海外新建鐵路上跨交通主干道橋梁方案比選
——以肯尼亞內羅畢至馬拉巴新建標軌鐵路跨B3公路大橋為例

□陳巍 牟開 趙景坤

肯尼亞內羅畢至馬拉巴新建標軌鐵路（簡稱“內馬鐵路”）項目起點位于肯尼亞首都內羅畢，終點為馬拉巴，是肯尼亞蒙巴薩至內羅畢新建標軌鐵路（簡稱“蒙內鐵路”）向肯尼亞腹地和鄰國烏干達的延伸線。內馬鐵路還將逐步與坦桑尼亞、盧旺達、布隆迪、南蘇丹等國家的鐵路實現聯網，極大地降低了跨境物流運輸成本，對東非次區域互聯互通和一體化進程起到進一步推動作用。內馬鐵路全長為487.5公里，分三期實施，第一期內羅畢至納瓦沙段線路全長120.4公里。內馬鐵路一期由中國交通建設股份有限公司（簡稱“中國交建”）負責設計、施工、采購，采用中國國鐵一級標準設計，單線，設計時速為120公里/小時。內馬鐵路一期除穿越世界上唯一位于國家首都的野生動物園——內羅畢國家公園，還將經過地質條件復雜的東非大裂谷斷裂帶，并與多條肯尼亞境內的交通干道相交。

B3公路是肯尼亞首都內羅畢通往納洛克郡（Narok）的唯一快速通道。該公路往西南繼續延伸將到達世界著名的馬賽馬拉野生動物保護區。筆者對肯尼亞鐵路建設現場情況、施工條件進行具體分析，以解決鐵路跨線橋梁結構比選問題。

一、橋梁方案比選原則及解讀

20世紀80年代，美國普林斯頓大學的大衛·比林頓教授提出了“結構藝術”（StructuralArt），構建出橋梁設計的3E原則，即功能（Efficiency）原則、經濟（Economy）原則和優美（Elegance）原則，已成為國外橋梁設計方案遵循的準則。肯尼亞曾長期遭受英國殖民統治，交通基礎設施落后，鐵路橋梁設計無本國的規范和標準，國內既有鐵路設計建造主要依據歐美的技術規范。作為中國鐵路標準走向世界的標志性項目，必須兼顧當地情況和社會公眾的感受。3E原則和我國當前鐵路橋梁設計遵循“安全、適用、經濟、美觀、耐久、環保”原則是一致的。

1.安全性

鐵路橋梁結構的安全性，要求結構本身在強度、剛度和穩定性方面有足夠的力學性能和安全儲備。從安全性的角度看，橋梁的安全性體現在施工階段和使用階段。施工階段的安全性與橋位建設條件、橋型及施工方法密切相關；使用階段的安全性不僅要求承載能力滿足要求，還要從列車行駛舒適性方面考慮。

對于橋梁上部結構設計而言，除建立桿系單元進行結構設計計算外，還要建立實體單元研究空間效應、日照及溫度梯度、車橋耦合效應等因素影響，給出合理的橋梁施工方案。必要時，還應考慮橋梁抵御交通工具撞擊、火災等人為災害以及其他偶發和極端下遭受破壞的能力。

2.適用性

適用性指橋梁結構在正常使用條件下能滿足橋面交通、橋下通行或通航限界等基本功能的要求。在鐵路跨線橋設計時，孔跨必須滿足橋下通行道路或鐵路凈空和凈寬的要求；有預留要求的還要在此基礎上進一步調整孔跨。上部結構斷面也要滿足鐵路限界對尺寸的要求。

3.經濟性

經濟性指橋梁結構在全生命周期內的成本最合理。全生命周期內的成本既包括建設成本，也應綜合考慮將來的維護養護和維修費用。對于肯尼亞鐵路項目，不能受國內一般情況的思維限制進行橋涵設計，應結合當地實際情況，綜合建設成本、肯尼亞當地施工條件和工人技術水平、質量控制及工期等多種因素對橋涵形式進行選擇。

4.美觀性

美觀性包含兩個層次，一是橋梁結構自身符合美學要求，主要從結構造型和體量角度來滿足；二是橋梁與環境的協調美，應通過結構線性、比例與周邊環境協調程度來把握。作為海外鐵路項目的重要組成部分，橋梁結構不僅是一個單體工程項目，很多橋梁建成后，往往成為當地的標志性建筑。例如，肯尼亞蒙內鐵路已建成并投入運營的蒙巴薩特大橋、察沃特大橋、阿西河特大橋等，均已成為沿線的標志景觀。

5.耐久性

橋梁耐久性指橋梁結構投入使用后在正常使用和維護條件下，隨時間的延續仍能滿足橋梁既有性能的能力。在肯尼亞實地調查發現，肯尼亞既有交通基礎設施的病害主要是混凝土碳化，造成混凝土保護層脫落，鋼筋裸漏。導致肯尼亞既有交通基礎設施混凝土碳化的因素有很多，結合現場情況，赤道附近強烈的光照應該是重要因素。相關研究表明光照能夠加快混凝土內部干濕交替，促進離子交換；加快混凝土表面升溫和二氧化碳擴散，進而加劇碳化反應。設計中，要充分考慮該因素，采取相應措施，提高混凝土抗碳化、抗氯離子侵蝕性能。

6.環保性

環保性體現在橋梁設計中就是材料用量節省，施工方案能盡可能減少對環境的擾動和破壞。在肯尼亞，野生動物種群和數量多，動物保護和生態環境保護組織對政府政策干預力度強，環保性就顯得尤為重要。

二、橋梁方案比選

1.橋位建設條件

新建鐵路在 DK92+817處與既有B3公路相交，相交角度為45度；新建鐵路大里程方向還有一條水渠，寬約15米，與新建內馬鐵路線路交角約45度，水渠與既有B3公路沿新建鐵路線位相距約30米。依據肯尼亞高速公路管理局相關文件，新建橋梁必須保證B3公路25米凈寬、6.0米凈空，并且橋墩邊緣和B3公路路肩最短距離不小于3米。

2.橋梁跨度的設定

因新建橋位處鐵路與公路交叉角度較小（45度），且肯尼亞高速公路管理局并未明確拓寬路面的位置。同時考慮到公路行車視距要求，適當提高跨徑，保證公路行車安全性，擬采用64米跨徑跨越B3公路。

3.橋梁上部結構比選

在進行橋梁選型時，對以下3種形式進行了比選：（40+64+40）米變截面連續箱梁、64米簡支系桿拱橋、（40+64+40）米連續槽形梁（見表1所列）。

設計人員曾傾向于（40+64+40）米連續箱梁，因中國交建承建的肯尼亞蒙內鐵路蒙巴薩特大橋和馬澤拉斯特大橋均有（40+64+40）米變截面連續箱梁，施工工藝成熟，變截面橋梁曲線較美觀，橋梁后期養護維修較簡單，施工機械設備能夠重新利用，節省設備設施成本。利用64米中跨跨越B3公路，大里程的邊跨跨越水渠。在滿足B3公路凈空要求后，橋梁孔跨形式為10－32米簡支T梁+1－（40+64+40）米連續箱梁+22－32米簡支T梁。該方案雖然解決了跨越交通主干道的問題，但連續箱梁結構相對較高，線路縱斷面為此需要抬升，造成新建橋梁規模大，綜合造價高，同時依照肯尼亞現場的T梁生產水平，按照合同工期完工的可行性降低。

64米簡支系桿拱橋在國內技術日益成熟，可采用滿堂支架先梁后拱的施工方式。系桿拱鋼筋及管道密集，施工振搗和吊桿安裝精度要求較高，在施工過程中還需進行可靠的檢測和監控。吊桿與系桿系統需要考慮若干年后更換，相關規范規定吊桿設計使用年限為20年，國內平均使用壽命一般為15年。綜合肯尼亞施工及后期運營維護條件，實施該方案難度較大。

表1 橋梁上部結構比選

由于肯尼亞施工條件和施工機械設備限制了橋梁形式和孔跨的選擇，綜合技術、經濟及工期等方面因素，設計人員最終選擇用（40+64+40）米連續槽型梁方案。槽型梁建筑高度低，腹板具有防拋網的功能，也可防止列車脫軌，人行道板下可以布置各類通訊、電力設備；利用底板支承軌道和列車，有效降低軌面高度，在滿足橋下凈空要求的前提下可明顯降低橋梁高度，減少了橋梁長度，降低造價。雖然槽型梁結構屬開口截面，但空間效應明顯，施工控制要求較高，通過設計和施工措施進行加強，保證結構安全和使用功能。采用（40+64+40）米連續槽型梁方案，橋梁孔跨形式壓縮為1－32米簡支T梁+1－（40+64+40）米連續槽型梁+1－32米簡支T梁。跨B3公路大橋立面布置如圖1所示。

圖1 跨B3公路大橋立面布置（厘米）

4.橋梁施工方案

肯尼亞高速公路管理局要求，上跨B3鐵路橋施工期間必須保障B3正常通行。鑒于該橋工程量大、工期短、樁基較多，選用了對地基影響小、經濟性好、周轉快的鋼管柱——貝雷梁少支架法施工。

三、結語

橋梁設計原則在比選中的重要性，應結合工程所在地的具體情況進行分析。就具體工程項目而言，在滿足安全性的前提下，綜合造價的高低成為方案選定的關鍵。2019年10月，內馬鐵路正式建成通車，該橋運營狀態良好。