跨越既有鐵路橋梁方案設(shè)計研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安　710043)

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跨越既有鐵路橋梁方案設(shè)計研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,西安710043)

摘要：隨著鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,與既有鐵路線交叉的情況越來越多,同時對既有線的運營安全重視程度日益增加,因此跨越既有線時的設(shè)計方案逐漸成為關(guān)注重點,結(jié)合蘭州—中川鐵路設(shè)計情況,對跨越既有鐵路線的橋梁方案進(jìn)行研究,除采用傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁門式墩、鋼蓋梁門式墩等設(shè)計方案外,根據(jù)實際情況首次提出預(yù)制拼裝組合新型門式墩方案、倒L形墩方案、轉(zhuǎn)體V形T構(gòu)橋墩方案等一些新的設(shè)計思路,不僅節(jié)約工程投資、保證施工工期,同時又大大減少新線施工對既有線運營影響及后期的養(yǎng)護(hù)維修工作,經(jīng)濟和社會效益顯著。

關(guān)鍵詞：既有鐵路；鐵路橋梁；轉(zhuǎn)體施工；倒L形墩；門式墩；V形墩

近年來，我國交通基礎(chǔ)工程設(shè)施發(fā)展迅猛，特別是以城際鐵路、客運專線為代表的高速鐵路發(fā)展尤為突出，新建線路與既有繁忙鐵路干線立體交叉情況越來越多，同時運營單位對既有線運營安全要求日益提高[1]，如何減少新線建設(shè)對既有鐵路的運營干擾成為橋梁方案考慮的重點，也是設(shè)計方案能否獲得運營部門批準(zhǔn)的關(guān)鍵。新建蘭州—中川城際鐵路起自蘭州西站，經(jīng)蘭州市區(qū)終至中川機場，線路通過蘭州西站、石崗站兩個站場，上跨西固城貨場專用線、蘭化302牽出線、蘭化貨場專用線、石崗站西咽喉區(qū)及蘭新鐵路等多條既有鐵路，僅黃河特大橋中交叉點就達(dá)11處之多[2]，因此跨越既有鐵路的橋梁設(shè)計方案需要認(rèn)真分析研究。

跨越既有鐵路的橋梁方案大致分為兩類：一是以大跨橋梁方式跨越[3-4]；另一種是在交叉點附近布置橋墩以較小跨度跨越。哪種方案更為合理需要考慮兩線夾角、凈空高度、既有線運營繁忙程度、既有線條數(shù)等因素根據(jù)具體交叉情況確定，尋找相對工程經(jīng)濟同時對既有線運營影響較小的設(shè)計方案。新建蘭州—中川城際鐵路根據(jù)不同的交叉跨越情況研究了不同設(shè)計方案，除采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁門式墩、鋼蓋梁門式墩、連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工等設(shè)計方案外，根據(jù)實際情況首次提出預(yù)制拼裝組合新型門式墩方案、倒L形墩方案、轉(zhuǎn)體V形T構(gòu)橋墩方案等一些新的設(shè)計思路。

1傳統(tǒng)門式墩方案

當(dāng)兩鐵路線夾角較小時，門式墩成為一種經(jīng)濟合理的選擇，它能夠大大減小跨越既有線橋梁的跨度，節(jié)省工程投資，其經(jīng)濟效益非常明顯，在實際工程中得到大量應(yīng)用。

傳統(tǒng)門式墩方案是指應(yīng)用較多的支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁門式墩[5-8]、鋼蓋梁門式墩[9-11]，支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁門式墩設(shè)計施工簡單，工程造價低，但施工時對既有線運營干擾較大，用在行車密度較小的專用線、車站牽出線等較為合理，黃河特大橋中跨越西固城貨場專用線的83號-84號墩、蘭化302牽出線的106號-107號、石崗站西咽喉區(qū)的111號墩均采用此方案。另一種鋼蓋梁門式墩，由于使用鋼結(jié)構(gòu)蓋梁工程造價高，后期檢查養(yǎng)護(hù)工作量大，但吊裝質(zhì)量小，施工對既有線運營干擾較小，施工工期短，一般用在結(jié)構(gòu)跨度大、線路行車密度高、工期緊張的情況，黃河特大橋中的跨越石崗站西咽喉區(qū)的111號-112號墩采用了鋼蓋梁方案，上部荷載為(24+32) m雙線簡支梁，下面跨越3條既有鐵路線，112號墩蓋梁跨度達(dá)到25.8 m。其立面構(gòu)造見圖1。

圖1　112號墩立面構(gòu)造(單位：cm)

2連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工方案

蘭州—中川鐵路周家莊立交特大橋左線上跨既有蘭武雙線鐵路，兩線夾角約為30°，采用常規(guī)32 m簡支梁無法跨越，為保證既有線運營安全，減少施工過程中對既有線運營干擾，設(shè)計采用一聯(lián)(40+64+40) m單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計方案，轉(zhuǎn)體前在連續(xù)梁兩主墩處平行于既有蘭武線采用掛籃懸澆施工，待達(dá)到最大懸臂狀態(tài)后，結(jié)合既有鐵路運營、施工及天氣等因素，擇機實施轉(zhuǎn)體施工，將連續(xù)梁梁體逆時針旋轉(zhuǎn)30°，轉(zhuǎn)體到位后再進(jìn)行合龍段澆筑施工，合龍段位于連續(xù)梁跨中既有線上方。其與既有蘭新線平面關(guān)系見圖2。

圖2　周家莊特大橋(40+64+40) m連續(xù)梁主墩與既有線平面關(guān)系

該方案在跨越既有線時應(yīng)用較多[3-4]，根據(jù)跨越具體情況略有區(qū)別，如既有線為運輸繁忙干線，申請?zhí)齑皶r間特別困難，可考慮進(jìn)一步增大跨度—采用T構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案[12]，只在轉(zhuǎn)體時向運營單位申請?zhí)齑皶r間，轉(zhuǎn)體到位后T構(gòu)現(xiàn)澆段、合龍段施工均在既有線安全距離之外(圖3)，對既有線影響最小，運營部門最易接受，T構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案比連續(xù)梁轉(zhuǎn)體方案跨度會加大，工程造價略貴。

圖3　T構(gòu)現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體平面示意

轉(zhuǎn)體方案中也有一些措施可進(jìn)一步保證既有線安全或減小工程造價，如連續(xù)梁合龍段采用外包鋼箱，轉(zhuǎn)體到位后，合龍段施工均在鋼箱之內(nèi)進(jìn)行，在集包線第二雙線霸王河特大橋中得到應(yīng)用[4]，獲得較好效果；再有轉(zhuǎn)體球鉸選擇，通常采用工廠制作鋼球鉸，重量較輕、質(zhì)量較好，但體積較大、造價較高。RPC球鉸是最新研發(fā)的一種新型轉(zhuǎn)體球鉸，能夠充分利用RPC混凝土的抗壓性能，減小球鉸的構(gòu)造尺寸。RPC球鉸與普通鋼球鉸相比，具有用鋼量較小，剛度大、承載能力高、轉(zhuǎn)動力矩小等諸多優(yōu)點，RPC球鉸可以大幅度地減少機加工的工序和加工難度，可以有效降低球鉸的生產(chǎn)成本，已應(yīng)用于西安北—機場線跨貨北環(huán)鐵路特大橋[12]。

3預(yù)制拼裝組合新型門式墩方案

傳統(tǒng)門式墩設(shè)計方案中現(xiàn)澆混凝土蓋梁需要在既有鐵路上方搭設(shè)支架、澆筑混凝土，其工期較長并對既有線運營影響較大，特別是跨越既有繁忙干線鐵路時，其方案甚至有時不能得到既有線管理方的認(rèn)可；另一種鋼蓋梁門式墩方案，工程成本高，后期養(yǎng)護(hù)工作量大，而且由于鋼蓋梁位于高壓接觸網(wǎng)上方存在檢查維修困難等諸多缺點。能否尋找一種既經(jīng)濟又施工簡單對既有線運營影響較小的設(shè)計方案呢？

蘭州—中川鐵路黃河特大橋左線跨越既有蘭新線時兩線夾角只有9°，如采用大跨結(jié)構(gòu)一跨跨越，其橋梁跨度將達(dá)到180 m左右，不僅會抬高新建線路高程，而且結(jié)構(gòu)物體量巨大，工程投資大幅增加，且位于線路左右線分開段，實施非常困難。既有蘭新線為雙線繁忙干線鐵路，如采用常規(guī)門式墩方案，無論是現(xiàn)澆混凝土蓋梁或鋼蓋梁方案均存在上述問題，因此經(jīng)多次分析研究提出交叉點附近的21號、22號墩采用一種預(yù)制拼裝組合新型門式墩方案，該方案蓋梁采用兩片并置的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，在不采用鋼蓋梁結(jié)構(gòu)的前提下降低蓋梁自重和工程成本。22號墩預(yù)制拼裝組合型門式墩立面見圖4。

圖4　22號墩立面構(gòu)造(單位：cm)

門式墩蓋梁采用預(yù)制吊裝施工方法，兩片預(yù)應(yīng)力混凝土空心箱梁在既有線旁進(jìn)行預(yù)制，待門式墩墩柱施工后，在承臺近鐵路側(cè)設(shè)置臨時支撐支架，把兩片預(yù)制箱梁吊裝于臨時支架之上，利用墩柱頂蓋梁現(xiàn)澆段連接為整體并張拉預(yù)應(yīng)力束，最后拆除臨時支撐支架。21號墩蓋梁跨度為22 m，22號墩蓋梁跨度達(dá)到25 m，最大起吊質(zhì)量為169.5 t。

采用混凝土結(jié)構(gòu)形式，預(yù)制拼裝施工方案，形成組合新型門式墩。該門式墩比現(xiàn)澆混凝土蓋梁門式墩方案有諸多優(yōu)點。

(1)采用預(yù)制吊裝方案，可以與墩柱平行施工，蓋梁質(zhì)量更易保證，同時大大節(jié)省在既有道路上方施工工期，對既有線運營干擾大大減少；

(2)取消了既有線上方的現(xiàn)澆混凝土支架及防護(hù)棚架，能夠減小建筑高度，有效降低線路的高程，節(jié)約工程投資明顯；

(3)蓋梁在地面預(yù)制場預(yù)制，采用空心箱形截面形式，比常規(guī)門式墩采用的矩形實體截面減少圬工30%左右。

由于采用混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計施工簡單方便，可節(jié)約工期，最為明顯的是能夠大大節(jié)約工程投資，該門式墩蓋梁工程造價只有鋼蓋梁的1/8左右，同時又大大減少后期的養(yǎng)護(hù)維修工作及難度，更為經(jīng)濟合理。

4倒L形墩方案

跨越既有線時孔跨大小、橋墩形式需要具體分析靈活考慮，當(dāng)線路中心線與可布置橋墩中心線較近時，可采用施工簡單、造價經(jīng)濟的倒L形橋墩方案。倒L形橋墩在城市軌道交通及高架橋應(yīng)用較多[13]，在國鐵設(shè)計中未見報道。

圖5　倒L形橋墩立面(單位：cm)

黃河特大橋24號墩處線路中心線臨近既有蘭新線，與橋墩中心線偏差198.7 cm，上部荷載為(32+32) m單線T梁，墩身采用縱橋向3.0 m，橫橋向3.4 m，為平衡恒活載長期彎矩作用，在橋墩受拉側(cè)布置4束7-7φ5的鋼絞線，其橋墩立面見圖5。普速場動車走行線土門墩特大橋27號墩上跨蘭新第二雙線鐵路，兩線夾角為29°，線路中心與墩中心線偏差達(dá)260 cm，上部荷載為(32+32) m單線T梁，也采用倒L形墩，墩身采用縱橋向3.0 m、橫橋向4.0 m的矩形截面。

因倒L形墩長期承受恒活載的偏載作用，設(shè)計時需要根據(jù)線路等級、行車速度等因素對橋墩橫向變形、支點處豎向剛度、鋼軌間豎向位移差進(jìn)行計算分析，以滿足軌道專業(yè)的有關(guān)變形要求。在上述橋墩設(shè)計時，兩鋼軌豎向位移差控制在2 mm以內(nèi)。

5轉(zhuǎn)體V形T構(gòu)橋墩方案

黃河特大橋23號墩位于線路左右線分開段，原設(shè)計左線跨越既有蘭新線采用預(yù)制拼裝組合新型門式墩、右線為單獨的圓端墩方案，施工過程中由于23號墩位于城區(qū)，既有蘭新線側(cè)房屋密集拆遷十分困難，既有道路狹窄施工機具無法進(jìn)入，成為制約工期的關(guān)鍵點，根據(jù)具體線、墩位情況，經(jīng)認(rèn)真研究后提出左線23號墩兼顧右線21號墩，設(shè)計成V形T構(gòu)橋墩，為減小對既有蘭新線運營干擾，采用轉(zhuǎn)體施工方案。23號墩處平面見圖6。

圖6　黃河特大橋23號墩處平面

轉(zhuǎn)體V形T構(gòu)墩方案在橋墩下部布置的下轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動球鉸及上轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，之上為鋼筋混凝土V形墩臂和預(yù)應(yīng)力懸臂式蓋梁。V形墩臂在下部連成一體并與上轉(zhuǎn)盤固結(jié)，在上部分開與蓋梁兩側(cè)固結(jié)；各部分的連接均設(shè)置有圓弧倒角，兩墩臂與蓋梁中間形成“心”形。V形T構(gòu)橋墩立面見圖7，各斷面見圖8。

圖7　V形T構(gòu)橋墩立面(單位：cm)

圖8　V形T構(gòu)橋墩斷面(單位：cm)

該方案具有以下優(yōu)點：

(1)采用轉(zhuǎn)體方案，墩臂蓋梁可以在平行既有線側(cè)施工，大大節(jié)省在既有鐵路上方施工工期，對既有鐵路運營干擾減少到最低；

(2)只需在既有線一側(cè)施工，減少另一側(cè)的道路及施工場地的需求，對城區(qū)既有線側(cè)房屋密集，拆遷困難情況將十分有利，大大節(jié)省拆遷費用，工期有保證；

(3)取消了既有鐵路上方的防護(hù)棚架，能夠減小建筑高度，有效降低線路的高程，節(jié)約工程投資明顯；

(4)橋墩整體呈現(xiàn)V形流線形，中間圍成“心”狀，景觀效果比門形墩更佳，更適合在城區(qū)建設(shè)。

轉(zhuǎn)體V形T構(gòu)墩方案在滿足跨越功能需要前提下，不僅能夠大大節(jié)約工程投資，保證施工工期，同時又大大減少新線施工時對既有線運營影響及后期的養(yǎng)護(hù)維修工作，景觀效果更佳，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

6結(jié)語

傳統(tǒng)支架現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁門式墩施工簡單，工程造價低，應(yīng)用在行車密度較小的專用線或牽出線等較為合理；對結(jié)構(gòu)跨度大、既有線行車密度高、工期緊張的情況，可考慮采用鋼蓋梁門式墩方案；如孔跨布置、場地條件適宜的條件下，可優(yōu)先采用倒L形墩、預(yù)制拼裝組合門式墩或轉(zhuǎn)體V形T構(gòu)橋墩方案，更為經(jīng)濟合理；當(dāng)一跨跨越既有鐵路其橋梁跨度可接受的情況下，選擇轉(zhuǎn)體T構(gòu)或轉(zhuǎn)體連續(xù)梁方案，更易獲得運營單位的認(rèn)可。

跨越既有線的情況多種多樣，其設(shè)計方案應(yīng)根據(jù)實際情況具體分析，綜合考慮，詳細(xì)比較后才能找出工程經(jīng)濟性較好，養(yǎng)護(hù)維修方便，同時施工過程中對既有線營運影響最小且經(jīng)濟合理的橋梁設(shè)計方案。

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Research on Design Schemes of Bridges Crossing Existing RailwayLIU Yan-ming

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：With rapid development of railway construction, crossing existing railway gets more frequent and the operation of existing railway runs risk of safety. Thus, the design for successful crossing of existing railway is becoming the focus. With reference to the design of Lanzhou-zhongchuan railway, the bridge schemes for crossing existing railway are studied in this paper. In addition to the traditional prestressed concrete coping portal pier and the steel coping portal pier, some new design concepts are first proposed according to the actual situation, such as the schemes of precast concrete portal pier, inverted“L” pier and rotation construction V-shaped T-frame bridge pier. These schemes not only save engineering investment, guarantee construction progress, but also greatly reduce the impact of new line construction and the post maintenance works on the existing railway operation with good economic and social benefits.

Key words：Existing railway; Railway bridge; Rotation construction; Inverted“L” pier; Portal pier; V-shaped pier

中圖分類號：U442.5+4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.012

文章編號：1004-2954(2016)02-0057-05

作者簡介：劉彥明(1969—)，男，教授級高級工程師，1991年畢業(yè)于西南交通大學(xué)橋梁工程專業(yè)，E-mail:clzlym@163.com。

收稿日期：2015-06-17； 修回日期：2015-07-01