劉 琛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁隧道處，西安 710043)

1 工程概況

哈大鐵路客運專線是我國“四縱四橫”客運專線網(wǎng)規(guī)劃中京哈客運專線的重要組成部分，是我國高緯度嚴(yán)寒地區(qū)［1］設(shè)計時速350 km的第一條高速鐵路。南起大連，向北經(jīng)營口、鞍山、遼陽，到達(dá)沈陽，再向北經(jīng)鐵嶺、四平、長春，直抵哈爾濱，線路全長904 km。其中沈陽至哈爾濱段正線橋梁總長362.516 km，占該段線路長度的76.9%。

1.1 地質(zhì)條件

沈陽至哈爾濱段地形平坦、開闊，舒緩波狀起伏。經(jīng)過地貌單元有:濱海平原、剝蝕丘陵、沖洪積平原。地表為黏性土、粉土、砂類土所覆蓋，覆蓋層厚10～80 m。丘陵區(qū)出露灰?guī)r、泥巖、砂巖、花崗巖等。濱海平原及沖洪積平原區(qū)地下水埋藏最淺為0.6～5 m，剝蝕緩丘地帶地下水埋藏最深為10～25 m。沿線地震動峰值加速度為 0.05g ～0.15g。

1.2 氣象特征

該段屬中溫帶亞濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，夏季涼爽短促，冬季寒冷漫長。年平均氣溫4.4～10.9℃，極端最高溫度39.8℃，極端最低溫度-39.9℃，沿線降雪期長達(dá)5～6個多月，土壤最大凍結(jié)深度在93～205 cm，每年從10月開始凍結(jié)，次年4～5月全部融化，經(jīng)歷時間長達(dá)5～6個月。

1.3 沿線主要河流水系

沿線以公主嶺市的懷德鎮(zhèn)至陶家屯一線為分水嶺，南側(cè)屬遼河水系，主要河流有遼河及其支流凡河、馬仲河、東遼河等;北側(cè)為黑龍江流域的松花江水系，主要有第二松花江及其支流新開河、伊通河、干霧海河、飲馬河、拉林河、運糧河等。

1.4 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級:客運專線;

(2)正線數(shù)目:雙線;

(3)速度目標(biāo)值:350 km/h;初期運營速度300 km/h;

(4)最小曲線半徑:7 000 m;

(5)最大坡度:一般地段20‰，困難地段25‰;

(6)正線線間距:5.0 m;

(7)設(shè)計活載:ZK活載。

2 橋梁工程

哈大客運專線沈哈段特大橋合計358.368 km/47座，大中橋4.149 km/17座。伊通河特大橋橋長57.378 km，為本段最長橋梁。新開河特大橋主跨1-138 m鋼箱雙疊拱橋為本段單跨最大。第二松花江特大橋主跨(48+5-80+48)m連續(xù)梁聯(lián)長497.5 m，為本段聯(lián)長最大。本段橋梁類型統(tǒng)計見表1。

表1 哈大客運專線沈哈段橋梁類型統(tǒng)計

梁部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，孔跨布置以32 m梁為主，24 m梁為輔。全橋梁跨統(tǒng)一，有利于預(yù)制架設(shè)、維修養(yǎng)護(hù)，同時橋梁建成后整體景觀效果較好。當(dāng)受河流、立交、管線等條件控制時，則采用大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁跨類型以(32+48+32)m、(40+56+40)m、(40+64+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m連續(xù)梁為主。

橋墩設(shè)計應(yīng)結(jié)合橋下流水情況、全橋墩高分布情況，遵循墩型統(tǒng)一、相鄰橋墩剛度相近、施工方便的原則，一般條件下同一座橋墩型盡量保持一致，應(yīng)優(yōu)先選用圓端形橋墩，帶頂帽托盤，墩身較低時采用直坡實體墩，墩身較高時采用空心墩。橋臺均采用矩形空心橋臺。

根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、最大沖刷深度等條件，選用明挖基礎(chǔ)、挖井基礎(chǔ)或樁基。墩臺基礎(chǔ)類型主要采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(φ1.0 m、φ1.25 m、φ1.5 m、φ2.0 m鉆孔樁為主)。一般墩臺基礎(chǔ)采用φ1.00 m樁徑，跨越河流具有水流沖刷的采用φ1.25 m樁徑。

橋面系工程部分除滿足本專業(yè)要求外還應(yīng)與軌道、通信、信號、電力、環(huán)保等專業(yè)緊密結(jié)合，滿足各專業(yè)附屬設(shè)施的使用需要和接口預(yù)留。

3 哈大客運專線沈哈段橋梁設(shè)計特點

3.1 世界上第一條投入運營的高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路

哈大客運專線沈哈段位于北緯41°～47°，地處我國高緯度嚴(yán)寒地區(qū)，最低氣溫-39.9℃，土壤最大凍結(jié)深度205 cm，氣候條件惡劣。為解決凍融剝蝕、凍脹耐久性等問題，達(dá)到免維修、少維護(hù)的目的，橋梁設(shè)計從結(jié)構(gòu)、材料、工藝等方面采取了諸多措施。

(1)嚴(yán)寒地區(qū)由于受涵洞影響，涵底地基最大凍深遠(yuǎn)大于天然場地的最大凍深，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，涵底凍結(jié)深度大致為天然凍結(jié)深度的2倍［2］。涵洞基礎(chǔ)設(shè)計除應(yīng)滿足《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》1.0.10條規(guī)定外，涵洞基礎(chǔ)處理均參考相鄰路基段處理方式，并在涵洞基底與路基樁基之間鋪設(shè)50 cm厚碎石墊層。

(2)涵洞箱形橋外側(cè)鋪設(shè)高聚物改性瀝青防水卷材，沉降縫中間加設(shè)橡膠止水帶，沉降縫內(nèi)側(cè)外露部分設(shè)厚5 cm聚硫橡膠密封膏密封，避免涵洞漏水引起凍脹沉降變形。

(3)河中橋墩混凝土提高抗凍融等級，在水位變化區(qū)采用外包耐候性鋼板，防止墩身混凝土凍融剝蝕。

(4)橋墩進(jìn)行冰凍及溜冰撞擊力檢算，并設(shè)置破冰棱等措施。

(5)采取適當(dāng)增加鋼筋保護(hù)層厚度等構(gòu)造措施。

(6)傳統(tǒng)的電纜槽蓋板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為方便運營階段的養(yǎng)護(hù)維修，電纜槽蓋板采用力學(xué)性能及耐久性好、自重輕、施工方便及更換方便的RPC混凝土板。

(7)橋涵排水系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮氣候嚴(yán)寒特點，盡量減短排水途徑，在箱梁中間減少排水管設(shè)置。

(8)為滿足嚴(yán)寒地區(qū)冬季架梁要求，需采用適應(yīng)于-5℃和-10℃溫度條件下的防凍型支座灌漿材料，開展《嚴(yán)寒地區(qū)鐵路客運專線橋梁冬季施工關(guān)鍵技術(shù)研究》(2008G038)［3］。

(9)支座錨栓孔或防落梁支架等預(yù)留孔應(yīng)排除雜物、積水后將孔口臨時封閉，待架梁或安裝支架前，打開預(yù)留孔沖洗干凈后方可安裝并及時灌注封閉。

(10)沈哈段地處嚴(yán)寒地區(qū)，冬季施工時長5個多月，冬季內(nèi)土壤內(nèi)水分凍結(jié)造成基坑開挖困難，承臺基坑不宜在冬季施工;沈哈段地區(qū)降雨較多，雨季、汛期施工不可避免，而橋梁承臺基坑宜在枯水或少雨季節(jié)開挖［4］。設(shè)計需統(tǒng)籌冬季施工和雨季施工特點，采取相應(yīng)措施確保工程順利進(jìn)行。橋梁在跨越遼河、第二松花江、伊通河、拉林河等諸多河流的主河槽、河漫灘及一級階地，且節(jié)點工期無法調(diào)整需要基坑開挖施工時，冬季施工應(yīng)采取機械放坡開挖或套箱防護(hù)后開挖。雨季施工為節(jié)省時間防止涌砂、坍塌等問題出現(xiàn)，采取鋼板樁圍堰、工字鋼+擋護(hù)鋼板、草袋圍堰等防護(hù)措施后開挖。

3.2 高橋梁比例及長橋設(shè)計

哈大客運專線沈陽至哈爾濱段正線橋梁總長362.516 km，占該段線路長度的 76.9%，其中橋長5 km到50 km之間橋梁為202.2 km/17座，橋長50 km以上橋梁113.8 km/2座。高橋梁比例及長橋設(shè)計的原則除線路沿線經(jīng)濟發(fā)達(dá)、人口稠密、節(jié)約用地外還存在以下特點。

(1)線路縱貫東北平原，沿線松軟土廣泛分布，由南到北逐漸增厚，黏性土最大厚度超過80 m，壓縮變形大。選擇以橋代路能夠有效處理不良地質(zhì)條件下路基工程難以處理的沉降等問題，能更好地滿足高速鐵路行車要求。

(2)橋梁工程相比路基工程有效施工周期長。沈哈段冬季施工工期為5個月，在此期間土壤所含的水分凍結(jié)造成凍土塊堅硬不易壓實，且解凍融化后易導(dǎo)致塌陷，路基的填筑和開挖不宜在冬季施工，而橋梁大多為集中預(yù)制的簡支梁，將運架梁等機械化施工安排在冬季可以有效延長嚴(yán)寒地區(qū)的施工周期。

3.3 大跨度連續(xù)梁及道岔區(qū)橋梁眾多

哈大客運專線沈哈段地處東北平原，沿線水系發(fā)達(dá)，河流眾多，公路及鐵路四通八達(dá)，地下管線星羅棋布，給本線橋梁布設(shè)增加了很多困難，橋梁工程還需滿足高速鐵路無砟軌道的技術(shù)要求，大跨度連續(xù)梁必然成為設(shè)計首選。

在四平站南北兩側(cè)有2處4個正線間的交叉渡線，均采用18號道岔，其3個渡線采用(32+3—48+32)m單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁布置，一個渡線結(jié)合橋下的公路、鐵路立交情況，布置為(40+3—64+40)m單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，整個渡線全部放置在連續(xù)梁上。在伊通河特大橋崔家營子線路所，站場平面布置有2條哈大客運專線正線、2條長春聯(lián)絡(luò)線及1條安全線，設(shè)計中采用小跨度變寬度鋼筋混凝土連續(xù)梁滿足無縫道岔的要求，孔跨布置為(18.98+2—20+18.98)m+(18.98+2—20+18.98)m雙幅混凝土連續(xù)梁+(14.05+9—20+14.05)m單幅混凝土連續(xù)梁，崔家營子線路所42號道岔布置在無砟軌道上，其余道岔均鋪設(shè)在有砟軌道上。

4 哈大客運專線沈哈段重點橋梁

4.1 新開河特大橋主跨1－138 m鋼箱雙疊拱橋

哈大客運專線跨越長春市區(qū)富民大街，該路為雙向八車道，路寬80 m，與線路斜交59°，由于該路毗鄰長春西站，建筑高度受立交凈空和線路高度控制，設(shè)計采用1-138 m鋼箱雙疊拱橋。新開河特大橋的鋼箱疊拱橋型及實體圓鋼剛性吊桿形式在國內(nèi)鐵路橋梁中均為首次應(yīng)用［5］，見圖1?！朵撓涔皹?qū)嶓w圓鋼吊桿》于2011年10月獲得國家實用新型專利證書。

圖1 新開河特大橋1－138 m鋼箱雙疊拱橋

主跨處地層主要為人工填土、第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、白堊系下統(tǒng)泥巖夾砂巖。地震動峰值加速度為 0.10g。

本橋拱軸線采用二次拋物線，上拱矢跨比采用1/4，下拱矢跨比采用1/4.82。吊桿間距為8 m。上下拱肋結(jié)構(gòu)均采用等截面鋼箱，箱寬2.0 m，箱高1.8 m。系梁采用等寬變高度鋼箱截面，梁寬度為14.0 m，跨中梁高為3.4 m，距梁端17.25 m 范圍梁高為4.5 m，在距梁端17.25～22.75 m范圍內(nèi)梁高由4.5 m變?yōu)?.4 m。在每線軌道下方附近各設(shè)置1道縱梁，全橋共4道，縱梁采用等高度工字鋼梁，梁高為2.2 m，上、下翼板寬度為0.8 m，兩縱梁之間的中心距離為2.0 m。中橫梁采用等高度工字鋼梁，梁高為3.4 m，上、下翼板寬度為0.8 m;相鄰橫梁之間的中心距離除輔助橫梁間距為5.0 m外，其余均為8.0 m。端橫梁采用等高度箱形鋼箱，箱高4.5 m，箱寬6.5 m，為減少因梁端轉(zhuǎn)角引起梁端豎向位移，端橫梁內(nèi)移1.95 m。橫向兩榀拱肋之間設(shè)3道“X”橫撐，橫撐縱向間距24 m。橫撐采用等高度鋼箱，箱高0.9 m，箱寬0.9 m。上、下拱肋之間連桿采用強度等級為460 MPa實心圓鋼連接，直徑為100 mm，間距2.667 m;拱肋與系梁間吊桿采用強度等級為460 MPa實心圓鋼連接，直徑為130 mm，間距8.0 m。為了盡量減少混凝土收縮的影響，橋面板采用無收縮混凝土，施工時強度等級為C50，厚度為32 cm，端橫梁及中間設(shè)3道斷縫以減小橋面板拉應(yīng)力。拱肋、系梁、縱橫梁、橫撐、橫隔板及上下拱肋聯(lián)結(jié)板均采用Q370qE鋼材。

4.2 伊通河特大橋

伊通河特大橋位于長春市近郊，全長57.378 km?？卓绮贾靡?2 m及24 m簡支箱梁為主，道路及河道孔跨布置受限時采用主跨48 m及56 m連續(xù)梁跨越。受線路走行方向、高度的控制，崔家營子線路所道岔區(qū)段落布置于橋上，42號高速無縫道岔首次應(yīng)用于高緯度嚴(yán)寒地區(qū)客運專線，為滿足道岔鋪設(shè)及運營要求，采用小跨異型鋼筋混凝土連續(xù)梁橋。

高速道岔設(shè)于橋上時，受道岔、軌道和橋梁相互作用的影響，對梁體剛度和變形要求較高，設(shè)計采用具有豎向剛度大，梁-軌相互作用小、施工周期短等特點的小跨鋼筋混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。橋梁上線路布置如圖2所示。

圖2 崔家營子道岔區(qū)段橋面布置示意(單位:cm)

其中129～137號墩之間為2聯(lián)(18.98+2—20+18.98)m連續(xù)梁，橋上共有5條鐵路線，分別為2條哈大客運專線正線及2條長春聯(lián)絡(luò)線，左側(cè)聯(lián)絡(luò)線外布設(shè)1條安全線。137～148號墩之間為1聯(lián)(14.05+9—20+14.05)m連續(xù)梁，橋上共有4條鐵路線，分別為2條哈大客運專線正線及2條長春聯(lián)絡(luò)線?？瓦\專線正線采用無砟軌道結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)線及安全線為有砟軌道結(jié)構(gòu)。

第一、二聯(lián)(18.98+2—20+18.98)m 連續(xù)梁按雙幅橋設(shè)計，縱向梁縫2 cm，其間上部5 cm高用聚硫建筑密封劑。左幅橋梁頂采用等寬1 580 cm，第一聯(lián)右幅橋梁頂寬由1 350 cm漸變至1 175 cm，第二聯(lián)右幅橋梁頂寬由1 175 cm漸變至1 010 cm。第三聯(lián)(14.05+9×20+14.05)m 連續(xù)梁按單幅橋設(shè)計，梁頂寬由2 020 cm漸變至1 340 cm。三聯(lián)連續(xù)梁跨中梁高 1.35 m，支座附近梁高2.05 m，單側(cè)懸臂長1.70 m，懸臂端部厚20 cm，懸臂根部厚40 cm。支座采用3或2支座等間距布置，兩側(cè)支座距離底板邊緣約130 cm。三聯(lián)連續(xù)梁固定支座分別設(shè)于131號、135號、142號墩。

4.3 第二松花江特大橋

本橋主要為跨越第二松花江而設(shè)。為滿足黑龍江水系Ⅳ級航道通航要求，主跨采用(48+5-80+48)m連續(xù)梁跨越。主跨聯(lián)長達(dá)497.5 m，為嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路聯(lián)長最長的連續(xù)梁橋。見圖3。

圖3 第二松花江特大橋(48+5－80+48)m連續(xù)梁

該橋主橋采用單箱單室、變高度、變截面直腹板箱型截面，主墩墩頂5 m范圍內(nèi)梁高6.65 m，跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高3.85 m;梁底曲線為二次拋物線形，箱梁頂寬 13.4 m，箱梁底寬 6.7 m，單側(cè)懸臂長 3.35 m;懸臂厚度20～65 cm;箱梁腹板厚度48～90 cm;底板厚度40～90 cm;頂板厚40～80 cm。梁體設(shè)計為三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。墩身采用圓端型橋墩，墩身外包耐候鋼板防止凍融破壞，基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。由于該橋溫度跨度達(dá)288.75 m，梁軌相互作用明顯，為保證軌道的安全性和穩(wěn)定性，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

4.4 運糧河特大橋

運糧河特大橋主跨(60+100+60)m連續(xù)梁為跨越既有哈大鐵路而設(shè)。采用長節(jié)段支架現(xiàn)澆及平轉(zhuǎn)100 m跨度連續(xù)梁施工工法為國內(nèi)無砟軌道客運專線首次使用。

常規(guī)客運專線(60+100+60)m連續(xù)梁均采用懸灌法施工，節(jié)段長度為2～5 m，受混凝土養(yǎng)護(hù)齡期制約，每個節(jié)段的施工時間需7～15 d，而主跨100 m連續(xù)梁懸臂施工節(jié)段為13個，施工時間較長，同時需配置大量的腹板鋼束以滿足施工期間的結(jié)構(gòu)受力。本橋采用了長節(jié)段支架上現(xiàn)澆施工，將T構(gòu)劃分為3個節(jié)段來現(xiàn)澆，最大節(jié)段長度為22 m，極大地節(jié)省了施工時間，T構(gòu)節(jié)段劃分見圖4。因T構(gòu)轉(zhuǎn)體自重約61 050 kN，球鉸選用725所設(shè)計生產(chǎn)的73 000 kN轉(zhuǎn)體球鉸，球鉸平面直徑D=3.0 m，設(shè)計最大靜摩擦系數(shù)為0.1，最大動摩擦系數(shù)為0.06［6］，通過上下球鉸與其之間的四氟乙烯滑片產(chǎn)生的摩擦來實現(xiàn)梁體的平轉(zhuǎn)。

圖4 運糧河(60+100+60)m連續(xù)梁T構(gòu)節(jié)段劃分示意(單位:cm)

5 結(jié)語

本文對哈大客運專線沈哈段橋梁工程及重點橋梁設(shè)計進(jìn)行介紹，并對高緯度嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)。作為我國高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的首條高速鐵路，哈大客運專線已開通運營，技術(shù)效益、經(jīng)濟效益、社會效益正在逐步體現(xiàn)。

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