劉 春，田 楊，尹興權(quán)，李 昊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鐵路、公路、市政、管道、電力等交通運(yùn)輸、能源體系日益復(fù)雜。各交通運(yùn)輸、能源工程線路之間產(chǎn)生主動(dòng)(客運(yùn)樞紐、管道綜合)、被動(dòng)的相互影響也不斷增加。各部門(mén)對(duì)施工安全、運(yùn)營(yíng)安全的要求也越來(lái)越規(guī)范化、詳細(xì)化,穿(跨)越立體交叉工程的橋涵布設(shè)的重要性也更加突顯出來(lái)。立交橋涵的布設(shè)直接、間接地影響工程投資,乃至線路方案的可行性。對(duì)于立交穿(跨)越的研究,以大跨度結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)體施工[1]等方面研究較多,而對(duì)于小跨度結(jié)構(gòu)、異形框架結(jié)合孔跨布置完成立交穿跨越方面的研究相對(duì)較少。采用大跨度結(jié)構(gòu)完成立交跨越在安全性、功能性方面有其優(yōu)越性,但在經(jīng)濟(jì)性、適用性、可持續(xù)性方面也有一定的局限性。橋梁跨度越大則下部基礎(chǔ)也越大,同時(shí)橋梁建筑高度也增高,在增加工程投資的同時(shí),高大、雄偉的立交跨越橋梁及引線工程,給后期其他工程建設(shè)的立交跨越也增加了難度,可謂“橋梁高高高上天、跨來(lái)跨去何時(shí)了”;此外,當(dāng)主體工程的功能要求與外部的控制因素,以及現(xiàn)場(chǎng)條件形成復(fù)雜的立交環(huán)境時(shí),大跨度橋梁結(jié)構(gòu)有時(shí)也難以勝任,通常會(huì)選擇對(duì)既有的次要結(jié)構(gòu)進(jìn)行改建,往往代價(jià)巨大。

本文結(jié)合水曹鐵路接軌既有遷曹鐵路工程中兩支新建單線鐵路在分別穿越既有鐵路后、小角度交叉、又緊坡降低高程、并行穿越既有橋,在下穿既有鐵路的同時(shí)跨越不規(guī)則布設(shè)的兩條石油、液化天然氣管道的復(fù)雜立交環(huán)境,以工程實(shí)例闡述雙單線橋梁錯(cuò)孔布置、異形框構(gòu)橋式、小跨度板梁與框架墩結(jié)合的立交跨越橋式等“非大跨度”橋梁的立體交叉設(shè)計(jì),作為一定條件下設(shè)計(jì)方向的一隅,為鐵路工程及涉鐵工程解決立交跨越問(wèn)題提供一些思路及參考。

1 工程概況

水曹鐵路位于河北省唐山地區(qū),是一條北起遷安水廠礦區(qū)、南至曹妃甸港區(qū)的雙線電氣化集疏港鐵路,鐵路等級(jí)參照國(guó)鐵Ⅰ級(jí)。根據(jù)線路的功能要求,水曹鐵路近期與遷曹鐵路接軌。在接軌方案研究階段,對(duì)比了左、右線外包遷曹及水曹右線中穿遷曹等方案,經(jīng)主管單位審查后按中穿方案實(shí)施。接軌區(qū)域內(nèi)新建、改建鐵路總長(zhǎng)6.67 km(折算單線),既有鐵路、管線、道路的復(fù)雜立交關(guān)系及主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),工程地質(zhì)概況,立交橋涵概況說(shuō)明如下。

1.1 區(qū)域內(nèi)既有鐵路、管線、道路相互關(guān)系說(shuō)明

接軌區(qū)域內(nèi)既有鐵路、管線平面關(guān)系如圖1所示。既有遷曹鐵路(雙線)與既有曹西左、右線下穿唐曹左線(圖1中A交叉點(diǎn))后,曹西左、右線上坡分別跨越遷曹鐵路及唐曹右線;既有唐曹左、右線區(qū)域內(nèi)呈外包形式,走行于遷曹鐵路兩側(cè)。

區(qū)域內(nèi)共有城鎮(zhèn)熱力管道1條,輸油、LNG(液化天然氣)長(zhǎng)輸管道2條。熱力管道基本垂直穿越各條鐵路線;輸油管道穿越既有曹西左線后折向南偏西,至LNG管道處折向南偏東并行LNG管道走行約180 m后跨越LNG管道后再次與之并行前行;LNG管道局部范圍內(nèi)呈Z字型走行,從西向東直線穿過(guò)唐曹右線、曹西右線后,折向穿越遷曹雙線、曹西左線后,再次折向平行于原方向,與輸油管道并行斜交穿越唐曹左線曲線段后,走行于唐曹左線外側(cè)30 m外。

需要說(shuō)明的是,圖1中西南方向唐曹右線外側(cè)為24 m寬的公路,也是線路方案研究的控制因素;曹西左線的左側(cè)、曹西右線的右側(cè)規(guī)劃預(yù)留曹西三、四線;唐曹左線的左側(cè)也需預(yù)留增建單線的條件。水曹鐵路線路走向、橋梁結(jié)構(gòu)要考慮預(yù)留鐵路的建設(shè)條件。

從立面關(guān)系來(lái)看,既有鐵路及管線由低到高大致為:LNG管道-輸油管道(燃?xì)夤艿?-遷曹雙線(唐曹右線)-曹西左、右線-唐曹左線。

1.2 區(qū)域內(nèi)鐵路、管線的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

區(qū)域內(nèi)鐵路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示,穿(跨)越時(shí)主要考慮其凈寬(單線鐵路4.88 m)、凈高(建限-1凈高6.55 m、雙層集裝箱凈高7.96 m)的要求[2],以及接觸網(wǎng)高壓電安全距離要求(安全距離2 m,5 m范圍內(nèi)金屬構(gòu)造物設(shè)置接地)。陜京LNG管道、曹津輸油管道為有壓金屬長(zhǎng)輸管道,管徑分別為1 016 mm,813 mm。鐵路橋梁跨越管道,橋梁底面至自然地面的凈空高度不應(yīng)小于2.0 m;管道與鐵路橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)邊緣水平凈距不宜小于3 m[3]。

表1 區(qū)域內(nèi)鐵路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 工程地質(zhì)概況

橋區(qū)從上至下依次為:人工填土、80 kPa淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、100 kPa黏性土、100 kPa砂類土。土壤最大凍結(jié)深度采用0.8 m。地震動(dòng)峰值加速度為0.15g,地震基本烈度為7度。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值0.65 s。

1.4 區(qū)域內(nèi)立體交叉設(shè)計(jì)概況

水曹鐵路接軌遷曹鐵路區(qū)域內(nèi)鐵路、道路、管線之間的立體交叉設(shè)計(jì)概況如表2所示。6.67 km線路范圍內(nèi)立體交叉18次(不含與規(guī)劃線路交叉),平均2.7次/km;最小交叉角度30°,立交情況頗為復(fù)雜。

表2 立體交叉設(shè)計(jì)概況表

2 區(qū)域內(nèi)立交橋涵選型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

普速鐵路常規(guī)橋型為32 m,24 m,20 m,16 m跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁,其中32 m跨為一般地區(qū),也是水曹鐵路橋梁設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)跨度。但接軌工程有著區(qū)域有限(直線距離2 km左右)、地形平坦、既有構(gòu)筑物交織、地質(zhì)松軟、地下水位淺等環(huán)境特點(diǎn)。根據(jù)這些特點(diǎn),增加了10 m鋼筋混凝土板梁橋型及配套的橋墩、框架墩,以及異形框構(gòu)、小跨度連續(xù)剛構(gòu)橋型以滿足立交要求。選取有代表的橋型方案比選及設(shè)計(jì)要點(diǎn)闡述如下。

2.1 采用雙單線錯(cuò)孔布置簡(jiǎn)支T梁跨越道路

水曹鐵路跨越在建十里海南路(城市道路),交叉角度約43°,如采用大跨度連續(xù)梁或者簡(jiǎn)支鋼桁梁一跨跨越,主跨約64 m(如采用48 m跨度,橋墩占據(jù)非機(jī)動(dòng)車道及人行步道)。交叉點(diǎn)位于車站附近,鐵路軌面高程受限;地下水位較高(見(jiàn)圖2),道路不宜下挖,道路高程受限(如下挖則需采用U形槽防水、需設(shè)泵房進(jìn)行立交排水)。因此需選用建筑高度較小的橋梁結(jié)構(gòu),即采用64 m雙線鋼桁梁,但鋼桁梁投資較高。如采用分幅跨越,可選用8 m+12 m+12 m+8 m門(mén)式剛構(gòu)橋,但斜交角度大于45°,結(jié)構(gòu)整體受力較差,且投資相對(duì)較高。結(jié)合十里海南路尚未完工情況,提出采用24 m簡(jiǎn)支T梁分為雙單線錯(cuò)孔布置的橋跨形式,單線橋墩錯(cuò)位設(shè)于道路的隔離帶內(nèi)(見(jiàn)圖3),大大降低了工程投資與施工難度。需要指出的是即使雙單線錯(cuò)孔布置,常規(guī)的單線橋墩的頂帽及接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)都將侵入道路限界,需對(duì)橋墩頂帽及接觸網(wǎng)立柱進(jìn)行局部改造。

把雙線橋調(diào)整為雙單線錯(cuò)孔布置,將橋墩設(shè)于道路隔離帶內(nèi)(必要時(shí)鐵路下部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)),是一種較為經(jīng)濟(jì)的、值得推廣的橋跨布置方式。

2.2 采用異形框構(gòu)完成兩條新建鐵路交叉

水曹鐵路右線與曹西左線交叉后,需與改建遷曹左線交叉方可中穿接入遷曹線,而至接軌點(diǎn)附近又必須下穿既有曹西左線。受既有線平面控制,有兩種立交方案選擇:一是水曹右線先跨越曹西左線以及改建遷曹左線后再下穿曹西左線;二是水曹右線穿越曹西左線、改建遷曹左線后再下穿曹西左線。受接軌高程控制,水曹右線上跨方案線路坡度將超過(guò)限值,因此只能選擇水曹右線下穿方案。受既有線平面關(guān)系及鐵路最小曲線半徑的限制,水曹右線與改建遷曹左線的交叉角度較小(圖1中B區(qū)),如采用門(mén)式墩跨越,水曹右線將下挖較多,將加大U形槽規(guī)模及穿越曹西左線的施工難度。綜合考慮提出了水曹右線從框架內(nèi)通過(guò)、改建遷曹左線從框架頂通過(guò)的異形框構(gòu)方案。框架內(nèi)兩端與U形槽順接,框架頂兩端與簡(jiǎn)支T梁結(jié)構(gòu)順接(見(jiàn)圖4,圖5)。

以兩線交叉角為參數(shù)來(lái)看,交角為90°時(shí),這種異形框構(gòu)轉(zhuǎn)換為正常的正交框構(gòu);交角為0°時(shí),這種異形框構(gòu)轉(zhuǎn)換為上下層受力的長(zhǎng)筒狀結(jié)構(gòu)。二者的主要區(qū)別在于其受力不同、上下共同受力的頻遇也不同。異形框構(gòu)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度取決于交叉角度。當(dāng)上下兩線均為新建線路,且立交凈空受限時(shí)異形框構(gòu)相比框架墩跨越有一定的優(yōu)勢(shì)。異形框構(gòu)從斷面上看由中間單箱三室框構(gòu)及兩端的單箱雙室不對(duì)稱框構(gòu)組成,結(jié)構(gòu)劃分要盡量使受力明確,具體設(shè)計(jì)時(shí)注意與相關(guān)結(jié)構(gòu)物(如簡(jiǎn)支梁橋墩、U形槽)接口的空間關(guān)系。

2.3 采用小跨度連續(xù)剛構(gòu)穿越既有橋

受接軌平面線形及周邊既有曹津管道、陜京LNG管道走行所限,改建遷曹左線及新建水曹右線需并行從既有曹西左線53號(hào)—53號(hào)墩之間32 m橋下小角度斜交穿越。橋區(qū)為濱海軟土地基,如采用路基形式穿越,難免對(duì)既有橋墩造成偏壓;如采用雙線U形槽通過(guò),U形槽結(jié)構(gòu)與既有橋墩承臺(tái)有所沖突;如采用常規(guī)路基樁板結(jié)構(gòu),受跨度所限,樁基施工與既有樁基間距偏小,容易對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成影響。因此以橋代路穿越既有橋。

受接軌高程控制,橋梁結(jié)構(gòu)不宜采用太大跨度(跨度大則建筑結(jié)構(gòu)高,梁底置于既有地面以下較多時(shí),需考慮地表水、地下水位的影響以及結(jié)構(gòu)防腐)。新建樁基與既有樁基間距按不小于6倍樁徑控制[4]。考慮梁體與樁基剛度的匹配,經(jīng)結(jié)構(gòu)試算后采用16 m+16 m+16 m剛構(gòu)雙單線錯(cuò)孔布置的形式完成穿越。結(jié)構(gòu)平面布置如圖6所示。

2.4 采用框架墩與小跨度板梁跨越長(zhǎng)輸管道

區(qū)域內(nèi)兩次采用“框架墩+10 m跨度混凝土板梁”跨越長(zhǎng)輸管道(圖1中C區(qū)、D區(qū)),其中C區(qū)受穿越曹西左線控制,D區(qū)受接軌高程控制,跨越管道凈空都比較低。加之跨越處,輸油、LNG管道并行或相互跨越,且與新建鐵路的交叉角度較小,綜合考慮后采用跨距13 m的框架墩配合10 m跨度小板梁完成跨越,盡量統(tǒng)一橋型、減少特殊設(shè)計(jì)。

以D區(qū)為例,平面布置如圖7所示。如采用32 m簡(jiǎn)支梁跨越(在兩管道中間設(shè)置橋墩),在承臺(tái)邊緣距離管道最小邊距5 m要求的限制下無(wú)法跨越;如采用大跨度橋梁一跨跨越,則建筑高度高會(huì)導(dǎo)致管道頂凈高不滿足要求,且梁底低于自然地面較多(如圖8所示),不利于區(qū)域內(nèi)排洪。

本線13 m跨距的框架墩橫梁為了盡量降低建筑高度,按預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5],梁高1.1 m。由于框架墩墩高僅0.5 m(見(jiàn)圖8),基礎(chǔ)相對(duì)剛度大,橫梁如按兩端剛結(jié)后再進(jìn)行張拉,則大多數(shù)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)由下部結(jié)構(gòu)抵抗,很難在橫梁中發(fā)揮出來(lái),因此橫梁一側(cè)需先張拉、后澆筑墩身(完成剛結(jié))。這是低墩高框架墩值得注意的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。10 m跨度板梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),梁端采用了整條橡膠簡(jiǎn)易支座,降低了整體建筑高度,需要指出的是對(duì)于多孔結(jié)構(gòu)在采用簡(jiǎn)易支座時(shí)應(yīng)設(shè)置梁體的縱、橫向限位裝置來(lái)滿足無(wú)縫線路鋪設(shè)的剛度要求。框架墩橫梁、10 m板梁均采用預(yù)制吊裝施工,降低跨越管道的施工風(fēng)險(xiǎn)[6-7]。

3 主要結(jié)論與建議

3.1 主要結(jié)論

采用雙單線錯(cuò)孔布置的橋式方案既解決了“鐵路不便抬高、道路不宜降低”的沖突問(wèn)題,又大幅降低了工程投資、減少了后期鋼梁橋的養(yǎng)護(hù)投資,可謂雙方受益、一舉多得;異形框構(gòu)是充分抓住“立交雙方是同步建設(shè)”這一特點(diǎn)而提出的“低建筑高度”的經(jīng)濟(jì)橋型;小跨度連續(xù)剛構(gòu)錯(cuò)孔布置是結(jié)合路基“樁+板結(jié)構(gòu)”與橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)合而提出的較為經(jīng)濟(jì)的橋型;小跨度板梁與框架墩結(jié)合則是基于對(duì)“跨度越大、建筑高度越大、基礎(chǔ)也越龐大”的認(rèn)識(shí),結(jié)合具體情況而提出的適用橋型[8-9]。

由此可見(jiàn),新建工程采用一種或多種中小跨度結(jié)構(gòu)、異形結(jié)構(gòu),經(jīng)合理布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算后跨越既有結(jié)構(gòu)物的立體交叉設(shè)計(jì),在一定條件下不失為一種既經(jīng)濟(jì)又有效的設(shè)計(jì)思路。

立體交叉設(shè)計(jì)一般要進(jìn)行多方案比較后,方能得到適用、經(jīng)濟(jì)、合理的穿(跨)越方案。具體設(shè)計(jì)時(shí),經(jīng)結(jié)構(gòu)專業(yè)、線路等專業(yè)協(xié)同研究、多次優(yōu)化參數(shù)后,先考慮功能性、再考慮經(jīng)濟(jì)性,一般可得到較優(yōu)的立交方案。

3.2 建議

立體交叉設(shè)計(jì)過(guò)程中,要在深入理解相關(guān)行業(yè)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上,客觀地考慮雙方權(quán)益單位在運(yùn)營(yíng)、維護(hù)、施工、規(guī)劃等方面的需求。當(dāng)對(duì)方提出較為嚴(yán)格的要求時(shí),不要簡(jiǎn)單理解為“刁難”,要認(rèn)真對(duì)待、科學(xué)評(píng)價(jià)、分清利弊,通過(guò)協(xié)商確定總體經(jīng)濟(jì)、適用、安全、雙贏的立交方案[10]。

當(dāng)立體交叉設(shè)計(jì)采用非常規(guī)的結(jié)構(gòu)時(shí),在構(gòu)造方面除要考慮橋梁本專業(yè)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)外,尚應(yīng)考慮與路基、軌道、接觸網(wǎng)、電磁防護(hù)等專業(yè)的接口關(guān)系;在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面要予以重視,適當(dāng)保守設(shè)計(jì)。