王勇 賀英閣 姜海君 種博肖 廖凱 郭向榮

1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 橋梁設(shè)計(jì)院， 北京 102600； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410083

市域（郊）鐵路是一種新型軌道交通系統(tǒng)，國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于推動(dòng)都市圈市域（郊）鐵路加快發(fā)展的意見(jiàn)》（國(guó)辦函〔2020〕116號(hào)）明確鼓勵(lì)有條件的地區(qū)建設(shè)市域（郊）鐵路，市域（郊）鐵路發(fā)展前景廣闊。

TB 10624—2020《市域（郊）鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］于2021年初實(shí)施，該類交通系統(tǒng)的建設(shè)尚處于起步階段，已建或在建項(xiàng)目多為一事一議，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化低。該類型鐵路多走行于城市及郊區(qū)，橋梁占比大，為推動(dòng)其標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，有必要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橋梁進(jìn)行研究［2］。

本文以蘇虞張市域（郊）鐵路（簡(jiǎn)稱蘇虞張線）為例，通過(guò)工程類比、分項(xiàng)詳細(xì)分析等方法對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)橋梁跨徑、橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行研究，旨在提出更加經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、景觀協(xié)調(diào)的橋梁方案。

1 工程背景

蘇虞張線為待建鐵路，于2023年10月取得可行性研究批復(fù)，目前正在開(kāi)展初步設(shè)計(jì)。該線自蘇州北站引出，蜿蜒向北西方向經(jīng)常熟至張家港，終點(diǎn)止于金港鎮(zhèn)，線路全長(zhǎng)89.3 km，全線設(shè)6座橋梁，總長(zhǎng)57.97 km；設(shè)12座地下站、1座島式高架站和9座側(cè)式高架站。該線可以推動(dòng)蘇州市域一體化發(fā)展，落實(shí)長(zhǎng)三角多層次軌道交通規(guī)劃、構(gòu)建高效的綜合交通體系［3］。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：雙線時(shí)速160 km無(wú)砟軌道；最大縱坡25‰、困難條件30‰；平面曲線半徑1 400 m、困難條件1 300 m；采用ZS設(shè)計(jì)活載。

沿線為太湖水網(wǎng)平原，地勢(shì)平坦，水系與道路交織成網(wǎng)，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，人口稠密。工程場(chǎng)址地表被第四系地層覆蓋，主要為人工填土、黏性土、淤泥質(zhì)土、粉砂土；基本地震動(dòng)峰值加速度0.05g～0.10g，特征周期0.35～0.40 s。

2 結(jié)構(gòu)體系選擇

軌道交通及市域（郊）鐵路高架橋，主要采用簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)梁式體系［4］。對(duì)溫州S1和S2線、臺(tái)州S1線、鄭許市域鐵路等國(guó)內(nèi)46個(gè)軌道交通及市域（郊）鐵路項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)采用簡(jiǎn)支梁體系的項(xiàng)目有33個(gè)，占比71.7%；連續(xù)梁體系10個(gè)，占比21.7%；余下3個(gè)項(xiàng)目均為廣州地鐵，采用了連續(xù)剛構(gòu)體系［5］，占比僅6.5%。不同體系橋梁綜合對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)體系綜合對(duì)比

標(biāo)準(zhǔn)橋跨的跨度不宜過(guò)大，剛度大、整體性好的連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)在小跨結(jié)構(gòu)中優(yōu)勢(shì)不明顯。與之相比，簡(jiǎn)支梁體系受力明確、工程造價(jià)低、施工周期短且簡(jiǎn)潔美觀。結(jié)合該線地質(zhì)條件差、沿線城鎮(zhèn)化程度高、施工工期緊等特點(diǎn)，推薦簡(jiǎn)支梁體系作為該線標(biāo)準(zhǔn)段橋梁結(jié)構(gòu)體系。

3 上部結(jié)構(gòu)

3.1 梁型

市域（郊）鐵路橋梁常用跨度簡(jiǎn)支梁可選用箱梁、T梁、Π梁、板梁、U形梁、組合梁等結(jié)構(gòu)形式［1］。

1）已建及在建項(xiàng)目梁型統(tǒng)計(jì)分析

調(diào)研的46個(gè)項(xiàng)目顯示：采用單箱單室大箱梁的項(xiàng)目有33個(gè)，占比71.7%；單線并置組合U形梁8個(gè)，占比17.4%；組合小箱梁4個(gè)，占比8.7%；I型組合梁1個(gè)，占比2.2%；T梁未見(jiàn)采用。

2）不同梁型經(jīng)濟(jì)性分析

以常用跨度30 m為例，對(duì)不同梁型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，見(jiàn)表2?？芍姆N梁型中T梁造價(jià)最低，其他依次為大箱梁、組合小箱梁和U形梁。

表2 跨度30 m不同梁型經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3）梁型綜合比選

梁型除應(yīng)滿足使用功能和受力需要外，還應(yīng)力求經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔美觀并方便施工。不同梁型綜合對(duì)比見(jiàn)表3。

綜合調(diào)研結(jié)果和表3可知：國(guó)內(nèi)尚未有類似項(xiàng)目采用T梁，兼之其橫向連接薄弱、整體剛度差，與城市景觀的協(xié)調(diào)性差，盡管其投資少，本項(xiàng)目不采用該梁型；U形梁除結(jié)構(gòu)高度低、可少量降低橋高外，并非理想的受力結(jié)構(gòu)，且國(guó)內(nèi)較少應(yīng)用，因此，該線亦不采用該梁型；組合小箱梁與大箱梁優(yōu)缺點(diǎn)相當(dāng)，除投資較高、橋墩墩頂橫向尺寸較大外，對(duì)線間距的適應(yīng)性較好，尤其適用于島式車站較多的項(xiàng)目，但蘇虞張線90%以上的高架站為側(cè)式站，站內(nèi)雙線線間距與區(qū)間一致，因此，本項(xiàng)目亦不采用該梁型；大箱梁整體性好，施工工序少，施工速度快，橋墩頂帽尺寸小，我國(guó)高速鐵路、大部分城市軌道交通和市域（郊）鐵路橋梁均采用雙線大箱梁，大量案例證明了雙線大箱梁較其他梁型優(yōu)勢(shì)大，因此，該線優(yōu)先采用雙線大箱梁。

3.2 跨徑比選

1）不同交通制式的習(xí)慣性跨徑

國(guó)鐵制式橋梁常用跨度為4、8 m的倍數(shù)，如24、32 m；公路、市政和城市軌道交通制式的常用跨徑為5 m的倍數(shù)，如25、30、35 m。蘇虞張線為市域（郊）鐵路，市域規(guī)范的部分技術(shù)指標(biāo)以16、24、32 m為基準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)橋跨參考國(guó)鐵制式有一定的合理性。該線的建設(shè)和運(yùn)管單位均為地方軌交集團(tuán)，項(xiàng)目建設(shè)和運(yùn)維仍需按城軌項(xiàng)目的習(xí)慣執(zhí)行。因此，蘇虞張線的標(biāo)準(zhǔn)梁跨徑采用5 m的倍數(shù)。

2）行業(yè)常用跨徑統(tǒng)計(jì)分析

調(diào)研的46個(gè)項(xiàng)目中，跨徑25、30、35、40 m的項(xiàng)目分別有8個(gè)、31個(gè)、4個(gè)和3個(gè)，占比分別為17.4%、67.4%、8.7%和6.5%。25 m梁主要在2006年以前采用，后續(xù)項(xiàng)目多采用30 m梁；近年來(lái)，無(wú)錫、臺(tái)州、溫州等深厚軟土和低烈度地震區(qū)采用35 m梁；廣州地鐵的連續(xù)剛構(gòu)橋采用40 m梁，其他項(xiàng)目未見(jiàn)采用。

3）經(jīng)濟(jì)性分析

選取該線平均墩高10 m的橋梁工點(diǎn)，分別對(duì)跨徑30、35、40 m的方案進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表4。可知，橋梁投資隨跨徑增加而遞減。以35 m梁為基準(zhǔn)，30 m梁造價(jià)高出4.29%，40 m梁低1.14%。

表4 平均墩高10 m時(shí)不同跨徑橋梁經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4）對(duì)預(yù)制架設(shè)法的適應(yīng)性分析

除較短的泗港特大橋（橋長(zhǎng)650 m）外，蘇虞張線設(shè)5座較長(zhǎng)特大橋，其余為地下區(qū)間，除常熟市區(qū)段外，其余各區(qū)段的簡(jiǎn)支橋孔數(shù)均超過(guò)250孔，具備設(shè)置梁場(chǎng)的條件，采用梁場(chǎng)預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)施工。

通過(guò)調(diào)研可知，國(guó)內(nèi)各運(yùn)架設(shè)備廠商均具備制造35 m梁運(yùn)架設(shè)備或?qū)F(xiàn)有30 m梁設(shè)備改造為35 m梁設(shè)備的能力；對(duì)于城市軌道交通或市域（郊）鐵路40 m梁，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的運(yùn)架梁設(shè)備，需要重新研制。

5）景觀分析

當(dāng)城市橋梁墩高與跨度比例在1∶2.4 ～ 1∶4.0時(shí)［6］，橋梁景觀較好，符合人們的視覺(jué)審美習(xí)慣。橋梁跨徑為20 ～ 35 m在合理美學(xué)范圍。

蘇虞張線位于太湖水網(wǎng)平原區(qū)，沿線軟土深厚，且全線地震烈度較低，應(yīng)優(yōu)先采用跨徑大的橋梁；從經(jīng)濟(jì)性而言，跨徑越大經(jīng)濟(jì)性越優(yōu)，40 m梁具有優(yōu)勢(shì)，但其難以適應(yīng)現(xiàn)有預(yù)制架設(shè)設(shè)備，可實(shí)施性較差；從景觀方面考慮，40 m梁跨徑偏大，不能給人美的視感。

綜上，35 m梁的經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)預(yù)制架設(shè)工法的適應(yīng)性和景觀效果均較好，因此，推薦35 m作為蘇虞張線橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑。

3.3 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）橋面布置

蘇虞張線采用城市軌道交通制式，橋上疏散通道設(shè)于線間，橋兩側(cè)設(shè)接觸網(wǎng)立柱和防護(hù)墻。線間疏散通道寬1.2 m，綜合考慮限界要求雙線線間距取4.6 m，梁頂寬11 m，見(jiàn)圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)雙線橋橋面布置（單位：mm）

2）結(jié)構(gòu)尺寸擬定思路

①梁高。根據(jù)現(xiàn)行城市軌道交通橋梁高、跨度增幅和梁高加高值的關(guān)系綜合擬定?，F(xiàn)行城軌30 m梁高1.8 m，因市域（郊）鐵路活載增加，該線暫定30 m梁高1.85 m。高速鐵路橋梁跨度每增加8 m梁高增加0.4 m；公路小箱梁跨度每增加5 m梁高增加0.2 m，綜合兩種梁的變化趨勢(shì)，蘇虞張線按跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m。35 m梁梁高初步取2.05 m，并分別采用2.00、2.10 m進(jìn)行比選。

②腹板預(yù)應(yīng)力鋼束。采用大型號(hào)單排鋼束，除梁端局部區(qū)域外，腹板厚度360 mm［7］。

3）力學(xué)性能分析及梁高比選結(jié)果

雙線35 m梁不同梁高時(shí)的梁部應(yīng)力、強(qiáng)度和變形結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6?？芍?，三種梁高的35 m簡(jiǎn)支梁，強(qiáng)度、應(yīng)力及變形結(jié)果均滿足規(guī)范［8］要求，且梁高越高，各指標(biāo)越富余。

表5 35 m梁不同梁高梁部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表6 35 m梁不同梁高時(shí)梁部強(qiáng)度、抗裂和變形計(jì)算結(jié)果

不同梁高時(shí)的梁部主要尺寸和工程數(shù)量對(duì)比見(jiàn)表7?？芍?，梁高越高，預(yù)應(yīng)力筋用量越?。?.05 m梁高混凝土用量最小。經(jīng)綜合比較，35 m簡(jiǎn)支箱梁梁高推薦取2.05 m。

表7 35 m梁不同梁高梁部主要結(jié)構(gòu)尺寸及工程數(shù)量

4）結(jié)構(gòu)構(gòu)造

根據(jù)前述研究分析，蘇虞張線雙線標(biāo)準(zhǔn)跨徑35 m梁梁高2.05 m，頂板厚250 ～ 500 mm，底板厚280 ～700 mm，腹板厚360 ～ 950 mm，梁頂、底和腹板厚度均按折線變化，見(jiàn)圖2。

圖2 35 m箱梁截面（單位：mm）

4 下部結(jié)構(gòu)

4.1 墩型選擇

軌道交通和鐵路大線橋梁墩型主要有矩形花瓶墩、中空式花瓶墩、圓端形花瓶墩、T形墩和雙柱墩［9］，其中，圓端形墩主要應(yīng)用于鐵路大線橋梁，城市軌道交通或市域（郊）鐵路橋應(yīng)用較少。與其余墩型相比，矩形花瓶墩造型簡(jiǎn)潔，模板簡(jiǎn)單，施工方便；與雙柱墩相比，矩形花瓶墩占地少，且與道路斜交時(shí)處理更為簡(jiǎn)單。因此，推薦蘇虞張線采用矩形花瓶墩。

4.2 橋墩設(shè)計(jì)

1）部分已建和在建項(xiàng)目墩身尺寸

統(tǒng)計(jì)溫州S1線、滁寧城際鐵路等6個(gè)項(xiàng)目的最高橋墩尺寸，見(jiàn)表8?？芍?，墩身縱橫向坡率大多采用直坡，尺寸均按墩高分級(jí)，一般分為3 ～ 11 m、11 ～ 14 m、14 ～ 20 m三檔，各檔最高墩墩底縱向尺寸分別約1.8、2.0、2.6 m，橫向尺寸分別為2.9、3.1、3.5 m。

表8 墩身尺寸m

2）橋墩設(shè)計(jì)控制因素

橋墩尺寸主要受墩頂構(gòu)造、材料強(qiáng)度和墩頂綜合線剛度控制，且往往由剛度控制墩身縱向尺寸［10］。已建項(xiàng)目的橋墩剛度均執(zhí)行城市軌道交通橋梁的要求，而市域規(guī)范與其他國(guó)鐵大線、城市軌道交通規(guī)范有較大區(qū)別，市域（郊）鐵路、城際鐵路、城市軌道交通、客貨共線鐵路、重載鐵路對(duì)應(yīng)的橋墩墩頂縱向水平線剛度限值，分別為190、265、320、350、400 kN/cm。由此可知，不同軌道交通系統(tǒng)對(duì)墩頂剛度限值的要求差別較大，市域鐵路最小，重載鐵路最大。與城際鐵路、城市軌道交通、客貨共線鐵路和重載鐵路相比，市域鐵路剛度限值分別小28.3%、40.6%、45.7%和52.5%，剛度限值降低，理論上墩身尺寸存在一定的優(yōu)化空間。

3）橋墩尺寸

根據(jù)蘇虞張線墩高和沿線地質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合基礎(chǔ)對(duì)墩身尺寸進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比選，最終確定三檔墩高，分別為3 ～ 10 m、10.5 ～ 13.0 m、13.5 ～ 20.0 m。不考慮基礎(chǔ)作用時(shí)，各檔墩最高墩的墩頂縱向水平線剛度分別為461、506、465 kN/cm。墩身構(gòu)造尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 墩身構(gòu)造尺寸（單位：cm）

4）動(dòng)力性能

選用平均墩高10 m（墩高范圍5 ～ 18 m）、38孔35 m簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力仿真分析。38孔梁中，4跨位于半徑為750 m的圓曲線上，8跨位于緩和曲線上，其余均位于直線段。主要?jiǎng)恿Ψ治鼋Y(jié)果見(jiàn)表9。

表9 35 m梁橋主要?jiǎng)恿Ψ治鼋Y(jié)果

35 m簡(jiǎn)支梁橋墩梁縱漂、主梁橫彎和主梁豎彎對(duì)應(yīng)的最小自振頻率分別為0.930、1.757、2.767 Hz，豎向自振頻率小于限值2.934 Hz［11］；列車通過(guò)時(shí)的最大動(dòng)力系數(shù)為1.3，未出現(xiàn)明顯共振現(xiàn)象；市域（郊）鐵路CRH6型車以速度120 ～ 160 km/h通過(guò)時(shí)，橋梁的振動(dòng)性能均在限值以內(nèi)，車輛各項(xiàng)安全性、舒適性指標(biāo)亦均在限值以內(nèi)，說(shuō)明列車運(yùn)行的安全性、舒適性得到保障。35 m簡(jiǎn)支梁及配套橋墩具有足夠的豎向和橫向剛度，能夠滿足市域（郊）列車CRH6以速度120 ～160 km/h運(yùn)行時(shí)的安全性和舒適性要求。

4.3 基礎(chǔ)方案

1）常用樁基類型及優(yōu)缺點(diǎn)

蘇虞張線橋梁均采用樁基礎(chǔ)。公路、市政、軌道交通橋梁及常規(guī)鐵路橋梁可選用的樁基主要有鉆孔灌注樁、打入預(yù)應(yīng)力管樁（簡(jiǎn)稱打入樁）、預(yù)鉆根植樁、后壓漿鉆孔灌注樁等。不同類型樁基綜合對(duì)比見(jiàn)表10?？芍?，鉆孔灌注樁工藝簡(jiǎn)單、成熟，施工質(zhì)量、成樁承載力可靠，應(yīng)用最廣；打入樁為裝配式結(jié)構(gòu)，無(wú)泥漿，基本無(wú)現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土作業(yè)，節(jié)能環(huán)保，符合當(dāng)今建筑潮流及政策鼓勵(lì)方向，主要受地質(zhì)及周邊場(chǎng)址環(huán)境約束，有條件時(shí)推薦應(yīng)用；預(yù)鉆根植樁為一種新型樁基形式［12］，為裝配式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)現(xiàn)澆混凝土作業(yè)，僅需處置沉樁所擠出的少量泥漿，比較節(jié)能環(huán)保，目前雖有建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)及鐵道學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鮮有鐵路橋梁應(yīng)用案例，應(yīng)慎重使用；后壓漿鉆孔灌注樁［13］與常規(guī)鉆孔樁相似，由于樁底、樁側(cè)土體注漿加固，樁長(zhǎng)變短，經(jīng)濟(jì)效益明顯，目前有公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及鐵道學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，但沒(méi)有鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，僅有個(gè)別鐵路橋梁墩臺(tái)試驗(yàn)性應(yīng)用，亦應(yīng)慎重使用。

表10 不同類型樁基綜合對(duì)比

2）不同類型樁基經(jīng)濟(jì)性比選

以長(zhǎng)1 400 m、墩高10 m、跨徑35 m的梁橋?yàn)槔?，不同類型樁基?jīng)濟(jì)性比選見(jiàn)表11?？芍?，與常規(guī)鉆孔樁相比，打入樁最經(jīng)濟(jì)，節(jié)約投資19.2%；兩種新型樁基（后壓漿樁、根植樁）也具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，節(jié)約投資分別為7.6%、2.8%，但不明顯。

表11 不同類型樁基經(jīng)濟(jì)性比選

蘇虞張線走行地區(qū)多為黏土、粉砂類土，沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，城市、村鎮(zhèn)密布，既有構(gòu)（建）筑物多，綜合不同樁基特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)分析，該線原則上仍以常規(guī)鉆孔灌注樁為主。當(dāng)橋梁位于農(nóng)田、水塘等遠(yuǎn)離周邊既有構(gòu)筑物的區(qū)段時(shí)，選用打入樁；對(duì)于后壓漿樁、根植樁，有條件時(shí)可少量試驗(yàn)性應(yīng)用。

5 結(jié)論

1）蘇虞張線標(biāo)準(zhǔn)橋梁宜采用梁場(chǎng)整孔預(yù)制、架橋機(jī)架設(shè)施工的35 m跨徑雙線簡(jiǎn)支大箱梁。

2）市域（郊）鐵路橋梁的優(yōu)選跨徑需結(jié)合行業(yè)習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)性、對(duì)預(yù)制架設(shè)工法的適應(yīng)性和景觀等因素綜合確定，當(dāng)其產(chǎn)權(quán)或運(yùn)維歸屬城市軌道交通模式時(shí)，跨徑35 m為最優(yōu)跨徑。

3）當(dāng)35 m梁的腹板采用單排大型號(hào)預(yù)應(yīng)力鋼束和大噸位錨具時(shí)，其結(jié)構(gòu)尺寸較優(yōu)。

4）橋墩設(shè)計(jì)采用了最新市域（郊）鐵路規(guī)范的要求，墩頂綜合線剛度降低較多，墩身縱向尺寸優(yōu)化明顯，高度10 m及以下橋墩，墩身縱向可取1.2 m，橋梁動(dòng)力性能滿足要求，結(jié)構(gòu)更加輕盈，投資也更低。

5）打入樁是最經(jīng)濟(jì)的樁基形式，但因振動(dòng)問(wèn)題而受限；預(yù)鉆根植樁和后壓漿樁實(shí)質(zhì)均為壓漿樁，雖然在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但壓漿質(zhì)量目前尚難以檢測(cè)或缺乏有效的判據(jù)，該樁型可以少量試驗(yàn)應(yīng)用；常規(guī)鉆孔灌注樁仍是市域郊鐵路主要采用的樁基形式。

本研究已順利通過(guò)蘇虞張線可行性研究評(píng)審，研究成果可為該項(xiàng)目后續(xù)建設(shè)起到積極推進(jìn)作用。