□陳巍 牟開 趙景坤

肯尼亞內(nèi)羅畢至馬拉巴新建標(biāo)軌鐵路（簡稱“內(nèi)馬鐵路”）項目起點位于肯尼亞首都內(nèi)羅畢，終點為馬拉巴，是肯尼亞蒙巴薩至內(nèi)羅畢新建標(biāo)軌鐵路（簡稱“蒙內(nèi)鐵路”）向肯尼亞腹地和鄰國烏干達(dá)的延伸線。內(nèi)馬鐵路還將逐步與坦桑尼亞、盧旺達(dá)、布隆迪、南蘇丹等國家的鐵路實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，極大地降低了跨境物流運輸成本，對東非次區(qū)域互聯(lián)互通和一體化進(jìn)程起到進(jìn)一步推動作用。內(nèi)馬鐵路全長為487.5公里，分三期實施，第一期內(nèi)羅畢至納瓦沙段線路全長120.4公里。內(nèi)馬鐵路一期由中國交通建設(shè)股份有限公司（簡稱“中國交建”）負(fù)責(zé)設(shè)計、施工、采購，采用中國國鐵一級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，單線，設(shè)計時速為120公里/小時。內(nèi)馬鐵路一期除穿越世界上唯一位于國家首都的野生動物園——內(nèi)羅畢國家公園，還將經(jīng)過地質(zhì)條件復(fù)雜的東非大裂谷斷裂帶，并與多條肯尼亞境內(nèi)的交通干道相交。

B3公路是肯尼亞首都內(nèi)羅畢通往納洛克郡（Narok）的唯一快速通道。該公路往西南繼續(xù)延伸將到達(dá)世界著名的馬賽馬拉野生動物保護(hù)區(qū)。筆者對肯尼亞鐵路建設(shè)現(xiàn)場情況、施工條件進(jìn)行具體分析，以解決鐵路跨線橋梁結(jié)構(gòu)比選問題。

一、橋梁方案比選原則及解讀

20世紀(jì)80年代，美國普林斯頓大學(xué)的大衛(wèi)·比林頓教授提出了“結(jié)構(gòu)藝術(shù)”（StructuralArt），構(gòu)建出橋梁設(shè)計的3E原則，即功能（Efficiency）原則、經(jīng)濟(jì)（Economy）原則和優(yōu)美（Elegance）原則，已成為國外橋梁設(shè)計方案遵循的準(zhǔn)則?？夏醽喸L期遭受英國殖民統(tǒng)治，交通基礎(chǔ)設(shè)施落后，鐵路橋梁設(shè)計無本國的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)既有鐵路設(shè)計建造主要依據(jù)歐美的技術(shù)規(guī)范。作為中國鐵路標(biāo)準(zhǔn)走向世界的標(biāo)志性項目，必須兼顧當(dāng)?shù)厍闆r和社會公眾的感受。3E原則和我國當(dāng)前鐵路橋梁設(shè)計遵循“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、耐久、環(huán)?！痹瓌t是一致的。

1.安全性

鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，要求結(jié)構(gòu)本身在強度、剛度和穩(wěn)定性方面有足夠的力學(xué)性能和安全儲備。從安全性的角度看，橋梁的安全性體現(xiàn)在施工階段和使用階段。施工階段的安全性與橋位建設(shè)條件、橋型及施工方法密切相關(guān)；使用階段的安全性不僅要求承載能力滿足要求，還要從列車行駛舒適性方面考慮。

對于橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，除建立桿系單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算外，還要建立實體單元研究空間效應(yīng)、日照及溫度梯度、車橋耦合效應(yīng)等因素影響，給出合理的橋梁施工方案。必要時，還應(yīng)考慮橋梁抵御交通工具撞擊、火災(zāi)等人為災(zāi)害以及其他偶發(fā)和極端下遭受破壞的能力。

2.適用性

適用性指橋梁結(jié)構(gòu)在正常使用條件下能滿足橋面交通、橋下通行或通航限界等基本功能的要求。在鐵路跨線橋設(shè)計時，孔跨必須滿足橋下通行道路或鐵路凈空和凈寬的要求；有預(yù)留要求的還要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整孔跨。上部結(jié)構(gòu)斷面也要滿足鐵路限界對尺寸的要求。

3.經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性指橋梁結(jié)構(gòu)在全生命周期內(nèi)的成本最合理。全生命周期內(nèi)的成本既包括建設(shè)成本，也應(yīng)綜合考慮將來的維護(hù)養(yǎng)護(hù)和維修費用。對于肯尼亞鐵路項目，不能受國內(nèi)一般情況的思維限制進(jìn)行橋涵設(shè)計，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，綜合建設(shè)成本、肯尼亞當(dāng)?shù)厥┕l件和工人技術(shù)水平、質(zhì)量控制及工期等多種因素對橋涵形式進(jìn)行選擇。

4.美觀性

美觀性包含兩個層次，一是橋梁結(jié)構(gòu)自身符合美學(xué)要求，主要從結(jié)構(gòu)造型和體量角度來滿足；二是橋梁與環(huán)境的協(xié)調(diào)美，應(yīng)通過結(jié)構(gòu)線性、比例與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)程度來把握。作為海外鐵路項目的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)不僅是一個單體工程項目，很多橋梁建成后，往往成為當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑。例如，肯尼亞蒙內(nèi)鐵路已建成并投入運營的蒙巴薩特大橋、察沃特大橋、阿西河特大橋等，均已成為沿線的標(biāo)志景觀。

5.耐久性

橋梁耐久性指橋梁結(jié)構(gòu)投入使用后在正常使用和維護(hù)條件下，隨時間的延續(xù)仍能滿足橋梁既有性能的能力。在肯尼亞實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，肯尼亞既有交通基礎(chǔ)設(shè)施的病害主要是混凝土碳化，造成混凝土保護(hù)層脫落，鋼筋裸漏。導(dǎo)致肯尼亞既有交通基礎(chǔ)設(shè)施混凝土碳化的因素有很多，結(jié)合現(xiàn)場情況，赤道附近強烈的光照應(yīng)該是重要因素。相關(guān)研究表明光照能夠加快混凝土內(nèi)部干濕交替，促進(jìn)離子交換；加快混凝土表面升溫和二氧化碳擴(kuò)散，進(jìn)而加劇碳化反應(yīng)。設(shè)計中，要充分考慮該因素，采取相應(yīng)措施，提高混凝土抗碳化、抗氯離子侵蝕性能。

6.環(huán)保性

環(huán)保性體現(xiàn)在橋梁設(shè)計中就是材料用量節(jié)省，施工方案能盡可能減少對環(huán)境的擾動和破壞。在肯尼亞，野生動物種群和數(shù)量多，動物保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)組織對政府政策干預(yù)力度強，環(huán)保性就顯得尤為重要。

二、橋梁方案比選

1.橋位建設(shè)條件

新建鐵路在 DK92+817處與既有B3公路相交，相交角度為45度；新建鐵路大里程方向還有一條水渠，寬約15米，與新建內(nèi)馬鐵路線路交角約45度，水渠與既有B3公路沿新建鐵路線位相距約30米。依據(jù)肯尼亞高速公路管理局相關(guān)文件，新建橋梁必須保證B3公路25米凈寬、6.0米凈空，并且橋墩邊緣和B3公路路肩最短距離不小于3米。

2.橋梁跨度的設(shè)定

因新建橋位處鐵路與公路交叉角度較?。?5度），且肯尼亞高速公路管理局并未明確拓寬路面的位置。同時考慮到公路行車視距要求，適當(dāng)提高跨徑，保證公路行車安全性，擬采用64米跨徑跨越B3公路。

3.橋梁上部結(jié)構(gòu)比選

在進(jìn)行橋梁選型時，對以下3種形式進(jìn)行了比選：（40+64+40）米變截面連續(xù)箱梁、64米簡支系桿拱橋、（40+64+40）米連續(xù)槽形梁（見表1所列）。

設(shè)計人員曾傾向于（40+64+40）米連續(xù)箱梁，因中國交建承建的肯尼亞蒙內(nèi)鐵路蒙巴薩特大橋和馬澤拉斯特大橋均有（40+64+40）米變截面連續(xù)箱梁，施工工藝成熟，變截面橋梁曲線較美觀，橋梁后期養(yǎng)護(hù)維修較簡單，施工機(jī)械設(shè)備能夠重新利用，節(jié)省設(shè)備設(shè)施成本。利用64米中跨跨越B3公路，大里程的邊跨跨越水渠。在滿足B3公路凈空要求后，橋梁孔跨形式為10－32米簡支T梁+1－（40+64+40）米連續(xù)箱梁+22－32米簡支T梁。該方案雖然解決了跨越交通主干道的問題，但連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)相對較高，線路縱斷面為此需要抬升，造成新建橋梁規(guī)模大，綜合造價高，同時依照肯尼亞現(xiàn)場的T梁生產(chǎn)水平，按照合同工期完工的可行性降低。

64米簡支系桿拱橋在國內(nèi)技術(shù)日益成熟，可采用滿堂支架先梁后拱的施工方式。系桿拱鋼筋及管道密集，施工振搗和吊桿安裝精度要求較高，在施工過程中還需進(jìn)行可靠的檢測和監(jiān)控。吊桿與系桿系統(tǒng)需要考慮若干年后更換，相關(guān)規(guī)范規(guī)定吊桿設(shè)計使用年限為20年，國內(nèi)平均使用壽命一般為15年。綜合肯尼亞施工及后期運營維護(hù)條件，實施該方案難度較大。

表1 橋梁上部結(jié)構(gòu)比選

由于肯尼亞施工條件和施工機(jī)械設(shè)備限制了橋梁形式和孔跨的選擇，綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及工期等方面因素，設(shè)計人員最終選擇用（40+64+40）米連續(xù)槽型梁方案。槽型梁建筑高度低，腹板具有防拋網(wǎng)的功能，也可防止列車脫軌，人行道板下可以布置各類通訊、電力設(shè)備；利用底板支承軌道和列車，有效降低軌面高度，在滿足橋下凈空要求的前提下可明顯降低橋梁高度，減少了橋梁長度，降低造價。雖然槽型梁結(jié)構(gòu)屬開口截面，但空間效應(yīng)明顯，施工控制要求較高，通過設(shè)計和施工措施進(jìn)行加強，保證結(jié)構(gòu)安全和使用功能。采用（40+64+40）米連續(xù)槽型梁方案，橋梁孔跨形式壓縮為1－32米簡支T梁+1－（40+64+40）米連續(xù)槽型梁+1－32米簡支T梁。跨B3公路大橋立面布置如圖1所示。

圖1 跨B3公路大橋立面布置（厘米）

4.橋梁施工方案

肯尼亞高速公路管理局要求，上跨B3鐵路橋施工期間必須保障B3正常通行。鑒于該橋工程量大、工期短、樁基較多，選用了對地基影響小、經(jīng)濟(jì)性好、周轉(zhuǎn)快的鋼管柱——貝雷梁少支架法施工。

三、結(jié)語

橋梁設(shè)計原則在比選中的重要性，應(yīng)結(jié)合工程所在地的具體情況進(jìn)行分析。就具體工程項目而言，在滿足安全性的前提下，綜合造價的高低成為方案選定的關(guān)鍵。2019年10月，內(nèi)馬鐵路正式建成通車，該橋運營狀態(tài)良好。