高郵至鎮(zhèn)江特大橋總體設(shè)計(jì)及技術(shù)創(chuàng)新

陳 杰

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 概述

連鎮(zhèn)高鐵全線線路長(zhǎng)304.5 km，正線橋梁275.5 km，占比90.5%，超過(guò)10 km的特大橋有8座，見(jiàn)表1[1]。高郵至鎮(zhèn)江特大橋?yàn)槿€最長(zhǎng)橋梁，位居世界長(zhǎng)橋前列[2-3]，見(jiàn)表2。本文以此橋?yàn)槔?，介紹高速鐵路超長(zhǎng)特大橋設(shè)計(jì)。

表1 連鎮(zhèn)高鐵橋長(zhǎng)10 km以上特大橋

表2 部分世界長(zhǎng)橋統(tǒng)計(jì)

1.1 建設(shè)條件

高郵至鎮(zhèn)江特大橋起位于高郵市周山鎮(zhèn)，平行于京滬高速公路向南設(shè)高郵高架站、邵伯線路所、揚(yáng)州東高架站，終止于鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)高橋鎮(zhèn)，見(jiàn)圖1。

圖1 高郵至鎮(zhèn)江特大橋線路平面

沿線經(jīng)過(guò)里下河沖湖積平原區(qū)、長(zhǎng)江漫灘平原區(qū)，水系、湖泊、河渠縱橫，公路、水路交通發(fā)達(dá)?？缭礁咚?、鹽邵河等等級(jí)航道11條；夾江、金灣河等洪評(píng)河流67條；京滬高速高郵匝道、八橋匝道、揚(yáng)溧高速公路等高速及國(guó)省干道10條；文昌東路、萬(wàn)福路等主要城市道路10余條；西氣東輸、江蘇油田原油管等油氣管線23條；既有寧啟鐵路、新建淮揚(yáng)左線、淮泰右線鐵路各1處。

地層主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積形成的黏性土、粉土、砂土等，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度(高郵段部分為Ⅵ度)。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí):高速鐵路；

設(shè)計(jì)速度:250 km/h；

正線數(shù):雙線，線間距4.6 m；

軌道類型:無(wú)縫線路，有砟軌道；

設(shè)計(jì)荷載:ZK活載[4]；

洪水頻率:1/100。

1.3 主要設(shè)計(jì)原則

標(biāo)準(zhǔn)跨度32 m、24 m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁采用通橋(2016)2229[5-6]，采用大跨度連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)跨通航、防洪河流、立交道路，位于高郵高架站、揚(yáng)州東高架站、邵伯線路所等道岔區(qū)段上的橋梁采用道岔連續(xù)梁。全橋僅在跨夾江剛構(gòu)連續(xù)梁設(shè)溫度調(diào)節(jié)器。

標(biāo)準(zhǔn)墩采用通橋(2009)4201圓端型實(shí)體橋墩，與水流夾角較小時(shí)采用圓形實(shí)體橋墩。橋臺(tái)采用矩形空心橋臺(tái)。樁基以鉆孔樁為主，環(huán)境及地質(zhì)條件允許時(shí)采用預(yù)制管樁。

橋面附屬設(shè)施參考通橋(2016)8388A執(zhí)行。

2 橋梁技術(shù)特點(diǎn)

2.1 建設(shè)條件復(fù)雜

橋梁與河流、道路、管線交叉眾多；穿越揚(yáng)州江都區(qū)、生態(tài)科技新城，城鎮(zhèn)區(qū)域環(huán)境敏感點(diǎn)多；高郵高架站、揚(yáng)州東高架站、邵伯線路所橋群綜合設(shè)計(jì)復(fù)雜[7]；跨越既有寧啟鐵路安全風(fēng)險(xiǎn)大。

超長(zhǎng)特大橋相比一般特大橋還有以下特點(diǎn):

(1)橋長(zhǎng)特別長(zhǎng)，需分段設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌接口設(shè)計(jì)復(fù)雜?？鐦?biāo)段架梁、下部結(jié)構(gòu)、橋面系、救援通道等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)需劃分明確。

(2)施工標(biāo)段多，分段推進(jìn)，組織管理難度很大。高郵至鎮(zhèn)江特大橋分為5個(gè)標(biāo)段施工，5年施工期間有多處施工交叉需合理組合和銜接。

2.2 橋梁特殊結(jié)構(gòu)多

高郵至鎮(zhèn)江特大橋預(yù)制簡(jiǎn)支梁2 490孔，現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁163孔，連續(xù)梁等特殊結(jié)構(gòu)達(dá)51聯(lián)-9 008.2 m，特殊結(jié)構(gòu)占橋梁總長(zhǎng)度的10%，見(jiàn)表3。

表3 __高郵至鎮(zhèn)江特大橋特殊結(jié)構(gòu)

3 重點(diǎn)橋梁橋式方案比較

高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨越淮河入江水道主要泄洪通道夾江[8]，橋址處河寬約740 m，設(shè)計(jì)流量Q1%＝9 752 m3/s，設(shè)計(jì)流速V1%＝1.31 m/s。 平均水深19.2 m，最大水深24.77 m。設(shè)計(jì)采用了三個(gè)橋式方案進(jìn)行比較，見(jiàn)圖2及表4。

圖2 高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨夾江橋式方案(單位:cm)

表4 高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨夾江主河槽段方案比較

綜合比較分析，剛構(gòu)連續(xù)梁方案深水橋墩少，施工工藝成熟，運(yùn)營(yíng)維修少。結(jié)合防洪評(píng)價(jià)審查批復(fù)意見(jiàn)，采用(60.75+4×100+60.75)m剛構(gòu)連續(xù)梁跨越夾江。

4 設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新

4.1 鐵路橋梁大直徑管樁應(yīng)用

連鎮(zhèn)高鐵在高郵至鎮(zhèn)江特大橋先期開(kāi)工段X316號(hào)墩進(jìn)行了跟鉆法管樁試驗(yàn)[9]。跟鉆法是在PHC管樁中空部插入專用鉆頭，邊鉆孔取土邊將樁沉入土中的一種沉樁施工方法。在底部持力層注漿攪拌形成擴(kuò)大球根，管樁插入球根內(nèi)形成擴(kuò)大頭，以提高單樁承載力[10-11]。管樁靜載試驗(yàn)工點(diǎn)地層情況見(jiàn)圖3。

圖3 X316號(hào)墩處跟鉆法管樁試驗(yàn)地層情況

選取X316號(hào)墩處現(xiàn)場(chǎng)1根鉆孔樁、1根跟鉆法管樁，試驗(yàn)結(jié)果:

(1)直徑0.8 m、樁長(zhǎng)57 m跟鉆法預(yù)制管樁，豎向抗壓極限承載力8 926 kN；直徑1.0 m、樁長(zhǎng)58 m鉆孔灌注樁，豎向抗壓極限承載力9 000 kN，豎向極限承載力相當(dāng)。

(2)樁頂水平位移達(dá)到10 mm時(shí)，1.0 m鉆孔樁水平承載力為350 kN，0.8 m管樁水平承載力300 kN，管樁水平承載力能滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在各級(jí)荷載下，樁身軸力沿樁身呈非線性遞減分布，上部荷載越大，樁身軸力非線性分布越明顯，隨著荷載增加，樁身軸力的遞減幅度增大，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 X316號(hào)墩處鉆孔樁靜載試驗(yàn)樁身軸力-深度分布

圖5 X316號(hào)墩處跟鉆管樁靜載試驗(yàn)樁身軸力-深度分布

(4)跟鉆法擴(kuò)底管樁樁端總阻力占比隨荷載等級(jí)的增加逐漸增大，在9 000 kN極限荷載作用下，樁長(zhǎng)57 m管樁的樁端總阻力占比達(dá)到43%，樁長(zhǎng)58 m鉆孔樁的樁端總阻力占比為18%。鉆孔樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度遠(yuǎn)大于端阻力的發(fā)揮程度(在設(shè)計(jì)豎向荷載4 000 kN作用下，鉆孔樁側(cè)摩阻力占總阻力的95%)。

(5)跟鉆法管樁適用于砂性土，預(yù)制管樁施工速度快、噪聲小、無(wú)泥漿污染，與鉆孔樁費(fèi)用相近。新型管樁工法豐富了鐵路橋梁樁基礎(chǔ)施工方法。

高郵至鎮(zhèn)江特大橋有4 km簡(jiǎn)支橋梁設(shè)計(jì)了錘擊打入法PHC管樁。以693＃墩(雙線32 m簡(jiǎn)支梁，橋墩高9 m)為例，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見(jiàn)表5。打入法管樁比鉆孔樁每個(gè)橋墩約節(jié)省12萬(wàn)元，即每延米橋長(zhǎng)節(jié)省3 670元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表5 693＃墩鉆孔樁與打入法管樁經(jīng)濟(jì)性比較

4.2 簡(jiǎn)支梁調(diào)跨橋墩

連鎮(zhèn)高鐵位于平原水網(wǎng)化地區(qū)，水陸交通發(fā)達(dá)，橋梁長(zhǎng)度長(zhǎng)。針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制32 m、24 m簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁難以滿足孔跨布置和經(jīng)濟(jì)需要時(shí)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)支梁調(diào)跨橋墩。在墩頂局部設(shè)2 m左右的調(diào)節(jié)段，調(diào)節(jié)段外輪廓與相鄰兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)梁一致，當(dāng)調(diào)跨范圍在2～8 m時(shí)可通過(guò)1～3個(gè)調(diào)跨橋墩調(diào)節(jié)跨度，靈活有效地解決了超長(zhǎng)多控制節(jié)點(diǎn)橋梁孔跨布置的難題。同時(shí)，考慮景觀效果優(yōu)化橋墩輪廓尺寸，較好地實(shí)現(xiàn)了非標(biāo)橋墩與相鄰橋墩和箱梁的銜接過(guò)渡。如圖6所示，跨沿江公路、自來(lái)水管、污水管工點(diǎn)，原設(shè)計(jì)方案采用(32+48+32)m連續(xù)梁跨沿江公路，施工過(guò)程發(fā)現(xiàn)埋于地下的自來(lái)水管(直徑1.6 m)及污水管(直徑0.6 m)無(wú)法遷改，如連續(xù)梁加大跨度，主跨需90 m以上且要抬高線路縱斷面，X73墩小里程側(cè)橋墩基礎(chǔ)已無(wú)法調(diào)整，如采用現(xiàn)澆非標(biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支梁由于地質(zhì)較差支架地基處理費(fèi)用偏高。因此，以沿江公路路中分隔帶為中心，向小里程布置標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁，在X73墩頂設(shè)置1.9 m的調(diào)節(jié)段解決前后橋墩位置限制問(wèn)題。橋梁孔跨布置很好地錯(cuò)位避開(kāi)了污水管和自來(lái)水管，并滿足跨越沿江公路布置要求。多控制節(jié)點(diǎn)情況下，簡(jiǎn)支梁調(diào)跨橋墩配合標(biāo)準(zhǔn)梁預(yù)制架設(shè)施工，節(jié)省了投資和工期。

圖6 高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨沿江公路及管線平立面(單位:cm)

4.3 橋面附屬優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)調(diào)研了近年鐵路運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)，混凝土欄桿出現(xiàn)部分欄桿立柱歪斜、脫落、下托梁斷裂等問(wèn)題，連鎮(zhèn)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)采取欄片加高深入遮板取消托梁、用梁端單獨(dú)欄片代替跨縫欄片進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)了欄桿的耐久性。結(jié)合京杭運(yùn)河文化特點(diǎn)，以船帆和波浪為要素，橋梁欄桿采用點(diǎn)綴景觀欄片+波形欄片(見(jiàn)圖7)，形成一種千帆競(jìng)渡、乘風(fēng)破浪的動(dòng)感意象和美好寓意，推動(dòng)建設(shè)精品橋梁工程。

圖7 橋面欄桿立面

5 結(jié)束語(yǔ)

連鎮(zhèn)高鐵高郵至鎮(zhèn)江特大橋是一座超長(zhǎng)橋梁，沿線跨越眾多河流、航道、道路、管線，穿越城鎮(zhèn)，控制工點(diǎn)多，橋梁總體設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[12-14]。總體設(shè)計(jì)建議注意以下內(nèi)容:(1)合理孔跨布置，應(yīng)結(jié)合防洪評(píng)價(jià)、通航論證、立交安全評(píng)估、橋涵協(xié)議、現(xiàn)場(chǎng)情況及規(guī)劃發(fā)展等因素綜合考慮橋跨；(2)盡量標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，常用跨度橋梁盡量采用預(yù)制架設(shè)簡(jiǎn)支梁，減少變跨，橋墩類型盡量歸并，減少類型；(3)深入研究大跨橋梁、橋群、高架車站等復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和比選；(4)加強(qiáng)專業(yè)接口和施工標(biāo)段銜接設(shè)計(jì)。

針對(duì)高郵至鎮(zhèn)江特大橋?qū)蛄簶痘蚨铡蛎娓綄俚冗M(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究，形成跟鉆法新型管樁施工工藝、高鐵簡(jiǎn)支梁調(diào)跨橋墩等研究成果，豐富了高鐵橋梁設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。連鎮(zhèn)高鐵于2015年9月全線開(kāi)工建設(shè)，2020年12月通車運(yùn)營(yíng)。