特殊環(huán)境下上跨鐵路高架橋關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

趙文聘

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安　710043)

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特殊環(huán)境下上跨鐵路高架橋關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

趙文聘

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安710043)

摘要：結(jié)合嘉閔高架路(春申鐵路段)工程設(shè)計實例，詳細介紹嘉閔高架路(春申鐵路段)工程的橋型選擇、孔跨布置以及采用的實施“北竹港河道下穿既有滬春鐵路擴孔工程+北竹港河中筑島”方案、“滬杭客運專線兩側(cè)橋墩鋼蓋梁方案”、“橋梁關(guān)鍵施工工藝預(yù)設(shè)計”、“既有百年低高度T梁橋套箱改造成框架橋方案”及“滬杭客運專線特大橋橋墩承臺近距離框架橋基坑圍護方案”等關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：嘉閔高架路；高架橋；框架橋；基坑圍護

1工程概況

嘉閔高架路是上海虹橋樞紐“一縱三橫”快速路網(wǎng)中的“一縱”，其中跨春申鐵路段位于閔行區(qū)滬杭鐵路三角區(qū)，道路全長442 m。規(guī)劃為城市快速路，設(shè)計車速80 km/h，雙向8車道，橋梁寬度32～43 m，采用整幅式斷面，橋梁高度38～43 m。嘉閔高架路(春申鐵路段)與現(xiàn)狀北竹港河道基本重合，為嘉閔高架路全段外部條件最復(fù)雜路段，與既有滬春、滬昆鐵路，在建滬杭客運專線、客運專線聯(lián)絡(luò)線、金山支線及規(guī)劃滬杭城際鐵路等11股道鐵路線立體交叉，為避免嘉閔高架路(春申鐵路段)工程實施對滬杭客運專線、客運專線聯(lián)絡(luò)線及金山支線鐵路運營的影響，該段工程需提前與滬杭客運專線、客運專線聯(lián)絡(luò)線及金山支線同步實施，且需在滬杭客運專線通車前完成跨越滬杭客運專線的施工(圖1、圖2)。

圖1　嘉閔高架路(春申鐵路段)

圖2　下穿既有滬春鐵路框架橋

2工程特點和難點

本工程位于滬杭鐵路三角區(qū)，與現(xiàn)狀北竹港河道基本重合，且涉及既有、在建及規(guī)劃的11股道鐵路線路，周邊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜。

2.1鐵路三角區(qū)環(huán)境復(fù)雜，施工場地狹窄，且節(jié)點工期緊張(圖3)

(1)與鐵路關(guān)系：嘉閔高架路在鐵路三角區(qū)與既有、在建及規(guī)劃的11股道鐵路線路呈立體交叉，既有滬春、滬昆鐵路，在建客運專線聯(lián)絡(luò)線，規(guī)劃滬杭城際鐵路位于地面第一層，在建金山支線位于第二層，在建滬杭客運專線位于第三層，嘉閔高架路位于第四層。

(2)與河道關(guān)系：鐵路三角區(qū)分布有北竹港、春申港及春申塘，嘉閔高架路與北竹港河道基本重合。現(xiàn)狀北竹港河道寬度為18～26 m，在下穿既有滬春鐵路處收窄為6～10 m。北竹港河道內(nèi)嘉閔高架橋墩較多、Y9號橋墩承臺均不同程度地阻礙了北竹港河道及其通過既有滬春鐵路的過水能力。因此，實施本項目時，需同步考慮北竹港河道的過水問題。

圖3　方案控制條件示意

(3)與在建項目關(guān)系：鐵路三角區(qū)同步實施項目有嘉閔高架路、滬杭客運專線、客運專線聯(lián)絡(luò)線及金山支線，要求嘉閔高架路的施工不得影響滬杭客運專線項目建設(shè)，且需在滬杭客運專線通車前完成跨越滬杭客運專線的施工，以確保滬杭客運專線的運營安全。

2.2既有滬春、滬昆鐵路及滬杭客運專線安全防護難度大

(1)既有滬春、滬昆鐵路附近高架橋梁架設(shè)、樁基及墩臺施工時，均需考慮既有滬春、滬昆鐵路的運營安全問題。

(2)為避免場地施工干擾，北竹港河道下穿既有滬春鐵路框架橋和滬昆鐵路以北嘉閔高架橋梁架設(shè)被迫于滬杭客運專線和金山支線通車后施工，施工時需考慮滬春、滬昆鐵路，滬杭客運專線，客運專線聯(lián)絡(luò)線及金山支線的運營安全問題。

2.3橋梁墩柱超高、前后未修建、橋梁不等跨，設(shè)計考慮因素多

(1)本段橋梁需跨越既有滬春、滬昆鐵路，在建滬杭客運專線及金山支線，其橋梁墩柱高度達40 m，需充分考慮其施工時對鐵路運營安全的影響。

(2)本段橋梁為提前實施部分，前后橋梁未修建，屬于孤立段，需充分考慮預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、鋼箱梁等提升上橋的問題。

(3)本段橋梁需跨越既有、在建和規(guī)劃的11股道鐵路線路，且與北竹港河道基本重合，橋梁孔跨布置靈活，跨徑24～50 m。

2.4基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，防護要求高，設(shè)計難度大

嘉閔高架路有28個橋墩承臺基坑。其中：8個基坑位于既有滬春、滬昆鐵路旁，深度4 m；20個基坑位于北竹港規(guī)劃河道內(nèi)，深度8.5 m(圖4)。北竹港河道下穿既有滬春鐵路現(xiàn)澆框架橋2個基坑，深度7 m(圖5)?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，防護要求高。

圖4　橋墩承臺深基坑

圖5　現(xiàn)澆框架橋基坑

3關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

針對嘉閔高架路(春申鐵路段)工程的主要特點和難點，設(shè)計中針對性地提出了一系列解決對策和措施，其在國內(nèi)具有技術(shù)先進性和實用價值。

3.1橋型結(jié)構(gòu)及孔跨布置的選擇[1]

(1)橋型方案的選擇

斜拉橋施工工藝復(fù)雜、工期長、對鐵路影響大且造價高；連續(xù)鋼梁架設(shè)所需超高臨時墩，因鐵路及河道影響設(shè)置困難；連續(xù)剛構(gòu)施工工期長，且滬杭客運專線上方無法設(shè)置防護設(shè)施，對客運專線運營存在重大安全隱患；簡支梁布跨靈活、防護簡單、施工方便、架橋機架梁后無須體系轉(zhuǎn)換、施工周期可控。綜合考慮既有鐵路運營安全和在建項目工期要求，推薦采用簡支梁橋型方案。

(2)孔跨布置及梁型的選擇(圖6)

圖6　橋梁孔跨布置平面示意

按左右分幅更好發(fā)揮布跨靈活的優(yōu)點，鐵路范圍外采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁按30 m布跨；鐵路范圍內(nèi)按24～50 m布跨，經(jīng)對簡支鋼箱梁、鋼混凝土疊合梁和混凝土T梁進行論證比選，上跨鐵路段推薦采用鋼箱梁。鋼混凝土疊合梁橋面板未澆筑前架橋機無法過孔，影響施工進度；混凝土T梁因場地限制無法現(xiàn)場制梁，而外部道路僅滿足≤40 m梁的運輸；鋼箱梁工廠分段制作后運至現(xiàn)場拼裝架設(shè)，滿足進度要求及場地限制。

3.2“北竹港河道下穿既有滬春鐵路擴孔工程+北竹港河中筑島”方案[2]

鐵路三角區(qū)北竹港河道規(guī)劃河口寬50～55 m，河底寬25 m，河底高程-1 m?，F(xiàn)狀北竹港河道寬度為18～26 m，在下穿既有滬春鐵路處收窄為6～10 m。北竹港河道內(nèi)嘉閔高架路橋墩較多，同時Y9號橋墩承臺占用了其下穿既有滬春鐵路1-6 m小橋的部分空間，阻礙了北竹港河道及其通過既有滬春鐵路的過水能力。水務(wù)部門要求本工程所有橋墩承臺頂高程置于-1 m以下。若承臺頂置于-1 m以下，則鐵路旁基坑深度達到8.5 m，承臺施工期間將嚴重影響鐵路的運營安全，為此，鐵路部門堅持既有滬春、滬昆鐵路旁橋墩承臺頂置于原地面以上。

為同時滿足水務(wù)、鐵路部門的要求，有效地解決既有鐵路運營安全和北竹港河道規(guī)劃之間的矛盾，設(shè)計中創(chuàng)造性地提出實施“北竹港河道下穿既有滬春鐵路擴孔工程+北竹港河中筑島”方案：即在北竹港河道下穿既有滬春鐵路1-6 m小橋東西側(cè)同步實施2-9 m框架橋、既有1-6 m小橋套箱改造成1-4.9 m框架橋的前提下，將嘉閔高架路Z8、Y8、Z9與Y9號橋墩一并與滬杭客運專線松江特大橋168號橋墩包入北竹港河中筑島中，既有鐵路旁Z8、Y8、Y9號橋墩承臺頂置于原地面，Z9號橋墩承臺頂高程為2.5 m，其余位于規(guī)劃河道內(nèi)的橋墩承臺頂高程均為-1 m。

3.3鋼蓋梁防支架侵限方案[3]

考慮到施工滬杭客運專線兩側(cè)橋墩蓋梁時滬杭客運專線已進入聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，混凝土蓋梁托架法施工對滬杭客運專線安全風(fēng)險較大，而且托架已侵入到客運專線列車限界內(nèi)，針對性地提出Z9、Y9、Z10、Y11橋墩蓋梁采用鋼蓋梁，整體吊裝到位，與立柱進行固結(jié)，然后再澆筑填芯混凝土。橋墩蓋梁采用矩形斷面鋼蓋梁，縱向?qū)?.0 m，橫向?qū)?1 m，蓋梁高2.5 m；墩柱采用矩形混凝土獨柱墩，橫向?qū)?.5 m，縱向?qū)?.5 m。蓋梁與墩柱之間設(shè)置1 m高鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)過渡段。滬杭客運專線兩側(cè)高架橋墩蓋梁采用鋼蓋梁，可減少鐵路封鎖點并防止混凝土蓋梁支架侵限，有效地解決了運營鐵路附近蓋梁施工對鐵路干擾大的難題。

3.4既有鐵路安全防護措施[4-6]

(1)施工期間安全防護措施

①鐵路附近承臺基坑圍護采用SMW工法，高壓旋噴樁樁徑0.5 m，樁長9.2 m，靠近鐵路側(cè)攪拌樁逐根內(nèi)插700 mm×300 mm×13 mm×20 mm H型鋼，其余三側(cè)攪拌樁間隔內(nèi)插H型鋼，樁頂設(shè)圍檁及鋼橫撐。

②為防止施工物掉落在既有運營鐵路上，采用棚架對電氣化鐵路進行防護。

③電氣化鐵路防電板、施工機具和支架貼絕緣板。

④鐵路旁樁基施工時采用永久鋼護筒作為護壁。

(2)運營期間永久安全防護措施

為確保滬杭客運專線的運營安全，需對滬杭客運專線上方的高架橋梁進行永久安全防護，防護措施包括防拋網(wǎng)、梁底絕緣板及接地、防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)等3個方面。

3.5橋梁關(guān)鍵施工工藝進行預(yù)設(shè)計[7-8]

針對性地對高橋墩、提梁上橋、蓋梁無支架法、架橋機架梁及鋼蓋梁等橋梁關(guān)鍵施工工藝進行預(yù)設(shè)計，將絕大部分施工技術(shù)難題解決在設(shè)計階段。

(1)高墩柱施工工藝。本段橋梁墩高40 m左右，考慮模板施工工藝的優(yōu)缺點、工期要求，建議采用翻模施工方案。每次模板安裝12 m，每個立柱分3～4次施工完成。

(2)提梁施工工藝。本段橋梁前后無連接，需考慮箱梁上橋問題。根據(jù)施工場地、工期要求，建議采用大型吊機吊梁上橋。

(3)蓋梁無支架法施工工藝。本段橋梁多處于北竹港河道內(nèi)，墩身高、地基承載力差，不宜采用落地式支架施工，建議采用無落地支架(型鋼托架)法施工，且進行預(yù)壓。

(4)架橋機架梁施工工藝。本段橋梁前后無連接，且架梁高度達40 m，同時涉及既有鐵路封鎖要點，架梁施工要求高。根據(jù)架橋機架設(shè)能力，鋼箱梁橫向采取截除兩個懸臂，分成3片用架橋機架設(shè)，架設(shè)重力控制在1 500 kN之內(nèi)。

(5)鋼蓋梁施工工藝。鋼蓋梁在工廠內(nèi)加工成型，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，采用大型吊機在鐵路封鎖點內(nèi)進行安裝，焊接固定。

3.6客運專線橋墩承臺近距離基坑圍護方案[9-11]

受鐵路三角區(qū)內(nèi)施工場地限制，避免對滬杭客運專線和金山支線的施工干擾，下穿既有滬春鐵路框架橋需采用現(xiàn)澆法施工，施工時采用D型便梁架空既有鐵路；同時，西側(cè)框架橋基坑邊緣距離滬杭客運專線松江特大橋168、169號橋墩承臺凈距僅1 m，施工時滬杭客運專線已通車運營。因此，基坑圍護設(shè)計需考慮既有滬春鐵路運營安全和滬杭客運專線松江特大橋結(jié)構(gòu)安全。

(1)基坑設(shè)計

圖7　西側(cè)基坑平面布置示意(單位:mm)

框架橋基坑位于既有滬春鐵路下方，東側(cè)基坑寬21.2 m，長29.7 m，深6.3 m；西側(cè)基坑寬21.6 m，長54 m，深6.3 m(圖7)。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，基坑需采取直立開挖，基坑兩側(cè)采用直徑1 m的鉆孔灌注樁，樁頂設(shè)圈梁、鋼橫撐及樁后4排高壓旋噴樁。

(2)基坑底面處理

基坑底面以下有夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈軟塑態(tài)。為滿足地基承載力要求，阻斷地下水，基坑底面采用一長一短咬合高壓旋噴樁(長樁15 m，短樁5 m)加固。

(3)便梁支墩設(shè)計

考慮到場地地質(zhì)條件差，地下水位高且豐富，鐵路線下挖孔樁施工風(fēng)險太大，故采用高壓旋噴群樁作為便梁支墩。引孔側(cè)橋臺采用15 m高壓旋噴樁柱體，東、西側(cè)框架平面尺寸分別為12.1 m×4.1 m、15.1 m×4.1 m，上設(shè)厚2.5 m支墩承臺，旋噴樁內(nèi)插鋼筋與支墩承臺連接；中間橋墩便梁支墩采用22 m高壓旋噴樁柱體，平面尺寸為15.1 m×5.1 m，兩側(cè)均幫設(shè)1.8 m高壓旋噴樁柱體(樁長15 m)，上設(shè)2.5 m厚支墩承臺與高壓旋噴樁柱體及基坑圍護鉆孔樁連接。

(4)D型便梁拖孔處理

為防止過大土壓力造成D型便梁支墩變形，在滬杭客運專線橋墩旁各架設(shè)1孔D16便梁，以防止滬春鐵路列車荷載傳遞至客運專線橋墩，拖孔處鐵路線下下挖2.5 m，底部采用咬合高壓旋噴樁進行加固。

(5)對滬杭客運專線橋墩進行隔離

為防止高壓旋噴樁施工時其高壓力對滬杭客運專線橋墩產(chǎn)生破壞，在客運專線橋墩鄰基坑側(cè)采用鉆孔灌注樁(或拉森鋼板樁)進行隔離。

3.7既有T梁橋套箱改造框架橋方案[12]

既有滬春鐵路1-6 m小橋始建于1908年；1962年將結(jié)合梁更換為低高度T梁、增設(shè)人行道；2004年增建二線時對既有橋進行接長，即在鐵路南側(cè)增設(shè)1-6 m框架橋，框架橋長8.05 m，同時對內(nèi)側(cè)人行道進行改建，北側(cè)老橋總寬由5.9 m變?yōu)?.5 m。由于既有滬春鐵路1-6 m小橋(北側(cè))運營近百年，無法收集到該橋的基礎(chǔ)資料，改造風(fēng)險很大(圖8)。

經(jīng)論證研究，創(chuàng)造性地提出將既有低高度T梁橋套箱改造成1-4.9 m的框架橋(圖9)，降低對既有線百年老橋的改造風(fēng)險。框架橋主要結(jié)構(gòu)尺寸為：橋長7.33 m，頂板厚50 cm，底板厚70 cm，邊墻厚50 cm，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈高4.08 m?；A(chǔ)采用φ60 cm高壓旋噴樁。既有滬春鐵路南側(cè)老框架橋底板高程為0.144 m，而根據(jù)北竹港河道規(guī)劃，新建北側(cè)框架橋底板高程為-1.0 m，為確保施工過程中鐵路老橋的安全和止斷地下水，在新老框架之間設(shè)置2排直徑0.6 m高壓旋噴樁(樁長10 m)，咬合10 cm，內(nèi)插HN700×300×13×24型鋼。

圖8　既有1-6 m小橋

圖9　改造后1-4.9 m框架橋

4結(jié)語

目前，嘉閔高架路(春申鐵路段)工程已投入運營，且已成為整個嘉閔高架路上重要的標志性建筑物之一，具有一定的社會影響力。該工程設(shè)計中所涉及的合理的橋型選擇、靈活的孔跨布置，減少了對既有、在建鐵路的干擾；提出的實施“北竹港河道下穿既有滬春鐵路擴孔工程+北竹港河中筑島”方案，解決了既有鐵路運營安全和北竹港河道規(guī)劃之間的矛盾；在滬杭客運專線兩側(cè)橋墩蓋梁采用鋼蓋梁方案，減少鐵路封鎖點并防止混凝土蓋梁支架侵限；對橋梁高橋墩、提梁上橋、蓋梁無支架法、架橋機架梁及鋼蓋梁等橋梁關(guān)鍵施工工藝進行預(yù)設(shè)計，將絕大部分施工技術(shù)難題解決在設(shè)計階段；將既有低高度T梁橋套箱改造成1-4.9 m框架橋，降低對既有線百年老橋的改造風(fēng)險；采用的滬杭客運專線松江特大橋橋墩承臺近距離框架橋基坑圍護方案，保證了已運營的滬杭客運專線松江特大橋的結(jié)構(gòu)安全，對城市高架橋跨越復(fù)雜鐵路網(wǎng)、基坑圍護及既有線橋梁改造等設(shè)計具有一定的參考價值和指導(dǎo)意義。

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The application of Key Technologies to Over-crossing Railway Viaduct in Special Environment

ZHAO Wen-pin

(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：With reference to the design of Jia-Min viaduct (Chun-Shen section)， this paper addresses the key technologies employed in Jia-Min viaduct (Chun-Shen section)， including the selection of bridge-type， the span layout， “Expansion engineering of Beizhugang river-way underpass the existing Hu-Chun railway， building island in Beizhugang river”， “Steel bent cap girder on both side of Hu-hang passenger dedicated line”， “Presupposed design of key bridge construction technology”， ”Transformation of the existing low height T beam bridge jacket box into frame bridge” and “Close range foundation pit enclosure of pier and pile cap on Hu-hang passenger dedicated lines”.

Key words：Jia-Min viaduct; Viaduct; Frame bridge; Foundation pit enclosure

中圖分類號：U448.13

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.016

文章編號：1004-2954(2015)04-0058-05

作者簡介：趙文聘(1978—)，男，高級工程師，2000年畢業(yè)于華東交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：tyyzwp@163.com。

收稿日期：2014-07-30； 修回日期：2014-08-09