王文濤

中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 四川 成都 610000

橋型的選擇不僅對局部節(jié)點本身的經(jīng)濟性、美觀性、施工方案產(chǎn)生影響，而且間接影響到整個工程的造價、施工周期以及城市景觀的要求。選用合理的結(jié)構(gòu)型式對全線景觀效果、降低整體工程造價、提高施工速度及便捷性、減少對既有地面交通以及其他控制性構(gòu)筑物的干擾等有著重要意義。因此西安二環(huán)路上跨隴海鐵路大橋受二環(huán)路主線位置的制約，橋位選擇空間不大，本項目的關(guān)鍵點在于橋型方案的選擇以及轉(zhuǎn)體施工上[1]。

1 工程概況

東二環(huán)主線高架上跨隴海鐵路大橋節(jié)點位于長纓東路與含元路之間，現(xiàn)狀為下穿西安東站的金花隧道，原有東二環(huán)四車道主線與四車道輔道共用六車道的下穿隧道，因此該處長期成為東二環(huán)的通行瓶頸。現(xiàn)計劃將拓寬為雙向六車道后的東二環(huán)主線與輔道分離，新建一座跨西安東站的大跨徑橋梁作為東二環(huán)主線，既有下穿隧道作為輔道。

2 建設(shè)條件分析

2.1 地形地貌

大橋擬建場地地勢平坦，鐵路北地段地面標高介于4 0 3.6 7～4 0 5.5 9 m 之間，鐵路南地段地面標高介于4 0 6.32～4 07.74m之間。西安東站內(nèi)股道軌面標高介于406.339～407.347m之間?？傮w地形較平坦，西安東站兩側(cè)標高相差不大，地形條件較好。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘探揭露，場地地層自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)人工填筑土 (Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖洪積黏質(zhì)黃土(Q4alpl)、第四系晚更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q32eol)、第四系晚更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土(Q31eol)、第四系晚更新統(tǒng)殘積古土壤(Q3el)、第四系晚更新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土(Q3al)。

場區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計地震加速度為0.20g。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)之附錄B，場區(qū)地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

根據(jù)《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計規(guī)程》(DBJ24-6-88)的規(guī)定，擬建工程不受f3地裂縫的影響。此外，未發(fā)現(xiàn)其它不良地質(zhì)現(xiàn)象。

綜上，橋位處工程地質(zhì)狀況一般，抗震設(shè)計以及超長樁基是后續(xù)設(shè)計的重點。

2.3 主要交叉構(gòu)造物

東二環(huán)上跨隴海鐵路大橋與多處既有構(gòu)造物交叉，包括隴海鐵路上、下行正線、車輛整備所、華清東路高架橋及西安地鐵三號線等，其下方場地條件復(fù)雜，鐵路管線和設(shè)施眾多。因此，跨越隴海鐵路干線宜盡量考慮工期短，對鐵路運營干擾小的施工方案[2]?？缭杰囕v整備所由于股道多，且該部分股道主要是用于客車進出檢修之用，可考慮搭設(shè)防護棚的施工方案。

3 橋位選擇

3.1 橋位選擇原則及控制

⑴符合道路功能和路線總體走向的要求。

⑵橋位區(qū)無影響橋梁建設(shè)的地質(zhì)病害或地質(zhì)病害較少。

⑶橋位地形地質(zhì)條件有利于墩臺布設(shè)，并降低橋梁規(guī)模。

⑷本橋的橋位方案與兩側(cè)接線工程方案緊密關(guān)聯(lián)，需要兩側(cè)互通立交的接線的工程方案進行綜合研究。

3.2 主要制約因素

根據(jù)前文中描述的地形、地質(zhì)條件，本項目橋位可選空間有限，主要制約因素有：

圖2 橋位平面示意圖（圖片來源：作者自繪）

(1)金花隧道：金花隧道作為地面輔道保留其使用功能，因此橋位只能布置在金花隧道兩側(cè)。

(2)地鐵三號線：目前已經(jīng)在通車運營，橋梁下部樁基外側(cè)應(yīng)盡量保持安全距離，避免施工擾動影響地鐵運營安全。

(3)西安高架快速干道立交：北側(cè)與西安高架快速干道交叉，設(shè)置互通式立交。立交匝道的布置影響主線的走向，目前匝道出入口加寬段已進入主橋范圍。

(4)樓房建筑：橋位處的西南象限、東南象限、東北象限均存在高層建筑，因此線位的布置只能利用既有華清路立交環(huán)形匝道內(nèi)的空間。

(5)鐵路設(shè)施：主要包括位于兩側(cè)的隴海鐵路上、下行正線、機走線以及車輛整備所的21條整備股道。

3.3 橋位選擇結(jié)論

依據(jù)以上制約因素，橋位選定東線方案和西線方案。其中西線方案受地鐵三號線影響，主橋跨度需設(shè)置在320m以上。東線方案南側(cè)利用華清路高架與隴海鐵路正線之間的空間設(shè)置橋墩，北側(cè)不受控制，主橋跨徑在270m。無論是采用轉(zhuǎn)體施工還是頂推施工，隨著跨徑的增加，施工難度幾何性增加。因此經(jīng)過綜合比選，僅選取東線方案開展橋型方案研究[3]。

4 橋型選擇

4.1 橋型方案設(shè)計原則

根據(jù)本項目工程特點，在橋梁設(shè)計過程中除認真執(zhí)行“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟、美觀”的技術(shù)方針外，還應(yīng)遵守以下原則：

⑴因地制宜，統(tǒng)籌兼顧，走可持續(xù)發(fā)展道路。

⑵重視結(jié)構(gòu)耐久性，可到達，可檢查、可養(yǎng)護、可維修、可更換。

⑶充分利成熟技術(shù)，推動橋梁技術(shù)進步。

⑷注重景觀，將橋梁結(jié)構(gòu)與城市環(huán)境景觀融合。

⑸重視環(huán)保、節(jié)約，創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程。

4.2 跨徑選擇

一般來說，鐵路范圍內(nèi)用地均有規(guī)劃需求，相關(guān)鐵路設(shè)施遷改困難。鐵路內(nèi)設(shè)置永久性橋墩條件困難，且施工場地如在鐵路內(nèi)部，施工設(shè)備進場和施工材料運輸?shù)碾y度也很大，因此采用主跨一跨跨越隴海鐵路干線和車輛整備所的橋型方案應(yīng)更為適宜。

圖3 跨徑選擇示意圖（單位：m）

考慮主墩基坑施工安全的要求，東二環(huán)上跨隴海鐵路大橋主橋一跨跨越隴海鐵路和車輛整備所的跨度約為270m左右。此時南側(cè)華清路高架橋與隴海鐵路下行線之間的空間恰好可以用用作轉(zhuǎn)體施工之前的現(xiàn)澆施工場地。

邊跨跨徑的選擇主要是利用南側(cè)環(huán)形匝道內(nèi)的空間設(shè)置輔助墩、交界墩，邊跨跨徑108m，邊中跨比0.4。北側(cè)考慮與南側(cè)邊跨對稱布置，最終選定（108+270+180）m的跨徑組合。

4.3 橋型方案

適合此跨徑的橋梁形式有矮塔斜拉橋、斜拉橋、下承式系桿拱橋以及懸索橋。若采用常規(guī)懸索橋方案需設(shè)置重力式錨碇，錨碇設(shè)置困難，影響城市景觀且不經(jīng)濟；270m主跨的自錨式懸索橋跨徑較大，設(shè)計和實施難度很大，同時由于自錨式懸索橋需先梁后索，主梁施工對鐵路干擾大，因此首先將其排除。矮塔斜拉橋由于結(jié)構(gòu)高度太高（經(jīng)估算270m跨度的矮塔斜拉橋根部梁高將達到8m左右），路線縱坡難以滿足要求橋下凈空要求，因此也不再考慮。下承式系桿拱橋也是跨越鐵路是常用的橋型選擇，不過采用鐵路部門允許的轉(zhuǎn)體施工無足夠的施工空間，鐵路場站內(nèi)無法搭設(shè)臨時支承墩又否定了頂推施工方案。因此本項目考慮施工方案也不再對拱橋進行研究[4]。

斜拉橋主跨梁體結(jié)構(gòu)高度較低，能夠滿足橋下凈空要求，同時，施工上可考慮采用轉(zhuǎn)體或頂推施工，對鐵路的影響相對較小，方案具有可實施性，因此對（108+270+108）m跨徑組合的雙索面斜拉橋和單索面斜拉橋方案進行進一步的重點比較和分析。

5 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 方案一：雙塔三跨雙索面混凝土斜拉橋方案

5.1.1 總體布置

由于東二環(huán)跨越鐵路橋梁主橋主跨能夠一跨跨越隴海鐵路及車輛整備所，采用混凝土梁后期維護保養(yǎng)工作少，對運營鐵路干擾少，并且邊跨經(jīng)過配重能以經(jīng)濟跨徑跨越地方市政道路及地鐵，因此經(jīng)過分析比選后推薦采用（108+270+108）m的雙塔三跨雙索面斜拉橋方案。南側(cè)邊跨跨徑組合為（40+68）m，北側(cè)邊跨跨徑組合為（68+40）m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，索塔采用寶石型索塔，橋墩采用矩形實心墩，群樁基礎(chǔ)。

圖4 方案一斜拉橋橋型總體布置（單位：m）

該橋型方案氣勢宏偉，結(jié)構(gòu)造型獨特，既較好地適應(yīng)了路線平面線形和結(jié)構(gòu)受力的需要，又體現(xiàn)了變化的美學(xué)韻律，主塔造型美觀新穎.本方案城市景觀效果較好，能夠體現(xiàn)結(jié)構(gòu)造型與周邊環(huán)境融合的結(jié)合美，建成后必將成為該地的標志性建筑之一[5]。

5.1.2 結(jié)構(gòu)體系

本方案采用半飄浮體系，索塔處設(shè)豎向支座及橫向抗風(fēng)支座，主梁縱向漂??；輔助墩和過渡墩處設(shè)一個單向活動支座和一個雙向活動支座，橫向設(shè)擋塊；索塔和主梁交界位置全橋設(shè)置八套粘滯阻尼器。

5.1.3 主梁設(shè)計

考慮到橋梁下方有電氣化鐵路接觸網(wǎng)，主橋結(jié)構(gòu)宜采用混凝土而非鋼梁，以減少對鐵路的干擾和影響。1995年Svensson曾對200～1000m跨徑斜拉橋選用不同材料主梁的經(jīng)濟性作過研究，認為跨徑在200～400m時，采用混凝土主梁是最經(jīng)濟的。因此本橋從涉鐵需求和經(jīng)濟性上考慮，主梁選用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

適合雙索面斜拉橋的混凝土主梁的主要結(jié)構(gòu)形式有實體式板梁、π型梁、雙邊箱梁以及P-K梁等。實體式板梁、π型梁無論是構(gòu)造還是施工，都是比較簡單，但適用條件比較受限，如實體式板梁一般適用于橋?qū)挷淮蟮那闆r。因此綜合考慮本橋的寬度、結(jié)構(gòu)需求、施工、景觀等因素后，選擇采用了分離式的雙邊箱梁截面作為主梁的結(jié)構(gòu)形式。雙邊箱梁具有抗扭、抗彎剛度大，能適應(yīng)多種斜拉索布置形式以及施工方式的特點。設(shè)計橋面全寬36.5m，梁高3.0m，具體截面如圖5所示。

圖5 方案一主梁跨中斷面圖（單位：cm）

5.1.4 索塔及基礎(chǔ)

圖6 方案一索塔構(gòu)造圖（單位：cm）

雖然斜拉索的直線線形與基本等高、纖細的梁體形成的結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了斜拉橋的結(jié)構(gòu)美感，但索塔結(jié)構(gòu)形式的選擇才是斜拉橋景觀設(shè)計的重中之重，在美學(xué)上起到?jīng)Q定性的作用。本橋索塔選擇了變形的寶石型塔，考慮盡量減小轉(zhuǎn)體施工上轉(zhuǎn)盤的尺寸，將雙肢塔墩盡量收窄。正面看如同漢語的“合”字，其成為2021“一帶一路”年度候選漢字，正寓意西安市作為古絲綢之路的起點和“一帶一路”的重要節(jié)點城市的地位。

橋面以上塔高70m，塔墩高15m，采用矩形空心結(jié)構(gòu)。主墩承臺合修，主墩每個承臺下接18根直徑φ2.5m的鉆孔灌注樁。

5.1.5 斜拉索

斜拉索采用空間索面扇形布置，全橋共有84對斜拉索。中跨標準段拉索縱向間距6m，邊跨索距結(jié)合其跨度適當調(diào)整。

斜拉索目前主要有兩種類型，即平行鋼絲束和平行鋼絞線斜拉索，鋼絞線斜拉索較平行高強鋼絲斜拉索強度高，能減少斜拉索用量，自重輕，垂度小，可提高斜拉索剛度，鋼絞線斜拉索安裝簡單、易于操作。但是鋼絞線斜拉索直徑較同等面積的平行鋼絲束斜拉索略粗，截面面積略大，斜拉索所受靜風(fēng)荷載相對較大。綜合考慮，本方案擬采用平行鋼絲斜拉索。

梁上錨固形式采用混凝土錨固塊，塔上錨固形式采用鋼錨梁。

5.2 方案二：雙塔三跨單索面混凝土斜拉橋方案

東二環(huán)上跨隴海鐵路大橋方案二采用了跨徑270m的雙塔三跨對稱單索面混凝土斜拉橋方案（邊跨采用壓重與中跨荷載平衡）。南側(cè)邊跨跨徑組合為（40+68）m，北側(cè)邊跨跨徑組合為（68+40）m。

方案二采用半飄浮體系，塔梁固結(jié)，設(shè)置豎向支座與主墩相連。主梁縱向漂浮；輔助墩和過渡墩處設(shè)一個單向活動支座和一個雙向活動支座，橫向設(shè)擋塊。

設(shè)計橋面全寬為37m，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用單箱五室斜腹板結(jié)構(gòu)形式，根部梁高6m，跨中梁高3.5m。主橋墩為矩形花瓶狀，主塔為實心H型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主墩每個承臺下接18根直徑φ2.5m的鉆孔灌注樁。橋面以上塔高70m，中跨標準段拉索縱向間距8m。

圖7 方案二主梁跨中斷面圖（單位：cm）

該橋型方案氣勢宏偉，結(jié)構(gòu)造型獨特，正面看如同寶劍刺入蒼穹，氣勢恢弘。

6 施工方案

6.1 基礎(chǔ)施工

由于承臺開挖斷面靠近既有鐵路邊緣，基礎(chǔ)施工期間對既有鐵路有一定的影響。承臺開挖期間可采取一下防護措施：對主墩承臺基坑靠鐵路側(cè)四壁，采取鉆孔灌注樁加水平撐桿的支護形式，樁和樁之間采用網(wǎng)噴防護。同時施工期間對基坑靠鐵路側(cè)進行系統(tǒng)監(jiān)測，觀察支護樁頂水平位移、樁身側(cè)向變形、地下水位等，并根據(jù)實際觀察情況采取臨時應(yīng)急措施[6]。

6.2 施工防護棚

施工期間需對涉及到的鐵路設(shè)施搭設(shè)防護棚，確保鐵路設(shè)施的絕對安全。防護棚由跨越隴海鐵路正線、車輛整備棚以及轉(zhuǎn)提前順隴海鐵路方向搭設(shè)的兩道防護棚共四個部分組成。

6.3 主梁施工

經(jīng)過與鐵路主管部門溝通，跨越隴海鐵路正線需要采用頂推或轉(zhuǎn)體施工，跨越整備線可采用掛啦施工，因此主梁施工采用“轉(zhuǎn)體施工+懸臂掛籃”相結(jié)合的方式，即主橋跨越隴海鐵路部分梁部采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體完成后跨越車輛整備所以及合龍部分采用全封閉掛籃施工，轉(zhuǎn)體長度48m+48m，方案一轉(zhuǎn)體重量約為15000t，方案二轉(zhuǎn)體重量約14000t，轉(zhuǎn)體角度均為逆時針旋轉(zhuǎn)68°。邊跨剩余主梁采用支架現(xiàn)澆施工。

圖8 橋梁施工方式及轉(zhuǎn)體示意圖

7 結(jié)束語

對于城市道路建設(shè)中涉及到鐵路的橋梁方案設(shè)計，涉鐵施工的可行性以及與城市建設(shè)景觀協(xié)調(diào)一致是兩個重點。本文通過分析相應(yīng)的建設(shè)條件，提出了兩個切實可行的方案，并針對方案各部位結(jié)構(gòu)形式的選擇提出了設(shè)計原則，可為其他類似項目提供參考。