尼日利亞現代化鐵路快速鋪架施工技術研究

文/李福財

1 前言

近年來，通過引入價值工程理論來控制工程成本、優化項目設計方案、和施工組織設計正成為一個研究和應用的熱點，例如李世良等基于價值工程在水利工程設計或者產品設計中的應用研究，以控制設計階段的成本為主[1]。但是價值工程在施工組織設計或者施工方案優化中應用的實例并不多，而且國內對施工方案優化主要集中在施工現場應用和定性分析方面，例如范先知等基于既有繁忙鐵路大型車站改造工程等具體的施工模式或者其他施工方案在現場應用中的定性分析和優化所開展的定性和定量分析就比較少[2]。另外，鋪架工程施工方案是鐵路建設過程中重要的組成部分，其方案的選擇直接影響到施工總工期，由此，本文以尼日利亞現代化鐵路阿布賈至卡杜那段鐵路鋪架工程施工為實際工程背景，利用價值工程理論對滿足工期要求的兩種施工方案進行定性和定量的分析研究，從而優選出最佳方案。

2 工程概況

2.1 項目簡介

尼日利亞現代化鐵路阿布賈至卡杜那段位于西非國家尼日利亞的中部，線路走向與首都阿布賈市和卡杜納州首府卡杜納市的既有A2公路平行，設計時速150km/h，按照中國鐵路標準設計施工，線路起點阿布賈伊都站，終點卡杜那州卡杜納站，正線全長186.5km，共設9個車站。

2.2 主要鋪架工程數量

阿卡鐵路的主要鋪架工程數量為鐵路T 梁架設348 孔、機械鋪軌186.5km、鋪設道岔55 組。

2.3 制梁場設置及供應范圍

阿卡鐵路的起點位置和68km 各設置一處預制梁場，其中位于鐵路起點位置的伊都梁場負責預制0～50km 區間的T 梁（數量為104 孔、208 片梁的預制），位于68km 的杰瑞梁場負責預制50～186.5km 區間的T 梁（數量為244 孔、488 片梁的預制）。

2.4 鋪軌基地布置

阿卡鐵路的起點位置布置一處鋪軌基地，負責存儲全線的軌道材料、組裝25m 工具軌排、焊接250m 長鋼軌以及工程列車的整備。

2.5 工期要求

阿卡鐵路鋪架工程施工采取從起點至終點分段施工、分段完成的總體部署，總體進度計劃自2013年4月1日開始，于2014年10月31日全線鋪通，總工期579 天。

3 施工方法簡述

通過分析項目具體特點和環境條件，初步篩選出滿足總體施工組織要求的兩種鋪架工程施工方案：“先架后鋪”“邊鋪邊架”。

3.1 “先架后鋪”施工方案

橋梁墩臺等下部基礎完工以及臺后填筑壓實并檢測合格后，利用公路運梁專用平板車將梁場提前預制儲備好的鐵路T 梁通過運梁便道運輸到待架橋梁的橋頭，然后公鐵兩用架橋機分片逐孔進行鐵路T 梁的架設，待該座橋梁的全部鐵路T 梁架設完畢后，將公鐵兩用架橋機沿著運梁便道轉運至下一座待架橋梁位置，繼續下一座橋梁的鐵路T 梁架設，直至全線鐵路T 梁架設完畢。

路基完工并經沉降觀測、評估合格、鐵路橋梁架設完畢后，鋪軌機和滾筒平車進入現場，做好鋪軌準備；機車從后方鋪軌基地并將組裝的25m 軌排通過軌排運輸列車推送至現場，利用軌排倒裝龍門架將運輸列車上的軌排分批次倒裝到滾筒平車上，由滾筒平車近距離運送到鋪軌機后端，通過鋪軌機進行分批次鋪軌作業；待鋪軌完成后，機車牽引風動卸碴車對初步鋪設的軌道進行補碴作業，隨后由配碴整形車、搗固機、動力穩定車組成的大型養路機械，對初步鋪設的軌道進行配碴、起道、撥道、搗固、動力穩定等機械養路作業。

“先架后鋪”鋪架工程施工方案所使用的主要施工設備有：公鐵兩用架橋機、公路運梁專用平板車、機車、軌排運輸列車、軌排倒裝龍門架、滾筒平車、鋪軌機、風動卸碴車、配碴整形車、搗固機、動力穩定車等。

“先架后鋪”鋪架工程施工方案的施工順序為：施工準備→公路運梁專用平板車運輸鐵路T 梁至橋頭→公鐵兩用架橋機架設鐵路T 梁→架橋機轉場→機車推送軌排運輸列車進入現場→軌排倒裝龍門架將軌排倒裝到滾筒平車上→鋪軌機鋪設軌排→機車牽引風動卸碴車進行補碴→配碴整形車、搗固機、動力穩定車進行機械養路作業→質量檢查和驗收。

“先架后鋪”鋪架工程施工方案的優缺點分析詳見表1 所示。

表1 “先架后鋪”施工優缺點分析表

3.2 “邊鋪邊架”施工方案

“邊鋪邊架”施工方案簡述：鐵路路基以及橋梁墩臺等下部工程全部完工后，鋪軌機和滾筒平車進入現場，做好鋪軌準備；機車從后方鋪軌基地將組裝的25m 軌排通過軌排運輸列車推送至現場，利用軌排倒裝龍門架將運輸列車上的軌排分批次倒裝到滾筒平車上，由滾筒平車近距離運送到鋪軌機后端，通過鋪軌機進行分批次鋪軌作業；當鋪軌至待架橋梁位置后，鋪軌機退回基地或者后方車站進行避讓；機車牽引風動卸碴車對初步鋪設的軌道進行補碴作業，隨后由配碴整形車、搗固機、動力穩定車組成的大型養路機械，對初步鋪設的軌道進行配碴、起道、撥道、搗固、動力穩定等機械養路作業。

鐵路架橋機從基地或者后方車站出發到達待架橋梁位置，鐵路運梁列車從梁場運輸鐵路T 梁到達橋頭附近，利用橋梁倒裝龍門架將鐵路T 梁換裝至運梁車，再由運梁車為架橋機喂梁，同時鐵路架橋機進行橋梁架設；待該座橋梁的全部鐵路T 梁架設完畢后，將架橋機退回至基地或者后方車站，鋪軌機再次前行至現場繼續進行鋪軌作業。

“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案所使用的主要施工設備有：機車、軌排運輸列車、軌排倒裝龍門架、滾筒平車、鋪軌機、鐵路架橋機、鐵路運梁車、橋梁倒裝龍門架、風動卸碴車、配碴整形車、搗固機、動力穩定車等。

“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案的施工順序為：施工準備→機車推送軌排運輸列車進入現場→軌排倒裝龍門架將軌排倒裝到滾筒平車上→鋪軌機鋪設軌排至待架橋梁位置→鋪軌機退回基地或者后方車站→機車牽引風動卸碴車進行補碴→配碴整形車、搗固機、動力穩定車進行機械養路作業→鐵路架橋機到達待架橋梁位置→鐵路運梁列車運輸鐵路T 梁進場→T 梁換裝至運梁車→運梁車喂梁→架設鐵路T 梁→架橋機退回→鋪軌機進場繼續鋪軌。

“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案的優缺點分析詳見表2 所示。

表2 “邊鋪邊架”施工優缺點分析表

4 價值工程理論

價值工程產生于20世紀40年代后期的美國，創始人是美國通用電氣公司負責物資采購工作的電氣工程師麥爾斯(L．D．Miles)[3]。價值工程理論就是對產品或服務的功能進行分析，找出并實現其必要功能，以盡可能低的成本來實現產品或服務必要功能的具有集體智慧的一種活動[4]。

根據價值工程的基本原理，產品價值與產品功能和產品成本的關系可以用公式(1)表示。

式中，V 為產品價值；F 為產品功能；C 為產品成本。

近年來應用價值工程所取得的經濟效果顯著，越來越多地被應用于建設工程領域中的房屋建筑、水利水電工程、公路橋梁等各領域，具有強大的生命力。

5 施工方案的優化

5.1 對象選擇

阿卡鐵路主要包括橋梁及涵洞工程、路基工程、車站房建工程、通信和信號工程、鋪架工程施工等內容。對以上施工項目按照表3 阿卡鐵路各項指標測算表中所列指標進行測算。

表3 阿卡鐵路各項指標測算表

從表3 阿卡鐵路各項指標測算表的分析數據可以看出，鋪架工程的各項指標測算值匯總為300%，位居第一位；其次是橋梁及涵洞工程，各項指標測算值匯總為80%，位居第二位；最后一位是房建以及通信和信號工程，各項指標測算值匯總為30%。

因此，鋪架工程施工的權重比較大，屬于重點管理的主要問題，需要根據前述關于價值工程理論的描述開展價值工程活動。

5.2 功能分析

在功能定義的基礎上，根據鋪架工程施工的特點，對鋪架工程施工的功能進行整理，詳見圖1 鋪架工程施工功能系統圖所示。

5.3 方案創造

依據前述關于“先架后鋪”“邊鋪邊架”兩種鋪架工程施工方案的描述和定性分析，以價值工程理論為基礎，對初步篩選出“先架后鋪”“邊鋪邊架”兩種鋪架工程施工方案開展進一步的價值分析。

5.4 施工方案評價

按照表4 施工方案評價表所列內容和指標對上述施工方案進行定量評價，方案A 代表“先架后鋪”鋪架工程施工方案，方案B 代表“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案。

由表4 施工方案評價表可以看出在兩種施工方案中，得分由高到低依次是方案A、方案B。具體情況如下：排在第一位的是方案A“先架后鋪”鋪架工程施工方案，得分80 分；排名第二位的是方案B“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案，得分20 分。

表4 施工方案評價表

其中，方案A 由于充分利用了鋪軌機和架橋機等大型機械設備、節省施工準備時間、不需要鋪軌機和架橋機的轉場、不需要設置運梁岔線、不需要鋪設橋面短軌節方面的原因，節省機械設備和人員的配置，在加快施工速度方面效果顯著，得分較高，而其缺點在于需要修建運梁便道；方案B 由于不需要修建和維護運梁便道等方面存在一定優勢，但其他方面與方案A 相比效果略差，得分較低。

因此，方案A“先架后鋪”鋪架工程施工方案為最佳方案。

6 施工方案的進一步優化和確定

雖然“先架后鋪”優于“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案，但它本身也存在一些問題，例如鐵路T 梁的長距離運輸存在安全風險大、鐵路T 梁的長距離運輸時間較長、架橋機等待喂梁時間過長、修建運梁便道較長、便道維護比較困難等缺陷，因此為了有效縮減工期、提高效益、保障安全，必須以問題為導向，著力解決上述缺陷，對鐵路T 梁的長距離運輸方式進一步優化[5]。

6.1 卡杜納大橋概況

卡杜納大橋位于尼日利亞的北部卡杜納州首府卡杜納市，是尼日利亞現代化鐵路阿布賈至卡杜納段最后一座大橋。該橋橫跨卡杜納大河，大橋的中心里程為DK165+620，孔跨布置為42 孔84 片32m 鐵路T 梁[6]。

6.2 運梁方法的優化

采用“先架后鋪”鋪架工程施工方案時，公路運梁專用平板車從68km 梁場運輸鐵路T 梁進入現場，平均運距約為100km。由此，需要修建的運梁便道較長，便道維護比較困難，同時在長距離運輸過程中要多次穿過沿線的村莊、與既有道路多次平面交叉，運輸干擾較多，運輸安全性較差。

根據前述分析，不論是“先架后鋪”還是“邊鋪邊架”鋪架工程施工方案，都是采用公路或者鐵路單一運梁方式進行鐵路T 梁的運輸，在鐵路T 梁到達施工現場后，由運梁車配合架橋機進行鐵路T 梁的架設作業[7]。

公路運梁專用平板車運梁的特點：運梁車方便、靈活，受場地制約性較小，且前期需要做的準備工作相對較少。主要適用于預制梁場與架橋工地較遠、不適合鋪軌或鋪軌費用較高的場合。公路運梁專用平板車屬于輪胎式運梁車，具有載重量大、自行式、運輸不受距離限制的特點。

鐵路運梁列車運梁的特點：適合于長距離運梁作業，避免了公路運梁時受既有道路通行條件的限制；鐵路T 梁不僅能夠及時運送到位，而且還能保證架橋作業的連續性[8]。

因此，采用“先架后鋪”鋪架工程施工方案架設卡杜納大橋42 孔32m 鐵路T 梁時，為了確保長距離運輸過程中的安全，加快鋪架工程施工進度，需要對提高鐵路T 梁的長距離運輸方案進一步優化。

通過對公路運梁專用平板車運梁和鐵路運梁列車運梁的特點分析，將“先架后鋪”鋪架工程施工方案中的運梁方式由采用公路單一運梁方式進行鐵路T 梁的運輸改為鐵路轉公路運梁、公路運梁車運送到橋頭的公鐵轉運方式。

6.3 卡杜納大橋橋梁架設方案確定

待鋪軌至卡杜納大橋架梁現場附近后，鋪軌機返回后方車站進行避讓；機車牽引風動卸碴車對初步鋪設的軌道進行補碴作業，隨后由配碴整形車、搗固機、動力穩定車組成的大型養路機械對初步鋪設的軌道進行配碴、起道、撥道、搗固、動力穩定等機械養路作業[9]。

在距架梁現場較近的位置附近支立橋梁倒裝龍門架，橋梁倒裝龍門架設置在線路縱坡不超過8‰的直線地段或曲線半徑大于2000m 曲線地段，橋梁倒裝龍門架凈空應滿足公路運梁專用平板車和鐵路運梁列車通行的要求。鐵路運梁列車從梁場運輸鐵路T 梁到達橋頭附近，利用橋梁倒裝龍門架將鐵路T 梁換裝至公路運梁專用平板車，由公路運梁專用平板車為架橋機喂梁，公鐵兩用架橋機進行橋梁架設。待橋梁架設完畢后，架橋機退場，鋪軌機及軌排運輸列車再次前行至現場繼續進行鋪軌作業，直至全線鋪軌完成。

在“先架后鋪”施工設備的基礎上需要增加的設備有：鐵路運梁列車、橋梁倒裝龍門架。

其施工順序為：施工準備→機車推送軌排運輸列車進入現場→軌排倒裝龍門架將軌排倒裝到滾筒平車上→鋪軌至卡杜納大橋現場→鋪軌機退回后方車站避讓→機車牽引風動卸碴車進行補碴→配碴整形車、搗固機、動力穩定車進行機械養路作業→支立橋梁倒裝龍門架→鐵路運梁列車運輸鐵路T 梁至橋頭→倒裝龍門架將鐵路T 梁換裝至公路運梁專用平板車→公路運梁專用平板車運梁、喂梁→公鐵兩用架橋機架設鐵路T 梁→架橋機退場→鋪軌機進場鋪軌→全線鋪軌完成→質量檢查和驗收[10]。

優化后的最佳方案，是在充分發揮工作積極性和減小了勞動強度的前提下，對初步確定的“先架后鋪”施工組織方案開展進一步分析和優化，將鐵路T 梁的遠距離運輸方式優化為公鐵轉運的方式，即在靠近架梁現場附近支立倒裝龍門架，將鐵路運梁列車運輸的鐵路T 梁倒裝至公路運梁專用平板車上，由公路運梁專用平板車運至架梁現場。公鐵轉運的方式充分發揮了鐵路運梁列車在長距離運輸方面的優勢，克服了公路運梁專用平板車在公路運輸中復雜多變的道路因素，確保鋪架工程施工組織更加科學高效，加快了鋪架施工進度[11]。

7 結語

根據上述分析，從鋪架工程施工多方案比較和優選的角度，對鋪架工程施工方案進行定性和定量分析，可以為類似的大型鐵路鋪架工程施工方案的優化提供借鑒和參考[12]。但由于不同新建鐵路項目鋪架工程的施工范圍和現場施工條件存在差異性，因此可供選擇的施工方法也不盡相同，在實際工程施工過程中需要根據線下工程的施工進展情況，在充分利用現有資源的情況下，動態調整鋪架工程施工方案，使得鋪架工程施工方案能夠更加合理安排使用資源，在確保建設工程質量的前提下盡可能地縮短建設周期，加快施工進度。