鐵路主要大型臨時工程設計技術探析

張立青

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

鐵路工程可分為基本工程和輔助工程，基本工程包括路基、橋涵、隧道及明洞、軌道、通信、信號、信息、電力、電力牽引供電、房屋、其他運營生產設備及建筑物等正式永久工程;輔助工程由臨時工程和過渡工程組成［1］。

大型臨時工程(以下簡稱大臨工程)是鐵路工程重要組成部分，是保證正式工程順利實施的重要輔助工程。大臨工程設計直接影響鐵路工程征地、環保、水保、復墾、安全、質量、進度等，大臨工程投資一般占靜態投資的1.0% ～1.5%，間接影響工程投資達2.0%～3.0%［2－4］。但在傳統大臨工程設計技術上，相對于基本工程來說是落后的;隨著近年鐵路科學發展，鐵道行業針對大臨工程做了大量工作，相繼發布了系列標準和文件，并要求針對制(存)梁場、軌道板(枕)場等要求完成地質鉆探工作和施工圖設計［5］。文章依托大臨工程設計技術積累，結合科技研發項目《鐵路主要大型臨時工程計算方法及設計技術研究》和鐵道行業系列大臨工程標準(標準設計)編制成果，以若干工程為例，對主要大臨工程設計技術進行綜合分析和論述。

2 大臨工程設計的主要內容、基本要求和基本思路

2.1 內容和特點

大臨工程包括拌和站(混凝土集中拌和站、填料集中拌和站)，鋪軌基地(普通線路鋪軌基地、無縫線路鋪軌基地、道砟存放場)，軌道板(枕)預制場(無砟軌道板預制場、雙塊式軌枕預制場)，材料廠，制存梁場(箱梁預制場、T梁制存梁場)，鐵路岔線、便線與便橋，汽車運輸便道(運梁便道、汽車運輸便道)，臨時管線路等設施(通信、電力、給水干管道)，鋼梁拼裝場，臨時渡口、碼頭、棧橋等［6］。從設計角度來看，大臨工程主要有如下特點。

(1)占地面積大、工程數量大、投資額度大，整體規劃設計要求系統完整

大臨工程普遍占地面積大、工程數量大、投資額度大，以箱梁制梁場為例，占地面積數百畝，土建投資數千萬，整體規劃設計選址、關鍵參數擬定將直接影響整體投資、占地等，規劃設計要求系統完整。

(2)工序復雜、工藝完整，兼具工廠和工場特點，平面布置設計要求通順流暢

大臨工程具現場工場性質，但在使用中又兼具工廠特點，如箱梁或軌道板預制場，其預制產品屬于工業產品，技術標準控制嚴格，變形量一般以mm級控制［7－8］，須取得生產許可證方可制造，故在平面布置設計上應嚴格按照工廠生產工序和工藝流程進行。

(3)土建種類多，設計壽命短，部分土建標準要求相當嚴格，土建結構設計要求兼顧全面

作為輔助工程，大臨工程設計使用壽命較短，但部分土建結構如輪軌式提梁機軌道基礎荷載重大、標準嚴格［9－10］，土建結構的繁雜性決定不能按照一種標準去設計，需要根據不同的大臨工程自身特點，建立并完善大臨工程土建結構計算方法。

(4)機械種類多，配置復雜，機械配置要求科學經濟

近年來大臨工程場內施工機械化水平大幅提高，以集中工廠化生產的混凝土拌和站為例，包括混凝土制備機械、混凝土輸送機械、冬夏期施工設備、其他機械(原材料稱量、運輸機械，骨料清洗設備，供電設施和供暖設施，場地灑水和車輛清洗設備)等，供應方向則有線下工程、混凝土梁預制場、無砟軌道板預制場、雙塊式軌枕預制場、小型構件預制場等［11］，機械種類繁多復雜、能力相差很大，必須實現機械配置的科學經濟。

2.2 設計基本要求

大臨工程設計應滿足安全適用、經濟環保、技術先進的基本要求。

(1)安全適用是指在大臨工程施工、為基本工程提供服務、拆除等整個過程中的安全、質量、適用性和進度，安全適用不僅僅針對基本工程，對大臨工程自身在使用壽命中也有著相同的要求。

(2)經濟環保是指大臨工程在保證基本工程建設前提下，實現節約用地、節省投資、環保節能、永臨結合等目標，并實現防災減災和文物保護。

(3)技術先進是指在大臨工程設計、施工過程中采用四新技術，從技術角度上保證安全適用和經濟環保。

傳統大臨工程設計認為設計的核心為安全適用，但是從近年鐵路的發展趨勢來看，僅安全適用不能滿足鐵路科學發展要求，集中表現在對征地、環保、水保、復墾和投資的影響，須將安全適用、經濟環保、技術先進三者同時作為工程設計的核心理念，以實現大臨工程設計的精細化、標準化和規范化設計。

2.3 精細化、標準化和規范化工程設計的基本思路

根據對大臨工程設計技術研發和對以制存梁場、軌道板(枕)預制場、拌和站和鋪軌基地等主要大臨設計實踐，大臨工程設計的精細化、標準化和規范化設計主要思路如下。

(1)整體規劃設計

整體規劃設計應確定工程數量、分布和選址，確定生產能力和關鍵參數計算公式，建立生產能力、關鍵參數、占地面積等之間匹配關系，實現工程整體規劃階段的量化設計。

(2)平面布置設計

平面布置設計應樹立生產線為主線有效合理串聯各功能區的理念，建立主要大臨工程布置型式圖庫(標準設計)，實現場內各功能集約使用土地和高效生產相統一。

(3)土建結構物設計

土建結構物設計宜根據大臨工程場內不同土建結構物使用頻率、破壞后果的嚴重程度進行結構重要性分級，結合自身特點，采用以概率論為基礎的極限狀態設計法，以可靠指標度量結構的可靠度，采用以分項系數的設計表達式進行設計，確保結構物安全可靠同時降低工程投資。

(4)機械設備配置

機械設備配置應確定大臨工程機械設備配置的主要依據、選型原則、選擇方法、配套技術，以充分發揮各種作業機具的協同作業效率為原則，實現優化設備、機具配置，節約資源目標。

3 大臨工程整體規劃設計

整體規劃設計是大臨工程設計的關鍵和先導，整體規劃設計應通過大量的相關大臨設計參數統計、分析、處理，實現量化設計，從而從根本環節上實現控制用地面積、節省工程投資目標。本部分結合CRTSⅡ型軌道板預制場整體規劃設計為例進行敘述。

3.1 數量、分布與選址

CRTSⅡ型軌道板預制場選址應考慮以下主要原則進行數量、分布設置和選址。

(1)預制場的數量和位置應從全線角度考慮設置，統籌安排;從工期和經濟技術分析計算統計可得預制場建設工期(包括試生產和上道審查)不宜超過6個月，生產和鋪設工期宜為8～12個月，生產工期和鋪設工期宜相等，生產工期和鋪設工期相差時間不宜超過2個月，一般可按生產工期和鋪設工期為12個月考慮;根據CRTSⅡ型無砟軌道板鋪設尺寸得預制場供應半徑可按40～80 km考慮進行數量和分布設置［12］。

(2)預制場應選在供應范圍的中點附近，挑選平坦開闊的地段;其他選址原則略，具體可參考文獻［12］。

3.2 生產能力與關鍵參數匹配關系建立

大臨工程應根據其種類和生產能力選擇確定控制性關鍵參數，CRTSⅡ型無砟軌道板預制場控制生產能力的關鍵參數包括制板周期、存板時間、存板方式、制板臺座(模型)數量、存板臺座數量等，其中制板周期、存板時間、存板方式等根據技術和經濟統計得出，制板臺座(模型)數量和存板臺座數量等應進行推導，本部分僅以CRTSⅡ型軌道板制板模型和成品板存板臺座數量確定為例敘述。

(1)CRTSⅡ型軌道板預制場可按以下公式確定制板模型數量:

式中 M——制板模型數量，套;

R——設計供應線路半徑，km;

L——軌道板單塊長度，m;

Ts——預制場生產工期，月;

k——備用系數，可取1.0 ～1.2;

2×2——常數，2×2為雙線雙向，1 000為千米與米的轉換系數，每月按25個工作日計。

(2)成品板存放臺座數量可按如下公式計算

式中 Np——成品存板臺座數量，套;

Tc——存板周期，月;

np——成品板疊放層數，不宜超過9;

k——備用系數，可取1.0 ～1.2;

n——預制場計劃每天制板數量。

3.3 工程實例

［8］中相關工程實例。

4 大臨工程平面布置設計

平面布置設計宜建立大臨工程為正式工程提供產品生產線的理念，并通過生產線的不同過程(階段)將大臨工程進行分區和串聯，確定生產線為平面布置的核心，并在此基礎上圍繞生產線進行平面布置、土建平面布置和輔助工程布置等后續工作。本部分結合箱梁預制場平面布置設計進行敘述。

4.1 生產線確定與功能分區

箱梁預制場生產線應根據箱梁生產流程確定，預制生產線是箱梁制、搬(移)、存、提(運)等一整套流程控制下鋼筋綁扎臺座、制梁臺座、搬梁通道(搬、移梁軌道)、存梁臺座、提梁上橋軌道(運梁出場通道)及其附屬設備和設施組成制梁單元集合。預制場平面布置，應以生產線布置為核心，其他區域及設施的布置應圍繞生產線進行。

確定箱梁預制場生產線之后，即可根據箱梁在生產的流程，將箱梁預制場分為保障區、制梁區、存梁區、提梁上橋區(裝車區)、辦公區和生活區等［13］，各功能區的具體組成和要求可參考《鐵路后張法預應力混凝土梁預制場建設技術指南》(TZ321—2009)。

4.2 方案布置與比選

箱梁預制場平面布置方案主要體現在生產線的布置形式上，按照生產線的排列、數量等特征可分為橫列式、縱列式和縱橫混合式。其中橫列式根據箱梁上線(上橋)方式不同，可分為運梁車運輸箱梁出場、箱梁通過提梁平臺上橋和箱梁通過搬梁機直接上線布置形式;縱列式根據生產線數量不同分為單條生產線和多條生產線縱列式布置形式［14］，各種不同形式制梁場布置及適用性可參考文獻［14］。

4.3 土建平面布置與輔助工程布置

制梁場土建包括混凝土拌和站、鋼筋綁扎臺座、制梁臺座、存梁臺座、搬梁通道(搬、移梁軌道)、存梁臺座、提梁上橋軌道(運梁出場通道)及其他附屬設施，這些主要土建結構也是生產線的基本組成，其布置應圍繞核心土建結構(制梁臺座和存梁臺座)進行，在平面方案布置選定之后，即可根據整體規劃設計確定的關鍵參數，結合平面布置形式，進行土建平面布置。

輔助工程布置包含運輸道路、電力、給水輸水、雨污排水、熱力、混凝土輸送以及其他工程管線系統等布置［15］，輔助工程應結合確定的平面布置形式、土建平面等因素按專業進行，其布置要求可參考《鐵路后張法預應力混凝土梁預制場建設技術指南》(TZ321—2009)。

4.4 工程實例

可參考文獻［14］中相關工程實例。

5 大臨工程土建結構設計技術

現階段，我國鐵路工程設計是基于容許應力法的，但鐵路工程結構采用極限狀態法進行設計是趨勢，鐵道行業正在進行系統轉軌［16-17］，大臨工程作為鐵路工程和建筑工程交叉工程，更宜提早進行轉軌。

5.1 土建結構的分類

根據研究成果［18］，可將大臨工程土建結構分為承受重大移動荷載的土建結構和一般土建結構，承受重大移動荷載的土建結構物包括鐵路岔線、便線與便橋，汽車運輸便道，臨時渡口、碼頭、棧橋等，此部分宜依據現行行業規范取相應等級進行設計［6］;其他主要大臨工程等宜結合實際特點，按照極限狀態法進行設計，以下主要針對一般土建結構物計算方法進行敘述。

5.2 土建結構極限狀態法設計的基本思路

作用、抗力、可靠性構成大臨土建結構計算的三要素，但是需要強調，相對于正式工程，大臨工程土建結構較短壽命和較低可靠性是需要重點考慮的。結合大臨工程土建結構設計經驗、經濟性因素、課題研究成果和設計應用經驗，可認為大臨工程土建結構失效概率Pf取為10－3～10－4量級是可滿足大臨工程在5年設計基準期內使用要求的，給出的大臨工程土建結構目標控制性可靠指標β和對應失效概率Pf列于表1。

表1 鐵路大臨工程土建結構控制性目標可靠指標β對應的失效概率P f

5.3 土建結構極限狀態法設計

(1)結構極限狀態與設計狀況

大臨工程土建結構極限狀態可分為承載能力極限狀態和正常使用極限狀態:承載能力極限狀態對應結構達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形;正常使用極限狀態對應結構達到正常使用的某項規定限值。兩種狀態的設計表達式應符合《工程結構可靠性設計統一標準》(GB50153—2008)的相關規定［19］。

大臨工程土建結構一般可分為持久設計狀況和短暫設計狀況，一般可不考慮偶然設計狀況和地震設計狀況(必要時應針對偶然狀況和地震狀況采取相應措施)。持久設計狀況應進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態設計，短暫設計狀況應進行承載力能力極限狀態設計，必要時進行正常使用極限狀態設計。

(2)荷載與荷載(效應)組合

作用在大臨工程土建結構上的荷載可分為恒載和活載:對恒載采用標準值作為代表值;承載能力極限狀態設計或正常使用極限狀態按標準組合設計時，對活載應按組合規定采用標準值或組合值作為代表值。

大臨工程土建結構進行承載能力極限狀態設計時，可按基本組合進行;進行正常使用極限狀態設計時，一般按不可逆正常使用極限狀態的標準組合進行。

(3)分項系數的設計方法

分項系數應根據荷載(或作用)基本變量的統計參數和目標可靠指標按公式計算確定;以某箱梁制梁場制梁區輪軌式搬梁機軌道基礎承載能力極限狀態為例，由于其作用和作用效應可按線性關系考慮，作用效應基本組合公式

式中 γGi——第i個恒載的分項系數;

SGik——第i個恒載作用標準值的效應;

SQ1k——第一個活載(主導活載)標準值的效應;

γQ1——第一個活載(主導活載)的分項系數;

γQj——第j個活載的分項系數;

SQjk——第j個活載標準值的效應;

ψcj——第j個活載Qj的組合值系數。

取恒載分項系數γG1=1.1，搬梁機荷載分項系數γQ1=1.2，門式吊機荷載分項系數γQ2=1.2，組合系數ψc2=0.8，計算可靠指標β=2.88，對應失效概率Pf=2.0 ×10－3。將其代入公式(3)，則得

5.4 工程實例

可參考文獻［10］中相關工程實例。

6 大臨工程機械配置

大臨工程機械設備配置是保證機械化生產的基礎，應以充分發揮各種作業機具的協同作業效率為原則，實現優化設備、機具配置，節約資源目標。

6.1 機械設備的分類

大臨工程機械設備整體上可分為通用機械和專用機械，不同大臨工程通用機械和專用機械包含的內容不同。以T形梁預制場為例，通用機械包含鋼筋加工機械、混凝土施工機械、預應力施工機械、一般起重機械、常用制式器材和發電機、蒸養設備、壓漿設備、防水層鋪設機械等，專用機械則為針對T形梁自身制、搬(移)、運工程特點而配置的機械設備，包括T形梁成套模板、搬梁機(移梁小車)、自調平式運梁車(鐵路專用運梁車)等［20］。

6.2 機械設備配置

大臨工程場內機械配置應與其施工方法配套，與施工工期相適應，滿足質量、安全要求，一般以專用機械配置為核心進行通用機械配置，應注重發揮機械總體最大效率，場內施工機械配置的生產能力大于均衡施工能力，均衡施工能力大于施工進度指標要求。本部分結合混凝土拌和站簡述機械配置技術。

混凝土拌和站專用機械包括混凝土制備機械、混凝土輸送機械，通用機械則包括原材料稱量、原材料運輸、骨料清洗設備、供電設施、供暖設施、場地灑水及設備清潔設施、試驗檢測設備、其他設施設備等。混凝土拌和站機械規格、型號和數量應滿足集中攪拌混凝土的數量、質量和進度要求，通用機械配置應圍繞混凝土制備機械、輸送機械配置進行。專用機械配置基本原則是混凝土制備機械和輸送機械配置應根據單位時間混凝土的最大需求量進行，以滿足單位時間最大生產量要求和混凝土生產總體進度為原則。部分專用機械的配置可按如下公式進行。

(1)混凝土攪拌站

式中 Q——混凝土攪拌站容量，m3;

n——混凝土攪拌機臺數;

V——混凝土需求量，m3/h;

t1——混凝土攪拌機每拌和一次混凝土的攪拌時間，min;

t2——混凝土攪拌機每拌和一次混凝土的出料時間，min;

K1——混凝土攪拌機利用系數，無資料時可取0.9;

K2——工作時間利用系數，無資料時可取0.9。

應注意，由于鐵路混凝土廣泛進行雙摻，鐵路混凝土攪拌站理論生產率中的單臺攪拌機生產率應按照攪拌周期進行確定，而不是銘牌標示的理論單機生產率。

(2)混凝土攪拌運輸車

混凝土攪拌運輸車的配置數量與單位時間混凝土實際需求量以及運輸距離有關，可按下式進行計算

式中 N——所需配備的混凝土運輸車臺數;

Q——單位時間混凝土實際最大需求量，m3/h;

q——混凝土運輸車容量，m3;

v——混凝土運輸車車速，km/h，無資料時可取30 km/h;

l——攪拌站到施工現場往返距離，km/h;

t——由于客觀原因造成的停車時間，min，一個運輸周期總停歇時間包含裝料、卸料、停歇和沖洗等時間［21-22］。

6.3 工程實例

可參考文獻［22］中相關工程實例。

7 結語

文章依托我院鐵路大臨工程設計研究成果，結合若干大臨工程設計實例，對鐵路大臨工程設計技術進行了敘述，近年在鐵路行業的規模應用證明，采用本技術可實現安全適用、經濟環保、技術先進的大臨工程建設目標，項目組針對鐵路大臨工程編制系列鐵道行業標準設計、建設技術指南和機械配置指導意見，希望本文、相關標準和標準設計對鐵路大型臨時工程的設計起到有益作用。

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［18］中鐵第五勘察設計院集團有限公司.鐵路主要大型臨時工程計算方法與設計技術研究報告［R］.北京:中鐵第五勘察設計院集團有限公司，2010.

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［21］中鐵第五勘察設計院集團有限公司.鐵路混凝土拌和站機械配置指導意見(報批稿)［S］.北京:中鐵第五勘察設計院集團有限公司，2012.

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