输生产安全。为使南疆铁路“快起来”，2019年开行了动力集中动车组。由于动车组自身的重量轻及悬挂参数与普速车存在很大差异，对风载变化的敏感程度和要求比普速客车更高[1]。经试车，桥梁与路基间的既有挡风墙未设置过渡段，存在缺口，部分挡风墙防风高度不足，经常因最大瞬时风速大于25m/s而停运，严重影响旅客出行。开行动力集中动车组后，南疆线前百公里K9+755～K108+680段挡风墙防风能力不足是南疆线的主要薄弱环节。因此，对南疆线前百公里风区既有挡风墙进行改造和补强意义重大。

1 既有挡风墙情况

既有南疆线平行运行图通过能力为220对/d，2020年图定客车21对/d、货物列车30对/d。南疆线前百公里K9+755～K108+680段属于吐鲁番至鱼儿沟区间，线路走行于北天山南麓与吐善托盆地西北部边缘，主要地形为交错分布的山区和山前倾斜平原。受复杂地形影响，山体缺口处极易形成风口[2]，山梁和山谷抵近线路易形成山梁风和山谷风，下坡地形下气流速度加强易形成下坡风。南疆线前百公里风区具有风速高、大风日数多、持续时间长、风速变化快的特点[1]。2007—2015年，南疆线在改建、增建二线时，针对当时在线运行的普速客车、货车，大部分段落已经设置了挡风墙，挡风墙主要有土堤式、对拉式、路堑式等[3]。

南疆线前百公里K9+755～K108+680段挡风墙补强设计关键在于综合考虑既有线地形、大风、既有挡风墙及行车情况，合理确定挡风墙补强高度以满足动车组运行要求，合理确定挡风墙结构形式以适应现场情况、方便施工和降低施工对既有线的干扰。

2 既有挡风墙加高及过渡段设置

2.1 既有挡风墙加高高度

针对现场调查的土堤式、对拉式和路堑式挡风墙的薄弱地段，按照最大风速60m/s设计，综合考虑迎风侧地面横坡、迎风侧高度（或路堑高度）、凹槽风口等因素，采用计算机模拟确定既有土堤式、对拉式和路堑式挡风墙的补强加高高度[4]，如表1、表2所示。需要说明的是，既有土堤式挡风墙在土堤顶面加高，既有对拉式挡风墙在外侧1.5m外加高以避免破坏对拉式挡风墙，堑顶无土堤的既有路堑在堑顶外3.5m加高，堑顶有土堤的既有路堑在土堤顶面加高。

表1 既有土堤式挡风墙和对拉式挡风墙补强加高高度

表2 既有路堑式挡风墙补强加高高度

2.2 过渡段设置

土堤式挡风墙与桥钢屏风、土堤式挡风墙与对拉式挡风墙过渡处，平面位置的突变将导致气动力的突变从而造成晃车，应设置过渡段以平缓两种挡风墙的平面位置、高差突变。对拉式挡风墙和桥钢屏风平面位置与中线距离基本一致，但衔接处多存在缺口，应封闭。路堑与桥梁钢屏风过渡处存在缺口，过渡处地形陡峭且风力强劲，此处缺口是列车安全运行的隐患，需要设置过渡段。

3 既有挡风墙补强结构形式

为适应现场情况、方便施工和降低施工对既有线的干扰，借鉴构件标准化、模数化、轻量化、少规格、多组合、工厂易生产、施工易操作的装配式建筑设计理念，提出了预制柱板式、拼装重力式、拼装框架式等结构，易于工厂化预制、装配式施工。

3.1 预制柱板式挡风墙

预制柱板式挡风墙由预制柱、A型块板、B型块板、挡风板、工字钢拼装而成，如图1所示。预制柱设置0.75m、1m、1.25m、1.5m四种高度，分别配置预制挡风板1块、2块、3块、4块。

图1 预制柱板式挡风墙示意图（单位：m）

3.2 拼装重力式挡风墙

拼装重力式挡风墙由B型块板、工字钢拼装而成，如图2所示。拼装重力式挡风墙适用于加高高度为1.5～4.0m，根据加高高度不同设置不同层数的B型块板和采用不同长度的工字钢。

图2 拼装重力式挡风墙示意图（单位：m）

3.3 拼装框架式挡风墙

拼装框架式挡风墙，上部结构由钢制挡风板、钢立柱、钢梁等采用螺栓拼装而成，下部结构为混凝土锚固桩，如图3所示。拼装框架式挡风墙，根据高度不同，设置4.2m、3.2m、2.2m挡风屏，分别采用8块、6块、4块挡风屏。

图3 拼装框架式挡风墙示意图（单位：m）

4 预制拼装化挡风墙适用性和优越性

4.1 适用性

（1）土堤式挡风墙加高高度小于1.5m，采用预制柱板式挡风墙；土堤式挡风墙加高高度为2～4m，采用拼装框架式挡风墙，桩顶高度同地面线。

（2）对拉式挡风墙加高高度为1.25～3.5m，采用拼装框架式挡风墙，横梁小于对拉式挡风墙0.5m。

（3）路堑堑顶加高高度小于1.5m，采用预制柱板式挡风墙；路堑堑顶加高高度大于1.5m，采用拼装重力式挡风墙；路堑风口加高高度为4.5m，采用拼装框架式挡风墙，桩顶高度同地面线。

（4）土堤式挡风墙与桥钢屏风、土堤式挡风墙与对拉式挡风墙过渡段采用沿线路12m长、4.5m高的拼装重力式挡风墙斜角过渡。对拉式挡风墙与桥钢屏风过渡缺口采用钢屏风挡风板封闭，挡风板与对拉式挡风墙拉杆和桥梁钢屏风通过螺栓连接。路堑边坡与桥梁钢屏风过渡段，路堑边坡高度小于5m，采用沿线路12m长、4.5m高的拼装框架式挡风墙顺接。

4.2 优越性

预制拼装化挡风墙构件在工厂化预制生产过程中易控制温度、湿度条件，容易保证质量，生产更加环保，减少了现场现浇产生的环境污染和破坏。轻量化、标准化的构件易于吊装运输，更好适应现场复杂环境，解决了复杂地形导致的材料、模板运输困难，装配式施工机械化程度高、施工效率高，装配式施工有效减小了现浇施工中脚手架、模板对既有线的干扰。由于融入了装配式建筑的先进理念，预制拼装化挡风墙比传统现场现浇挡风墙具有更突出的优势，特别是在环境复杂的既有线附近。

5 结束语

根据计算机模拟结果显示，工程完成后，动车组在大风区以最低速度120km/h运行，由原来的最大瞬时风速大于25m/s停运，提高至最大瞬时风速小于51.56m/时可以运行。根据2020年3月的实车大风试验，挡风墙补强加高工程显著提高了列车运行能力，降低了大风对列车的影响。挡风墙补强加高工程完成以来，动车组在大风天气下运行良好。由此可知，预制拼装式设计对相关工程具有借鉴意义。