預(yù)留軌道交通通道的橋梁設(shè)計研究

劉幫俊 喬云強

(林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司 重慶401121)

1 研究背景

中國人口眾多，大城市交通擁堵現(xiàn)象十分突出，為了緩解持續(xù)增長的交通壓力，大力發(fā)展軌道交通是一種非常有效的手段。軌道交通規(guī)劃涉及線網(wǎng)規(guī)劃、用地規(guī)劃、征地拆遷等諸多方面，前期論證周期長，建設(shè)實施滯后。為了減少用地矛盾，降低協(xié)調(diào)難度和建設(shè)成本，節(jié)省用地資源，選擇在市政道路上預(yù)留軌道交通通道很有必要。市政道路上的橋梁結(jié)構(gòu)是預(yù)留軌道交通通道的重要控制節(jié)點。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮軌道交通的特殊要求，如荷載、結(jié)構(gòu)控制指標(如剛度、振動)、凈空、建設(shè)時序等。若設(shè)計考慮不周，可能會帶來嚴重問題。如某跨江橋，由于設(shè)計年代較早，預(yù)留軌道交通通道時僅考慮了荷載和凈空，對于軌道交通的特殊要求(如列車走行性、安全性、梁端轉(zhuǎn)角、局部承載力、構(gòu)件疲勞等問題)未做深入研究。橋梁建成若干年后，再次進行軌道交通通行研究時，發(fā)現(xiàn)不能滿足要求，需對原橋進行改造或新建復(fù)線橋。由于改造方案存在投資多、風(fēng)險高、交通影響大等因素，最終選擇了新建復(fù)線橋方案，為此付出了很大代價。因此，處理好先建橋梁與后建軌道交通通道的關(guān)系在設(shè)計階段極為重要［1-3］。

針對公軌共建和公軌分建兩種軌道交通預(yù)留模式，筆者以瀘州市沱江四橋及連接線高架橋和重慶市溉瀾溪大橋工程為例，分別提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計策略。以滿足分期實施、經(jīng)濟性、結(jié)構(gòu)合理性、景觀協(xié)調(diào)性等多種要求，旨在為同類項目提供參考。

2 公軌共建橋案例

2.1 工程概況

瀘州市沱江四橋及連接線工程位于瀘州城市環(huán)線快速路上，為南北向主通道，承擔(dān)城北、城西、城南3個片區(qū)的交通聯(lián)系。中期規(guī)劃軌道交通線路在本通道上經(jīng)過，連接火車南站、城北中心站和機場。該工程設(shè)計線路全長3.815 km，為城市快速路，沱江四橋在西南醫(yī)療康健城處跨越沱江。

根據(jù)軌道交通系統(tǒng)客流需求分析，2030年在沱江四橋通道處高峰時段單向公交客流約1萬人次/h，就交通量而言，宜采用中、低運量軌道交通形式。結(jié)合全球軌道交通系統(tǒng)發(fā)展情況，從技術(shù)成熟、運用范圍及我國運營經(jīng)驗的角度出發(fā)，我國中低運量軌道交通系統(tǒng)主要包括:跨座式單軌、輕軌、現(xiàn)代有軌電車等幾種形式。針對瀘州人口增長實際情況及片區(qū)開發(fā)進度情況，將預(yù)留的軌道交通通道用作BRT(快速公交系統(tǒng))通道也是一種不錯的選擇。

由于瀘州市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃及建設(shè)規(guī)劃等前期研究深度有限，存在一定的不確定性;而軌道交通通道又必須提前預(yù)留，因此既要具有通用性，又要具有針對性是該通道預(yù)留的基本原則。具體而言，通道預(yù)留的荷載和凈空應(yīng)滿足所有適宜的軌道交通要求。

通過綜合分析，凈空寬度采用11 m寬(含防撞等附屬設(shè)施空間)、軌道設(shè)計控制荷載采用地鐵B型車6輛編組及跨座式單軌包絡(luò)設(shè)計，能滿足跨座式單軌、輕軌、現(xiàn)代有軌電車等中低運量軌道交通制式的所有要求。

根據(jù)瀘州市專家委會、規(guī)劃委會等會議要求，近期應(yīng)利用預(yù)留的軌道交通通道空間，將道路斷面設(shè)置為雙向8車道，遠期改成雙向6車道+軌道交通通道［4］。

2.2 跨江橋設(shè)計

綜合考慮公軌共建的功能需求及體現(xiàn)瀘州“酒城”文化的景觀需求，跨江主橋采用獨塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，跨徑布置為(55+200+58+50)m(見圖1)，主橋夜景效果見圖2。為了減輕結(jié)構(gòu)自重，200 m主跨采用了帶懸臂的流線型扁平鋼箱梁，為了限制梁端轉(zhuǎn)角，滿足軌道交通運行要求，與主跨相鄰的55 m跨與主跨結(jié)構(gòu)連續(xù)，也采用鋼箱梁。由于主橋邊跨(58+50)m位于岸邊，施工方便，采用了鋼管柱支架現(xiàn)澆的混凝土梁，以節(jié)省工程造價。在距離橋塔中心線8.5 m處設(shè)置鋼-砼接頭，實現(xiàn)了梁體連續(xù)，整座主橋形成鋼-砼混合梁結(jié)構(gòu)體系。橋塔處塔、梁固結(jié)，對結(jié)構(gòu)受力和抗震有利。

圖1 橋梁總體布置

圖2 主橋效果圖

由于路幅較寬，為了限制軌道的扭轉(zhuǎn)位移，滿足軌道交通運行要求，并利于結(jié)構(gòu)受力，采用雙索面斜拉橋［5］。結(jié)合軌道與公路交通同層運營需要隔離的要求，在橫斷面上，將索面布置在公、軌通道兩者之間，既實現(xiàn)了公、軌隔離，又巧妙地利用了隔離空間設(shè)置橋塔和索面，壓縮了索面張開幅度，實現(xiàn)橋梁景觀上的協(xié)調(diào)。主橋標準橫斷面布置分近期和遠期兩種，見圖3。

人字型橋塔具有較好的穩(wěn)定性，上塔肢采用鋼與混凝土組合，以提高橋塔整體剛度。由于橋面較寬，鋼箱梁采用左右幅分離式雙箱，在拉索、塔、墩處的雙箱之間設(shè)置橫隔梁。鋼箱梁頂、底板上U肋和橫隔板(梁)垂直交叉，構(gòu)成正交異性板結(jié)構(gòu)體系，主梁中心線處梁高為3.5 m，橫隔板間距3.0 m，主梁具有較強的剛度，可滿足軌道交通對主梁剛度的需求。

混凝土主梁采用外輪廓與鋼箱梁一致的形狀，為流線型扁平分離式雙箱截面。兩箱頂板連通，并在塔梁結(jié)合段、輔助墩和交接墩位置處設(shè)置橫梁;在拉索錨固對應(yīng)位置處設(shè)置橫隔板。這樣的結(jié)構(gòu)體系既能使全橋梁體外形統(tǒng)一協(xié)調(diào)，又改善了寬橋的結(jié)構(gòu)受力性能。

圖3 橋梁橫斷面布置

主橋鋼箱梁采用岸上拼裝后整體頂推施工，保證了鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。綜合考慮49 m寬混凝土梁施工期的抗裂性能及混凝土的工作性能，采用了橫向分幅、縱向分段的支架施工方案。即在橋梁中線處的橋面板和橫梁上設(shè)置寬100 cm的混凝土后澆帶，縱向分4個澆筑節(jié)段逐段施工。

2.3 高架橋設(shè)計

該工程高架段較長，因道路斷面近期設(shè)置為雙向8車道，遠期改成雙向6車道+軌道交通通道，如何有效實現(xiàn)遠近期結(jié)合，是高架橋設(shè)計需要重點關(guān)注的問題。跨江橋由于景觀及橋型因素，采用整體式上部結(jié)構(gòu)比較合適。主線道路上的一般高架橋與跨江橋不同，要綜合考慮經(jīng)濟性、功能分配、結(jié)構(gòu)受力等綜合因素，需另行制定能有效適應(yīng)遠近期路幅分配的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2.3.1 橫橋向分幅設(shè)計

由于路幅較寬，橫向收縮變形較大;中間部位遠期行走軌道交通，路幅上需要隔離;軌道交通與公路交通橋結(jié)構(gòu)剛度不同，橫橋向橋梁結(jié)構(gòu)變形有差異。鑒于以上3方面的原因，將橋梁橫斷面設(shè)置成左、中、右三幅分離式橋，近期通過橋面板濕接縫連接實現(xiàn)橋面連續(xù)(見圖4)。施工時，三幅橋單獨施工，在主梁混凝土、預(yù)應(yīng)力張拉、灌漿及支架拆除施工完成后，才澆筑橋面板濕接縫，避免因混凝土收縮徐變、主梁變形差異等原因出現(xiàn)裂縫。遠期路幅改建時，將濕接縫切開，三幅橋很容易就能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分離。

圖4 一般高架橋橫斷面布置

這種設(shè)計方式能有效避免結(jié)構(gòu)裂縫，遠近期結(jié)合的適應(yīng)性好;遠期路幅改造時，對公路交通影響相對較小，改造施工容易;同時公路和軌道交通橋梁能分別按各自的剛度需求進行設(shè)計，對控制造價有利。

2.3.2 縱橋向模數(shù)化布跨

在可能采用的軌道交通形式中，跨座式單軌對橋跨布置要求比較嚴格，對其余幾種則不嚴，因此以滿足跨座式單軌要求作為橋跨布置的基本原則。根據(jù)重慶市單軌交通實施的經(jīng)驗，并結(jié)合未來發(fā)展的趨勢，采用30 m跨徑能滿足跨座式單軌的布跨要求。從地形和線路設(shè)計標高來看，采用30 m跨比較合理。因此，一般高架橋總體布跨原則為:以30 m跨為主，其余零星跨徑的布置以滿足單軌交通橋跨模數(shù)(20、22、24m等)要求為準［6］。

橋梁分聯(lián)長度控制在150 m內(nèi)，該長度內(nèi)軌道交通橋梁不需要設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)器，以節(jié)省工程造價。

2.3.3 按不同剛度需求設(shè)計

中幅橋通行軌道交通，對剛度要求較高;左右幅橋通行公路交通，對剛度要求較小。從節(jié)省造價角度出發(fā)，三幅橋分別按各自規(guī)范要求進行設(shè)計。以30 m跨連續(xù)梁為例:

左、右幅主梁橋?qū)?5.5 m，采用斜腹式單箱三室等截面箱梁，梁高1.6 m。主梁頂板寬15.4 m，底板寬10.6 m，兩側(cè)翼緣各外挑1.9 m?？缰邢淞喉敯搴?5 cm，底板厚22 cm，腹板厚50 cm。中幅主梁橋?qū)?0.0 m(含濕接縫)，采用斜腹式單箱單室等截面箱梁，梁高1.8 m。主梁頂板寬10.0 m，底板寬5.2 m，兩側(cè)翼緣各外挑1.9 m?？缰邢淞喉敯搴?8 cm，底板厚22 cm，腹板厚60 cm。

左、右幅橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土橋墩，橋墩下面接單樁基礎(chǔ)。中幅橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土T形橋墩，橋墩基礎(chǔ)為承臺加群樁基礎(chǔ)。

3 公軌分建橋案例分析

3.1 工程概況

溉瀾溪大橋工程是重慶江北區(qū)溉北路的重要組成部分，處于江北嘴中央商務(wù)區(qū)的拓展區(qū)。溉北路為城市主干道Ⅰ級，設(shè)計時速為50 km/h，長度為1 130 m。規(guī)劃軌道交通9號線路與溉北路重疊，位于市政道路中央，采用地鐵B2型車的標準，最高設(shè)計速度為100 km/h，采用6輛車編組?？紤]地鐵B2型車限界要求、分期實施對交通影響、結(jié)構(gòu)防撞安全影響及基礎(chǔ)間距要求等，預(yù)留通道凈寬需大于11 m，從節(jié)約用地方面考慮，通道凈寬控制為不小于12 m。因此，溉北路橫斷面布置為3 m(人行道)+11.5 m(車行道)+0.5 m(防撞護欄)+12 m(中央分隔帶兼軌道交通9號線一期工程高架橋預(yù)留通道)+0.5 m(防撞護欄)+11.5 m(車行道)+3 m(人行道)［7］。

軌道交通9號線一期沿溉北路布置段，由地下線在溉瀾溪大橋小樁號橋臺處出隧道后轉(zhuǎn)為高架線，跨越溉瀾溪后在溉瀾溪大橋大樁號橋臺后側(cè)設(shè)溉北路高架站。溉瀾溪大橋設(shè)計時僅有軌道交通9號線工程預(yù)可研成果，針對跨溉瀾溪段軌道高架橋僅有簡單的橋跨布置方案，無確定的工程方案。為避免將來軌道交通9號線施工對道路橋梁的影響，溉瀾溪大橋小樁號橋臺處靠近軌道交通9號線兩側(cè)應(yīng)設(shè)置擋墻進行支護，擋墻之間的凈距不得小于12 m，同時擋墻基底設(shè)計標高不得大于203 m。由于軌道交通9號線處于可研階段，高架橋長和布跨均不確定，溉瀾溪大橋布跨應(yīng)考慮后期軌道橋的適應(yīng)性，保證其景觀協(xié)調(diào)。

3.2 橋梁設(shè)計

3.2.1 考慮軌道橋易協(xié)調(diào)的橋跨布置與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

溉瀾溪大橋受兩側(cè)接線標高限制，橋面標高較高，距離地面約30 m。小樁號橋臺受道路交叉口位置限制及大樁號橋臺受軌道高架車站及公交車港限制，橋臺位置及橋長基本確定。所跨溉瀾溪為長江小型支流，無通航要求，目前建設(shè)為城市景觀河道，寬度約25 m?；谝陨线吔鐥l件，最適宜橋型為連續(xù)剛構(gòu)，不再做其他橋型比選。橋長及橋型確定后，主要根據(jù)跨河道條件及后期軌道布跨的易協(xié)調(diào)性來布置橋梁跨度。盡管河道彎曲與路線交角較大，但考慮經(jīng)濟性及邊跨布置條件后認為跨河主跨不宜過大。由于河道邊坡可立墩，故選擇55 m中跨跨河，且與40 m邊跨較協(xié)調(diào)。經(jīng)多輪方案比選，最終經(jīng)重慶規(guī)劃局及軌道交通建設(shè)辦公室確定的方案為:溉瀾溪大橋兩幅橋均采用第一聯(lián)4×40 m等截面連續(xù)剛構(gòu)加第二聯(lián)(40+55+55+40)m變截面連續(xù)剛構(gòu)。A0橋臺處設(shè)軌道交通9號線一期工程預(yù)留走廊支擋結(jié)構(gòu)物。大橋右幅立面布置圖見圖5。

圖5 溉瀾溪大橋立面布置

考慮到軌道橋建成后，三幅橋共寬42 m，如果主梁選用寬箱室結(jié)構(gòu)，梁體會顯得厚重，同時需要較寬的橋墩，會造成橋下空間視線擁堵。為保證梁體美觀、輕巧且便于后期軌道交通高架橋與之協(xié)調(diào)，采用大懸臂斜腹板單箱雙室箱形截面。第一聯(lián)等截面段梁高2.1 m，箱梁頂寬14.8 m，底寬8 m，兩側(cè)翼緣各外挑2.9 m;第二聯(lián)變截面段跨中截面同等截面段，墩頂處梁高3.5 m，底寬由跨中8 m變化至根部7 m，腹板斜率同跨中截面。

高橋墩設(shè)計為滿足橋下景觀要求，在滿足受力條件下應(yīng)盡量減小截面尺寸［8］。考慮軌道橋常用的墩身截面，選擇了帶挖槽的八邊形截面。墩身截面尺寸分為兩種:P1～P3墩為3.5 m×1.8 m，P4～P7墩為3.5 m×2.2 m，矩形截面四角對應(yīng)切除70 cm×50 cm倒角。為使較窄墩身與較寬的梁底過渡自然和傳力順暢，設(shè)置倒棱臺體墩梁過渡段。圖6為大橋施工完成后的效果。

圖6 溉瀾溪大橋建成后效果

3.2.2 A0橋臺及支擋結(jié)構(gòu)物的創(chuàng)新形式

A0橋臺處即軌道交通橋入地處地質(zhì)條件較差，上覆厚度為20～28 m的素填土和粉質(zhì)黏土。A0橋臺的設(shè)計既不能與軌道交通預(yù)留通道沖突，又要考慮后期軌道交通施工不能對其產(chǎn)生影響，因此要與軌道交通支擋結(jié)構(gòu)物一同考慮。對于軌道交通支擋結(jié)構(gòu)物，在保證軌道交通可實施性的同時，又要考慮與A0橋臺的連接及支擋臺后、臺側(cè)的厚填土。受軌道交通橋入地處標高及支護范圍的控制，單側(cè)支擋結(jié)構(gòu)尺寸長30 m，寬14.8 m，高度至少為24 m。對于如此之大的支擋結(jié)構(gòu)，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式尤為重要。由于可作為基礎(chǔ)持力層的中風(fēng)化巖層埋深較大，采用擴大基礎(chǔ)將進一步加高結(jié)構(gòu)尺寸，因此選用群樁基礎(chǔ)。支擋結(jié)構(gòu)物如選用常規(guī)的重力式或是扶壁式結(jié)構(gòu)，較高的支擋高度將導(dǎo)致工程量巨大，且群樁基礎(chǔ)無法支撐巨大的結(jié)構(gòu)物和填土的重量，因此傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計思路已經(jīng)不再適用。從受力合理、結(jié)構(gòu)安全、造價經(jīng)濟及減小后期軌道交通橋施工對其影響的角度出發(fā)，經(jīng)多方案比選最終選擇A0橋臺及支擋結(jié)構(gòu)為整體考慮，采用箱型結(jié)構(gòu)+樁基形式，結(jié)構(gòu)高20.128～23.87 m，長30.4 m，寬14.8 m。承臺基底標高202.364 m。由于兩側(cè)土壓力較大，在左、右兩幅橋臺及支擋結(jié)構(gòu)之間設(shè)5層橫撐聯(lián)系。為平衡臺后土壓力，在后側(cè)箱室內(nèi)填碎石壓重，利于樁基礎(chǔ)受力均勻。支擋結(jié)構(gòu)物布置見圖7。

因軌道交通橋標高不確定，為滿足后期不同標高下的凈空要求，為軌道9號線施工預(yù)留條件，5層橫撐聯(lián)系梁考慮冗余設(shè)計。即后期軌道交通9號線施工時允許拆除兩道，結(jié)構(gòu)物仍然滿足受力要求，但只能按以下4種工況中的一種進行拆除:①拆除1#、2#橫撐;②拆除2#、3#橫撐;③拆除3#、4#橫撐;④拆除4#、5#橫撐。當(dāng)施工只需拆除一道橫撐時，任何位置均可。施工完成的A0橋臺及支擋結(jié)構(gòu)地表部分見圖8。

圖7 支擋結(jié)構(gòu)布置 單位:m

圖8 A0橋臺及支擋結(jié)構(gòu)地表部分

4 結(jié)語

公軌共建的瀘州市沱江四橋及接線高架橋工程充分研究了遠、近期功能分配，既保證了遠期任何軌道交通形式的可實施性，又為近期提供了充足的市政車道，實現(xiàn)了投資利益的最大化。在軌道交通前期研究不成熟的情況下，該橋確定預(yù)留軌道交通通道的原則和結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路可為類似工程提供參考。

公軌分建的溉瀾溪大橋工程結(jié)合軌道交通的建設(shè)要求，提出了合理的橋跨布置和結(jié)構(gòu)造型方案。首次將經(jīng)濟性較好的箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)用在大型軌道交通支擋結(jié)構(gòu)上。盡管該支擋結(jié)構(gòu)增加投入2 600萬元，但為后期軌道交通9號線一期工程創(chuàng)造了良好的設(shè)計和施工條件。

通過以上2個橋梁案例，說明軌道交通預(yù)留工程設(shè)計是以軌道交通的前期論證，尤其是軌道交通線位、制式等專題研究為基礎(chǔ)的，否則盲目決策將給后期建設(shè)帶來風(fēng)險。同時，設(shè)計階段應(yīng)貫徹可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計理念，充分考慮軌道交通空間預(yù)留帶來的相關(guān)問題，以保證后期軌道交通的最優(yōu)化實施。

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