深圳地鐵6號線高架橋梁總體設計研究

魯雪冬，周永禮，許志艷

(中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

0 引 言

深圳地鐵6號線1期起于深圳北站，途經(jīng)龍華、石巖、光明、公明和松崗等片區(qū)，線路總長37.621 km，高架段長24.454 km，其中U形梁區(qū)段長20.697 km，是深圳地鐵所有線路中高架線路最長、景觀要求最高、環(huán)境適應性最好的高架線路.本線高架線路所占比重較大，對全線工程規(guī)模和經(jīng)濟性有著較大影響.高架橋結構設計應從受力、經(jīng)濟、適用、施工及美觀等方面綜合考慮.一方面，要求結構安全、經(jīng)濟高效、美觀適用，滿足高架交通功能要求等；另一方面，要結合工程場地特點，采用經(jīng)濟、成熟和方便的施工方法；此外，還需要滿足無砟、整體道床及長鋼軌結構對高架橋梁結構的特殊要求[1-5].

1 一般橋梁結構設計

目前，比較適合城市軌道交通高架橋梁的結構形式有U形梁結構、預應力混凝土箱梁結構和預應力混凝土T形梁結構等.針對以上幾種常用梁形結構，本文從受力、經(jīng)濟、適用、施工及美觀各方面進行綜合比較分析，見表1，相關結構圖如圖1～圖3所示.

表1 各梁形的特點及適用性情況比較表

圖1 U形梁結構圖

圖2 箱梁結構圖

圖3 T形梁結構圖

從圖1～圖3可知，單線并置U形梁方案應用于城市軌道交通高架線路具有較明顯適應性優(yōu)點，如：

1)降低結構高度.軌道交通高架橋梁的結構高度在很大程度上取決于高架結構下方的道路交通凈空要求.通常軌道標高是在這一凈空高度的基礎上增加結構底面和軌頂面之間的高度.對于箱梁結構來說，結構底面至軌頂面之間的高度約為1.6～2.0 m.而對于U形梁高架結構來說，這一高度約為0.25～0.5 m.因此，通過采用U形梁結構可以降低軌道標高約1.05～1.75 m，如圖4和圖5所示.

圖4 降低線路標高效果圖

圖5 減少視覺沖擊效果圖

2)降噪效果好.軌道交通車輛行駛于U形梁斷面中， 其輪軌走行系統(tǒng)的噪聲受到兩側主梁上腹板的阻隔， 在一定程度上減少了車輛噪聲對周圍環(huán)境的影響.U形梁相對箱梁無箱體共鳴噪音.

3)斷面空間結合利用率高.兩側腹板除了滿足結構受力需要，同時還能提供其他方面的用途.由于腹板靠近列車，可以有效地起到隔聲擋板的作用，從而避免額外設置擋板.腹板上方的翼緣基本與列車車廂地板處于同一水平位置，可以被用作緊急疏散和維修通道，下部空間可布置通信、信號和電力電纜等管線.

4)兩側主梁可防止脫軌車輛傾覆下落，給行車安全提供了可靠的保障.在脫軌或強烈地震的情況下，腹板還可以將列車攔在梁體內(nèi).

因此，基于美觀性、經(jīng)濟性和技術性統(tǒng)一的原則，最終采用單線U形梁作為工程的基本梁型.

2 橋梁孔跨設計

根據(jù)鐵路和城市軌道交通橋梁建設經(jīng)驗，高架橋的經(jīng)濟跨度一般都在40 m以下，特別是U形梁.由于其結構受力特殊性，主要以30 m和25 m為主型跨度.根據(jù)國內(nèi)幾條線路調(diào)研數(shù)據(jù)(分別為35 m、30 m和25 m)，進行估算比較，綜合上部結構與下部結構的工程數(shù)量，30 m和25 m跨度無論在梁體主要材料平米指標還是綜合造價平米指標都要優(yōu)于35 m跨度；30 m和25 m跨度在梁體主要材料指標上基本相當.6號線全線墩高平均在12 m左右，基巖埋深基本在35 m左右，綜合考慮橋梁下部結構與基礎后，橋梁每平米造價指標30 m跨度優(yōu)于25 m跨度，同時30 m跨度比25 m跨度具有更好的跨越能力，能更好地滿足規(guī)劃要求，并使橋下視野更為通透.此外，全線高架線路墩高大部分均在10～12 m左右，當高跨比為1/4～1/3時，比較符合橋下行人視覺美學規(guī)律的要求.依據(jù)上述比較結果可知，跨度30 m梁較35 m梁與25 m梁經(jīng)濟合理，綜合造價最低，且景觀效果較好，因此推薦跨度30 m梁為本線U形梁高架區(qū)間的標準梁跨，并根據(jù)區(qū)間布跨需要，輔以20～35 m跨進行配跨.采用的國內(nèi)最大跨度35 m簡支U形梁，有效減少了路口連續(xù)梁數(shù)量，節(jié)省了大量投資[1].

3 橋墩形式設計

橋墩設計除必須考慮其功能、經(jīng)濟及施工技術等因素外，還必須考慮與上部構造中的梁及周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性，特別是城市內(nèi)高架橋，橋墩比梁更靠近人的視點，墩的形狀、體量及表面處理等均是美學設計的重點.城市中橋墩應結構輕盈、線條流暢，避免出現(xiàn)給人雜亂與笨重的印象；橫向的墩柱數(shù)量過多，容易在多角度的觀察中給人雜亂無章的感覺，凌亂的混凝土結構，甚至會破壞周圍的整體景觀效果，如圖6所示.

圖6 不同造型的高架橋橋墩

國內(nèi)軌道交通高架橋橋墩設計一般為單柱式和雙柱式2種，雙柱式橋墩墩柱均為豎直型，城市軌道交通更多的是使用單柱式橋墩，如圖7所示.

圖7 單柱式墩和雙柱式墩效果示意圖

由于本線高架線路大多敷設在道路中央分隔帶內(nèi)，隨著兩側行車視角的變化，單柱式橋墩僅引起視覺上橋墩外形的變化，而雙柱式則不僅引起視覺上外形的變化，還會引起視覺上橫向橋墩個數(shù)的變化，容易在多角度的觀察中給人雜亂無章的感覺.因此，根據(jù)本線的工程環(huán)境特點，其區(qū)間高架宜采用單柱式橋墩，如圖8所示.

圖8 不同橋墩身截面和飾條搭配視覺效果

綜上，結合本項目的工程環(huán)境特點，本線高架橋墩采用單柱式T形橋墩，截面形式采用矩形截面并輔以倒角和立面增設凹槽飾條手段，橋墩立面可采用上下寬度變化處理，由墩頭往下采用內(nèi)收的線條，與梁部、蓋梁的變化趨勢形成順暢的曲線，梁部采用30 m跨度作為標準橋跨的單線并置U形梁，滿足跨高比1/3的黃金比例協(xié)調(diào)性[1]，如圖9所示.

4 橋梁景觀設計

本線高架橋設計從上至下采用弧線元素，避免直線元素的生硬與強大視覺沖擊力造成的不適，在結構安全的前提下最大化減小體量，使行人有好的視覺感受，避免過去“笨、粗、大、壯”的視覺形象.以樹的外形為設計靈感，整個橋墩線條流暢，橋墩的上大下小，中間倒圓弧線，好似一個含苞開放的花蕊，花瓣式造型猶如生機勃勃的樹向上生長，連續(xù)的高架線形成了富有生命的“綠色軌跡”.橋墩設計上使用花瓣墩，在橋梁細部造型上使用弧線元素，外立面采用弧線元素隨著線間距加大，標準橋墩自然過渡到Y形橋墩，過渡自然，整體非常和諧[3-7]，如圖9和圖10所示.

圖9 橋墩景觀設計

圖10 高架橋橋墩建成后實景圖

5 特殊橋梁設計

本線沿線多次跨越立交、路口和河流，因此跨越立交、路口和河流的大跨度橋梁結構設計是本線高架橋梁結構設計的重要內(nèi)容[1].

5.1 特殊梁橋跨布置原則

通過對全線高架結構跨立交、道口和河流工程條件分析，對跨越路口和立交等橋梁盡量采用大跨度預應力連續(xù)梁(剛構)體系一跨跨越；跨越河流時，在滿足橋下通航和泄洪前提下盡量采用標準跨度布置，采用大跨結構時，盡量選用大跨度預應力連續(xù)剛構.沿線跨越立交和道口寬度主要為40～80 m路幅，高架橋梁結構設計時，需分別對立交和道口按照不同路幅寬度進行分類統(tǒng)計，然后進行統(tǒng)一性設計，盡量減少橋梁結構類型，利于標準化設計和施工，減少重復設計和施工設備的采購，節(jié)約資源.

5.2 一般連續(xù)梁結構設計

由于U形梁結構受力的特殊性，跨越能力較小，在跨越立交和路口時，需要采取特殊措施.一種是加高主梁尺寸，滿足受力要求；另一種是與其他結構組合實現(xiàn)大的跨越能力.為適應標準梁設計進行設備布置集成化和標準化設計，主梁側面和頂面均有附屬設施安裝，不適宜加高主梁.大跨結構設計時按照橋面以上標準化設計的原則，采用U形梁底板組合箱梁結構實現(xiàn)大跨度跨越功能，截面采用箱梁+U形梁，梁高變化主要由箱高變化實現(xiàn)，到邊墩附近由空心過渡到實心梁，然后與簡支U形梁銜接，實現(xiàn)同截面順接，避免橋梁構造尺寸出現(xiàn)突變，結構輕盈、簡潔，解決了傳統(tǒng)箱梁與簡支U形梁端部順接的難題，如圖11所示.

圖11 U+箱連續(xù)梁結構效果圖及實景圖

5.3 大跨度預應力結構設計

本線3次跨越深圳地鐵4號線，2次上跨龍大高速，1次上跨南光高速，橋墩托換下穿福龍路，小角度斜交上跨公明排洪渠，28次跨越城市道路路口.除了部分路口或道路采用一般連續(xù)梁能跨越的外，部分橋梁必須采用較為特殊的梁形跨越.

樓南區(qū)間線路與龍大高速公路斜交78°，平面曲線半徑1 200 m，縱坡為23.8‰，軌面與龍大高速路面最小距離約6.44 m，上跨龍大高速采用了主跨為65 m頂推預應力混凝土連續(xù)U形梁，是鐵路及軌道交通領域首次對位于曲線、大縱坡、大跨度和大斷面U形預應力混凝土連續(xù)梁實施頂推施工工藝的橋梁，如圖12所示.

圖12 上跨龍大高速頂推U形連續(xù)梁施工過程圖

合薯區(qū)間跨越公明排洪渠，線路平面位于半徑為550 m的曲線上，采用主跨150 m的V形剛構，是國內(nèi)軌道交通領域最大跨度的V形U+箱剛構連續(xù)梁，橋梁整體造型美觀，結構輕盈，投資經(jīng)濟，與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是城市軌道交通橋梁建造理念的一種創(chuàng)新，如圖13所示.

圖13 合薯區(qū)間V形剛構連續(xù)梁建成圖

6 本線高架橋創(chuàng)新技術

U形梁綜合了造型美觀、節(jié)約空間、降噪良好與斷面空間利用率高等優(yōu)點.本項目U形梁采用了工廠化集中預制，由專用架橋機通過線路通道架設，進一步減小了對周邊環(huán)境的影響和干擾，同時還采用以下5大集成技術創(chuàng)新：

1)U形梁成套技術的研究與應用.通過對U形梁的斷面結構設計、制造工藝和運、架技術等進行系統(tǒng)研究，提高結構景觀效果，結合工程施工條件，綜合采用整孔預制，橋上運架和橋下運吊施工方法，降低施工對城市的影響，達到地鐵建設與城市發(fā)展的和諧統(tǒng)一.

2)全面預制預埋技術的應用.高架橋梁U形梁結構采用工廠集中預制，提高橋梁施工質(zhì)量，同時橋上附屬設備全面采用預埋絕緣套筒技術，既能有效保證施工質(zhì)量，又可避免后期對結構鉆孔造成破壞.

3)引入綠色走廊設計理念.綜合利用墩身和橋下空間進行綠化景觀設計，將地鐵高架線路建設成為景觀綠色走廊，弱化高架橋梁結構對城市環(huán)境的視覺沖擊，實現(xiàn)地鐵高架結構與城市景觀協(xié)調(diào)發(fā)展.

4)高架橋首次采用了U形梁+浮置板道床+軌旁吸音板+居民區(qū)全包聲屏障的綜合減振降噪設計.最大限度地減少了深圳地鐵6號線高架橋對周邊環(huán)境的噪聲污染，全力打造了“安靜”的軌道交通示范線.

5)軌道交通領域首個采用運架施工通過島式“站橋合一”高架車站的U形梁高架線路.在車站的設計中通過設置“輔助梁”方式，預留運梁車的運輸通道.確保了“島式車站”前后U形梁的預制運架順利實施.

7 結 論

通過對深圳地鐵6號線高架橋梁總體設計研究和分析，城市軌道交通高架橋設計應注意以下幾點：

1)高架橋結構設計應從受力、經(jīng)濟、適用、施工及美觀等方面綜合考慮進行高架橋梁型選擇.

2)城市軌道交通高架結構應重點考慮高架景觀與城市景觀融合及協(xié)調(diào)，達到地鐵建設與城市發(fā)展的和諧統(tǒng)一.

3)創(chuàng)新技術在高架結構的運用，是滿足城市軌道交通高架結構安全、經(jīng)濟高效、美觀適用及交通功能要求的可靠保證.

深圳地鐵6號線在滿足功能需求的前提下，著力對景觀和降噪進行了用心打造，實現(xiàn)了高架橋梁與城市景觀協(xié)調(diào)發(fā)展，本項目不僅是“一條地鐵高架線”，更是“一道安靜風景線”“一條綠色環(huán)保示范線”.其設計理念及創(chuàng)新技術對后續(xù)城市軌道高架橋梁的建設具有重要借鑒意義.