尹書軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

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懷邵衡鐵路橋梁總體設計

尹書軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

主要介紹懷邵衡鐵路全線橋梁的總體設計情況。為了解決該線復雜的地理、地質(zhì)和環(huán)境條件等因素造成全線的設計困難，橋梁設計除按一般簡支梁設計外，還提出以大跨度橋梁為輔的解決方案。在巖溶較為發(fā)育區(qū)域，提出橋梁基礎安全持力層和基底位置，并結(jié)合實際情況采取人工造壁為主的鉆孔成樁措施。施工結(jié)果反映該線橋梁設計效果良好。

鐵路橋梁；連續(xù)梁；巖溶處理；設計

1 工程概況

1.1 線路概述

懷邵衡鐵路位于湖南省中西部，起于懷化市懷化南編組站，止于衡陽市顏家壟站，沿途經(jīng)過懷化市、邵陽市、衡陽市下轄的14個縣(市、區(qū))。正線建筑長度318.456 km，其中懷化—邵陽段174.038 km，邵東—衡陽段111.530 km；邵陽—邵東段32.888 km采用與婁邵鐵路共通道線路并行方案，聯(lián)絡線長度21.565 km，其中懷化樞紐4.315 km，邵陽地區(qū)聯(lián)絡線7.12 km，衡陽樞紐聯(lián)絡線10.13 km。

線路起于云貴高原東部邊緣的懷化，穿越“原始江南古陸”雪峰山區(qū)，進入湘中南丘陵區(qū)，止于衡陽，跨越沅水、資水、湘江三大水系。沿線懷化至洞口段為中、低山區(qū)，地形陡峻，多處橋、隧相連，懷化地區(qū)巖溶非常發(fā)育；洞口至衡陽段為丘陵地帶，層出露較為齊全，從泥盆系至第四系地層均有，受強烈的地質(zhì)構(gòu)造的影響，區(qū)域內(nèi)基巖節(jié)理發(fā)育，巖性破碎；部分地段下伏基巖巖溶異常發(fā)育。河流沖積階地與谷地地段大部分為第四系地層覆蓋，其中邵陽至衡陽河流一級階地分布有軟土，該段覆蓋層深厚，地基軟弱。

1.2 橋梁概述

(1)正線大中橋190座-73.462 km，框架小橋26座-0.355 km，涵洞388座11 398延米；公路橋15座12316.5頂平米。本線工程地質(zhì)復雜，不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)主要有：采空區(qū)、巖溶、軟土等。位于巖溶區(qū)的橋梁123座-47.78 km，占全線橋梁長度的65%。本線最長橋梁為跨京港澳高速公路(復線)特大橋，橋長2.784 km；最高橋墩橋梁為雙江水庫2號特大橋，墩高57.5 m。

(2)邵陽至邵東四線并行地段大中橋23座-14.316 km，涵洞44座2 003.27延米，公路橋2座2 540頂平米。

(3)懷邵衡鐵路聯(lián)絡線大中橋15座5.309 km，框架小橋2座0.028 km，涵洞37座1 976.73延米，公路橋1座580.4頂平米。

1.3 主要技術標準

技術標準：(1)鐵路等級為客貨共線、雙線、有砟軌道鐵路；(2)設計旅客列車行車速度為200 km/h；(3)設計荷載為中—活載；(4)橋梁洪水頻率1/100，涵洞1/100；(5)涵洞頂至軌底最小填方高度不小于1.2 m。

2 橋式方案

2.1 橋式方案設計原則[1-2]

橋式方案主要有以下兩個方面內(nèi)容：一是橋梁設置的長度，二是橋梁的孔跨布置。設計原則如下。

(1)沉降不易控制的地段由路基專業(yè)提出，設橋通過。軟土地基、松軟土地基考慮到沉降控制困難，橋路分界高度原則上為6 m。

(2)當跨越公(道)路、通航河流，或者遇有深水基礎、高墩深谷，采用常用梁跨無法跨越時，視情況選用大跨度連續(xù)梁或其他特殊橋梁結(jié)構(gòu)，有條件時應盡可能地預留發(fā)展條件，避免新建工程與既有工程的相互干擾。特殊橋梁跨度盡量采用標準跨徑，如(32+48+32) m、(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m。

(3)橋跨應滿足水文條件及各部門的要求(水利、航道、交通、城建、管線等)，不壓縮既有公路、河道寬度等方面的要求，避免由于侵占河堤、河道、道路而引起的較大的附屬工程及賠償費用。

(4)一般橋梁結(jié)合跨越道路、小河流、河溝、地形地貌、地下管線等優(yōu)先布設32 m簡支T梁，用24 m簡支T梁進行必要的調(diào)跨。橋跨一般盡量按等跨布置，盡量減少變跨情況。當跨越高等級公路、城市道路以及跨越大江大河或結(jié)構(gòu)與河流斜交角度太大時，采用常用梁跨無法跨越時，視情況選用大跨度連續(xù)梁或其他特殊結(jié)構(gòu)橋梁跨越。

2.2 橋梁墩臺

簡支T梁橋墩一般采用混凝土圓端形實體墩及圓端形空心墩，根據(jù)列車時速、單雙線情況，分別采用通橋(2012)4103-Ⅰ、 通橋(2012)4104-Ⅰ參考圖及我院編制的空心墩參考圖。大跨度連續(xù)梁橋墩、其他特殊結(jié)構(gòu)橋梁橋墩特別設計，一般采用圓端形實體墩。

簡支T梁橋臺采用我院編制的T型橋臺，臺長設為定長，不隨高度變化，方便施工及模板的定制，臺后填土高度4.5～13.0 m，級差0.5 m。

2.3 橋面系

排水系統(tǒng)采用兩側(cè)排水方式，一般橋梁不設縱向排水管，直排地面；環(huán)境敏感區(qū)橋梁，跨越鐵路、高等級公路設縱向排水管。伸縮縫采用耐候鋼。欄桿采用鋼欄桿。防水體系采用中標防水體系，L類防水卷材及聚氨酯防水涂料。

2.4 接口

橋梁主要接口有軌道、路基、環(huán)保、通信、信號、電力、牽引供電、綜合接地等8個方面。

2.5 橋梁梁部施工方法

本線簡支梁為簡支T梁[3]，主要采用預制架設[4]，預制架設可以工廠化生產(chǎn)，既能保證T梁制造質(zhì)量，又提高了施工進度和工效。高架站內(nèi)簡支箱梁由于量少，采用預制架設需要設置梁場，不經(jīng)濟，采用支架現(xiàn)澆更為合理。

常用跨度連續(xù)梁采用懸臂澆筑，少量小跨度連續(xù)梁根據(jù)現(xiàn)場情況采用支架現(xiàn)澆。部分連續(xù)梁因跨既有線、高速公路凈空限制，采用懸臂澆筑、轉(zhuǎn)體合龍的施工方法。

2.6 涵洞設計原則

涵洞一般采用整體性能好的鋼筋混凝土框架涵，對填土較高及位于山區(qū)陡坡不能使用框架涵者，可采用蓋板涵。涵洞頂填土厚≥1.2 m。沉降縫采用適應變形和止水的材料，保證耐久性要求的使用壽命，涵洞基礎地基處理采取與相鄰路基一致的處理原則。

2.7 邊坡防護

本線部分橋梁穿越中、低山區(qū)，部分墩臺不可避免位于陡坡地段，邊坡開挖后，容易受到溜塌、塌滑等變形破壞，隱患較大，需要對橋梁墩臺進行邊坡處理。根據(jù)不同的地質(zhì)條件、地形條件，采取植草、骨架護坡、預應力錨索、擋墻、樁板墻等工程措施對邊坡進行加固。

3 橋梁基礎

3.1 一般地段基礎設計[5]

懷邵衡鐵路橋梁基礎主要采用鉆孔灌注樁、明挖擴大基礎?？紤]到沿線巖溶發(fā)育等情況，常用跨度簡支T梁橋墩一般采用φ1.00 m鉆孔樁，樁數(shù)不超過10根，當樁長超過50 m時，考慮施工難度，適當加大樁基。復雜地質(zhì)、地形條件如巖溶發(fā)育區(qū)、高墩樁基一般采用φ1.25 m、φ1.50 m樁徑，盡量減少樁根數(shù)，方便施工。

3.2 巖溶地區(qū)橋梁樁長設計原則[6]

巖溶地區(qū)橋梁樁基礎按嵌巖柱樁進行設計，嵌巖柱樁樁底應置于下伏完整基巖中。其中，當樁位發(fā)育有溶洞時，樁底原則上應置于溶洞以下的完整基巖中；當周圍相鄰樁位或相鄰地質(zhì)鉆孔位置發(fā)育有溶洞時，樁底宜設置在相鄰樁位或相鄰地質(zhì)鉆孔位置發(fā)育的溶洞底以下；當在一個墩(或臺)樁基礎平面范圍內(nèi)，各樁樁位巖溶發(fā)育呈水平向或斜向貫通趨勢時，應將該墩(或臺)各樁樁底或大部分樁的樁底置于水平向或斜向貫通溶洞洞底以下的完整基巖中，以杜絕該墩(或臺)在樁基礎承載后發(fā)生墩(或臺)及附近地表整體沉陷、坍塌、傾斜等工程質(zhì)量事故。

4 大跨度橋梁

4.1 概述

懷邵衡鐵路沿線跨越多處大江大河及高等級公路，受通航、防洪、立交凈空等因素控制，需要以大跨度橋梁跨越，全線大跨度橋梁見表1。

4.2 沅江特大橋(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁[7-8]

沅江特大橋在懷化市安江鎮(zhèn)跨越沅江，主橋結(jié)構(gòu)高度、跨度主要受沅江百年水位、通航、防洪以及安江車站填土高控制，初步設計階段主跨采用了(68+3×136+68) m連續(xù)梁拱方案，(102+2×180+102) m連續(xù)鋼桁梁，(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)3個方案進行對比。因鐵路與河道斜交角度大于5°，航道主管部門要求主跨一跨跨越通航全部水域；而《湖南省涉河橋梁水利技術規(guī)定》中要求涉河橋墩阻水率應控制在4%～5%，這就要求盡量減少水中橋墩；綜合通航、防洪以及經(jīng)濟性要求，施工圖主跨最終采用(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)，具體見圖1。其中主梁采用懸臂澆筑法施工，先合龍邊跨，再合龍中跨。

表1 特殊結(jié)構(gòu)跨度匯總

圖1 懷邵衡鐵路沅江特大橋主橋立面布置(單位:cm)

沅江特大橋主橋全長361.6 m，橋面寬13.6 m，線路中心線距離擋砟墻內(nèi)側(cè)2.23 m。主梁采用單箱單室、直腹板箱形截面預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)，中支點處梁高9.6 m；邊支點及中跨中處梁高5.0 m；中跨中等高度梁平段長38.0 m，中間69 m長度變高度梁梁底曲線采用二次拋物線。橋面以上橋塔高28 m，雙柱式橋塔形式、矩形實體截面，順橋向?qū)?.8 m，橫橋向?qū)?.4 m，中間設置寬度120 cm、深20 cm挖槽。主橋斜拉索采用單絲涂覆環(huán)氧涂層鋼絞線拉索體系，外套HDPE，空間雙索面體系。

主橋采用Midas2006計算軟件進行施工階段和運營階段結(jié)構(gòu)靜力分析，采用BSAS軟件進行了校核，主梁縱向計算結(jié)果見表2。

表2 主梁應力、強度檢算結(jié)果

主跨中跨最大靜活載撓度為143.6 mm，為主跨的1/1 253.5，梁端轉(zhuǎn)角為1.51‰；主梁在搖擺力+橫向風力作用下的橫向水平撓度24.1 mm，撓跨比為1/11 935.4；后期徐變邊跨上拱2.38 mm，中跨上拱20.8 mm。

斜拉索最大活載應力幅為74.6 MPa，為中跨邊索。索拉索在主力工況下最大拉應力為824.8 MPa、最小安全系數(shù)為2.25；在主+附工況下最大拉應力為845 MPa，最小安全系數(shù)為2.20。

橋塔混凝土主力最大壓應力為5.73 MPa、鋼筋應力56.82 MPa；主+附最大壓應力為6.13 MPa、鋼筋應力68.82 MPa。

主橋在C80貨車以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3動車組以速度140～300 km/h通過時，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)，列車的豎、橫向加速度值均小于規(guī)范限值，列車安全性滿足要求；主橋在CRH2、CRH3動車組以速度140～275 km/h通過時，動力、拖車的豎向、橫向運行平穩(wěn)性均達到“優(yōu)”，C80貨車以速度60～120 km/h通過時，重車和空車的豎向和橫向運行平穩(wěn)性均達到“優(yōu)”。

4.3 大跨度預應力混凝土連續(xù)梁[9]

全線主跨100 m以上大跨度連續(xù)梁6座，分別為跨度(60+100+60) m連續(xù)梁2座、(78+130+78) m連續(xù)梁2座，(72+3×130+72) m雙線連續(xù)梁1座，(72+4×130+72) m雙線連續(xù)梁1座，具體見表3。

表3 大跨度預應力混凝土連續(xù)梁主要構(gòu)造參數(shù)

對于大跨度連續(xù)梁而言，工后徐變[10-11]的控制非常重要。設計過程中首先選取較大的高跨比、加大梁體豎向剛度；其次，盡量控制箱梁上下緣恒載應力差(宜控制在2 MPa左右)；最后控制二期恒載上橋時間等多種方式來減少主跨的工后徐變。

懷邵衡鐵路湘江特大橋主跨(72+4×130+72) m連續(xù)梁，資江特大橋(72+3×130+72) m連續(xù)梁，沅江特大橋(90+180+90) m矮塔斜拉加勁連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)主跨溫度跨均大于200 m，根據(jù)軌道專業(yè)要求，均設置溫度調(diào)節(jié)器。

4.4 湘江特大橋(72+4×130+72) m雙線連續(xù)梁

湘江特大橋在衡陽市石鼓區(qū)跨越湘江，考慮到防洪、通航要求，主橋采用(72+4×130+72) m雙線連續(xù)梁，主橋全長665.5 m，橋面寬11.9 m。

對于一般鐵路連續(xù)梁，中支點梁高為跨度的1/14～1/16，跨中梁高為跨度的1/25～1/30。為提高本橋主梁剛度，主梁中支點梁高取9.6 m，為主跨的1/13.5；跨中梁高取5.5 m，為主跨的1/23.6。設計過程中，通過調(diào)整預應力索的布置及張拉順序，盡量減少主梁上、下緣應力差，以便控制后期徐變。

主橋采BSAS計算軟件進行施工階段和運營階段結(jié)構(gòu)靜力分析，縱向計算結(jié)果見表4。主橋最大靜活載撓度為-66.6 mm，為跨度的1/1 952；二期恒載上橋時間按張拉最后一批預應力索后60 d考慮，理論計算工后徐變跨中上拱2.0 mm。

表4 主梁應力、強度檢算結(jié)果

主橋在C80貨車以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3動車組以140～300 km/h通過時，車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等安全性指標均在限值以內(nèi)，列車的豎、橫向加速度值均小于規(guī)范限值，列車安全性滿足要求；主橋在CRH2、CRH3動車組以速度140～300 km/h通過時，動力、拖車的豎向、橫向運行平穩(wěn)性均達到“優(yōu)”，C80貨車以速度60～120 km/h范圍通過時，重車和空車的豎向和橫向運行平穩(wěn)性均達到“優(yōu)”。

5 巖溶地區(qū)樁基礎巖溶處理[12-13]

本線巖溶特別發(fā)育，部分橋梁穿越巖溶地區(qū)，橋梁基礎安全合理地選擇持力層和基底位置，并根據(jù)實際地質(zhì)鉆探資料采取必要的鉆孔成樁工程措施非常重要。為避免巖溶地區(qū)橋墩位置地面的后期沉陷，避免巖溶地區(qū)橋梁鉆孔樁基礎混凝土灌注方量大量流失，改善承臺及樁基礎的受力條件、避免承臺及樁身側(cè)壓過大，并解決施工不成樁等相關問題，需對巖溶地區(qū)樁基礎應進行巖溶處理。結(jié)合我院在湖南地區(qū)近幾十年鐵路設計經(jīng)驗，制定以下具體處理措施。

(1)橋梁樁基礎巖溶處理原則上采用人工造壁進行處理，即采用拋填片石、袋裝黏土、袋裝水泥形成人工造壁，拋填的片石、袋裝黏土、袋裝水泥比例按3∶3∶1考慮；當溶洞為空洞，且空洞高度≥10 m、空洞底距離地面深度≥30 m時，人工造壁采用拋填片石、袋裝黏土、袋裝水泥、外加廢舊枕木(或長條形方木)形成人工造壁，此時，拋填片石、袋裝黏土、袋裝水泥、廢舊枕木(或長條形方木)比例按3∶3∶1∶1考慮。

(2)當溶洞為空洞，且空洞高度≥10 m、空洞底距離地面深度<30 m時，可根據(jù)溶洞發(fā)育情況及橋梁墩臺具體情況采用人工造壁或鋼護筒進行跟進。

(3)對淺表性巖溶發(fā)育、且頂層溶洞頂板很薄時，采取對頂層溶洞(距地面第一層溶洞)進行注漿處理或要求施工單位在本樁位不得擺放鉆孔機具設備。頂層溶洞注漿處理方法為：在鉆孔樁樁位事先鉆注漿小孔、灌中粗砂，然后低壓或無壓注漿。

(4)對位于既有線路肩邊緣或位于既有線邊坡范圍、且設計采用大直徑樁徑的橋墩，對頂層溶洞(距地面第一層溶洞)進行微壓或無壓注漿處理(注漿處理方法同上)，以確保既有線行車安全。

(5)對位于既有線路肩邊緣、邊坡范圍的橋墩，當溶洞為空洞、且空洞底距離地面深度<20～25 m時，采用鋼護筒跟進，以避免可能出現(xiàn)的坍孔而危及既有線安全。

目前懷邵衡鐵路橋梁線下工程已接近尾聲，施工采用設計提供的巖溶處理措施，未發(fā)生橋墩位置地面的后期沉陷，巖溶地區(qū)鉆孔樁基礎混凝土灌注方量大量流失，施工不成樁等相關問題。從施工過程來看，本線樁基礎巖溶處理措施較為安全、合理。

6 結(jié)語

懷邵衡鐵路橋梁設計針對本線實際情況，結(jié)合我國高速鐵路、客貨共線鐵路前期研究成果，對大跨度橋梁、大跨度預應力混凝土梁徐變控制、巖溶樁基礎巖溶處理等方面進行了深入研究，其工程實踐為客貨共線鐵路建設積累了寶貴經(jīng)驗。

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General Design of Bridges on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway

YIN Shu-jun

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

This paper describes the general design of the bridges on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway. In order to solve the design difficulties caused by the complex geographical， geological and environmental conditions， simply supported beam bridge is normally proposed and large span bridge is additionally suggested. In the more developed Karst area， safe stress holding layer is recommended for bridge foundation and foundation position is defined. Furthermore， the artificial drilled pile is employed fundamentally as the actual situation requires. The construction results justify the applicability of the bridge design．

Railway bridge; Continuous beam; Karst treatment; Design

2016-03-24；

2016-04-12

尹書軍(1978—)，男，高級工程師，2002年畢業(yè)于西南交通大學土木工程學院，工學學士；2008年畢業(yè)于武漢理工大學土木與建筑學院，工程碩士，E-mail：574549087@qq.com。

1004-2954(2016)11-0053-05

U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.013