李永君,宗志榮,劉思維
[上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092]
濟寧市位于山東省西南部,淮海平原與魯中南山地交接地帶。長期以來,因煤礦的壓覆、采空等非可開發(fā)用地的阻隔以及京杭運河、新兗鐵路、高速公路等屏障的割裂,濟寧市呈現(xiàn)多組團獨立發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)。各組團間及其內(nèi)部聯(lián)系通道不足,過境與到發(fā)交通疊加嚴(yán)重,高峰時段關(guān)鍵節(jié)點擁堵嚴(yán)重。為改善城市交通出行環(huán)境,促進各功能組團的融合、優(yōu)化資源合理配置,提升城市整體競爭力,2017年濟寧市政府提出構(gòu)建主城區(qū)“兩環(huán)八聯(lián)+井字形快速路”的城市道路網(wǎng),內(nèi)環(huán)快速路是其中的“核心一環(huán)”,如圖1所示。該項目線路全長41 km,其中高架橋梁36 km,地面道路5 km(見表1)。全線橋梁長度占比在88%以上,有多座大跨徑橋梁,橋梁工程的總體設(shè)計尤為重要[1]。
圖1 濟寧市內(nèi)環(huán)快速路總平面布置圖
表1 濟寧市內(nèi)環(huán)快速路規(guī)模統(tǒng)計表
該項目橋梁總體設(shè)計有以下難點問題:
(1)快速路沿現(xiàn)有道路敷設(shè),沿線多為建成區(qū),鄰近物流園區(qū),靠近市政府,施工期間交通影響敏感。
(2)濟寧市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一,施工期間,對空氣污染防治要求嚴(yán)格。
(3)快速路多次跨越京杭運河、老運河、新兗鐵路和煤礦采空區(qū)等控制性節(jié)點,條件復(fù)雜。
基于以上建設(shè)難點,確定以大規(guī)模預(yù)制拼裝為該項目橋梁工程的主要施工技術(shù)。
近年來,在綠色建造理念的推動下,國內(nèi)城市高架橋建設(shè)越來越多地采用預(yù)制拼裝施工技術(shù)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工方式相比,預(yù)制拼裝施工有以下優(yōu)點[2]:
(1)預(yù)制拼裝技術(shù)以工廠化專業(yè)生產(chǎn)代替施工現(xiàn)場人工澆筑作業(yè),減少了現(xiàn)場作業(yè)人員,降低了施工安全風(fēng)險,同時提高了施工質(zhì)量。
(2)構(gòu)件在工廠中預(yù)制時,可以同步開展管線搬遷,縮短現(xiàn)場施工工期,減少對交通的影響。
(3)降低施工能耗、排放和揚塵,污染防治和文明施工顯著提升。
(4)預(yù)制場、設(shè)備和模板可以重復(fù)利用,降低工程造價,提高經(jīng)濟性。
濟寧是“孔孟之鄉(xiāng)”、“運河之都”、歷史文化名城和濱水生態(tài)旅游城市。為了降低內(nèi)環(huán)快速路建設(shè)對城市風(fēng)貌的影響,橋梁工程總體設(shè)計遵循“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、裝配化施工”的綠色設(shè)計理念,在全線標(biāo)準(zhǔn)路段大規(guī)模采用預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)。施工期間,統(tǒng)籌規(guī)劃運梁路線,集中建設(shè)橋梁預(yù)制場。圖2為項目橋墩預(yù)制場。在跨越京杭運河時,橋型選用還充分考慮了與既有老橋的景觀協(xié)調(diào)性(見圖3)。
圖2 橋墩蓋梁預(yù)制場
圖3 濟寧大道跨京杭運河輔道橋
(1)道路等級:城市快速路。
(2)主線車道:6車道。
(3)設(shè)計車速:80 km/h。
(4)汽車荷載等級:城-B級。
(5)橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期:100 a。
(6)設(shè)計安全等級:一級。
(7)結(jié)構(gòu)環(huán)境類別:Ⅱ類。
(8)設(shè)計風(fēng)速:100 a一遇,V10=27.2 m/s。
(9)地震基本烈度7度,水平向地震動峰值加速度0.05g,抗震設(shè)防分類乙類,抗震措施等級8度。
城市高架橋的標(biāo)準(zhǔn)跨徑一般在20~40 m,需綜合考慮地質(zhì)條件、運輸重量、外觀造型、經(jīng)濟指標(biāo)等因素。濟寧主城區(qū)地貌類型屬于沖積洪積平原亞區(qū),樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,按摩擦樁設(shè)計,樁基持力層為黏土或中砂,一般樁長在50 m左右。為降低預(yù)制構(gòu)件的起吊重量,標(biāo)準(zhǔn)跨徑采用27~31 m,3~4跨為一聯(lián)。在橫向路口處,為滿足橫向地面道路的交通需求,采用40 m、50 m、60 m跨徑,路中不設(shè)橋墩[3]。
按照全預(yù)制拼裝橋梁的設(shè)計理念,綜合考慮橋梁景觀、結(jié)構(gòu)性能和跨徑要求,高架橋標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)制小箱梁。目前國內(nèi)預(yù)制小箱梁一般采用“簡支結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)”和“簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)”兩種做法。根據(jù)該項目煤礦采空區(qū)場地穩(wěn)定性分析與評價報告,無法采用路基方式、必須采用高架橋通過的采空區(qū)路段,建議采用簡支結(jié)構(gòu)橋梁,以適應(yīng)可能發(fā)生的沉降,降低對結(jié)構(gòu)安全的影響[4]。因此,預(yù)制小箱梁采用簡支結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)。
在路口處,高架跨徑需要45~60 m,超出了混凝土小箱梁的跨徑范圍??紤]到施工期間路口處交通流量大,梁型應(yīng)便于制造和運輸,安裝應(yīng)盡可能簡便快速,同時還要兼顧經(jīng)濟性和耐久性,因此采用簡支鋼混組合小箱梁,采用魚腹式變高度梁,與兩側(cè)混凝土小箱梁順接,使得跨路口橋型與標(biāo)準(zhǔn)段橋型設(shè)計風(fēng)格保持統(tǒng)一。為提高城市景觀效果,采用外觀輕盈的倒T型蓋梁,橋下空間視覺通透(見圖4)。橋梁排水管隱藏在蓋梁和立柱表面的凹槽內(nèi),以細(xì)節(jié)設(shè)計提升工程品質(zhì)。
圖4 主線高架建成實景圖
標(biāo)準(zhǔn)段27~31 m跨徑小箱梁:6車道25.6 m橋?qū)?,布?片梁,每墩8根1.0 m樁;3車道13.0 m橋?qū)?,布?片梁,每墩5根1.0 m樁。路口處50 m跨徑鋼混組合梁:6車道25.6 m橋?qū)挘贾?片梁,每墩10根1.0 m樁(見圖5)。預(yù)制立柱與承臺之間采用灌漿套筒連接,預(yù)制蓋梁與立柱之間采用灌漿波紋管連接。
圖5 主線橫斷面布置圖(單位:m)
該項目橋梁工程開展了BIM正向設(shè)計工作??傮w設(shè)計采用上海市政總院自主研發(fā)的SMEDI-BDBIM橋梁智能化軟件平臺,在完成二維設(shè)計圖紙輸出的同時,自動生成全橋BIM總體模型。橋梁單體構(gòu)件設(shè)計采用CATIA軟件,對鋼筋、套筒和波紋管等結(jié)構(gòu)進行碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計、提高精度。總體BIM模型用于施工方案和施工組織設(shè)計,單體BIM模型使施工交底更加直觀、細(xì)致(見圖6)。BIM正向設(shè)計為全預(yù)制橋梁設(shè)計和施工提供了精度保證。
圖6 小箱梁濕接縫施工交底BIM模型
該項目兩次跨越京杭運河,兩次上跨新兗鐵路,全線位于煤礦采空區(qū),設(shè)計條件復(fù)雜。本節(jié)具體介紹上述節(jié)點設(shè)計情況。
京杭大運河濟寧段既為水運通道又為南水北調(diào)東線干線,通航、環(huán)保、景觀三方面要求突出。該工程兩處拓寬改造既有京杭大運河橋,其中濟寧大道處老橋為兩幅主跨100 m的中承式系桿拱橋,濟水大道處老橋為兩幅主跨80 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。通過多方案論證,結(jié)合國內(nèi)外既有大型橋梁拓寬改造案例,兩處京杭運河橋均采用大跨鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁,減小新建橋梁對既有橋梁景觀的影響,確保新老橋梁景觀融合。上述兩座橋梁施工前,均編制專項施工防護措施,避免橋梁施工期間對運河水質(zhì)的污染。
濟寧大道跨京杭大運河橋采用85 m+100 m+70 m+65 m=320 m跨徑布置,單幅橋?qū)?9.5 m。主梁采用變高鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁,單箱雙室,中支點梁高5.0 m、4.0 m,邊支點及跨中梁高2.5 m。由于橋?qū)捿^寬,主跨采用小節(jié)段橋面吊機懸拼法施工,邊跨采用支架法使用350 t及200 t汽車吊進行鋼梁節(jié)段安裝。100 m主跨縱向共分為15個節(jié)段,每個節(jié)段長6.0~8.65 m,橫向不分段。除0#、1#節(jié)段現(xiàn)場支架拼裝外,其余節(jié)段均由駁船運輸至橋位處,單個節(jié)段最大吊重99 t,采用120 t橋面吊機進行懸臂拼裝(見圖7)。
圖7 濟寧大道跨京杭運河橋吊裝施工
濟水大道跨京杭大運河橋采用61 m+110 m+61 m=232 m跨徑布置,單幅橋?qū)?3.0 m。主梁采用變高鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁,單箱單室,中支點梁高6.0 m,邊支點及跨中梁高2.5 m。由于橋?qū)捿^窄,主跨采用大節(jié)段浮吊吊裝施工,邊跨采用支架法使用150 t汽車吊進行鋼梁節(jié)段安裝。110 m主跨縱向共分為9個節(jié)段,每個節(jié)段長9.0~15 m。除0#節(jié)段外,其余節(jié)段均橫向分為4段,由公路運輸至橋位處,在橋下完成橫向拼裝,單個節(jié)段最大吊重164 t,采用300 t浮吊進行懸臂拼裝(見圖8)。
圖8 濟水大道跨京杭大運河橋吊裝施工
寧安大道跨新兗鐵路轉(zhuǎn)體橋采用單幅2×60 m T構(gòu),橋?qū)?9.9 m,轉(zhuǎn)體角度81.81°,轉(zhuǎn)體重量18 000 t。濟水大道跨新兗鐵路轉(zhuǎn)體橋采用雙幅2×58 m T構(gòu),橋?qū)?7.3 m,轉(zhuǎn)體角度78°,單幅轉(zhuǎn)體重量13 000 t(見圖9)。新兗鐵路與京廣、京九、京滬三大南北干線相交,平均每15 min就有一趟列車通過,對轉(zhuǎn)體橋梁合龍的精度和線形等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高。通過2臺千斤頂牽引,經(jīng)過45 min轉(zhuǎn)體,梁體實現(xiàn)精準(zhǔn)對接。
圖9 濟水大道跨新兗鐵路橋轉(zhuǎn)體橋施工
濟寧是全國重點開發(fā)的八大煤炭基地之一,年產(chǎn)煤占山東省60%。該項目沿線分布著濟寧二號煤礦、安居煤礦、唐口煤礦、運河煤礦、岱莊煤礦、許廠煤礦等6座煤礦。根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性評價報告,內(nèi)環(huán)快速路實施范圍內(nèi)采空區(qū)場地穩(wěn)定性為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定[4](見圖10)。
圖10 內(nèi)環(huán)快速路沿線采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價分區(qū)圖
采空區(qū)采取以下設(shè)計策略:
(1)對于穩(wěn)定路段:采用簡支結(jié)構(gòu)橋梁通過,并設(shè)置防落梁構(gòu)造。
(2)對于基本穩(wěn)定路段:優(yōu)先采用路基形式,并對路基進行加固,采取柔性路面設(shè)計;必須以橋梁方式通過時,延遲修建計劃。
(3)采空區(qū)路段快速路建成后,設(shè)立移動變形觀測站,并進行定期觀測,發(fā)現(xiàn)問題及時處理。
該項目于2019年3月起陸續(xù)開工,經(jīng)過21個月的建設(shè),于2020年12月建成通車。4條快速路累計通車?yán)锍?1 km,含互通立交4座,出入口匝道26對,跨京杭大運河、古運河、洸府河、新兗鐵路橋等重要橋梁10座,極大優(yōu)化了主城區(qū)的快速立體交通體系,拉動了主城區(qū)各板塊融合發(fā)展,構(gòu)筑了“高快一體化”交通格局,成為建設(shè)淮海經(jīng)濟區(qū)中心城市的重大基礎(chǔ)設(shè)施引擎,標(biāo)志著濟寧市邁入了立體交通新時代。
在規(guī)劃和設(shè)計階段,以可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo),橋梁工程總體設(shè)計對橋梁全壽命周期的設(shè)計、施工、運營、養(yǎng)護、維修、拆除進行全面考慮,盡最大可能降低對城市交通和環(huán)境的不利影響[5]。工程建設(shè)期間,橋梁全預(yù)制拼裝技術(shù)的成功運用收到了良好社會效果。希望該項目的設(shè)計和工程實踐能為國內(nèi)城市橋梁的高質(zhì)量建設(shè)提供參考和借鑒。