城市軌道交通上跨鐵路特大橋方案研究

吳 亮，王倫文，趙胤儒

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢430010）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛，新建線路與既有鐵路立體交叉的情況越來越多。如何減少新線建設(shè)對(duì)既有鐵路影響成為橋梁方案考慮的重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)方案能否獲得鐵路部門批準(zhǔn)的關(guān)鍵。跨越既有鐵路的橋梁方案主要分為兩類，一是在交叉點(diǎn)附近布置橋墩以較小跨度跨越，梁部施工前在鐵路影響范圍內(nèi)搭設(shè)防護(hù)棚架；二是采用大跨度橋梁跨越，采用頂推或轉(zhuǎn)體施工工藝。隨著鐵路運(yùn)營單位對(duì)既有線運(yùn)營安全要求日益提高，目前主要采用大跨度橋梁轉(zhuǎn)體方案。

公路和城市道路上跨既有鐵路已有較多的工程案例和研究[1-4]，但城市軌道橋特別是大跨度橋上跨既有鐵路的研究較少。本文以武漢軌道交通7號(hào)線北延線跨線橋?yàn)楸尘埃芯靠缭蕉喙煞泵﹁F路干線的橋梁方案，供類似工程參考。

1 工程概況

武漢軌道交通7號(hào)線北延線（前川線）工程起于黃陂前川，止于7號(hào)線一期工程園博園北站。線路全長(zhǎng)36.2 km，設(shè)站11座（含預(yù)留站1座）。前川線在武漢北編組站七場(chǎng)以北1 km處上跨既有鐵路區(qū)域。區(qū)域內(nèi)目前存在既有鐵路共5股道，分別是京廣下行貨車線、麻武下行聯(lián)絡(luò)線、麻武上行聯(lián)絡(luò)線、京廣上行貨車線和武漢北上行環(huán)發(fā)線。后續(xù)武漢北編組擴(kuò)能改造規(guī)劃在該區(qū)域增設(shè)3股道。此處鐵路路基均為路塹形式，前川線在該段采用橋梁上跨既有鐵路，橋位區(qū)鐵路線路見圖1。主橋采用（86+2×156+86）m連續(xù)梁橋，其跨度為國內(nèi)城市軌道交通同類型橋梁之最。采用轉(zhuǎn)體施工方案，轉(zhuǎn)體噸位達(dá)到15 000 t，居國內(nèi)城市軌道交通轉(zhuǎn)體橋梁前列。

圖1 平面布置圖（單位：m）

2 控制性因素與橋型選擇

影響主橋方案的主要控制性因素如下：

（1）為了繞避軍事用地，前川線線路在前期已進(jìn)行了充分論證，線路方案已經(jīng)確定，無法進(jìn)行調(diào)整。目前，前川線與京廣上行貨運(yùn)線斜交角42.1°。

（2）橋位區(qū)存在兩處鐵路區(qū)域。第一處區(qū)域既有鐵路4股，規(guī)劃鐵路2股。該處鐵路路塹邊坡坡頂沿橋軸線方向距離172 m，坡腳間距123 m。第二處區(qū)域既有鐵路1股，規(guī)劃鐵路1股。該處鐵路路塹邊坡坡頂沿橋軸線方向距離56 m。兩處鐵路區(qū)域間坡頂平臺(tái)沿橋軸線方向?qū)?2 m。

（3）橋位區(qū)地面高程約50 m，鐵路軌面高程為40.79～48.30 m。由于本橋大樁號(hào)側(cè)跨高速公路相關(guān)要求，本橋位處設(shè)計(jì)軌頂高程在71.0～73.5 m。

（4）天河機(jī)場(chǎng)與橋位區(qū)域直線距離約8.7 km。橋梁區(qū)域位于航空障礙物限值面內(nèi)，該處限高90 m。為了盡量減小對(duì)鐵路的影響，避免開挖鐵路路塹邊坡，將橋墩設(shè)置在鐵路邊坡以外，第一處鐵路區(qū)域橋跨應(yīng)大于210 m。在該跨徑范圍內(nèi)主要適用的橋型有連續(xù)剛構(gòu)橋、矮塔斜拉橋和拱橋。由于橋墩高度僅10 m左右，顯然連續(xù)剛構(gòu)橋不合適。如果是矮塔斜拉橋，綜合考慮第二處跨越需要，可采用（145+250+145）m跨徑布置，軌道交通橋橋塔高跨比一般為1/8～1/10，則最小塔高25 m，塔頂高程超過天河機(jī)場(chǎng)障礙物限制面。拱橋施工較復(fù)雜，對(duì)鐵路運(yùn)營影響很大，且只能采用中承式或下承式拱橋，拱圈頂部高程也超過90 m，方案不可行。以上研究表明，將橋墩完全放置在鐵路邊坡以外無合適的實(shí)施方案，可考慮將橋墩設(shè)置在邊坡上以減小橋梁跨度。

綜合考慮橋位區(qū)各控制性條件、施工方法、工程投資、施工工期和合龍段位置等因素，經(jīng)鐵路局同意，主橋采用（86+2×156+86）m連續(xù)梁橋方案。為減小對(duì)既有鐵路影響，主梁采用懸臂澆筑然后轉(zhuǎn)體施工方法[5-6]。轉(zhuǎn)體前主梁邊緣至鄰近鐵路中心最小距離13.3 m，承臺(tái)邊緣至鄰近鐵路中心最小距離12.8 m，跨中合龍段至鄰近鐵路中心最小距離9.1 m，橋下鐵路最小凈空高度19.7 m。因此，橋梁各部位的施工和運(yùn)營階段均不會(huì)侵入鐵路的建筑界限以內(nèi)，且距離鐵路平面和立面上均有足夠的安全空間。橋型立面布置見圖2。

圖2 立面布置圖（單位：m）

3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁構(gòu)造

主梁采用變高度單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。中支點(diǎn)截面梁高11.5 m（高跨比1/13.57），中跨跨中合龍段、邊跨現(xiàn)澆段、邊跨合龍段梁高6.0 m（高跨比1/26）。梁體下緣除中跨跨中18 m梁段、中墩6 m梁段、邊跨端部8 m梁段為等高直線段外，其余梁底下按1.8次拋物線變化。

箱梁頂寬9.6 m，底寬6 m，翼緣板端部厚20 cm，翼緣板根部厚80 cm。箱梁頂板厚50 cm，次邊跨邊支點(diǎn)處局部加厚到85 cm，中支點(diǎn)處局部加厚到100 cm；中跨和次邊跨腹板厚度為50～110 cm，中支點(diǎn)處局部加厚至135 cm，邊跨腹板局部加厚至70 cm。底板厚由中跨和次邊跨直線段的50 cm按1.8次拋物線變化至120 cm，中支點(diǎn)再加厚至200 cm。梁部截面見圖3、圖4。

圖3 中支點(diǎn)截面圖（單位：cm）

圖4 邊支點(diǎn)、跨中截面圖（單位：cm）

主梁0號(hào)塊長(zhǎng)12 m，一般懸臂澆筑梁端為3.0 m、3.5 m、4.0 m，合龍段長(zhǎng)2.0m，邊跨現(xiàn)澆段（含牛腿）長(zhǎng)8.1 m。主梁采用C55混凝土。

連續(xù)梁共設(shè)5道橫隔梁和6道橫隔板。中支點(diǎn)處橫隔梁厚5.0 m，邊中支點(diǎn)處橫隔梁厚2.0 m。在懸臂澆筑19#節(jié)段設(shè)置0.5 m厚的橫隔板。橫隔梁、橫隔板處均設(shè)有孔洞供檢查人員通過。

縱向預(yù)應(yīng)力采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa的17、19-φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，鋼束均采用兩端張拉，預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管成孔。豎向預(yù)應(yīng)力采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為fpk=1 860 MPa的3-φs15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，鋼束采用一端張拉，張拉端位于箱梁頂板處，采用二次張拉工藝。

3.2 主要荷載與計(jì)算參數(shù)

（1）主梁采用C55混凝土，容重取26 kN/m3。

（2）二期恒載考慮線路設(shè)備重、接觸軌、疏散平臺(tái)、預(yù)制擋板、各種管線及其支承設(shè)備、聲屏障、防水層、保護(hù)層等，本連續(xù)梁二期恒載為101.1 kN/m。

（3）混凝土收縮和徐變按《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092－2017）辦理。

（4）活載：A型車6輛編組，預(yù)留8A條件。

（5）橋墩不均勻沉降取2 cm。

（6）結(jié)構(gòu)整體升降溫按±25℃計(jì)，箱梁頂板非線性升降溫按±10℃計(jì)

（7）掛籃重按1 000 kN考慮。

3.3 主梁主要靜力計(jì)算結(jié)果

采用橋梁博士V4.2進(jìn)行施工階段和運(yùn)營階段主梁靜力分析。主梁平行于鐵路方向懸臂現(xiàn)澆施工，待最大懸臂狀態(tài)后轉(zhuǎn)體施工，然后合龍邊跨，再合龍中跨。主梁計(jì)算結(jié)果如下：

（1）運(yùn)營階段主梁強(qiáng)度和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 運(yùn)營階段主梁強(qiáng)度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

（2）梁體豎向撓度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 主梁豎向撓度計(jì)算結(jié)果

（3）在列車靜活載作用下，梁端單端轉(zhuǎn)角為0.41‰，小于3‰規(guī)范限值。軌道鋪設(shè)完成后，梁體中跨跨中10 a徐變上拱值為6.1 mm，小于20 mm規(guī)范限值。

（4）經(jīng)檢算，由恒載（含預(yù)加力）和靜活載引起的豎向撓度大于15 mm，主梁應(yīng)設(shè)置預(yù)拱度，其拱度曲線與恒載加1/2豎向靜活載所產(chǎn)生的撓度曲線基本相同，但方向相反，按余弦曲線設(shè)置。本橋預(yù)拱度中跨反拱最大值41.8 mm，邊跨反拱值最大值31.3 mm。

3.4 主梁設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）合理設(shè)計(jì)減少梁體殘余徐變變形

主梁截面長(zhǎng)期處于偏心受壓狀態(tài)，必然出現(xiàn)徐變上拱或下?lián)希㈦S截面上下緣應(yīng)力差值的增大而增加。設(shè)計(jì)中加大了跨中截面高度，以提高梁豎向剛度，改善梁下緣應(yīng)力。同時(shí)，跨中設(shè)置18 m等截面段，在加大跨中梁高的同時(shí)，基本不增加工程量。在設(shè)計(jì)中合理布置頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)力鋼束，使梁體在鋪軌后截面上下緣應(yīng)力基本相等，從而使梁體跨中殘余徐變變形大大減小[7-8]。本橋主梁鋪軌后中跨跨中截面上緣壓應(yīng)力為6.95 MPa，截面下緣壓應(yīng)力為8.15 MPa。

（2）采用二次張拉豎向鋼絞線預(yù)應(yīng)力體系改善腹板抗裂性能

箱梁腹板豎向預(yù)應(yīng)力的設(shè)置主要是為了增強(qiáng)抗剪能力，抑制腹板開裂。豎向預(yù)應(yīng)力一般均為短束，傳統(tǒng)的精軋螺紋鋼豎向預(yù)應(yīng)力體系回縮大、預(yù)應(yīng)力損失大，且存在易拉斷、施工質(zhì)量難以控制等問題，有效預(yù)應(yīng)力難以保證。設(shè)計(jì)中采用二次張拉豎向鋼絞線預(yù)應(yīng)力體系，其回縮量小，有效預(yù)應(yīng)力保證率高，大大改善了腹板抗裂性能。

4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

4.1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)構(gòu)成[9-10]。轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的關(guān)鍵。牽引系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的能力，主要由牽引設(shè)備、助推千斤頂支座、牽引反力座構(gòu)成。平衡系統(tǒng)主要由球鉸、撐腳、助推千斤頂支座等構(gòu)成，主要作用是確保轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)和安全。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面圖見圖5，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面圖見圖6。

圖5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面圖（單位:cm）

圖6 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面圖（單位:cm）

主墩基礎(chǔ)均為16根φ1.8 m鉆孔樁基礎(chǔ)，階梯式雙層鋼筋混凝土承臺(tái)。上承臺(tái)（上轉(zhuǎn)盤）厚2.7 m，下承臺(tái)厚3.5 m，上承臺(tái)、下承臺(tái)中間設(shè)0.8 m的平轉(zhuǎn)空間。承臺(tái)采用C40混凝土，轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土，封鉸采用C50微膨脹混凝土。

球鉸由上球鉸、下球鉸、球鉸間四氟乙烯板、固定上下球鉸的鋼銷、下球鉸鋼骨架組成。設(shè)計(jì)豎向承載力150 000 kN，為中心承重轉(zhuǎn)體，球體半徑8 m，球面投影直徑3.9m。上轉(zhuǎn)盤沿直徑10 m的圓周上設(shè)置8對(duì)撐腳，每對(duì)撐腳為φ800 mm×24 mm的雙鋼管柱，撐腳內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。在撐腳的下方設(shè)有環(huán)形滑道，滑道寬度90 cm，轉(zhuǎn)體前在滑道面鋪裝5 mm厚不銹鋼板和5 mm厚聚四氟乙烯板，安裝撐腳時(shí)確保撐腳與下滑道的間隙為15 mm。

4.2 轉(zhuǎn)體施工

主梁平行于鐵路方向掛籃懸臂澆筑，澆筑完成20#節(jié)段、張拉預(yù)應(yīng)力后形成最大懸臂狀態(tài)。砂箱在轉(zhuǎn)體前拆除，使上部荷載集中于球鉸之上，形成轉(zhuǎn)動(dòng)體系。為了保證轉(zhuǎn)體過程中體系平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，要求預(yù)先調(diào)整體系的質(zhì)量分布，使其質(zhì)量處于平衡狀態(tài)。為此，將對(duì)轉(zhuǎn)體梁橫向不平衡力矩測(cè)試、轉(zhuǎn)體梁縱向不平衡力矩測(cè)試、摩阻系數(shù)測(cè)試、轉(zhuǎn)體姿態(tài)分析、轉(zhuǎn)體梁平衡配重。到達(dá)設(shè)計(jì)位置、精確測(cè)量并臨時(shí)限位后，鎖定轉(zhuǎn)體球鉸，澆筑封鉸混凝土、封固轉(zhuǎn)盤。

149#、150#及151#墩處T構(gòu)轉(zhuǎn)體角度分別為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)43.9°、41.0°及66.6°。轉(zhuǎn)體角速度取0.01 rad/min，懸臂端最大線速度不超過1.5 m/min，單個(gè)T構(gòu)轉(zhuǎn)體用時(shí)約120 min。

5 減小對(duì)既有鐵路影響措施

（1）橋墩承臺(tái)基坑采用隔離樁和放坡錨噴支護(hù)方式[11]?；余徑F路一側(cè)采用隔離樁進(jìn)行支護(hù)，隔離樁采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，樁底嵌入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中1.0 m以上?；悠溆嗖课徊捎梅牌洛^噴支護(hù)，其中149#橋墩承臺(tái)基坑深10.9 m，根據(jù)地質(zhì)情況按不同坡比分兩級(jí)開挖，兩級(jí)邊坡間設(shè)置2.0 m寬馬道平臺(tái)。150#、151#號(hào)橋墩承臺(tái)基坑深度分別7.3 m、5.5 m，采用一級(jí)放坡。各級(jí)邊坡均采用噴錨防護(hù)，錨桿采用全長(zhǎng)黏結(jié)水泥砂漿錨桿，間距2.0×2.0 m。在坡頂距坡口不小于5 m處設(shè)置截水溝，以降低水流對(duì)邊坡的沖刷。經(jīng)計(jì)算，基坑開挖和橋梁施工各階段既有鐵路路基附加沉降均滿足規(guī)范要求。

（2）為最大限度地減少中跨合龍段施工對(duì)既有鐵路運(yùn)營的影響，149#、150#號(hào)墩間跨中合龍段設(shè)置外模鋼結(jié)構(gòu)，并在合龍吊籃下方設(shè)置二次兜底措施，防止跨中合龍施工時(shí)材料和設(shè)備掉入鐵路中。

（3）樁基施工過程中鉆機(jī)設(shè)置地錨防止傾覆影響鐵路運(yùn)營。

（4）在鐵路上方一定區(qū)域設(shè)置2 m高防拋網(wǎng)，避免墜物影響鐵路運(yùn)營。

（5）連續(xù)梁排水采用橋面排水方式，防止外掛排水管漏水或老化脫落影響鐵路運(yùn)營。在主墩位置主梁設(shè)置擋水塊和豎向排水管，將橋面排水引入鐵路邊溝內(nèi)。

6 結(jié) 語

（1）受橋位區(qū)地形地貌、既有鐵路布置和天河機(jī)場(chǎng)限高等因素影響，武漢軌道交通前川線上跨京廣上行貨運(yùn)線區(qū)域采用（86+2×156+86）m連續(xù)梁橋方案，其跨度為國內(nèi)城市軌道交通同類型橋梁之最。經(jīng)計(jì)算分析，滿足規(guī)范要求。

（2）采用轉(zhuǎn)體施工方法，減小施工過程對(duì)既有鐵路運(yùn)營的干擾。轉(zhuǎn)體噸位達(dá)到15 000 t，居國內(nèi)城市軌道交通轉(zhuǎn)體橋梁前列。

（3）橋墩承臺(tái)基坑采用隔離樁和放坡錨噴支護(hù)方式。經(jīng)計(jì)算，基坑開挖和橋梁施工各階段既有鐵路路基附加沉降均滿足規(guī)范要求。