濟南齊魯黃河大橋總體方案研究

王 偉

（濟南城市建設(shè)集團有限公司，山東 濟南250131）

1 項目背景

齊魯黃河大橋是濟南北跨攜河發(fā)展的“三橋一隧”戰(zhàn)略通道之一，經(jīng)過濟南市槐蔭區(qū)、天橋區(qū)，南起齊魯大道與濟齊路交叉口，接現(xiàn)狀齊魯大道，依次跨越美里路、濟廣高速，經(jīng)過鄭家店村東，跨越黃河后，與G309 交叉相交。路線的主要控制點有路線起點、濟廣高速現(xiàn)狀橋孔、黃河特大橋橋位、邯濟鐵路線、路線終點、沿線村莊等。

目前，濟南市域內(nèi)溝通黃河兩岸的交通設(shè)施嚴重不足，城市道路過河通道僅建邦黃河大橋、濟南黃河一橋以及零星浮橋，導(dǎo)致現(xiàn)狀大橋擁堵嚴重，交通壓力過大，亟需建造新的過河交通設(shè)施緩解日益增長的交通壓力。本項目建設(shè)是貫徹濟南市“攜河發(fā)展”戰(zhàn)略，對完善區(qū)域規(guī)劃路網(wǎng)、提高路網(wǎng)運輸能力、改善區(qū)域交通出行環(huán)境有重要意義[1]（見圖1）。

圖1 項目地理位置圖

2 建設(shè)條件

2.1 地形、地貌

場地地貌單元屬黃河沖洪積平原與山前沖洪積傾斜平原疊交地帶，局部微地貌單元系黃河河床，原始地形較平坦。受黃河淤積及人工填筑的作用，形成中間高，南北兩側(cè)低的地形，河漫灘地面標高27.5～29.0 m，黃河大堤堤頂標高約32.8～36.7 m，堤壩外側(cè)地面標高約23.0～25.0 m。沿線兩岸基本無開發(fā)，現(xiàn)狀主要為村莊和農(nóng)田。

2.2 地質(zhì)[2]

場地為黃河沖洪積平原與山前沖洪積傾斜平原疊交地帶，局部微地貌單元系黃河河床，地形較平坦，第四系覆蓋層厚度較大，厚度50～80 m。工程場地?zé)o不良地質(zhì)。

2.3 河流與水文

黃河干流從平陰縣清河門進入濟南市境，沿市境北部逶迤東北，流經(jīng)平陰、長青、濟南市郊區(qū)、歷城及章丘，于章丘黃河鄉(xiāng)的常家莊出境，流經(jīng)市境長度172.9 km。黃河濟南段現(xiàn)行河道，是1855 年黃河在銅瓦廂決口，北徙奪大清河，改道至利津注入渤海時形成的，市境黃河流向自西南而東北，地面相對穩(wěn)定。

擬建工程河段位于濼口水文站上游，該河段為黃河下游彎曲性河道，黃河河道在該河段主河槽形態(tài)及位置相對比較穩(wěn)定，大堤寬約1.4 km，河道斷面形態(tài)為復(fù)式，主槽一般呈U 型斷面，主河槽水面寬約400～600 m，灘地寬一般為300～1 200 m，主河槽平均水深4.6 m，寬深比約4～5。河道彎曲系數(shù)一般在1.20 左右，河道縱比降約0.01%。

2.4 通航

根據(jù)《黃河水系航運規(guī)劃報告》（交通部黃河水系航運規(guī)劃辦公室，1988 年），橋位河段規(guī)劃為Ⅳ級航道。

2.5 地震[3]

本場地位于濟南市，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），判定本場地抗震設(shè)防烈度為7 度，屬設(shè)計地震第三組。擬建工程抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類（甲類），場地及鄰近地區(qū)全新世以來未見活動斷裂，場地較穩(wěn)定，可作為建設(shè)用地。

3 設(shè)計主要限制因素

3.1 路網(wǎng)銜接

項目區(qū)域內(nèi)道路網(wǎng)發(fā)達，與本項目相關(guān)的主要道路有京福高速公路、濟廣高速公路、國道309、國道308、二環(huán)西路快速路、臘山河西路和濟齊路。項目總體方案選擇應(yīng)考慮好與周邊路網(wǎng)銜接工作。

3.2 黃河水利委員會行政審批

黃河水利委員會對相鄰跨黃橋梁間距要求高，線位選擇條件復(fù)雜。根據(jù)黃委會要求，本工程跨黃線位與上游京滬高鐵跨黃河大橋及下游濟南建邦黃河大橋的間距需滿足一定要求，中間還要避開黃河水文測量斷面，選線條件復(fù)雜。另一方面，黃河防洪要求高，橋梁布跨要求嚴格，橋型選擇受限。

跨黃河大橋應(yīng)按照黃河水利委員會對跨黃河橋梁線位間距要求進行選線，按照防洪評價中的橋梁布跨及標高等要求進行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，是本項目需重點考慮的問題。

3.3 公路與軌道建設(shè)方式

依據(jù)濟南市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃，遠期擬新增一條軌道交通線位沿齊魯大道北延布設(shè)，并與本通道工程一并過河。

本項目跨黃河橋梁設(shè)計需考慮與軌道交通的合建與銜接，要求跨黃河段橋梁為公軌合建，兩側(cè)接線為公軌分建。如何處理好橋梁與軌道交通的合建、分建關(guān)系、與軌道交通的銜接條件、施工及運營期的相互影響是總體設(shè)計主要任務(wù)之一。

4 總體設(shè)計方案

4.1 路線方案設(shè)計

路線方案設(shè)計將兩岸接線與橋位選址結(jié)合起來整體研究，結(jié)合路線的主要控制因素，從方案與上游京滬高鐵大橋的距離出發(fā)，優(yōu)化組合，選定了近、中、遠4 條線位，分別為距離京滬高鐵大橋最近的A 線位，距離京滬高鐵大橋適中的K 線位、以及距離京滬高鐵大橋最遠的B、B'線位（見圖2）。

圖2 線位K 示意圖

4 條線位A、K、B、B' 之間最大的區(qū)別在于與上游京滬高鐵大橋的間距，以下就與規(guī)劃銜接、功能定位、線形條件等方面做綜合比選，如表1 所示。

表1 路線方案比選一覽表

線位A 距京滬高鐵大橋過近，本通道施工運營中可能對現(xiàn)狀橋梁有影響，并且橋較難通過黃委會審批；線位K 與京滬高鐵大橋距離適中，與規(guī)劃銜接較好；線位B 與京滬高鐵大橋距離相對最遠，但與規(guī)劃路網(wǎng)相差較大，道路繞行較遠；線位B'無法直接串聯(lián)西客站次中心和桑梓店地區(qū)中心，不符合近期通道建設(shè)意圖。綜上所述，本通道工程擬推薦線位K。

4.2 公軌橋梁建設(shè)模式

根據(jù)前期橋隧方案比選結(jié)論，隧道方案工程風(fēng)險大，投資高，因此本通道采用橋梁形式過河。軌道交通與本通道的總體布置模式存在合建和分建兩種方式。

4.2.1 公軌分建

軌道交通若單獨采用橋梁形式過河，占用寶貴的過河通道資源，且橋梁過密不滿足黃委會對黃河橋梁間距的要求，難以通過黃委會批復(fù)。故公軌分建軌道交通宜采用隧道形式。

軌道交通采用隧道方式過河，并在黃河南北兩岸沿齊魯大道采用地下線布置。齊魯大道橋梁僅考慮機動車、非機動車和行人過河需求布置。本布置模式造價相對合建更高昂，若采用該模式布置，橋梁方案與后續(xù)介紹的公軌合建同層布置方案基本相同（除橋梁橫向?qū)挾确矫娲嬖诓町悾?，軌道采用單獨的盾?gòu)穿越黃河。

4.2.2 公軌合建

綜合分析國內(nèi)外已（在）建公軌合建橋梁斷面布置[4-8]，如表2 所示，一般存在以下公軌同層和公軌分層兩種布置模式。

表2 國內(nèi)外城市道路、公路與軌道交通合建橋梁一覽表

根據(jù)調(diào)研國內(nèi)已（在）建公軌合建橋梁，尤其是公路橋梁或鐵路橋梁，采用分層布置模式居多，即上層布置車行道、下層布置軌道交通及慢行系統(tǒng)。本次方案設(shè)計分層方案如圖3 所示，將機動車道布置在上層，下層布置軌道交通、非機動車道和人行道，從而大大降低慢行系統(tǒng)過河的爬坡高度。

圖3 公軌分層布置橋梁橫斷面（單位：m）

根據(jù)調(diào)研國內(nèi)已（在）建公軌合建橋梁，同層布置的有：上海軌道交通6 號線趙家溝大橋、上海長江大橋、重慶鵝公巖長江大橋、重慶魚洞長江大橋等。從軌道交通在橋面布置的位置來看，除上海長江大橋軌道交通布置在車行道外側(cè)，其他均布置在車行道中間（即橋梁結(jié)構(gòu)中心）。上海長江大橋由于橋梁長度較大，布置在中間無法設(shè)置掉頭區(qū)等軌道交通事故救援的必須措施而將軌道交通布置在兩側(cè)。

從結(jié)構(gòu)受力的合理性以及軌道交通運行的安全性上來看，軌道交通布置在外側(cè)橋面排水不易處理，列車靠近拉索，對拉索疲勞也不利。在發(fā)生緊急情況時，軌道交通布置在橋梁內(nèi)側(cè)對疏散人群更為有利。為此，本次設(shè)計按照公軌同層軌道居中布置進行設(shè)計，如圖4 所示。

圖4 公軌同層布置橋梁橫斷面（單位：m）

對于公軌合建的不同布置方式，各有其優(yōu)缺點，具體比較如下表3 所示。

表3 公軌合建橋梁布置形式比選

4.2.3 比選結(jié)果

公軌合建的建設(shè)模式能更集約地利用過河通道資源，節(jié)省工程投資，但城市道路與軌道交通建設(shè)往往不同步，方案需充分考慮軌道交通需求，做好預(yù)留。市政道路與軌道交通建設(shè)主體不同，建設(shè)及后期管養(yǎng)協(xié)調(diào)難度和工作量都較大；公軌分建模式建設(shè)和管養(yǎng)等協(xié)調(diào)工作簡單，但浪費寶貴的過河通道資源，工程投資相對也高。相比較而言，濟南黃河段過河通道資源相對稀缺，采用分建模式不利于遠期再新增過河通道。因此，本通道擬采用公軌合建模式，預(yù)留遠期軌道交通過河需求。

對于公軌合建軌道布置方式而言，公軌合建分層布置因受結(jié)構(gòu)高度影響，機動車爬坡高、橋梁接線長，且鋼結(jié)構(gòu)養(yǎng)護困難，不適用于本通道機動車需盡快落地的情形；公軌合建同層軌道居中布置則結(jié)構(gòu)完全對稱，國內(nèi)建成的實例也較多，機動車爬坡高度相對較小。本工程擬推薦采用公軌合建同層軌道居中的布置模式。

4.3 跨黃河大橋設(shè)計

4.3.1 控制條件

根據(jù)黃建管[2007] 48 號文件要求：在黃河干流陶城鋪以下河段主河槽孔跨不少于180 m，灘地不少于50 m，跨越方式為全橋跨越。

根據(jù)《齊魯大道北延跨黃河大橋防洪評價報告》[9]，擬建橋梁橋位河槽斷面圖如圖5 所示，現(xiàn)狀主河槽寬度為575.8 m，通過分析橋位上下游歷年斷面變化及主槽左右起點距變化，因此確定橋位斷面主槽寬度最大為610 m。

圖5 河槽斷面圖

黃河堤身設(shè)計斷面內(nèi)不得設(shè)置橋墩。橋梁跨越堤防，橋墩應(yīng)離開堤身設(shè)計堤腳線一定距離（原則上黃河不得小于5 m）。

根據(jù)《黃河水系航運規(guī)劃報告》（交通部黃河水系航運規(guī)劃辦公室，1988 年），橋位河段規(guī)劃為Ⅳ級航道。

本橋橋位與現(xiàn)狀京滬高鐵黃河鐵路大橋距離較近，總體布置上應(yīng)考慮增大跨徑以減少橋墩數(shù)量，從而減小對行洪的影響，經(jīng)過與防洪專題單位溝通后確定，兩岸大堤內(nèi)只布置兩個橋墩。

4.3.2 孔跨布置

考慮到上述控制條件，結(jié)合防洪評價單位推薦布跨意見，齊魯黃河大橋的孔跨布置如下：橋梁以全橋跨方式跨越黃河，主橋推薦方案孔跨布設(shè)為95 m+280 m+420 m+280 m+95 m，主河槽跨度為420 m，灘地跨度為280 m，淤背區(qū)跨度為95 m，主橋全長1 170 m，滿足黃建管[2007] 48 號文件相關(guān)規(guī)定。

跨黃河大橋方案比選考慮不同橋型方案及相應(yīng)合理邊中跨比，主河槽跨度適當增加，灘地跨度適當減小，保證主橋長度不變并滿足橋跨控制條件。

4.3.3 主橋方案

結(jié)合防洪評價單位推薦布跨意見，進行了兩種主橋方案比選。

（1）系桿拱橋方案

主橋方案一采用網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋，跨徑布置為（95+280）+420+（280+95）=1 170 m。橋面寬度60.7 m?？傮w布置如圖6 所示，橫斷面布置如圖4 所示。

圖6 方案一網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋總體布置（單位：m）

420 m 跨拱矢跨比為1/6，矢高70 m，內(nèi)傾角度3.0°；280 m 跨拱矢跨比也為1/6，矢高46.67 m，內(nèi)傾角度5.3°，拱肋采用五邊形鋼箱斷面。拱肋橫聯(lián)形式采用一字撐，撐桿為八邊形鋼箱斷面。吊索采用網(wǎng)狀布置，主梁上標準間距為9 m，順橋向傾角約60°。主梁采用正交異性組合橋面板組合梁，梁高4.15 m。下部結(jié)構(gòu)采用尖端型薄壁墩形式，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

約束體系：95 m+280 m 一聯(lián)在P19 墩設(shè)置順向固定支座，其余橋墩設(shè)置順向活動支座；420 m 一聯(lián)在P20 墩設(shè)置順向固定支座，其余橋墩設(shè)置順向活動支座；280 m+95 m 一聯(lián)在P21 墩設(shè)置順向固定支座，其余橋墩設(shè)置順向活動支座；主橋三聯(lián)在各橋墩均設(shè)置一個橫向固定支座、一個橫向活動支座。全橋共設(shè)置16 個豎向支承支座。

（2）雙塔斜拉橋方案

主橋方案二采用雙塔組合梁斜拉橋，跨徑布置為95+240+500+240+95=1 170 m。橋面寬度60.7 m?？傮w布置如圖7 所示。

圖7 方案二雙塔斜拉橋總體布置（單位：m）

主塔采用A 形橋塔，主塔塔身高約143 m，橋面以上塔高122.5 m。全橋共216 根拉索，呈空間雙索面扇形布置。主梁采用正交異性組合橋面板組合梁，鋼梁高4.0 m，橋面板厚0.15 m。邊墩、輔助墩沿橫橋向設(shè)置兩個，采用獨柱墩。主塔基礎(chǔ)采用45?2.0 m鉆孔灌注樁；邊墩、輔助墩采用2×8?2.0 m 鉆孔灌注樁，分離式承臺，如圖8 所示。

圖8 方案二橋塔構(gòu)造圖（單位：m）

采用扭絞型平行鋼絲斜拉索，冷鑄錨，鋼絲標準強度1 860 MPa。全橋共144 根斜拉索，最長斜拉索長度約264 m。斜拉索外設(shè)雙層PE 護套，顏色可根據(jù)景觀要求選用。對拉索表面采取螺旋線、凹坑等氣動輔助措施，以及在斜拉索兩端安裝內(nèi)置式阻尼器，以提高斜拉索抗風(fēng)雨振性能。

主橋采用漂浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁與主塔之間無豎向支座，設(shè)置縱向連接裝置。橋墩上均設(shè)置豎向支承。

（3）綜合比選

兩種主橋方案比選表如表4 所示。綜合技術(shù)難度、施工風(fēng)險、施工周期、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、景觀效果及工程造價，考慮到濟南黃河上斜拉橋過多，在造價基本相當?shù)那疤嵯?，推薦采用結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)的網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋。

表4 橋梁方案比選表

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地介紹了濟南齊魯黃河大橋工程的項目背景、建設(shè)條件、設(shè)計主要限制因素、總體方案、橋型比選等內(nèi)容，綜合考慮了周邊路網(wǎng)銜接、黃委要求、工程造價等因素，比選確定了總體路線方案。

在大量調(diào)研國內(nèi)外公軌合建橋梁建設(shè)方式的前提下，結(jié)合本項目工程背景及實際情況，本工程擬推薦采用公軌合建同層軌道居中的布置模式，并預(yù)留遠期軌道交通過河需求。

結(jié)合跨黃河大橋設(shè)計控制條件，進行了網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋和雙塔斜拉橋兩種主橋方案總體布置與設(shè)計，綜合技術(shù)難度、施工風(fēng)險、施工周期、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、景觀效果及工程造價，考慮到濟南黃河上斜拉橋過多，在造價基本相當?shù)那疤嵯拢扑]采用結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)的網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋方案。