跨越高速公路互通橋梁方案設計研究

彭 磊，劉會芳，王 瑩，肖昌仁

（1.湖北省城建設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051；

2.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

隨著城市快速發展，城市范圍不斷擴大，已建成鄰近城區的高速公路成為了城市發展空間上的屏障。如何跨越高速公路，將城市多個區域連接起來成為城市交通發展的難題。目前，國內跨越高速公路修建橋梁，宜多選擇在普通路段，盡量避開樞紐和互通、服務區、停車區、加減速車道、爬坡車道、緊急停車帶等[1]。城市道路如何跨越高速公路互通、收費站等樞紐，成為一個道路建設者需要關注、解決的問題。本文以潛江市東荊新區紫光大道跨越漢宜高速公路潛江互通為例，通過對現狀環境及高速公路建設影響因素進行分析，研究了跨越高速公路互通橋梁方案設計，為類似項目設計研究提供指導。

1 項目概況

潛江市東荊新區紫光大道是連接東荊新區紫月湖片區和楊市總口片區，是東荊新區“四縱九橫”主干路網中一條重要縱向主干道，道路區位見圖1所示。道路總體走向由北向南，現狀紫月路以北，興業路以南道路已經建成，僅剩紫月路、興業路之間跨越漢宜高速公路和滬蓉高速鐵路段未建設，成為潛江市南北縱向主干道的一個瓶頸，嚴重限制了潛江市向南擴張。紫光大道（以下簡稱“本項目”）采用50 km/h城市主干道標準，道路紅線寬度為45 m[2]。

圖1 項目區位圖

漢宜高速是滬渝高速公路湖北省內武漢至宜昌的一段，雙向四車道高速公路標準，設計速度100 km/h，路基寬23.5 m，中分帶寬度為1.5 m。項目經過區域為4 m高填方路基段，相交處緊鄰潛江互通、收費站，現狀為高速加、減速車道變寬段，現狀高速公路路基寬度為31.5 m；漢宜高速已經啟動雙向四車道擴寬為雙向八車道研究工作，初步確定雙向八車道路基寬度為49.5 m（含變速車道），見圖2、圖 3。

圖2 現狀高速公路橫斷面圖（單位：cm）

圖3 改擴建后高速公路橫斷面圖（單位：cm）

2 路線設計

2.1 方案設計

根據東荊新區道路網規劃，紫光大道北延道路起于現狀紫月路，順接紫光大道中段，終點在興業路與已建成紫光大道順接。

結合規劃及相關規范要求[3]，“匯流鼻前，匝道與主線間應具有通視三角區。”本項目路線在互通三角區內不能跨越。結合規范規定[4]，“主線分流鼻之前應保證判斷出口所需的識別視距；條件受限制時，識別視距應大于1.25倍的主線停車視距。”在漢宜高速改擴建成八車道后，從西向東方向，距離匝道大鼻端200 m范圍內不能設置影響視距的構造物。結合規劃路線方案，綜合互通區視線及停車視距要求，設計了三個路線方案，分別為規劃路線、方案一、方案二，見圖4。

圖4 路線方案示意圖

規劃方案：路線與鐵路保持6°夾角，從63#墩下穿過，與高速公路出口匝道識別視距為275 m，夾角為83°；占用大量廠房用地后，順接已建成紫光大道。路線設置四段平曲線，半徑分別為940 m、400 m、800 m，630 m，在高速公路相交段位于曲線上。

方案一：路線與鐵路保持6°夾角，從63#墩下穿過，與高速公路出口匝道識別視距為230 m，夾角為88°；從廠房圍墻邊穿過后，順接已建成紫光大道。路線設置三段平曲線，半徑分別為900 m、450 m、600 m，在高速公路相交段位于450 m圓曲線和緩和曲線上。

方案二：路線采用分離式路基與鐵路垂直相交，從鐵路64#墩兩側下穿，與高速公路出口匝道識別視距為230 m，夾角為88°；從占用部分廠房用地后，在興業路口與已建成紫光大道順接。路線設計四段平曲線，半徑分別為500 m、500 m、700 m、750 m，與高速公路相交位于直線段上。

2.2 方案比選

結合規劃要求，滿足高速鐵路和高速公路運營要求，對三個方案進行比選見表1。

表1 路線方案比選表

通過比選，規劃方案和方案一能滿足出口匝道識別視距要求，與高速公路相交在曲線段，不便于構造物施工，同時這兩個方案與西氣東輸管道在管道分叉處相交，不利于跨越橋涵設計與施工；方案二對高速鐵路、天然氣、高速公路、廠房影響最小。綜合分析，確定跨越漢宜高速公路潛江互通路線方案采用方案二。

3 橋梁方案設計

3.1 跨越方式分析

我國城市道路與既有高速公路的立交形式主要有2種：一是下穿橋涵通道方式，二是上跨橋梁方式；具體可分為：頂推框架橋、逆做法路改橋、高速改線路改橋、上跨高架橋幾種。

本項目經過高速公路區域為4 m高填方路基段，難以滿足下穿橋涵通道凈空要求，同時施工難度及風險較高，排水困難，需設置排水泵房，后期管養麻煩，維護成本較高。由于項目位于潛江互通、收費站范圍內，逆做法路改橋、高速繞線路改橋兩種施工方式難以解決高速公路施工保通要求。綜合比選，確定本項目跨越高速公路采用上跨高架橋形式。

根據湖北省交通運輸廳高速公路管理局《關于進一步規范全省高速公路涉路工程建設管理的通知》要求[5]：“上跨高速公路的橋梁基礎及施工開挖斷面應在高速公路規劃用地范圍外，不宜在中央分隔帶設置中墩，若須在中央分隔帶設置中墩時，中墩兩側應設防撞設施。”同時根據規范[6]規定：“高速公路和作為干線的一級公路，整體式斷面中間帶寬度小于或等于12 m，或者12 m寬度范圍內有障礙物時，必須設置中央分隔帶護欄。”本項目若在中央分隔帶設置中墩，需要在中墩兩側設置防撞設施和防撞護欄；而現狀高速公路中央分隔帶僅為1.5 m（含防撞護欄寬度），受高速公路建筑限界限制，無條件設置防撞設施和防撞護欄。因此，本項目為滿足現狀運營和遠期高速公路發展要求，需選擇一跨跨越的橋型方案。

3.2跨徑組合研究

根據路線設計方案，方案二與漢宜高速夾角為88°路線相交處漢宜高速后期擴建至雙向八車道路基寬度為49.5 m。考慮高速公路擴寬后路基防護形式，確定了自然放坡和擋墻支護兩種類型，可確定橫斷面布置有：

標準橫斷面一：1 m（邊溝距用地界碑距離）+1.8 m（邊溝寬度）+2 m（護坡道寬度）+6 m（邊坡放坡寬度）+49.5 m（擴建后路基寬度）+6 m（邊坡放坡寬度）+2 m（護坡道寬度）+1.8 m（邊溝寬度）+1 m（邊溝距用地界碑距離）=71.1 m，見圖5。

圖5交叉處漢宜高速橫斷面一布置圖（單位：m）

標準橫斷面二：1 m（邊溝距用地界碑距離）+1.8 m（邊溝寬度）+1 m（護坡道寬度）+1 m（擋土墻放坡寬度）+49.5 m（擴建后路基寬度）+1 m（擋土墻放坡寬度）+1 m（護坡道寬度）+1.8 m（邊溝寬度）+1 m（邊溝距用地界碑距離）=59.1 m，見圖6。

圖6交叉處漢宜高速橫斷面二布置圖（單位：m）

紫光大道采用一跨上跨高速公路橋型方案，結合橫斷面布置形式，綜合考慮斜交角度、橋墩寬度、高速公路改擴建、施工便利性等因素，確定了如下橋跨組合方案：

根據標準斷面一，設計了方案一：主橋采用45 m+80 m+45 m（見圖 7）。

圖7方案一上跨漢宜高速橋橋型布置圖（單位：cm）

本方案橋墩全位于高速公路擴建成八車道后的紅線外，不影響高速公路改擴建；但本方案跨徑大、主梁高度高，上跨橋梁造價高、景觀差。

根據標準斷面二，設計了如下三個方案：

方案二：主橋采用40 m+70 m+40 m（見圖8）。

圖8方案二上跨漢宜高速橋橋型布置圖

本方案橋梁的主墩承臺不侵入漢宜高速擴建后的用地邊界，考慮主墩的承臺寬度為8.5 m，且充分預留了高速擴建時邊溝及擋墻的施工空間，高速公路改擴建時僅需在橋墩范圍內設置4 m高仰斜式擋墻。

方案三：主橋采用36 m+65 m+36 m（見圖9）。

圖9方案三上跨漢宜高速橋橋型布置圖

本方案中橋梁的承臺部分侵入漢宜高速擴建后的用地邊界，用地邊界與橋梁主墩中心線的間距為2.95 m，上跨橋梁設計需要將承臺埋置在漢宜高速擴建后邊溝下方，埋置深度淺；對高速公路改擴建存在一定影響。

方案四：主橋采用34 m+60 m+34 m（見圖10）。

圖10方案四上跨漢宜高速橋橋型布置圖

本方案中橋梁的承臺部分侵入漢宜高速擴建后的用地邊界，用地邊界緊貼橋梁主墩中心線，上跨橋梁設計需要將承臺埋置在漢宜高速擴建后邊溝和擋墻下方，埋置深度大；漢宜高速公路改擴建擋墻施工空間受限。

對四個方案進行比選見表2。

表2 方案比選表

經綜合比較，方案三工程規模相對較小，造價較低，橋梁的承臺埋置在漢宜高速擴建后邊溝下方，漢宜高速擴建后用地邊界與橋梁主墩中心線的間距為2.95 m，距離較為富余，能滿足漢宜高速四改八擴建要求，且梁高較低，對擴建后高速視覺影響較小，總體優勢較明顯。因此，采用方案三：主橋采用36 m+65 m+36 m的橋型上跨漢宜高速公路。

3.3 橋型結構設計

根據（36+65+36）m橋跨組合，結合紫光大道雙向六車道斷面布設需要，設置35.5 m標準橫斷面布置形式為：2.5 m（人行道）+4 m（非機動車道）+22.5 m（機動車道）+4 m（非機動車道）+2.5 m（人行道），設計了兩種橋型方案如下：

方案一：預應力混凝土變截面連續箱梁橋

上部結構采用三跨變高混凝土連續箱梁，單幅上構箱梁為單箱雙室結構，箱梁根部高度4.0 m，跨中高度1.9 m，主墩與過渡墩均采用矩形實心墩，橋墩采用樁基礎。本方案需要采用掛籃懸澆筑法施工，為防止上跨橋施工過程中物體跌落影響交通安全，掛籃懸臂澆筑法施工，須在高速公路全寬范圍內搭設防護棚架；防護棚架的支墩可設置在高速公路中央分隔帶和路肩上，防護棚架和支墩應驗算強度、剛度和穩定性；防護棚下的凈高應不小于5 m[7]。

方案二：連續變高鋼箱梁橋

上部結構采用三跨變高連續鋼箱梁，單幅上構鋼箱梁為單箱雙室結構，箱梁主墩頂高度3.1 m，跨中高度2.0 m，主墩與過渡墩均采用矩形實心墩，橋墩采用樁基礎。本方案可以采用工程集中預制，通過專用設備運輸至現場，運用大型機械吊裝；吊裝期間需要中段交通5 h，結構吊裝穩定后焊接固定。

主橋兩個方案對比見表3。

表3 主橋方案比選表

方案二便于工廠機械化制造，施工周期短，并且材質均勻，強度高，重量輕，但總造價較高，并且在運營期間耐腐蝕性較差，需定期進行養護，維護成本高，鋼橋通車運營時間較久后不可避免的會發生疲勞問題，后期維護加固較難。方案一施工工藝成熟，結構整體性好，主梁剛度大，通車運營期間行車舒適，行車噪聲小，造價低。根據安全、適用、經濟、美觀的設計原則，綜合比較確定本次主橋結構形式為方案一，即36 m+65 m+36 m為預應力混凝土變截面連續箱梁橋。

根據橋跨組合及橋梁方案比選，最終確定本橋分為五聯，其跨徑布置為4×30 m+5×30 m+（36+65+36）m+4×30 m+3×30 m，其中 36 m+65 m+36 m為預應力混凝土變截面連續箱梁主橋，按全預應力構件設計；其余30 m跨為先簡支后結構連續小箱梁，按部分預應力A類構件設計。橋梁結構采用平面桿系結構計算軟件計算，橋梁上部結構承載能力及應力指標均滿足規范[8]要求。

4 結 語

（1）根據高速公路互通匝道識別視距，結合城市主干道規劃要求，確定采用方案二跨越高速公路互通。

（2）根據現狀工程環境，結合高速公路管理部門對跨域高速公路的要求，確定了采用一跨跨越的高架橋方案跨越高速公路。

（3）結合路線方案，預留高速公路擴建雙向八車道要求，通過對四個方案比選，確定了采用36 m+65 m+36 m的橋型上跨高速公路。

（4）從安全、適用、經濟、美觀、施工影響等幾個方面，綜合比選確定了主橋結構為預應力混凝土變截面連續箱梁橋。