李 偉

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

隨著國(guó)家和各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、新型城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化轉(zhuǎn)移，高速鐵路、城際鐵路、城市軌道交通等各類點(diǎn)對(duì)點(diǎn)快速交通模式逐步打造貫通各大中心城市的鐵路網(wǎng)絡(luò)。由此，不可避免的產(chǎn)生與既有鐵路交叉立交的情況，上跨既有鐵路橋梁立交設(shè)計(jì)和施工方案不僅應(yīng)安全、經(jīng)濟(jì)、合理、美觀，更應(yīng)特別注意避免或減小施工及后期維養(yǎng)對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路的影響。

目前中等跨度跨線橋常采用鋼結(jié)構(gòu)縱向頂推或連續(xù)梁平轉(zhuǎn)法施工，對(duì)于大跨跨線橋在有條件的情況下較多采用搭設(shè)輔助墩頂推、加勁T梁轉(zhuǎn)體后合龍，或采用大結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體[1-5]和預(yù)設(shè)軌道推拉施工[6-7]。鄭萬(wàn)客專聯(lián)絡(luò)線采用(32+138+138+32) m混凝土獨(dú)塔斜拉橋，結(jié)合支架現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體施工方法上跨鄭西客專[4]。現(xiàn)為最重轉(zhuǎn)體橋梁的河北保定樂(lè)凱大街南延工程采用(145+240+110) m高低塔斜拉橋一次跨越京廣鐵路等21條鐵路線，單鉸最大轉(zhuǎn)體質(zhì)量達(dá)4.6萬(wàn)t，最大懸臂長(zhǎng)135 m，僅用時(shí)70 min就完成高塔側(cè)轉(zhuǎn)體52.4°、低塔側(cè)轉(zhuǎn)體67.4°，極大地減小了施工對(duì)下方鐵路運(yùn)營(yíng)的影響[5]。集包第二雙線古城灣特大橋主橋1孔132 m簡(jiǎn)支鋼桁梁采用搭設(shè)臨時(shí)墩鋪設(shè)滑道后無(wú)平衡重頂推平轉(zhuǎn)法跨越既有京包雙線鐵路[6]。西成高鐵132 m再分式簡(jiǎn)支鋼桁梁上跨西寶高鐵及福銀高速公路采用與鐵路平行拼裝鋼桁梁后進(jìn)行橫移頂推就位的施工方案[7]。

公路大跨跨線橋已有較多工程案例分析和研究，但鐵路大跨跨線橋研究較少。以廣佛江珠城際鐵路立交主橋?yàn)楸尘?，分析及探討適合跨越多線鐵路的大跨鐵路橋梁設(shè)計(jì)和施工方案選型，可供今后類似項(xiàng)目借鑒參考。

2 工程概況

新建鐵路廣佛江珠線位于珠江西岸，貫穿廣州、佛山、江門、珠海，線路自廣州市引出接入珠機(jī)城際珠海機(jī)場(chǎng)站，線路全長(zhǎng)約160 km。本立交主橋?yàn)榫€路經(jīng)三眼橋車站后跨越貴廣、南廣和廣茂五線鐵路而設(shè)，位于直線上，是新建廣佛江珠城際鐵路的重點(diǎn)控制工程之一。橋址位于佛山市，地貌單元為海陸交互相沉積平原，地形平坦。

2.1 橋址現(xiàn)狀

線路在橋位處由北向南依次跨越鐵路河涌和五線鐵路。鐵路河涌有常流水，寬約12 m，兩側(cè)為自然邊坡。河涌大里程側(cè)依次跨越南廣鐵路下行線、貴廣高鐵下行線、貴廣高鐵上行線、南廣鐵路上行線和廣茂鐵路，線間距依次為5.3，4.4，5.3，5.3 m。鐵路路基段兩側(cè)擋墻控制線寬約90 m。鐵路區(qū)域兩側(cè)均有混凝土欄桿，北側(cè)為廠房，南側(cè)為平整空地，如圖1所示。

圖1 橋址現(xiàn)場(chǎng)平面

2.2 橋跨布設(shè)控制條件

(1)受接入車站影響，線路與既有鐵路交角僅26°。橋位處有5條鐵路線，為電氣化鐵路，鐵路線間距較小，貴廣為客運(yùn)專線。線路中間不能設(shè)置橋墩和臨時(shí)墩。

(2)受線路縱斷面高程控制，軌面至既有鐵路接觸網(wǎng)頂距離為7.4 m，考慮安全及施工高度后，跨鐵路橋梁結(jié)構(gòu)高度不宜大于6.4 m。

(3)按鐵路部門要求在鐵路限界內(nèi)不能施工作業(yè)(包括懸臂澆筑和合龍)，基礎(chǔ)不能侵入既有鐵路坡腳和路基邊溝。

(4)道旁河涌沿鐵路走行，常年有水，河道較寬，改移困難較大。

綜合考慮鐵路斜交角度、立交凈空、既有河涌等因素，并結(jié)合鐵路運(yùn)營(yíng)安全及施工方法需要，必須采用大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工方法一孔跨過(guò)所有鐵路股道和河涌，跨徑不小于160 m。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級(jí):城際鐵路。

(2)正線數(shù)目:雙線。

(3)線間距：4 m。

(4)速度目標(biāo)值:200 km/h。

(5)軌道類型:無(wú)砟軌道。

(6)設(shè)計(jì)活載:ZC活載。

(7)地震動(dòng)峰值加速度：0.10g；地震動(dòng)反應(yīng)特征周期：0.35 s。

(8)既有線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：貴廣鐵路為時(shí)速350 km雙線客運(yùn)專線；南廣鐵路為時(shí)速250 km雙線Ⅰ級(jí)客貨共線鐵路；廣茂鐵路為時(shí)速120 km單線客貨共線鐵路(原廣三鐵路部分)。

4 橋型設(shè)計(jì)方案

4.1 總體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)橋位環(huán)境控制條件，基于“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的主要設(shè)計(jì)原則，橋式方案且需重點(diǎn)考慮小角度斜交26°一跨跨越五線鐵路和鐵路坑涌、大跨跨線橋橋型合理設(shè)計(jì)、施工方案安全便利可行、施工期間及后期管養(yǎng)對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)影響小等因素。由于貴廣、南廣高鐵處受線路縱斷面高程控制，常規(guī)T構(gòu)加勁轉(zhuǎn)體方案難以滿足立交凈空要求，且線路上方合龍對(duì)運(yùn)營(yíng)高鐵線影響較大，結(jié)合跨度、凈空和轉(zhuǎn)體等控制要求，綜合分析比選了獨(dú)塔混合梁斜拉橋和簡(jiǎn)支鋼桁梁兩個(gè)方案。

4.2 方案1：獨(dú)塔混合梁斜拉橋

我國(guó)自1980年在四川省金川縣曾達(dá)橋首次采用斜拉橋轉(zhuǎn)體施工以來(lái)，至今已有很多大跨跨線橋工程采用這一方法[8]，如綏芬河斜拉橋[9]、唐山二環(huán)路斜拉橋[10]等，但鐵路橋梁領(lǐng)域應(yīng)用較少[4，11]，鐵路獨(dú)塔混合梁斜拉橋轉(zhuǎn)體方案更無(wú)先例?；旌狭盒崩瓨蛑骺绮捎娩摿海吙绮捎妙A(yù)應(yīng)力混凝土梁，不僅能合理利用兩種材料的特性，有效提高跨越能力，而且經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)顯著，特別對(duì)于轉(zhuǎn)體斜拉橋，在有效平衡兩側(cè)重力的同時(shí)，可減小一側(cè)懸臂跨度和施工空間，施工便利性增強(qiáng)[12-13]。方案1根據(jù)橋址環(huán)境及布跨條件，采用(32+170+50+40+32) m鋼-混混合梁獨(dú)塔斜拉橋，其中170 m主跨一跨跨越五線鐵路和河涌，(176.5+50+43.75) m采用平轉(zhuǎn)法施工。全橋總體布置如圖2所示。

圖2 立面布置(單位：m)

本方案橋全長(zhǎng)326 m，為非對(duì)稱獨(dú)塔雙索面鋼-混凝土混合梁斜拉橋。根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度、受力和轉(zhuǎn)體施工需要，主跨和邊跨側(cè)分別設(shè)置1個(gè)和2個(gè)輔助墩，橋兩側(cè)接入32 m簡(jiǎn)支梁。主塔邊跨側(cè)采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋塔主跨側(cè)至梁端采用帶風(fēng)嘴的鋼箱梁，鋼混結(jié)合段位于橋塔偏向主跨側(cè)15 m處。結(jié)構(gòu)體系采用塔梁分離的固結(jié)形式，塔墩一體，塔梁之間設(shè)固定支座，橫向設(shè)置抗風(fēng)支座，其余邊墩及輔助墩頂設(shè)縱向活動(dòng)球鋼支座。

(1)主梁

主梁采用等高箱梁，中心梁高4.5 m，梁頂寬14.5 m。主梁截面如圖3所示。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用單箱三室截面，三向預(yù)應(yīng)力體系。標(biāo)準(zhǔn)橫截面頂板、底板厚均為40 cm，直腹板厚50 cm，每7 m與斜拉索位置對(duì)應(yīng)設(shè)1道厚50 cm的半高橫梁。橋塔和墩頂各設(shè)置1道橫隔梁，厚2.5～3.5 m。

圖3 主梁橫斷面(單位：cm)

鋼箱梁采用封閉式單箱五室截面，外露面積小，維養(yǎng)工作量小，外輪廓尺寸與混凝土箱梁相同，中間三室與混凝土梁對(duì)應(yīng)，兩側(cè)單室兼作風(fēng)嘴。鋼箱梁為正交異性板結(jié)構(gòu)，由頂板、斜底板、底板、豎腹板及斜腹板圍封而成。根據(jù)受力和剛度過(guò)渡要求，鋼箱梁分3個(gè)區(qū)、8個(gè)梁段類型，在不同區(qū)段采用不同的板厚。鋼箱梁頂、底板厚20～30 mm，縱向設(shè)U形加勁肋，中縱腹板厚24～30 mm，邊縱腹板連接錨拉板厚30 mm。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)15 m，每隔5 m設(shè)1道實(shí)腹橫隔板，2.5 m采用橫肋加勁。

結(jié)合段全長(zhǎng)10.5 m，包含3.5 m鋼-混結(jié)合段、4 m鋼-混過(guò)渡段及3 m鋼梁過(guò)渡段，采用梯形漸變式填充混凝土前后承壓板接頭，通過(guò)將鋼箱梁端部頂板、底板和腹板做成雙壁板，使填充的混凝土通過(guò)PBL剪力板、縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束及普通鋼筋等與緊鄰的混凝土箱梁有效連接。

(2)橋塔

橋塔上塔柱采用H形造型，中塔柱外傾，橋面以下內(nèi)收為鉆石形，如圖4所示。

圖4 橋塔構(gòu)造(單位：cm)

橋塔全高113 m(含塔尖)，橋面以上塔高91 m，高跨比為0.54，最外側(cè)斜拉索水平夾角28.3°。橋塔縱向?qū)挾扔伤? m線性加寬至11 m再至塔底19 m，上塔柱順橋向壁厚1.2 m，中塔柱壁厚1.2～1.5 m。上、中塔柱橫橋向?qū)捑鶠? m，壁厚1 m。下塔柱為實(shí)體異形棱臺(tái)。上塔柱和中塔柱在交接處設(shè)上橫梁，寬7 m，高4 m，壁厚0.5 m。

(3)斜拉索

斜拉索為豎直扇形雙索面體系，橫向間距13 m，與上塔柱相同。為便于拉索運(yùn)輸、張拉和后期更換，采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa鋼絞線索體。斜拉索在橋塔上錨固間距為2～3 m，在鋼箱梁上15 m，在混凝土梁上7 m，最長(zhǎng)斜拉索179.5 m，最短67.1 m，根據(jù)索力不同，共采用M250-61、M250-73、M250-85、M250-91四種規(guī)格的斜拉索。為避免拉索后期更換和張拉影響鐵路運(yùn)營(yíng)，錨固端均設(shè)置于主梁頂面，橋塔側(cè)為張拉端。索塔通過(guò)鋼錨箱連接?？紤]斜拉索內(nèi)傾角為0°，索與混凝土主梁錨固采用鋼拉板，與鋼拉板焊接的工字鋼梁預(yù)埋于混凝土主梁邊腹板中，通過(guò)PBL鍵、剪力釘?shù)却胧﹤鬟f索力。索與鋼箱梁錨固亦采用鋼拉板方式，鋼拉板為邊腹板的外延。

(4)下部結(jié)構(gòu)

橋塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮轉(zhuǎn)體施工要求并最大限度降低對(duì)鐵路路基的影響，承臺(tái)采用內(nèi)切圓半徑15.9 m的正六邊形，厚度6 m，承臺(tái)與下塔柱之間設(shè)置半徑14.6 m、厚2 m的圓盤，用于設(shè)置轉(zhuǎn)體球鉸。橋塔采用22根φ3 m的樁基礎(chǔ)，由內(nèi)向外環(huán)形布置，要求樁端后壓漿，以減小樁基的沉降量。輔助墩及邊墩均采用圓端形實(shí)體橋墩，墩高14.5～18.5 m，矩形布置樁基礎(chǔ)。

(5)施工方案

總體施工方案采用旁位支架局部轉(zhuǎn)體后結(jié)合法，轉(zhuǎn)體示意如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)體施工方案示意(單位：m)

具體施工步驟如下:施工基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩和橋塔，預(yù)埋塔底轉(zhuǎn)體球鉸；在沿既有鐵路線北側(cè)支架上拼裝需轉(zhuǎn)體部分鋼梁、鋼混結(jié)合段并分段澆筑混凝土主梁；安裝拉索并調(diào)至轉(zhuǎn)體索力，臨時(shí)固結(jié)塔梁準(zhǔn)備轉(zhuǎn)體；轉(zhuǎn)體完成后繼續(xù)拼裝剩余鋼箱主梁及現(xiàn)澆混凝土主梁；施工橋面系，調(diào)整索力，完成全橋施工。全橋施工總工期預(yù)計(jì)約24個(gè)月。

轉(zhuǎn)體體系由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤、球鉸、撐角、滑道和牽引系統(tǒng)組成[14]，設(shè)置于下塔柱與下承臺(tái)之間。該方案轉(zhuǎn)體施工有三大特點(diǎn)：轉(zhuǎn)體質(zhì)量大(球鉸達(dá)3.5萬(wàn)t，φ5.1 m)、轉(zhuǎn)體懸臂長(zhǎng)度大(長(zhǎng)176.5 m)，轉(zhuǎn)體橋塔高度高(113 m)。

4.3 方案2：簡(jiǎn)支鋼桁梁

簡(jiǎn)支鋼桁梁結(jié)構(gòu)輕盈、通透，剛度大，結(jié)構(gòu)高度小，適合橋下凈空受限的情況[15-17]。1982年日本在東海道支線橋(跨徑62.4 m的單線鐵路簡(jiǎn)支鋼桁梁跨線橋)設(shè)置承重軌道梁，單側(cè)轉(zhuǎn)體跨越橋下鐵路[18]。結(jié)合本橋橋址建設(shè)環(huán)境，本方案采用160 m簡(jiǎn)支鋼桁梁一跨跨越五線鐵路和河涌[19]，采用布設(shè)軌道梁3次轉(zhuǎn)體法施工。

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本方案橋全長(zhǎng)162.3 m，計(jì)算跨徑160 m，支點(diǎn)距梁端1 m。主桁采用三角形腹桿體系，桁高18 m，高跨比1/8.9，桁寬13 m，寬跨比1/12.3。主桁縱向共12個(gè)節(jié)間，節(jié)間距除兩端為13 m外均為13.4 m。主橋立面布置和斷面布置分別如圖6、圖7所示。

圖6 簡(jiǎn)支鋼桁梁立面布置(單位：m)

圖7 主桁斷面布置(單位：mm)

主桁上下弦桿均采焊接箱形截面，豎板高2 000 mm，內(nèi)寬1 400 mm，板厚16～46 mm。腹桿采用箱形及H形截面，箱形截面高1 398 mm，內(nèi)寬1 000 mm，板厚16～40 mm；H形截面高1 398 mm，外寬1 000 mm，板厚16～20 mm。為保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及受力合理，在弦桿間分別設(shè)置交叉式上下平縱聯(lián)，截面為焊接工字形。為增強(qiáng)橫向剛度且使主桁受力均勻，全橋設(shè)橋門架2道，中間等距設(shè)橫向聯(lián)結(jié)4道，均采用桁架式結(jié)構(gòu)。

橋面系采用不結(jié)合縱橫梁體系，由縱梁、橫梁和混凝土橋面板組成。橫向設(shè)置4根工字形縱梁，間距2 m，梁高1 500 mm，設(shè)2道斷縫，在每段縱梁中部設(shè)制動(dòng)聯(lián)結(jié)系。橫梁梁高2 000 mm，端橫梁處為單箱雙室截面，縱梁斷開(kāi)處為單箱單室截面，其余為工字形截面，每2道橫梁間設(shè)3道縱梁橫聯(lián)。橋面板沿縱向分塊預(yù)制，每個(gè)預(yù)制橋面板設(shè)4個(gè)27 cm×27 cm的方孔，采用9個(gè)剪力釘填充環(huán)氧砂漿與縱梁連接。

橋墩采用圓端形，15根φ2 m樁基礎(chǔ)。

(2)施工方案

總體施工方案采用布設(shè)軌道梁3次轉(zhuǎn)體法，具體施工步驟如下:施工主橋和軌道梁基礎(chǔ)、承臺(tái)、橋墩及轉(zhuǎn)體系統(tǒng)；沿既有線外拼裝軌道梁并順時(shí)針轉(zhuǎn)體77°至設(shè)計(jì)位置；主墩墩頂安裝轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，在主墩與軌道梁臨時(shí)墩間拼裝鋼桁梁；在軌道梁上沿滑道推拉鋼桁梁完成轉(zhuǎn)體；將軌道梁反向轉(zhuǎn)體至原位，并拆除軌道梁及墩身，同時(shí)完成主橋橋面系及附屬工程施工。全橋施工總工期預(yù)計(jì)約28個(gè)月。施工示意如圖8所示。

圖8 鋼桁梁轉(zhuǎn)體施工方案示意(單位：m)

本方案鋼桁梁需在軌道梁上沿滑道完成轉(zhuǎn)體施工。軌道梁設(shè)計(jì)為2×58 m鋼箱梁T構(gòu)。鋼箱梁采用單箱單室截面，梁高3.5 m，箱頂寬10 m，底寬6.4 m，頂板加勁采用U肋及板肋，底板采用T肋。軌道梁轉(zhuǎn)體采用2 000 t的RPC球鉸轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，球鉸安裝于軌道梁上、下承臺(tái)之間。鋼桁梁轉(zhuǎn)體采用3 000 t的RPC球鉸的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，球鉸安裝于主墩墩頂，并在軌道梁上設(shè)置轉(zhuǎn)體滑道，鋼桁梁沿軌道逆時(shí)針轉(zhuǎn)體26°至設(shè)計(jì)位置。

5 方案比選

經(jīng)計(jì)算分析，方案1、方案2主梁靜活載最大豎向位移分別為101 mm和59 mm，對(duì)應(yīng)撓跨比為1/1 683和1/2 712，在列車搖擺力、風(fēng)力、溫度力的作用下，主梁最大橫向位移分別為5 mm和16 mm，對(duì)應(yīng)撓跨比為1/34 000和1/10 000，方案1梁端轉(zhuǎn)角為0.16‰，均滿足TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》限值要求。方案2梁端轉(zhuǎn)角達(dá)1.3‰，由軌道專業(yè)設(shè)置活動(dòng)過(guò)渡梁以滿足軌道要求[7]。

方案1結(jié)構(gòu)形式新穎，外形高聳美觀，方案2結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，建筑高度低，根據(jù)計(jì)算分析和國(guó)內(nèi)外建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，以上兩個(gè)方案在技術(shù)和施工上均可行。本文主要對(duì)其在景觀效果、技術(shù)創(chuàng)新、施工難度、對(duì)既有線干擾、后期維修養(yǎng)護(hù)和經(jīng)濟(jì)性能方面進(jìn)行綜合比選[20]，見(jiàn)表1。方案2建筑高度低，適合凈空受限的情況，豎向剛度較好，采用混凝土橋面對(duì)無(wú)砟軌道的適應(yīng)性較好，整體經(jīng)濟(jì)性能較優(yōu)，但其梁端轉(zhuǎn)角達(dá)1.3‰需設(shè)置過(guò)渡梁，且施工步驟多，難度大，施工期間對(duì)鐵路既有線運(yùn)營(yíng)的影響較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高[21]，后期跨線涂裝、維修、養(yǎng)護(hù)較方案1更為不便。

表1 方案比較

6 結(jié)論

廣佛江珠跨五線鐵路立交主橋建橋條件復(fù)雜，斜交角度小，凈空、孔跨、施工、維養(yǎng)等方面受限條件較多，本文提出獨(dú)塔混合梁斜拉橋和簡(jiǎn)支鋼桁梁兩個(gè)方案均技術(shù)可行，且在鐵路橋梁領(lǐng)域有一定的創(chuàng)新性。(32+170+50+40+32) m鋼-混混合梁獨(dú)塔斜拉橋方案能適應(yīng)橋址環(huán)境及要求，橋式布置合理、結(jié)構(gòu)受力明確，可一次轉(zhuǎn)體到位，施工便利安全，對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路影響小，創(chuàng)新性地采用混合梁充分發(fā)揮鋼混兩種材料性能，大幅減小轉(zhuǎn)體跨度和重力。簡(jiǎn)支鋼桁架建筑高度小，自重輕，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，可采用布設(shè)軌道梁3次轉(zhuǎn)體法在不便設(shè)立輔助墩頂推時(shí)施工，但對(duì)鐵路既有線運(yùn)營(yíng)的影響較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。經(jīng)綜合比選，廣佛江珠跨五線鐵路立交主橋方案推薦采用獨(dú)塔混合梁斜拉橋橋式方案。