柳學發(fā),徐升橋,任為東,劉 俊

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通(以下簡稱“莞惠城際”)是一條走在發(fā)達城市群中時速200 km的新型城際軌道交通，正線全長99.841 km，其中高架段40.246 km。2008年8月開始勘察設(shè)計，2009年5月開始施工，2017年12月全線正式運營。2008年新型城際軌道交通建設(shè)剛剛起步，缺乏對應(yīng)標準的設(shè)計規(guī)范和建設(shè)經(jīng)驗。莞惠城際采用小編組、高密度、公交化的運行模式[1-2]，以橋梁和地下工程為主，不同于以往的普速鐵路、客運專線和地鐵、輕軌、城市高架。針對莞惠城際面臨的新標準、新制式、新模式，對新型城際軌道交通橋梁設(shè)計標準、景觀設(shè)計、新型結(jié)構(gòu)、大跨混凝土連續(xù)梁徐變控制、軟土地基偏載作用樁基設(shè)計等進行了探索和創(chuàng)新，系統(tǒng)解決了軟土河網(wǎng)地區(qū)城際軌道交通的橋梁設(shè)計所面臨的技術(shù)課題[3]。

2 主要工程特點和難點

2.1 采用新標準、新制式、新模式，當時的設(shè)計規(guī)范有其不適應(yīng)性

莞惠城際線路長，速度目標值為200 km/h，超出了當時GB50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》[4]的適用范圍。而如果直接套用當時速度目標值200 km/h的鐵路設(shè)計規(guī)范[5]，則因其沒有考慮無砟無縫線路、道岔橋等內(nèi)容，且由于其考慮貨車運行因素，設(shè)計活載標準偏高，也不完全適用。因此需要提出適合珠三角城際軌道交通的橋梁設(shè)計標準。

2.2 沿線經(jīng)濟發(fā)達，路網(wǎng)河網(wǎng)交錯，廣泛分布軟土，建設(shè)環(huán)境復雜，特殊結(jié)構(gòu)多

莞惠城際經(jīng)東莞市南城、東城、松山湖，惠州市惠環(huán)、惠城等經(jīng)濟發(fā)達鎮(zhèn)(區(qū))?？缭骄┚盆F路2次；跨越河流14次，其中東莞水道為Ⅲ航道，粵港供水渠為廣東向香港供水國家重點工程；跨越高速公路3次，跨越各級道路、公路幾十次。根據(jù)相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位的要求，常用跨度30，25 m滿足不了要求，采用了眾多特殊結(jié)構(gòu)，其中(80+150+150+80) m、(80+150+80) m混凝土連續(xù)梁，(100+180+100) m混凝土連續(xù)梁拱是當時同類型橋梁結(jié)構(gòu)中的最大跨度[6]。

莞惠城際與東莞大道公路延長線(以下簡稱“延長線”)并行4.37 km，莞惠城際均為橋梁工程，延長線主要為路基工程，兩個項目同時施工。并行段場地地貌屬河流沖積平原，淤泥層厚度7.32～27.16 m。延長線地基加固處理方法有塑料排水板堆載預壓、素混凝土樁+塑料排水板、素混凝土樁、水泥攪拌樁、換填等5種，塑料板排水+堆載預壓復合地基處理方式占51.6%，堆載(偏載)最大高差達7.8 m。軟土偏載作用涉及莞惠城際橋梁基礎(chǔ)90多個，樁1000多根，分別位于延長線路基的路中、路肩以及路側(cè)，而路基加固處理措施又多樣，因此莞惠城際橋梁工程遇到的軟土地基偏載作用下樁基設(shè)計問題比其他工程更復雜，難度更大。

由于沿線經(jīng)濟發(fā)達，路網(wǎng)、水網(wǎng)交錯，且分布深厚的軟土，需要解決軟土、河網(wǎng)地區(qū)橋梁設(shè)計所面臨的偏載作用、無砟軌道大跨度橋梁徐變控制等技術(shù)難題。

2.3 需將景觀化設(shè)計理念引入鐵路橋梁設(shè)計中，提出新的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式

莞惠城際穿行于經(jīng)濟發(fā)達的珠三角城鎮(zhèn)群中，對景觀有很高的期待，需要結(jié)合嶺南建筑文化特點和審美觀念，將景觀化設(shè)計理念引入到鐵路橋梁設(shè)計中，提出新的鐵路橋梁和橋墩結(jié)構(gòu)形式。

3 主要技術(shù)創(chuàng)新

3.1 提出了適合珠三角城際軌道交通的新的設(shè)計標準

3.1.1 新的設(shè)計活載及相關(guān)技術(shù)參數(shù)

由于當時沒有對應(yīng)標準的設(shè)計規(guī)范[7]，在參考國內(nèi)外既有規(guī)范的基礎(chǔ)上，考慮到實際的列車荷載確定了相應(yīng)的設(shè)計活載標準及對應(yīng)的結(jié)構(gòu)限值。

(1)設(shè)計活載

莞惠城際首次采用CRH6型城際動車組，六輛編組，不與國鐵跨線運營。綜合考慮可能上線的運架梁車、長鋼軌運輸車、救援車輛等荷載效應(yīng)，以及結(jié)構(gòu)的適用性和安全儲備，研究提出了珠三角城際設(shè)計活載采用0.6UIC。

對跨度30 m雙線梁而言，0.6UIC總效應(yīng)與運梁車總效應(yīng)相當(表1)，說明活載設(shè)計圖示選擇經(jīng)濟合理。運梁車荷載為施工臨時荷載，安全系數(shù)可以降低，因此選擇0.6UIC作為設(shè)計活載圖示，運梁車不控制設(shè)計。根據(jù)分析，選擇0.6UIC作為設(shè)計活載圖示，特殊荷載的長鋼軌運輸車、救援車輛也不控制橋梁設(shè)計。

(2)動力系數(shù)

莞惠城際采用的動力系數(shù)如下，Φ1用于剪力，Φ2用于彎矩，略高于后來頒布的TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》[8]、TB10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》[9]值。

表1 荷載效應(yīng)比較

(3)制動力或牽引力

莞惠城際制動力或牽引力按豎向靜活載的15%計算，但當與離心力或動力作用同時計算時，制動力或牽引力應(yīng)按豎向凈活載的10%計算。雙線橋采用一線的制動或牽引力，三線或三線以上的橋梁采用兩線的制動力或牽引力，車站兩側(cè)與車站相鄰100 m范圍內(nèi)的雙線橋采用雙線制動力。略高于TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》。

(4)梁體豎向撓度限值

莞惠城際采用的梁體豎向撓度限值見表2，與TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》相比，有的跨度(如<30 m)略高，有的跨度(如>90 m)略低。但對于城際鐵路預應(yīng)力混凝土梁，為徐變控制設(shè)計，一般地，梁體撓跨比需1/3 000左右，豎向撓度限值不控制設(shè)計。

表2 梁體豎向撓度限值

(5)墩頂水平位移

莞惠城際采用的墩頂水平位移限值如下，與TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》表達形式不一樣，但限值相當。

3.1.2 新的鐵路橋面布置

莞惠城際提出了新的橋面布置形式，考慮強弱電纜通道、聲屏障安裝、接觸網(wǎng)立柱安裝、欄桿安裝、承軌臺的鋪設(shè)、橋面防排水等功能，以及限界要求、脈動風對聲屏障的影響，雙線橋面寬取11.6 m，單線橋面寬取7.2 m[10]，較客運專線、高速鐵路更小，可以通過隧道運梁，見圖1。

圖1 橋面布置與梁寬(單位：m)

3.1.3 新的鐵路橋梁跨度系列

莞惠城際與道路(公路)并行距離長，多處需與道路(公路)橋?qū)撞贾茫缆?公路)橋梁跨度以5 m為模數(shù)。鐵路考慮與戰(zhàn)備、應(yīng)急搶修器材互換，跨度(支點距離)系列標準以8 m為模數(shù)，常用跨度以32，24 m為主。32，24 m相差8 m不便于頻繁跨越管線、河流、道路的孔跨布置以及與道路(公路)橋?qū)撞贾茫?因此莞惠城際提出了5 m為模數(shù)的鐵路跨度系列，即常用跨度以30 m為主，25 m調(diào)跨，連續(xù)梁孔跨采用(30+40+30) m、(30+45+30) m、(40+60+40) m、(50+80+50) m、(60+100+60) m等。

3.2 提出了新的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式

3.2.1 提出了新的鐵路梁形及其構(gòu)造，編制了珠三角城際軌道交通網(wǎng)通用圖

軌道交通常用梁體截面有T形、箱形和槽形[11-12]。T形梁(圖2)梁重小、吊裝方便、受力明確、工藝成熟、預制方便，是常用的橋梁結(jié)構(gòu)形式，目前時速200 km及以下的鐵路橋梁仍采用T形梁，但多片T梁間需將橫隔板及橋面聯(lián)為整體甚至還要使用橫向預應(yīng)力，現(xiàn)場橫向聯(lián)接施工工作量大，工序多，施工時間長。從橋下及兩側(cè)看不如箱梁簡潔，景觀性較差；此外T形梁為傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)形式，不夠新穎，所以不能成為對景觀要求高的莞惠城際梁型。槽形(U形)梁結(jié)構(gòu)如圖3所示，其優(yōu)點是軌頂至梁底建筑高度小，且兩側(cè)的腹板可起到隔聲作用，但混凝土主要位于受拉區(qū)，不能充分發(fā)揮材料性能，因此經(jīng)濟性差，此外梁體龐大，視覺效果不好。箱形梁是閉合截面結(jié)構(gòu)，抗扭剛度大，整體受力性能好，動力穩(wěn)定性好，外觀簡潔、優(yōu)美，適用于直線、曲線及配線，是廣泛采用的高架橋梁結(jié)構(gòu)形式。綜合對各種梁型比較分析，莞惠城際梁體采用箱形梁結(jié)構(gòu)。

圖2 T形梁

圖3 槽形梁(U形梁)

箱形梁截面一般有單箱截面(圖4)和并置雙箱截面(圖5)兩種。單箱截面結(jié)構(gòu)簡潔，現(xiàn)場作業(yè)少；并置雙箱截面梁重小，對吊裝設(shè)備要求低，但需現(xiàn)澆橋面接縫混凝土，且景觀性較差，所以莞惠城際采用單箱截面梁。

圖4 單箱截面(單位：m)

圖5 雙箱截面

單箱截面梁腹板又可分直腹板、斜腹板、曲線腹板等形式。直腹板預應(yīng)力鋼束起彎方便，預應(yīng)力損失小，但景觀效果差。曲線腹板如魚腹梁(圖6)，結(jié)構(gòu)新穎，景觀效果好，但受力復雜，設(shè)計、施工要求高，造價較高，不宜大量使用。

圖6 弧形梁

莞惠城際提出的新型橋梁結(jié)構(gòu)為斜腹板單箱截面流線形箱梁 (圖4)，腹板斜率采用1∶3.5，比常用的1:4更舒展；腹板與上翼緣轉(zhuǎn)折處圓弧半徑采用1 800 mm，比常用的750 mm更大氣。流線形箱梁在滿足結(jié)構(gòu)受力的同時，線條轉(zhuǎn)折處圓弧倒角，避免了折角，外形圓順，符合嶺南建筑文化審美觀念，具有良好的景觀效果[13]。

莞惠城際橋梁的跨度系列標準、橋面寬、梁高、梁重、外形等與以往普速鐵路、客運專線鐵路、城市軌道交通、輕軌、高架均不同。根據(jù)莞惠城際新的橋梁設(shè)計標準和梁形，編制了跨度30，25 m簡支梁(預制、現(xiàn)澆)、支座及附屬結(jié)構(gòu)珠三角城際通用圖，在珠三角城際軌道交通網(wǎng)中推廣使用，為珠三角城際鐵路標準化建設(shè)和工程質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)，并節(jié)省了工程造價。珠三角城際梁部通用圖主要技術(shù)指標見表3。

3.2.2 新的墩形及其構(gòu)造

墩形選擇除考慮強度、剛度、穩(wěn)定性和車橋耦合動力性能，滿足支座布置、更換支座、防落梁構(gòu)造等要求外，還要考慮莞惠城際約1/3的橋墩位于道路綠化帶中，對橋墩尺寸有限制，還要符合嶺南人文建筑審美觀念[14]。

墩形按柱子數(shù)量分主要有獨柱墩和雙柱墩，按截面形狀分主要有圓形、圓端形、矩形、多邊形等，按立面形狀分主要有柱式墩、V形墩、T形墩以及藝術(shù)墩等，再輔以各種刻槽、倒角、凹凸處理。經(jīng)多方案(圖7)比選，莞惠城際選取了設(shè)凹槽的流線形橋墩(圖8)。

圖7 墩形方案

圖8 流線形蓮花頭橋墩

流線形橋墩為蓮花頭矩形獨柱墩，墩身立面設(shè)凹形裝飾槽，墩頂段采用流線，與箱梁外形協(xié)調(diào)一致，酷似一株花桿支撐著盛開的蓮花，結(jié)構(gòu)合理，外形優(yōu)美，滿足了嶺南文化建筑審美。排水管隱藏于墩身中，進一步改善了橋梁景觀并減少了排水管維修養(yǎng)護工作。

3.2.3 新型支座及橫向雙固定支座布置原則

為了適應(yīng)珠三角城際軌道交通的特點和對支座降噪、調(diào)高等要求，研發(fā)了新型調(diào)高盆式橡膠支座(圖9)。該支座采用新持術(shù)，即利用雙組份液態(tài)聚氨酯橡膠(CPU)可“液固”轉(zhuǎn)化的原理，通過在支座下部結(jié)構(gòu)的預留通道將雙組份聚氨酯注入支座內(nèi)部，實現(xiàn)支座無級調(diào)高和調(diào)平。

該支座的主要優(yōu)點有：①噪聲小，可滿足經(jīng)濟發(fā)達鎮(zhèn)區(qū)的環(huán)保需要；②無級調(diào)高和調(diào)平，可解決軟土地區(qū)沉降難控制問題，滿足無砟軌道對線路高平順性要求；③耐久性好，適應(yīng)珠三角地區(qū)多雨、氣溫高的氣候；④具有測力的功能，提高了橋梁安全性。

圖9 調(diào)高調(diào)平盆式橡膠支座示意

莞惠城際最長的一座橋達15.2 km，橋上線路平面具有S形。根據(jù)珠三角地區(qū)溫差小、支座橫向間距4 m較小的特點，研究提出了橫向雙固定的支座布置原則。橫向雙固定支座布置原則，方便了施工，避免了固定支座設(shè)于曲線內(nèi)側(cè)、外側(cè)的爭議。

3.3 提出了復雜工況軟土地基偏載作用下樁基設(shè)計簡化計算方法和原則

國內(nèi)外對復雜工況軟土地基偏載作用下樁身承受水平力的“被動樁”設(shè)計計算研究不多，有關(guān)計算方法主要有：彈性半無限體內(nèi)的應(yīng)力分布法，De Beer和Wallays法，德國建議法和規(guī)范計算方法等[15]。通過對以上4種方法優(yōu)缺點、適用性的比較，以及與國際知名專業(yè)巖土工程三維有限元軟件PLAXIS 3D Foundation計算對比分析，得出以下結(jié)論。

(1)三維有限元計算結(jié)果的分布趨勢與彈性半無限體內(nèi)的應(yīng)力分布法(朗肯理論)相似，但三維有限元計算結(jié)果更小。

(2)工程設(shè)計中采用彈性半無限體內(nèi)的應(yīng)力分布法簡化計算，可以保證工程安全。

(3)群樁受力控制工況為橋墩施工前狀態(tài)，架梁后基礎(chǔ)受力最小。

(4)無論是單樁還是群樁，無論φ125 cm、φ150 cm樁徑，通過加強配筋，可承受不大于4.0 m的堆載作用。在堆載5.0 m時，則樁基配筋率超過3%，樁身鋼筋布置困難。

(5)6-φ150 cm樁基與9-φ125 cm的樁基造價大致相同；但φ150 cm樁徑抗剪能力更強，有利于抵抗水平力，宜采用6-φ150 cm樁徑。

(6)對素混凝土樁、水泥攪拌樁加固的軟土地基，當加固樁進入硬土層時，可忽略堆載產(chǎn)生的附加水平力。

通過研究，提出了軟土地基偏載作用下樁基設(shè)計可采用簡化方法，即彈性半無限體內(nèi)的應(yīng)力分布法計算，并提出了適當加強配筋、適當加大樁徑的設(shè)計原則。

3.4 提出了無砟軌道大跨度混凝土連續(xù)梁徐變控制綜合措施

大跨度預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，軌道鋪設(shè)完成后，受混凝土收縮徐變影響，橋梁會產(chǎn)生上拱或下?lián)系拈L期變形—殘余徐變。無砟軌道對殘余徐變要求十分嚴格[16]，莞惠城際按鋪設(shè)軌道后橋梁殘余徐變值不超過10 mm進行設(shè)計。徐變受梁體剛度、混凝土彈性模量、預應(yīng)力張拉齡期、預應(yīng)力大小、養(yǎng)護及環(huán)境條件等眾多因素影響[17-19]，控制難度大，對最大跨度的150 m混凝土連續(xù)梁、180 m混凝土連續(xù)梁拱而言難度更大。

通過專題研究，發(fā)現(xiàn)梁高對徐變影響大，增大梁高是控制工后徐變的有效措施。鋪軌時間對工后徐變影響較大，且鋪軌時間早于60 d時徐變呈非線性增大，張拉齡期、合龍順序?qū)ず笮熳冇绊懖淮?，但預應(yīng)力張拉齡期延長對工后徐變控制有利，先邊跨后中跨合龍梁體線形更平順。

根據(jù)專題研究成果，莞惠城際除采取控制彈性模量、加強養(yǎng)護等常規(guī)措施外，還提出和采取了以下徐變控制方法和措施。

(1)適當增加梁體跨中截面的高度。當梁高較小時，為滿足承載力和應(yīng)力等要求，往往需要配置較多的預應(yīng)力。預應(yīng)力越大，徐變就越大。較高的梁高可以減少預應(yīng)力和梁體截面應(yīng)力，從而有利于徐變控制。

(2)控制恒載狀態(tài)下梁體截面上、下緣應(yīng)力差[20]。上、下緣應(yīng)力差較小，截面受力就較均衡，梁體趨于軸壓受力狀態(tài)，對減小徐變非常有利。在設(shè)計中，通過調(diào)整預應(yīng)力布置，使梁體截面上、下緣應(yīng)力差控制在4 MPa以內(nèi)。

(3)選擇合適的鋪軌時間。預應(yīng)力混凝土梁的工后徐變與鋪軌時間是密切相關(guān)的，適當推遲鋪軌時間，對保持軌道線形有利。綜合考慮施工工期和施工組織等因素，鋪軌時間宜在梁體合龍后3個月左右，并不宜早于2個月。

(4)適當延長張拉齡期。一般地，采用5 d齡期張拉預應(yīng)力，考慮到跨度150，180 m為同類型橋梁最大跨度，增加張拉齡期有利于徐變控制，且能滿足工期要求，莞惠城際采用7 d齡期張拉預應(yīng)力。

3.5 其他技術(shù)創(chuàng)新

(1)采用鋼筋混凝土理論設(shè)計鐵路橋墩、承臺

莞惠城際橋墩是經(jīng)景觀化設(shè)計的流線形實體獨柱墩，為了少占地和便于布置于道路綠化帶中，需要盡量縮小獨柱墩尺寸。莞惠城際廣泛分布軟土，且很多承臺位于路中，需要減少承臺厚度，減小基坑開挖深度，從而減少支護工程量，減少施工風險。因此莞惠城際橋墩、承臺沒有像鐵路工程一樣采用素混凝土理論設(shè)計，而是按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論進行設(shè)計。

(2)取消豎向預應(yīng)力

混凝土連續(xù)梁拱設(shè)計，一般地中跨梁體都設(shè)置豎向預應(yīng)力，對大跨度橋梁更是如此。根據(jù)TB10092-2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，滿足條件:①設(shè)計荷載作用下，混凝土最大剪應(yīng)力τc≤0.17fc；②主應(yīng)力σtp≤fct/K2時，預應(yīng)力受彎構(gòu)件的箍筋可僅按構(gòu)造布置。根據(jù)計算，(100+180+100) m連續(xù)梁拱中跨梁體，主力作用下中跨剪應(yīng)力最大值2.0 MPa、主拉應(yīng)力最大值0.6 MPa，主+附作用下中跨剪應(yīng)力最大值2.0 MPa、主拉應(yīng)力最大值0.7 MPa，滿足上述兩條件。且即使在預應(yīng)力減少10%自重偏大6%的極端情況下，也滿足前述條件。同時考慮連續(xù)梁拱吊桿的作用，因此(100+180+100) m連續(xù)梁拱中跨沒有按常規(guī)設(shè)置豎向預應(yīng)力筋，創(chuàng)新地取消了其豎向預應(yīng)力筋，減少了豎向預應(yīng)力管道制作、安裝、張拉、壓漿、封錨等工序，減少了豎向預應(yīng)力管道對腹板的削弱，降低了工程造價，提高了工程進度。

(3)采用包絡(luò)設(shè)計理念

有效預應(yīng)力隨著時間推移會降低，對特別重要的橋梁，應(yīng)進行預應(yīng)力敏感性分析，必要時可按某一指定的有效預應(yīng)力不足比例進行補償配束。

規(guī)范容許預應(yīng)力有±6%的施工誤差，結(jié)構(gòu)尺寸有±5%的施工誤差，因此設(shè)計時要考慮規(guī)范允許的施工誤差對橋梁的不利影響。此外收縮徐變影響因素多，是十分復雜而難以精確計算的問題，對大跨度橋梁內(nèi)力和變形影響大。

莞惠城際在主跨超過100 m混凝土連續(xù)梁設(shè)計時除頂板、底板預留一定量的備用束作為施工階段應(yīng)急措施外，還采用了體外預應(yīng)力作為應(yīng)急措施[21]，進一步提高了橋梁的應(yīng)急和抗風險能力。

4 結(jié)語

針對河網(wǎng)交錯、缺乏設(shè)計規(guī)范、景觀化設(shè)計等特點和難點，莞惠城際橋梁設(shè)計取得了以下創(chuàng)新成果。

(1)提出了適合珠三角城際網(wǎng)特點的設(shè)計活載、橋面布置、跨度系列等設(shè)計標準，部分成果納入TB10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》中。

(2)引入景觀設(shè)計理念，提出了符合嶺南建筑文化審美觀念的新結(jié)構(gòu)，其設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)尺寸、構(gòu)造細節(jié)等被國家鐵路局組織編制的城際鐵路通用圖(圖號：標橋(2015)222系列))所借鑒、采納。

(3)主跨150 m混凝土連續(xù)梁、180 m混凝土連續(xù)梁拱為同類型橋梁的最大跨度，通過專題研究提出了徐變控制綜合措施，滿足了無砟軌道橋梁變形“毫米級”的要求。

(4)結(jié)合莞惠城際軟土地基偏載作用的復雜工況，通過專題研究，提出了軟土地基偏載作用下樁基設(shè)計的實用方法和原則。

(5)研發(fā)了具有調(diào)高調(diào)平功能的新型盆式橡膠支座，解決了軟土地區(qū)沉降控制風險。

(6)與常規(guī)鐵路工程采用素混凝土結(jié)構(gòu)理論設(shè)計不同，采用鋼筋混凝土理論設(shè)計鐵路橋墩和承臺，減小了橋墩占地和基坑開挖深度。

莞惠城際軌道交通的成功開通并經(jīng)過多年運營檢驗，驗證其橋梁設(shè)計創(chuàng)新獲得了成功，特別是引進景觀設(shè)計理念設(shè)計的鐵路橋梁新結(jié)構(gòu)，與周圍景觀融為一體，成為了一道靚麗的城市風景線。