高速鐵路橋梁設(shè)計中幾個關(guān)鍵問題的探討

薛紅云

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

目前我國的高速鐵路運(yùn)行總里程已突破3.5萬km，穩(wěn)居世界第一位。隨著越來越多的高鐵投入運(yùn)營，以及對近10年高鐵設(shè)計運(yùn)營情況的總結(jié)，提出了許多需要深入思考和轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)做法的新思路、新理念和新要求，本文就其中大家比較關(guān)注的幾個關(guān)鍵問題逐一進(jìn)行探討。

2 合理的路橋方案選擇

2.1 沉降控制

為保證高速鐵路列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性，高速鐵路對沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求較高，設(shè)計規(guī)范規(guī)定，有砟軌道工后沉降不大于30 mm，無砟軌道工后沉降不大于15 mm。由于我國高速鐵路建設(shè)正處于快速發(fā)展期，建設(shè)周期相較其他國家而言要短很多，往往從項目開工到架梁鋪軌只有一年到兩年時間，對于控制工期的段落甚至只有3、4個月時間。為滿足沉降控制要求，有時就需要采用沉降控制更有效的橋梁形式。

但是為了進(jìn)一步合理控制工程投資，一味盲目地加大橋梁比例并不是最優(yōu)的方案，在一定程度上會造成設(shè)計資源的浪費(fèi)。我國目前已逐步開始步入高質(zhì)量發(fā)展的軌道，在今后的高鐵設(shè)計中，應(yīng)轉(zhuǎn)變既有的粗放式設(shè)計理念，合理制定建設(shè)周期，結(jié)合整個項目的施工組織安排，通過放置一定時間、路基堆載預(yù)壓、復(fù)合地基加固等措施，使土體排水固結(jié)，減少工后沉降，分段落分工點(diǎn)準(zhǔn)確計算確定工后沉降量，最終達(dá)到精細(xì)化設(shè)計的效果，確有必要以橋代路時，再采用橋梁方案［1］。

2.2 征地拆遷

用地設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格貫徹“珍惜、合理利用土地和切實保護(hù)耕地”的基本國策［2－4］，遵循“經(jīng)濟(jì)合理、節(jié)約用地、少占良田”的原則，如鐵路穿越基本農(nóng)田或靠近城鎮(zhèn)和市區(qū)范圍，受征地拆遷影響，則需要綜合進(jìn)行路橋比較，這也是貫徹可持續(xù)發(fā)展理念的實際應(yīng)用。

2.3 地方發(fā)展

隨著城市發(fā)展和各地區(qū)小城鎮(zhèn)發(fā)展速度的加快，高鐵作為助力地方發(fā)展的催化劑，要統(tǒng)籌考慮地方發(fā)展規(guī)劃，將高鐵設(shè)計方案與地方發(fā)展規(guī)劃緊密結(jié)合，綜合考慮地方一體化綜合交通規(guī)劃，充分利用城市通廊和交通網(wǎng)狀布局，為城市發(fā)展預(yù)留足夠的空間和條件，這時橋梁方案以其通透、開放、靈活的特點(diǎn)，優(yōu)勢將盡顯無疑，要盡量以橋代路，為城鎮(zhèn)發(fā)展拓展空間和活力。

2.4 工程投資

工程投資是路橋方案選擇的一個主要參考指標(biāo)，影響投資的因素與路基填料來源、取棄土場選擇、征地拆遷費(fèi)用、橋梁工程投資等有關(guān)，需要全方面綜合比較來選擇合適的路橋方案。雖然投資是路橋方案選擇的主要參考指標(biāo)，但卻不是必然唯一指標(biāo)，還要結(jié)合用地、城市發(fā)展等方面綜合考慮確定。

3 橋梁棄土方案選擇

隨著環(huán)保要求越來越高，同時由于高速鐵路橋梁比例相對普速鐵路較高，因此橋梁本專業(yè)產(chǎn)生棄土棄渣數(shù)量也會較多，需要結(jié)合全線取棄土場的設(shè)置情況合理調(diào)配。嚴(yán)禁亂挖亂棄，同時做好棄土場綠化設(shè)計或復(fù)墾設(shè)計［5］。如何做好橋梁棄土棄渣的處置方案，更好地有利于環(huán)保和水保審批和驗收，可以從以下幾個方面入手開展設(shè)計研究：

（1）合理分析棄土成分構(gòu)成

橋梁專業(yè)的棄土棄渣主要分為基坑開挖回填后的余土、樁基鉆孔產(chǎn)生的孔內(nèi)原土以及鉆孔工藝產(chǎn)生的泥漿等三部分?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)生棄土的不同成分構(gòu)成，分類進(jìn)行棄土方案設(shè)計。棄土按成分構(gòu)成可分為土類和石類兩大類，土類一般情況下具備良好的綠化種植條件，可以考慮綠化復(fù)墾使用；石類由于種植條件較差，則需要外運(yùn)至附近的棄土場統(tǒng)一處置。

（2）不同地形地勢條件適用的外運(yùn)方案

根據(jù)鐵路所經(jīng)過的地形地勢條件不同，可以采取相應(yīng)的余土外運(yùn)方案。

對于平原區(qū)，一般土層覆蓋層較厚，基巖埋深較深，余土主要以砂土類為主。平原區(qū)大部分已經(jīng)完成了土地規(guī)劃整治，土地利用率較高，為尋找棄土場帶來一定的難度。鑒于高鐵用地界范圍要實施全封閉措施，因此高鐵用地界以內(nèi)橋下范圍便可以通過橋下攤鋪來消納大部分余土，同時還可以種植草籽綠化，起到“一舉兩得”的效果。

對于山區(qū)丘陵地區(qū)，余土主要有基坑開挖回填后剩余余土、斜坡范圍刷方土（石）、樁基鉆孔產(chǎn)生的原土（石）以及鉆孔工藝產(chǎn)生的泥漿等幾部分，在設(shè)計時可以考慮在橋墩附近攤鋪少量余土，既可防止橋墩處低洼積水，又可以用于種植綠化，剩余部分棄土（石）需要外運(yùn)至附近的棄土場。

（3）與地方發(fā)展有效結(jié)合

經(jīng)過以上兩輪消納處置后，剩余部分確定需要外運(yùn)的棄土（石），就需要尋找合適的棄土場，就目前國內(nèi)城鎮(zhèn)農(nóng)村的土地利用現(xiàn)狀而言，還是有很多文章可做。我國目前正在大力發(fā)展小城鎮(zhèn)建設(shè)，可充分與地方進(jìn)行深入對接，了解地方小城鎮(zhèn)建設(shè)的總體規(guī)劃，與地方尋求棄土二次利用的契合點(diǎn)，既解決了棄土場選擇難題，同時還助力地方規(guī)劃建設(shè)，滿足人民生產(chǎn)生活需要，通過填洼造地還地于民，或是人造山坡景觀，為當(dāng)?shù)厝嗣裰\利造福。從一些鐵路項目最后實施的棄土方案來看，有許多都是與地方緊密對接后找到了合適的棄土場位置和處置方案。

（4）項目內(nèi)部取棄土場合理調(diào)配利用，合理化解棄土場的選擇難題

鐵路項目本身既需要尋找取土場，又需要尋找棄土場，可以首先在本項目內(nèi)部進(jìn)行取棄土場地的合理調(diào)配，把取土場形成的低洼土坑作為棄土場來利用，同時做好表層土的整治和植被恢復(fù)，巧妙實現(xiàn)取土場和棄土場的無縫銜接、相互利用。

基于以上幾方面的措施，就可以妥善化解棄土場選擇的難題，為順利通過環(huán)保和水保的審批和驗收奠定良好的工作基礎(chǔ)。

4 鐵路樞紐區(qū)域的橋梁方案選擇

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，全國高速鐵路網(wǎng)已形成規(guī)模。兩條客運(yùn)專線同時引入地區(qū)客運(yùn)樞紐的情況較為常見，而根據(jù)引入形式的不同，橋梁所匹配的結(jié)構(gòu)形式也會有所不同，本文針對鐵路引入客站樞紐的不同形式，探討高速鐵路樞紐內(nèi)橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇。

4.1 鐵路樞紐的引入方案

兩線引入客運(yùn)站，通常有線路別引入、分場設(shè)置和方向別引入、合場設(shè)置兩種方案［6－7］。前一種方案的優(yōu)點(diǎn)是可解決跨線車，但兩端咽喉區(qū)需修建多條疏解線，橋墩林立，投資大，景觀效果差；后一種方案的優(yōu)缺點(diǎn)正好相反。對于大型城市，存在多方向引入、主要車流方向明顯，為方便運(yùn)營管理，一般采用分場設(shè)置；對于地區(qū)級中型城市客運(yùn)站，停站車流、跨線車流相對較少，直通車流大，常采用合場設(shè)置方案。

另外，隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化步伐的加快，在城市發(fā)展過程中，城市周邊往往形成了高速公路、高壓輸電、輸氣等多走廊，為提高城市土地利用率，減少城市拆遷，利于城市將來的發(fā)展，新建高鐵與其他走廊統(tǒng)一考慮，兩條鐵路的交叉跨線位置往往選擇在城市郊外，然后多線并行于城市建設(shè)公共走廊中，即城外疏解。對于城市拆遷可控、對城市發(fā)展影響較小時，兩條鐵路也可以選擇在車站附近交叉跨越，跨越后立即并線進(jìn)站，即城內(nèi)疏解，見表1。

表1 各樞紐車站引入方式

4.2 城外疏解方向別引入樞紐的橋梁結(jié)構(gòu)形式

對于采用城外疏解、長段落四線并行的方向別引入樞紐客站，橋梁結(jié)構(gòu)形式宜優(yōu)先選用雙線橋＋雙線橋的形式，梁、墩、基礎(chǔ)各部位均分設(shè)，優(yōu)點(diǎn)主要有以下四方面：一是有利于梁廠標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制，梁體施工質(zhì)量易保證；二是可以采用架橋機(jī)整孔架設(shè)，提高架設(shè)效率；三是梁型、墩型與區(qū)間協(xié)調(diào)統(tǒng)一，整齊劃一，景觀效果較好；四是工程投資最省，經(jīng)濟(jì)性能最優(yōu)。

4.3 城外疏解線路別引入樞紐的橋梁結(jié)構(gòu)形式

對于城外疏解、長段落四線并行的線路別引入樞紐客站，兩項目相對獨(dú)立，只需將兩項目間線間距按照橋梁構(gòu)造要求控制為最小即可，橋梁的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式同樣為雙線橋＋雙線橋的結(jié)構(gòu)形式，梁、墩、基礎(chǔ)各部位均分設(shè)。優(yōu)點(diǎn)與方向別相同。

4.4 城內(nèi)疏解引入樞紐的橋梁結(jié)構(gòu)形式

對于城內(nèi)疏解、小段落四線橋梁并行即引入樞紐客站時，往往在幾孔范圍就進(jìn)入道岔布置區(qū)，要根據(jù)站場咽喉區(qū)道岔布置情況、橋梁道岔梁布設(shè)情況來合理選擇橋梁結(jié)構(gòu)形式，一般情況下可選擇（單線＋雙線＋單線）梁接四線道岔梁，或者（雙線＋雙線）梁接四線道岔梁。

5 高鐵橋梁外部環(huán)境安全的關(guān)鍵應(yīng)對措施

目前隨著高鐵運(yùn)營里程的增加和人民經(jīng)濟(jì)生活需求的變化，高鐵運(yùn)營安全與人民的日常生活越來越緊密，而與高鐵相關(guān)的外部環(huán)境安全對高鐵運(yùn)營安全有著重要的作用［8－11］。具體到橋梁專業(yè)，相關(guān)性最大的便是管線與高鐵橋梁交叉問題。因此需要在以下幾個階段重點(diǎn)關(guān)注和加強(qiáng)。

應(yīng)對處理高鐵橋梁與管線交叉所遵循的總體原則是：后建服從先建，盡量減少對既有設(shè)施的改建。

5.1 勘測階段應(yīng)對措施

在初測階段，鐵路設(shè)計單位應(yīng)對石油、燃?xì)?、熱力、給排水、工業(yè)液體原料等管道充分調(diào)研沿線管道現(xiàn)狀分布及規(guī)劃情況。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，提出新建高鐵工程與既有管道設(shè)施交匯關(guān)系的處理方案，并征求管道產(chǎn)權(quán)單位意見，獲得產(chǎn)權(quán)單位的書面回復(fù)。

橋梁專業(yè)在外業(yè)勘測時，要重點(diǎn)關(guān)注與線路交叉的各種管線現(xiàn)狀以及預(yù)留規(guī)劃情況，在橋孔布設(shè)時盡量避開或遠(yuǎn)離既有管線，同時提出合理的管線防護(hù)措施，與管線相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位對接防護(hù)或形成遷改方案。

5.2 設(shè)計階段應(yīng)對措施

根據(jù)兩部協(xié)議中關(guān)于鐵路橋梁與管道交叉的相關(guān)要求，合理開展設(shè)計工作。

（1）高鐵與管道交叉宜采用垂直交叉或大角度斜交，交叉角度不宜小于30°。

（2）高鐵跨越既有管道時，如果位于路基段，應(yīng)對管道設(shè)置防護(hù)涵；如果位于橋梁段，則應(yīng)在管道上方埋設(shè)鋼筋混凝土板。防護(hù)范圍不小于鐵路安全保護(hù)區(qū)范圍。

（3）若高鐵橋梁下方有規(guī)劃預(yù)留管道時，應(yīng)在地面以下設(shè)置鋼筋混凝土管道防護(hù)涵，供將來規(guī)劃管道通過使用。管道防護(hù)涵應(yīng)與高鐵橋梁基礎(chǔ)同步施工，同時應(yīng)根據(jù)兩者基底標(biāo)高相對位置關(guān)系考慮合理的施工順序和基坑防護(hù)措施，避免對高鐵橋梁墩臺基礎(chǔ)周圍的土層造成擾動而影響橋梁結(jié)構(gòu)安全。

（4）特別需要注意的是，若高鐵跨越既有管道，在初設(shè)階段鐵路建設(shè)單位或設(shè)計單位應(yīng)提請管道方對跨越管段進(jìn)行完整性評價，根據(jù)評價結(jié)果向管道產(chǎn)權(quán)單位提交高鐵設(shè)計方案，并就項目概況、技術(shù)參數(shù)、交叉位置描述、擬定通過方案等作出說明。

5.3 靜態(tài)驗收階段應(yīng)對措施

在靜態(tài)驗收時，要對與高鐵交叉的所有管線逐一進(jìn)行核實，檢查管道防護(hù)工程是否已經(jīng)按照設(shè)計圖紙實施、管道防護(hù)與橋梁墩臺的安全距離是否滿足要求、管道附近的提醒警示標(biāo)志是否設(shè)置、是否滿足相關(guān)規(guī)定。為保證高鐵運(yùn)營安全，高鐵運(yùn)營管理單位與管道產(chǎn)權(quán)單位雙方簽署安保協(xié)議，維護(hù)好各自設(shè)施運(yùn)營安全，并加強(qiáng)相互聯(lián)系。

6 結(jié)束語

中國高鐵以方便、快速、安全成為向世界展現(xiàn)的一道亮麗名片。在“十四五”及下一個百年發(fā)展階段，高鐵橋梁設(shè)計應(yīng)堅持更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、可持續(xù)、安全可靠的設(shè)計理念，不斷優(yōu)化更新設(shè)計思路，使我國高鐵橋梁建設(shè)步入高質(zhì)量發(fā)展的車道。

以上是筆者結(jié)合近15年高速鐵路設(shè)計的一些關(guān)鍵問題或長期困擾設(shè)計人員的難題提出了個人的一點(diǎn)解決思路和思考，拋磚引玉，供鐵路橋梁設(shè)計同行們一起討論并更好地解決。