鄭州市北三環(huán)彩虹橋改建方案研究

寧正芳

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，河南 鄭州 450001）

1 工程概況

鄭州市北三環(huán)彩虹橋位于北三環(huán)與鄭州北編組站交叉位置處，京廣快速路與北三環(huán)交叉位置西側(cè)；鄭州市規(guī)劃快速路網(wǎng)系統(tǒng)采用“環(huán)形+放射”結(jié)構(gòu)，京廣快速路和北三環(huán)是其中的重要快速通道。北三環(huán)彩虹橋西起電廠路東至南陽路立交，高架橋沿線跨越電廠路、鄭州北編組站、京廣路立交橋、京廣鐵路；該橋1993年設(shè)計，1994年建成，原設(shè)計執(zhí)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021—89），荷載標準采用汽超-20，橫斷面布置雙向4車道+非機動車道+人行道，彩虹橋主跨122 m+62 m+62 m+122 m鋼管混凝土拱橋，主橋長368 m，兩端引橋上部結(jié)構(gòu)空心板，下部采用柱式墩，擴大基礎(chǔ)，橋梁全長1 561 m，見圖1。

圖1 鄭州市北三環(huán)彩虹橋主橋[1]

2013年建設(shè)北三環(huán)快速路，設(shè)計荷載采用城-A級，橫斷面采用雙向6車道；北三環(huán)快速路建設(shè)過程中，彩虹橋主橋（跨鐵路編組站大橋）維持雙向4車道，兩側(cè)非機動車道和人行道封閉；彩虹橋引橋改為雙向6車道，兩側(cè)非機動車道取消。

2 結(jié)構(gòu)病害及整治

2008年9月至今，彩虹橋已經(jīng)進行過多次外觀檢查和荷載試驗；外觀檢查發(fā)現(xiàn)橋面多處有較嚴重縱縫、橫縫，嚴重坑槽，部分橋面混凝土松散、破損致使橋面不平整；伸縮縫內(nèi)雜土堵塞嚴重，局部伸縮縫鋼板脫落，混凝土錨固區(qū)開裂，伸縮縫處錯臺較嚴重；上部拱圈結(jié)構(gòu)個別豎桿、斜桿被撞凹陷；南北兩道縱梁滲水堿化較嚴重、縱梁鋼板銹蝕、銹脹嚴重；部分橋道板下?lián)希宓子袡M向裂紋；支座墊石銹脹，支座鋼板有銹蝕現(xiàn)象、部分支座聚四氟乙烯板滑出；墩臺滲水堿化、鋼筋銹脹較嚴重[4]。荷載試驗表明彩虹橋主橋、引橋上部結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計荷載汽-超20要求，運營狀況不安全；橋梁實際剛度減弱，儲備不足（2008年檢測與2018年檢測結(jié)果對比）；2014年檢測發(fā)現(xiàn)，62 m跨東側(cè)端橫梁發(fā)生斷裂。

2019年檢測報告表明，北三環(huán)彩虹橋橋面系、上部結(jié)構(gòu)、支座及下部結(jié)構(gòu)評價均為不合格，總體評價不合格；橋面鋪裝層、伸縮縫、上部結(jié)構(gòu)滲水等病害發(fā)展較明顯，主橋鋼結(jié)構(gòu)銹蝕及鋼筋局部銹脹、混凝土剝落等病害均有一定發(fā)展；該橋整體狀況不斷惡化，安全形勢嚴峻，需盡快封閉交通禁止通行，并對橋梁進行全面加固維修。橋梁病害見圖2～圖4。

圖2 彩虹橋主橋病害圖-斜桿凹陷

圖4 彩虹橋主橋病害圖-橋面破塤

圖3 彩虹橋主橋病害圖-支座銹蝕

3 方案研究

結(jié)合彩虹橋現(xiàn)狀病害和交通情況，方案研究主要針對以下幾方面問題：

（1）現(xiàn)狀彩虹橋主橋高架雙向4車道，通行能力與現(xiàn)狀北三環(huán)快速路高架雙向6車道不匹配，彩虹橋主橋4車道形成交通“瓶頸”。

（2）北三環(huán)與京廣快速路立交為半互通立交，不滿足快速路與快速路交叉設(shè)置全互通要求。

（3）科學(xué)大道立交與京廣路立交間距約800 m、京廣快速路立交與南陽路立交間距約450 m，距離均不滿足設(shè)計規(guī)范1 020 m，易形成立交與立交之間交通擁堵。

（4）彩虹橋現(xiàn)狀已出現(xiàn)較為嚴重病害，危機橋下北三環(huán)輔道交通通行和鐵路運營安全。

彩虹橋存在的問題嚴重制約了區(qū)域交通，影響人民生活出行，亟待加固或改建解決存在問題；本文針對上述問題，主要研究了橋梁加固方案、兩側(cè)新建橋梁方案、拆除新建橋梁方案。

4 橋梁加固方案

橋梁加固主要研究以下3個方案：

（1）加固方案（彩虹橋在電廠路至南陽路立交段全橋加固），工期20個月，估算4.5億[3]；

（2）部分加固部分改擴建方案（彩虹橋在電廠路至京廣路立交之間加固，京廣路立交至南陽路立交之間改擴建），工期22個月，估算6.0億[3]；

（3）近遠期結(jié)合優(yōu)化方案（京廣路立交以西采用橋梁加固方案，京廣路立交以東拆除老橋并新建雙向6車道高架橋，同時在南北兩側(cè)各增加4車道高架，并設(shè)置匝道與京廣路立交匝道和彩虹橋連接），工期26個月，估算12.1億[3]。

加固方案存在以下優(yōu)點：加固方案工程投資較低；加固方案整體工期較短。存在以下缺點：加固方案未能徹底根除橋梁的結(jié)構(gòu)病害問題，彩虹橋設(shè)計使用壽命50 a，加固段橋梁使用壽命30 a與2013年新建北三環(huán)快速化高架橋使用壽命100 a不一致，彩虹橋到達使用壽命后仍需拆除，將造成京廣路立交和東側(cè)北三環(huán)交通中斷；京廣快速路和南陽路立交之間路段距離短，車道數(shù)少，交通擁堵問題沒有得到解決；加固方案除后期正常養(yǎng)護費外，需增加使用期間的連續(xù)監(jiān)測，后維護期費用更高。

針對加固方案存在的缺點，增加兩側(cè)新建和拆除新建方案研究。

所有患者都采用臂叢麻醉，均由同一位高年資主任醫(yī)師進行手術(shù)治療，術(shù)后評價及評分由兩名高年資主任醫(yī)師進行單盲評價。

5 兩側(cè)新建橋梁方案

兩側(cè)新建橋梁方案主要為對現(xiàn)狀北三環(huán)彩虹橋加固，同時兩側(cè)新建從科學(xué)大道立交至南陽路立交雙向6車道高架橋，工期20個月，估算15.8億。

方案存在以下優(yōu)點：現(xiàn)狀彩虹橋及兩側(cè)新建輔道橋，加固工程及新建工程可同時實施，且工期僅需20個月；同時存在以下缺點：（1）彩虹橋?qū)儆谖?，加固后需實時監(jiān)測，影響橋下通行安全；（2）交通功能不完善，現(xiàn)狀京廣路立交東向南、北向東轉(zhuǎn)向功能無法使用，科學(xué)大道主線交通流與南陽路立交無法銜接，南陽路立交喪失功能；（3）投資費用15.0億，整體較高；（4）新建輔道橋兩側(cè)增加占地約73畝；（5）景觀效果差；（6）鐵路凈空沒有改善。

6 拆除新建橋梁方案

科學(xué)大道立交西向東交通流向由南向東、西向東、北向東組成，其中西向東2車道、北向東1車道（雙車道匝道，單車道入口）在合流處合為2車道，與南向東3車道再合流，形成5車道斷面向東延伸，在電廠路下橋匝道分流2車道后，主線以單向3車道向東延伸，在彩虹橋西漸變?yōu)?車道，本次改造將主線雙向4車道改為雙向6車道方案；科學(xué)大道立交與京廣立交之間的距離不到800 m，京廣立交與南陽路立交之間的距離不到450 m，因立交之間距離較近，需增設(shè)集散車道，北三環(huán)在科學(xué)大道立交與京廣路立交、京廣路立交與南陽路立交間均設(shè)置為3+1車道，見圖5。

圖5 科學(xué)大道立交至南陽路立交交通圖

拆除新建橋梁方案拆除現(xiàn)狀北三環(huán)彩虹橋，原位新建雙向8車道（單向3個快車道，1個集散車道）高架橋，同時完善京廣快速路與北三環(huán)互通立交改建為全互通立交。

彩虹橋拆除方案按照逆施工的方法進行，彩虹橋新建時在2孔62 m拱橋位置處進行拼裝122 m拱橋，拼裝完成后拖拽至鐵路上方，然后再拼裝62 m拱橋，因此拆除方案結(jié)合新建時施工工序，按照以下步驟拆除。

步驟一：拆除縱梁頂混凝土（同時切割、吊裝橋面系），工期2個月；

步驟二：安裝臨時支撐、同步拆除兩個62 m拱肋，（同步拆除122 m縱梁頂凝土，切割、吊裝橋面系），工期1.5個月；

步驟四：加固橋墩、122 m縱橫梁、頂升、安裝導(dǎo)梁、安裝拖拉系統(tǒng)并完成調(diào)試（同步拆除西側(cè)引橋并搭設(shè)支架），工期4個月；

步驟五：將鐵路范圍內(nèi)122m拱橋拖拽至空處，工期2個月；

步驟六：安裝拱肋臨時支撐，拆除導(dǎo)梁、拱肋、縱橫梁（同步拆除下部結(jié)構(gòu)），工期3.5個月；

拆除現(xiàn)狀北三環(huán)彩虹橋采用拖拽施工方法，工期14個月，估算1.1億。

新建方案一：采用歷史傳承和紀念意義的拱橋，頂推施工，新建工期20個月，估算12.2億；拆除與新建工期交叉施工1個月，本方案總工期33個月，總估算13.3億。

新建方案二：采用結(jié)構(gòu)新穎的斜拉橋方案，轉(zhuǎn)體施工，新建工期27個月，估算13.1億；拆除與新建工期交叉施工1個月，本方案總工期40個月，總估算14.2億。

新建方案存在以下優(yōu)點：完善了科學(xué)大道與南陽路立交之間的交通功能，立交與立交之間雙向8車道，從根本上消除了彩虹橋的交通“瓶頸”問題；可同步改建京廣路立交，滿足快速路與快速路交叉需設(shè)置立交要求；拆除新建方案使用壽命更長，運營階段正常養(yǎng)護，養(yǎng)護費用相對較低；缺點主要為：工程投資相對較高，拆除+新建整體工期相對較長。

7 方案比選及建議

綜合上述橋梁加固方案、兩側(cè)新建橋梁方案、拆除新建斜拉橋方案、拆除新建拱橋方案等4個方案，分別從造價、工期、使用年限、運營維護、交通功能、技術(shù)標準及對鐵路的影響等方面進行比較分析，見表1。

表1 方案對比分析表

通過方案對比分析表可以看出，加固方案具有造價低、工期短的優(yōu)點，但是彩虹橋加固使用壽命20～30 a，平均至每年的攤銷仍然相對較高，經(jīng)濟性相對較差；同時彩虹橋使用壽命到期后仍需面臨拆除問題，對北三環(huán)交通存在二次影響；拆除新建方案從使用年限、后期運營維護、對鐵路通行凈空改善、交通功能完善及技術(shù)標準等方面，均具有明顯優(yōu)勢；綜合比較后推薦拆除新建拱橋方案。

鄭州市北三環(huán)彩虹橋所處地理位置特殊，無論是現(xiàn)狀橋加固，還是拆除新建，對北三環(huán)的交通和下方鐵路均存在較大影響，建議：彩虹橋拆除位于鐵路編組站咽喉區(qū)，施工過中存在一定的風險和難度，對鐵路運營干擾大，具體實施方案需鐵路局批復(fù)；橋梁拆除新建過程中，現(xiàn)場條件復(fù)雜，干擾因素多，建設(shè)單位需提前做好風險評估。

8 結(jié)語

鄭州市北三環(huán)彩虹橋原設(shè)計采用122 m+62 m+62 m+122 m拱橋，位于鄭州北編組站咽喉區(qū)上方，承擔北三環(huán)快速路交通功能，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、地理位置和交通功能重要；北三環(huán)彩虹橋改造需綜合多方面因素考慮，既要保證鐵路運營安全，又要滿足城市建設(shè)的發(fā)展需要，本文結(jié)合北三環(huán)彩虹橋原設(shè)計情況、現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)病害、拆除施工方法、交通功能完善、新建橋結(jié)構(gòu)形式等因素，從造價、工期、技術(shù)標準和運營維護等方面進行比較分析，為北三環(huán)彩虹橋方案的最后決策提供參考依據(jù)，也可為類似項目的實施提供借鑒。