重慶軌道交通環(huán)線高家花園嘉陵江專用橋總體設(shè)計(jì)

李 濤

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067)

重慶是中國第10個(gè)開通現(xiàn)代城市軌道交通的城市。經(jīng)過15年的發(fā)展，重慶軌道交通運(yùn)營里程達(dá)329 km[1]，國內(nèi)排名第7，僅次于上海、北京、廣州、南京、成都、武漢。其中，上海、北京軌道交通運(yùn)營里程排名世界前2位[2]。

重慶是著名的山水城市，長江、嘉陵江穿城而過，跨江橋梁眾多。早期重慶跨江通道以軌道與公路交通共建的方式為主，如菜園壩長江大橋、朝天門長江大橋、魚洞長江大橋等。隨著重慶軌道交通建設(shè)加快、線路增多，軌道專用的跨江特大橋相繼出現(xiàn)，如已建成的跨嘉陵江的蔡家軌道橋、高家花園軌道橋，跨長江的鵝公巖軌道橋；還有在建的跨嘉陵江的嘉華軌道橋，跨長江的南紀(jì)門軌道橋等?？缃壍缹Ｓ脴蛞话憔哂锌鐝酱?、橋面窄、荷載獨(dú)特、造型新穎等特點(diǎn)，同時(shí)也增大了橋梁設(shè)計(jì)、建造難度[3]。

1 項(xiàng)目地理位置

重慶軌道交通環(huán)線(重慶火車西站—重慶火車北站南廣場—海峽路—重慶火車西站)為軌道交通線網(wǎng)的重要組成部分，線路全長51 km，是軌道交通線網(wǎng)中唯一的閉合環(huán)形線路。環(huán)線連接九龍坡、沙坪壩、渝北、江北、南岸等5個(gè)行政區(qū)，是緩解重慶交通擁堵，拉大城市骨架，優(yōu)化城市結(jié)構(gòu)布局，促進(jìn)主城區(qū)整體發(fā)展，連接主城組團(tuán)、交通樞紐的重要快速軌道交通骨干線。

重慶軌道交通環(huán)線2次跨越長江、1次跨越嘉陵江。線路在長江南岸彈子石處利用原有的朝天門長江大橋下層軌道交通專用通道跨越長江，在南岸鵝公巖處緊鄰原有的鵝公巖長江大橋新建軌道專用橋再次跨越長江，在內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋下游約350 m處跨越嘉陵江，形成重慶軌道交通環(huán)線高家花園嘉陵江專用橋(簡稱高家花園軌道橋)。

2 總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵控制因素

橋梁總體方案設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮平面位置、兩岸接線、地形地質(zhì)、通航要求、橋型景觀等多方面因素的影響。

2.1 地形地質(zhì)條件

橋址屬嘉陵江河谷區(qū)。該段嘉陵江自北向南流，河谷走向較平直，呈壯年期河谷地貌，河谷形態(tài)呈不對(duì)稱“U”型河流，河谷及漫灘寬約300 m～500 m，地面高程156 m～180 m。河床寬緩，兩岸漫灘狹窄、平緩，岸坡較陡。出露地層為第四系填土、粉質(zhì)粘土和卵石土，侏羅系沙溪廟組地層。巖層為泥質(zhì)巖和砂巖，泥質(zhì)巖約占70%，砂巖約占30%[4]。

高家花園軌道橋北岸側(cè)需跨越北濱路高架橋，北濱路北側(cè)山體陡峭，且山上多為7層建筑群。南岸側(cè)需跨越沙濱路高架橋，沙濱路南側(cè)為陡峭山體，山體以巖體為主。山體之上有沙坪壩水廠和重慶七中，橋位區(qū)下游高層建筑集中。由于線路選擇受兩岸建筑、水廠、站點(diǎn)設(shè)置等限制，橋位選擇變動(dòng)余地不大。

2.2 橋位方案

橋位應(yīng)符合軌道環(huán)線規(guī)劃的總體走向，在既有的內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋和石門大橋之間約2.3 km范圍內(nèi)。為避免線路從重慶大學(xué)A校區(qū)內(nèi)穿行，并同時(shí)避免對(duì)重慶七中學(xué)校及華宇秋水長天等高層建筑小區(qū)的影響，減少拆遷量，橋址范圍進(jìn)一步收縮在內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋至其下游約350 m之間，新建橋位如圖1所示。

圖1 橋位示意

當(dāng)時(shí)，內(nèi)環(huán)快速路西北半環(huán)拓寬改造在即，需在原內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋旁修建復(fù)線橋來改善通行條件。為此，對(duì)高家花園復(fù)線橋公、軌共建方案進(jìn)行了研究論證。由于原高家花園大橋?yàn)橹骺?40 m連續(xù)剛構(gòu)橋，復(fù)線橋的橋型與布跨應(yīng)與原橋相適應(yīng)，如采用公、軌共建方案，荷載、凈空限界、動(dòng)力性能等對(duì)復(fù)線橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，實(shí)施難度大。此外，軌道過橋公、軌分離后兩岸接線拆遷量較大，并且內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋治堵改造迫在眉睫，因此，不采納公、軌共建方案[5]。

如在既有高家花園大橋旁再并列修建軌道橋，則老橋、復(fù)線橋、軌道橋3橋并立，對(duì)通航形成巷道效應(yīng)，十分不利。從橋位間距控制來看，軌道橋橋位與既有高家花園大橋軸線之間的水平距離越長對(duì)通航和景觀越有利。為此，選定內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋下游約350 m處作為軌道橋橋位。

選定橋位與河道基本正交，橋兩端直接進(jìn)入地下區(qū)間，該線路地下區(qū)間在南橋頭—重大站之間最小埋深約26 m，北橋頭—通用新村站之間最小埋深約20 m。埋深滿足下穿建筑群要求，且拆遷工作量較小。該橋位的線形、行車舒適性及對(duì)盾構(gòu)施工適應(yīng)性較好。

2.3 主跨要求

高家花園軌道橋所在嘉陵江段航道等級(jí)規(guī)劃為Ⅲ級(jí)。橋位處最低通航水位為163.285 m，最高通航水位為191.43 m，單孔雙向通航凈寬160 m，凈高10 m，但由于該橋位距內(nèi)環(huán)快速路高家花園大橋下游約350 m，既不能滿足大于5 min下水船舶航程，也不能滿足靠近布置要求[6]，同時(shí)橋跨受軌道剛性要求也不能完全采用一跨過江的橋跨方案。根據(jù)該橋位處的河工物理模型試驗(yàn)研究成果顯示，軌道橋主跨跨徑不宜小于340 m[7]。

2.4 橋型選擇

根據(jù)高家花園軌道橋主跨跨徑不小于340 m的要求，采用懸索橋經(jīng)濟(jì)性較差，采用梁橋則跨徑過大(已超過已建成梁橋的最大跨徑)，宜選擇斜拉橋或拱橋。

在重慶山水城市建設(shè)發(fā)展定位中，跨江橋梁的景觀效果要求較高。對(duì)比上承式、中承式、下承式等3類拱橋，中承式拱橋更適合于本橋位相對(duì)平緩的地形與跨越兩岸濱江路高架橋的需要，也更有利于橋梁建筑造型。經(jīng)方案比選研究，與同等跨徑斜拉橋相比，中承式拱橋造價(jià)高30%、工期長38%，不滿足軌道交通環(huán)線整體建設(shè)計(jì)劃的工期要求。

從接線高程、平面線形、主跨跨徑、橋梁剛度和景觀效果等控制因素考慮，結(jié)合主城區(qū)嘉陵江沿線橋梁形式，對(duì)橋型方案的結(jié)構(gòu)性能、建筑景觀和施工便利性等進(jìn)行綜合比選[8]，選擇了斜拉橋方案。為充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)跨越能力大的優(yōu)勢以滿足主跨跨徑要求，同時(shí)利用混凝土結(jié)構(gòu)配重來提高橋梁整體剛度[9]，設(shè)計(jì)采用了鋼-混凝土混合梁。

3 總體布置

3.1 平面布置

該橋線路與軌道交通環(huán)線軌道設(shè)計(jì)線一致，起點(diǎn)接環(huán)線沙正街隧道，樁號(hào)為YDK9+925.590，路線向北延伸并跨越嘉陵江，終點(diǎn)接環(huán)線玉帶山隧道，并置于隧道洞口上，樁號(hào)為YDK10+519.590，大橋中心線為直線，全橋長594.0 m。

3.2 縱斷面布置

根據(jù)軌道交通環(huán)線縱斷面、兩岸地形及接線高程，結(jié)合通航凈空要求，在主跨中心樁號(hào)YDK10+232.590處設(shè)置1個(gè)變坡點(diǎn)，對(duì)稱縱坡0.3%，豎曲線半徑5 000 m。

3.3 橫斷面布置

大橋兩端緊接隧道，因隧道構(gòu)造及施工需要，左右線軌間距較大。為與之適應(yīng)，根據(jù)軌道限界要求，并綜合考慮主梁橫橋向剛度及拉索區(qū)的設(shè)置，確定出主梁全寬為19.6 m(含風(fēng)嘴寬度)。橫斷面布置為：1 m(風(fēng)嘴)+2.9 m(拉索區(qū)及人行道) +5.9 m(車行道)+ 5.9 m(車行道)+2.9 m(拉索區(qū)及人行道) + 1 m(風(fēng)嘴)。高家花園軌道橋橫斷面布置如圖2所示。

單位：mm

3.4 立面布置

主橋設(shè)計(jì)為5跨半漂浮體系雙塔雙索面混合梁斜拉橋，其跨徑組合為：52 m+68 m+340 m+66.5 m+50.5 m。中跨采用鋼箱梁，以滿足主跨跨徑要求。邊跨采用混凝土箱梁并設(shè)置輔助墩，以提高橋梁整體剛度[10]。橋跨立面布置如圖3所示。

初步設(shè)計(jì)階段在A0臺(tái)處(現(xiàn)P0處)采用了重力式橋臺(tái)，橋臺(tái)起點(diǎn)即為橋隧分界處，因該處地勢較低，隧道處于填方區(qū)，填方高度約12 m，該段不適宜修建隧道。因此，將橋隧分界點(diǎn)往隧道側(cè)移動(dòng)，大橋增加了一跨17 m長的引橋。為保持外觀統(tǒng)一，引橋也采用與主橋邊跨相同的混凝土箱梁。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 支承體系

因軌道橋?qū)χ髁簷M向位移要求較高[11]，主橋設(shè)計(jì)為5跨連續(xù)的半漂浮體系。高家花園軌道橋支承體系如圖4所示。主梁于主塔P2墩處設(shè)置固定支座，其余主塔墩、輔助墩、過渡墩及橋臺(tái)處均設(shè)單向活動(dòng)支座，約束主梁豎向、橫向及繞橋軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)位移，5跨連續(xù)體系。引橋在A0臺(tái)處設(shè)置固定支座，在P0墩處為單向活動(dòng)支座，支座參數(shù)見表1。

單位：m

單位：cm

表1 支座參數(shù)

主橋剛度指標(biāo)：豎向撓跨比≤1/600；水平撓跨比≤1/4 000；梁端轉(zhuǎn)角≤3‰；兩軌動(dòng)態(tài)不平順度≤6 mm。走行性安全控制指標(biāo)：脫軌系數(shù)Q/P≤0.8；輪重減載率△P/P≤0.6。剛度指標(biāo)參照了國內(nèi)有關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)[12]。

4.2 索塔及基礎(chǔ)

索塔承受的船只撞擊力按3 000 t級(jí)船舶、速度7 m/s[13]，并參照上游約350 m處內(nèi)環(huán)高家花園大橋船撞研究成果，取值為順橋向8 500 kN，橫橋向17 000 kN。采用主動(dòng)防撞，即要求索塔自身可以抵抗規(guī)范船撞力。

該橋索塔由整體箱形塔柱(208.84 m高程以下)和H型鋼筋混凝土塔柱(208.84 m高程以上)2個(gè)部分組合而成。下部塔身順橋向?qū)?.0 m，橫橋向?qū)?5.7 m。196.74 m高程以下采用單箱四室空心柱構(gòu)造，空腔用C20混凝土回填；196.74 m高程以上采用等截面空心柱加空心薄壁斷面。上部塔身由2個(gè)順橋向?qū)?.0 m、橫橋向?qū)?.5 m、壁厚0.8 m的等截面單箱單室空心柱構(gòu)成。索塔構(gòu)造如圖5所示。

(a) 正立面 (b) 側(cè)立面

分別在索塔高程287.540 m和213.540 m處設(shè)置上、下橫梁。上橫梁連接上部塔身左右2肢以增強(qiáng)抗風(fēng)能力。下橫梁采用高度6 m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁構(gòu)造，以提高塔身橫向整體性。

索塔基礎(chǔ)采用承臺(tái)接樁基礎(chǔ)。承臺(tái)厚5 m，其下布置13根直徑3.0 m的鉆孔灌注樁?；A(chǔ)布置如圖6所示。

(a) 立面

(b) 平面

4.3 主梁

4.3.1 中跨鋼箱梁

中跨主梁采用正交異性橋面板流線型扁平鋼箱梁，包含風(fēng)嘴梁體全寬19.6 m，中心梁高3 m，寬高比為B/H=6.53。綜合考慮該橋現(xiàn)場條件、施工條件、工期安排等，全橋鋼箱梁劃分標(biāo)準(zhǔn)梁段、跨中合龍段、加強(qiáng)段、鋼混結(jié)合段等4個(gè)類型。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度12 m。

鋼箱梁是由橋面頂板、底板、腹板、橫隔板、鋼錨箱、風(fēng)嘴等組成的單箱薄壁結(jié)構(gòu)。鋼箱梁橫斷面如圖7(a)所示。

4.3.2 邊跨混凝土箱梁

邊跨混凝土箱梁采用了單箱三室斷面，腹板設(shè)于軌道線對(duì)應(yīng)位置，厚40 cm；頂?shù)装搴?8 cm。邊跨箱梁采用了與中跨鋼箱梁相同的外輪廓尺寸，保持了外觀相對(duì)統(tǒng)一，拉索的橫向布置也相同。橫斷面布置如圖7(b)所示。

(a) 鋼箱梁橫斷面

(b) 混凝土箱梁橫斷面

4.3.3 鋼混結(jié)合段

主梁鋼混結(jié)合段長6.8 m，其中含鋼箱梁加強(qiáng)段2.6 m，填充混凝土段2.9 m。鋼箱梁連接厚60 mm鋼板，頂?shù)装迳烊牖炷亮憾?.9 m，在混凝土橫梁內(nèi)通過鋼板、剪力釘和PBL鍵在頂?shù)装逦恢酶餍纬?.9 m厚隔倉，同時(shí)與混凝土橫梁接觸的鋼板表面焊有22 mm×180 mm的剪力釘，以增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)。在鋼箱梁加強(qiáng)段采取在U形肋上增加了T形加勁肋，增大厚鋼板承壓面積的加強(qiáng)措施。同時(shí)在結(jié)合面配置Φ15.24鋼絞線,一端錨固于鋼格室60 mm厚鋼板及混凝土橫梁端部鋼板上，另一端設(shè)齒板錨固于混凝土跨側(cè)。鋼混結(jié)合段構(gòu)造如圖8所示。

4.4 斜拉索

每個(gè)索塔設(shè)斜拉索13對(duì)，呈平行布置，拉索在主梁上的索距為16.6 m。斜拉索采用無粘結(jié)PE環(huán)氧鋼絞線，索體由多股無粘結(jié)高強(qiáng)度平行鋼絞線組成。鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度fpk=1 860 MPa。鋼絞線拉索可以單根穿索、單根張拉、單根測試檢查，并可進(jìn)行單根鋼絞線調(diào)索和更換。

單位：mm

5 施工方案

5.1 主橋施工流程

主橋施工按以下步驟實(shí)施：1) 主塔、輔助墩基礎(chǔ)及墩身施工；2) 搭設(shè)支架施工邊跨混凝土箱梁；3) 采用浮吊或橋面吊機(jī)吊安鋼-混凝土結(jié)合段于現(xiàn)澆支架頂，精確調(diào)整就位；4) 采用浮吊或橋面吊機(jī)安裝1#索鋼箱梁段于支架頂，與鋼-混結(jié)合段先臨時(shí)連接；5) 采用橋面吊機(jī)依次懸臂拼裝中跨鋼箱梁節(jié)段和對(duì)稱掛拉邊中跨斜拉索至中跨合龍段，掛設(shè)張拉相應(yīng)斜拉索；6) 主梁中跨合龍；7) 橋面工程及附屬結(jié)構(gòu)施工，全橋斜拉索索力調(diào)整，主橋施工完成。

斜拉橋在懸臂施工過程中邊中跨間會(huì)產(chǎn)生不平衡水平力，懸臂兩端的不平衡施工荷載以及風(fēng)載會(huì)在塔梁交會(huì)處產(chǎn)生3個(gè)方向的力及力矩。為確保施工中主梁的穩(wěn)定安全，須設(shè)置可靠的臨時(shí)固結(jié)構(gòu)造。

5.2 索導(dǎo)管大管套小管安裝技術(shù)

索導(dǎo)管安裝采用了大管套小管技術(shù)，即索導(dǎo)管塔肢內(nèi)部分端部外套一截大一號(hào)的鋼管，切成楔形，貼住模板，待混凝土澆筑完畢拆模后，再將外露鋼管插入預(yù)埋的大一號(hào)楔形鋼管，周圈焊接。該技術(shù)有效解決了混凝土索塔斜拉橋塔端索導(dǎo)管安裝定位難題，避免了對(duì)索塔外模板的開孔，從而提高了索導(dǎo)管的安裝效率及精度，同時(shí)保證了索塔拉索區(qū)混凝土外觀質(zhì)量[14]。

5.3 鋼-混結(jié)合段施工技術(shù)

鋼-混結(jié)合段施工支撐裝置采取落地支架和不落地支架相結(jié)合的支撐體系。在主塔靠江側(cè)采用鋼管格構(gòu)柱支架；鋼-混結(jié)合段混凝土梁段現(xiàn)澆支架采用下橫梁懸挑三角托架支撐，三角托架上部設(shè)置分配梁，搭設(shè)碗扣支架。根據(jù)鋼-混結(jié)合段體積大、重量大的特點(diǎn)，其運(yùn)輸采用水運(yùn)方式進(jìn)行。鋼-混結(jié)合段鋼梁吊裝定位采用可變幅步履式橋面吊機(jī)，吊機(jī)在混凝土梁段上拼裝、調(diào)試、錨固好，從運(yùn)輸駁船上將梁段起吊至存梁支架，精確調(diào)整定位，澆筑結(jié)合段混凝土并張拉預(yù)應(yīng)力[15]。

5.4 縫接合龍方案

為有效消除合龍溫差對(duì)成橋索力、成橋主梁應(yīng)力、主梁線形及主塔偏移的影響，高家花園軌道橋采用縫接合龍法作為合龍方案。該法是一種新型合龍法，基于幾何控制原理，提出通過精確控制合龍縫代替合龍段的思路，來實(shí)現(xiàn)中跨梁體精準(zhǔn)合龍：即使用橋面吊機(jī)先行起吊合龍段，并使其與一側(cè)主梁匹配焊接，形成合龍縫，再通過主梁頂推、橋面吊機(jī)調(diào)整合龍縫線形高差，實(shí)現(xiàn)合龍縫合龍[16]。

6 結(jié)束語

1) 針對(duì)選擇橋型的各種控制因素進(jìn)行綜合分析比選，鋼-混凝土混合梁斜拉橋既能滿足各種條件與要求，又兼具美觀性的適宜橋型。

2) 該橋平面、縱面、橫斷面布置能順接軌道交通環(huán)線的總體規(guī)劃線形，能適應(yīng)橋位處復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。

3) 該橋主梁采用了鋼箱梁和混凝土箱梁相結(jié)合的形式，保持了全橋主梁外觀形狀的統(tǒng)一，不同特性的材料為結(jié)構(gòu)受力帶來了有利的影響。

4) 該橋選用的鋼絞線斜拉索可實(shí)現(xiàn)單根檢測和更換，為后期養(yǎng)護(hù)換索提供了便利。

5) 采用“移動(dòng)模架主梁+鋼管支架+碗扣支架”多組合施工一體綜合技術(shù)模式，有效解決了大跨度、跨越既有超寬濱江路現(xiàn)澆箱梁施工技術(shù)問題。