莞惠城際軌道交通橋梁設計特點與技術創新

柳學發,徐升橋,任為東,劉 俊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

東莞至惠州城際軌道交通(以下簡稱“莞惠城際”)是一條走在發達城市群中時速200 km的新型城際軌道交通，正線全長99.841 km，其中高架段40.246 km。2008年8月開始勘察設計，2009年5月開始施工，2017年12月全線正式運營。2008年新型城際軌道交通建設剛剛起步，缺乏對應標準的設計規范和建設經驗。莞惠城際采用小編組、高密度、公交化的運行模式[1-2]，以橋梁和地下工程為主，不同于以往的普速鐵路、客運專線和地鐵、輕軌、城市高架。針對莞惠城際面臨的新標準、新制式、新模式，對新型城際軌道交通橋梁設計標準、景觀設計、新型結構、大跨混凝土連續梁徐變控制、軟土地基偏載作用樁基設計等進行了探索和創新，系統解決了軟土河網地區城際軌道交通的橋梁設計所面臨的技術課題[3]。

2 主要工程特點和難點

2.1 采用新標準、新制式、新模式，當時的設計規范有其不適應性

莞惠城際線路長，速度目標值為200 km/h，超出了當時GB50157—2003《地鐵設計規范》[4]的適用范圍。而如果直接套用當時速度目標值200 km/h的鐵路設計規范[5]，則因其沒有考慮無砟無縫線路、道岔橋等內容，且由于其考慮貨車運行因素，設計活載標準偏高，也不完全適用。因此需要提出適合珠三角城際軌道交通的橋梁設計標準。

2.2 沿線經濟發達，路網河網交錯，廣泛分布軟土，建設環境復雜，特殊結構多

莞惠城際經東莞市南城、東城、松山湖，惠州市惠環、惠城等經濟發達鎮(區)。跨越京九鐵路2次；跨越河流14次，其中東莞水道為Ⅲ航道，粵港供水渠為廣東向香港供水國家重點工程；跨越高速公路3次，跨越各級道路、公路幾十次。根據相關產權單位的要求，常用跨度30，25 m滿足不了要求，采用了眾多特殊結構，其中(80+150+150+80) m、(80+150+80) m混凝土連續梁，(100+180+100) m混凝土連續梁拱是當時同類型橋梁結構中的最大跨度[6]。

莞惠城際與東莞大道公路延長線(以下簡稱“延長線”)并行4.37 km，莞惠城際均為橋梁工程，延長線主要為路基工程，兩個項目同時施工。并行段場地地貌屬河流沖積平原，淤泥層厚度7.32～27.16 m。延長線地基加固處理方法有塑料排水板堆載預壓、素混凝土樁+塑料排水板、素混凝土樁、水泥攪拌樁、換填等5種，塑料板排水+堆載預壓復合地基處理方式占51.6%，堆載(偏載)最大高差達7.8 m。軟土偏載作用涉及莞惠城際橋梁基礎90多個，樁1000多根，分別位于延長線路基的路中、路肩以及路側，而路基加固處理措施又多樣，因此莞惠城際橋梁工程遇到的軟土地基偏載作用下樁基設計問題比其他工程更復雜，難度更大。

由于沿線經濟發達，路網、水網交錯，且分布深厚的軟土，需要解決軟土、河網地區橋梁設計所面臨的偏載作用、無砟軌道大跨度橋梁徐變控制等技術難題。

2.3 需將景觀化設計理念引入鐵路橋梁設計中，提出新的鐵路橋梁結構形式

莞惠城際穿行于經濟發達的珠三角城鎮群中，對景觀有很高的期待，需要結合嶺南建筑文化特點和審美觀念，將景觀化設計理念引入到鐵路橋梁設計中，提出新的鐵路橋梁和橋墩結構形式。

3 主要技術創新

3.1 提出了適合珠三角城際軌道交通的新的設計標準

3.1.1 新的設計活載及相關技術參數

由于當時沒有對應標準的設計規范[7]，在參考國內外既有規范的基礎上，考慮到實際的列車荷載確定了相應的設計活載標準及對應的結構限值。

(1)設計活載

莞惠城際首次采用CRH6型城際動車組，六輛編組，不與國鐵跨線運營。綜合考慮可能上線的運架梁車、長鋼軌運輸車、救援車輛等荷載效應，以及結構的適用性和安全儲備，研究提出了珠三角城際設計活載采用0.6UIC。

對跨度30 m雙線梁而言，0.6UIC總效應與運梁車總效應相當(表1)，說明活載設計圖示選擇經濟合理。運梁車荷載為施工臨時荷載，安全系數可以降低，因此選擇0.6UIC作為設計活載圖示，運梁車不控制設計。根據分析，選擇0.6UIC作為設計活載圖示，特殊荷載的長鋼軌運輸車、救援車輛也不控制橋梁設計。

(2)動力系數

莞惠城際采用的動力系數如下，Φ1用于剪力，Φ2用于彎矩，略高于后來頒布的TB10623—2014《城際鐵路設計規范》[8]、TB10002—2017《鐵路橋涵設計規范》[9]值。

表1 荷載效應比較

(3)制動力或牽引力

莞惠城際制動力或牽引力按豎向靜活載的15%計算，但當與離心力或動力作用同時計算時，制動力或牽引力應按豎向凈活載的10%計算。雙線橋采用一線的制動或牽引力，三線或三線以上的橋梁采用兩線的制動力或牽引力，車站兩側與車站相鄰100 m范圍內的雙線橋采用雙線制動力。略高于TB10623—2014《城際鐵路設計規范》。

(4)梁體豎向撓度限值

莞惠城際采用的梁體豎向撓度限值見表2，與TB10623—2014《城際鐵路設計規范》相比，有的跨度(如<30 m)略高，有的跨度(如>90 m)略低。但對于城際鐵路預應力混凝土梁，為徐變控制設計，一般地，梁體撓跨比需1/3 000左右，豎向撓度限值不控制設計。

表2 梁體豎向撓度限值

(5)墩頂水平位移

莞惠城際采用的墩頂水平位移限值如下，與TB10623—2014《城際鐵路設計規范》表達形式不一樣，但限值相當。

3.1.2 新的鐵路橋面布置

莞惠城際提出了新的橋面布置形式，考慮強弱電纜通道、聲屏障安裝、接觸網立柱安裝、欄桿安裝、承軌臺的鋪設、橋面防排水等功能，以及限界要求、脈動風對聲屏障的影響，雙線橋面寬取11.6 m，單線橋面寬取7.2 m[10]，較客運專線、高速鐵路更小，可以通過隧道運梁，見圖1。

圖1 橋面布置與梁寬(單位：m)

3.1.3 新的鐵路橋梁跨度系列

莞惠城際與道路(公路)并行距離長，多處需與道路(公路)橋對孔布置，而道路(公路)橋梁跨度以5 m為模數。鐵路考慮與戰備、應急搶修器材互換，跨度(支點距離)系列標準以8 m為模數，常用跨度以32，24 m為主。32，24 m相差8 m不便于頻繁跨越管線、河流、道路的孔跨布置以及與道路(公路)橋對孔布置， 因此莞惠城際提出了5 m為模數的鐵路跨度系列，即常用跨度以30 m為主，25 m調跨，連續梁孔跨采用(30+40+30) m、(30+45+30) m、(40+60+40) m、(50+80+50) m、(60+100+60) m等。

3.2 提出了新的鐵路橋梁結構形式

3.2.1 提出了新的鐵路梁形及其構造，編制了珠三角城際軌道交通網通用圖

軌道交通常用梁體截面有T形、箱形和槽形[11-12]。T形梁(圖2)梁重小、吊裝方便、受力明確、工藝成熟、預制方便，是常用的橋梁結構形式，目前時速200 km及以下的鐵路橋梁仍采用T形梁，但多片T梁間需將橫隔板及橋面聯為整體甚至還要使用橫向預應力，現場橫向聯接施工工作量大，工序多，施工時間長。從橋下及兩側看不如箱梁簡潔，景觀性較差；此外T形梁為傳統橋梁結構形式，不夠新穎，所以不能成為對景觀要求高的莞惠城際梁型。槽形(U形)梁結構如圖3所示，其優點是軌頂至梁底建筑高度小，且兩側的腹板可起到隔聲作用，但混凝土主要位于受拉區，不能充分發揮材料性能，因此經濟性差，此外梁體龐大，視覺效果不好。箱形梁是閉合截面結構，抗扭剛度大，整體受力性能好，動力穩定性好，外觀簡潔、優美，適用于直線、曲線及配線，是廣泛采用的高架橋梁結構形式。綜合對各種梁型比較分析，莞惠城際梁體采用箱形梁結構。

圖2 T形梁

圖3 槽形梁(U形梁)

箱形梁截面一般有單箱截面(圖4)和并置雙箱截面(圖5)兩種。單箱截面結構簡潔，現場作業少；并置雙箱截面梁重小，對吊裝設備要求低，但需現澆橋面接縫混凝土，且景觀性較差，所以莞惠城際采用單箱截面梁。

圖4 單箱截面(單位：m)

圖5 雙箱截面

單箱截面梁腹板又可分直腹板、斜腹板、曲線腹板等形式。直腹板預應力鋼束起彎方便，預應力損失小，但景觀效果差。曲線腹板如魚腹梁(圖6)，結構新穎，景觀效果好，但受力復雜，設計、施工要求高，造價較高，不宜大量使用。

圖6 弧形梁

莞惠城際提出的新型橋梁結構為斜腹板單箱截面流線形箱梁 (圖4)，腹板斜率采用1∶3.5，比常用的1:4更舒展；腹板與上翼緣轉折處圓弧半徑采用1 800 mm，比常用的750 mm更大氣。流線形箱梁在滿足結構受力的同時，線條轉折處圓弧倒角，避免了折角，外形圓順，符合嶺南建筑文化審美觀念，具有良好的景觀效果[13]。

莞惠城際橋梁的跨度系列標準、橋面寬、梁高、梁重、外形等與以往普速鐵路、客運專線鐵路、城市軌道交通、輕軌、高架均不同。根據莞惠城際新的橋梁設計標準和梁形，編制了跨度30，25 m簡支梁(預制、現澆)、支座及附屬結構珠三角城際通用圖，在珠三角城際軌道交通網中推廣使用，為珠三角城際鐵路標準化建設和工程質量控制奠定了基礎，并節省了工程造價。珠三角城際梁部通用圖主要技術指標見表3。

3.2.2 新的墩形及其構造

墩形選擇除考慮強度、剛度、穩定性和車橋耦合動力性能，滿足支座布置、更換支座、防落梁構造等要求外，還要考慮莞惠城際約1/3的橋墩位于道路綠化帶中，對橋墩尺寸有限制，還要符合嶺南人文建筑審美觀念[14]。

墩形按柱子數量分主要有獨柱墩和雙柱墩，按截面形狀分主要有圓形、圓端形、矩形、多邊形等，按立面形狀分主要有柱式墩、V形墩、T形墩以及藝術墩等，再輔以各種刻槽、倒角、凹凸處理。經多方案(圖7)比選，莞惠城際選取了設凹槽的流線形橋墩(圖8)。

圖7 墩形方案

圖8 流線形蓮花頭橋墩

流線形橋墩為蓮花頭矩形獨柱墩，墩身立面設凹形裝飾槽，墩頂段采用流線，與箱梁外形協調一致，酷似一株花桿支撐著盛開的蓮花，結構合理，外形優美，滿足了嶺南文化建筑審美。排水管隱藏于墩身中，進一步改善了橋梁景觀并減少了排水管維修養護工作。

3.2.3 新型支座及橫向雙固定支座布置原則

為了適應珠三角城際軌道交通的特點和對支座降噪、調高等要求，研發了新型調高盆式橡膠支座(圖9)。該支座采用新持術，即利用雙組份液態聚氨酯橡膠(CPU)可“液固”轉化的原理，通過在支座下部結構的預留通道將雙組份聚氨酯注入支座內部，實現支座無級調高和調平。

該支座的主要優點有：①噪聲小，可滿足經濟發達鎮區的環保需要；②無級調高和調平，可解決軟土地區沉降難控制問題，滿足無砟軌道對線路高平順性要求；③耐久性好，適應珠三角地區多雨、氣溫高的氣候；④具有測力的功能，提高了橋梁安全性。

圖9 調高調平盆式橡膠支座示意

莞惠城際最長的一座橋達15.2 km，橋上線路平面具有S形。根據珠三角地區溫差小、支座橫向間距4 m較小的特點，研究提出了橫向雙固定的支座布置原則。橫向雙固定支座布置原則，方便了施工，避免了固定支座設于曲線內側、外側的爭議。

3.3 提出了復雜工況軟土地基偏載作用下樁基設計簡化計算方法和原則

國內外對復雜工況軟土地基偏載作用下樁身承受水平力的“被動樁”設計計算研究不多，有關計算方法主要有：彈性半無限體內的應力分布法，De Beer和Wallays法，德國建議法和規范計算方法等[15]。通過對以上4種方法優缺點、適用性的比較，以及與國際知名專業巖土工程三維有限元軟件PLAXIS 3D Foundation計算對比分析，得出以下結論。

(1)三維有限元計算結果的分布趨勢與彈性半無限體內的應力分布法(朗肯理論)相似，但三維有限元計算結果更小。

(2)工程設計中采用彈性半無限體內的應力分布法簡化計算，可以保證工程安全。

(3)群樁受力控制工況為橋墩施工前狀態，架梁后基礎受力最小。

(4)無論是單樁還是群樁，無論φ125 cm、φ150 cm樁徑，通過加強配筋，可承受不大于4.0 m的堆載作用。在堆載5.0 m時，則樁基配筋率超過3%，樁身鋼筋布置困難。

(5)6-φ150 cm樁基與9-φ125 cm的樁基造價大致相同；但φ150 cm樁徑抗剪能力更強，有利于抵抗水平力，宜采用6-φ150 cm樁徑。

(6)對素混凝土樁、水泥攪拌樁加固的軟土地基，當加固樁進入硬土層時，可忽略堆載產生的附加水平力。

通過研究，提出了軟土地基偏載作用下樁基設計可采用簡化方法，即彈性半無限體內的應力分布法計算，并提出了適當加強配筋、適當加大樁徑的設計原則。

3.4 提出了無砟軌道大跨度混凝土連續梁徐變控制綜合措施

大跨度預應力混凝土連續梁，軌道鋪設完成后，受混凝土收縮徐變影響，橋梁會產生上拱或下撓的長期變形—殘余徐變。無砟軌道對殘余徐變要求十分嚴格[16]，莞惠城際按鋪設軌道后橋梁殘余徐變值不超過10 mm進行設計。徐變受梁體剛度、混凝土彈性模量、預應力張拉齡期、預應力大小、養護及環境條件等眾多因素影響[17-19]，控制難度大，對最大跨度的150 m混凝土連續梁、180 m混凝土連續梁拱而言難度更大。

通過專題研究，發現梁高對徐變影響大，增大梁高是控制工后徐變的有效措施。鋪軌時間對工后徐變影響較大，且鋪軌時間早于60 d時徐變呈非線性增大，張拉齡期、合龍順序對工后徐變影響不大，但預應力張拉齡期延長對工后徐變控制有利，先邊跨后中跨合龍梁體線形更平順。

根據專題研究成果，莞惠城際除采取控制彈性模量、加強養護等常規措施外，還提出和采取了以下徐變控制方法和措施。

(1)適當增加梁體跨中截面的高度。當梁高較小時，為滿足承載力和應力等要求，往往需要配置較多的預應力。預應力越大，徐變就越大。較高的梁高可以減少預應力和梁體截面應力，從而有利于徐變控制。

(2)控制恒載狀態下梁體截面上、下緣應力差[20]。上、下緣應力差較小，截面受力就較均衡，梁體趨于軸壓受力狀態，對減小徐變非常有利。在設計中，通過調整預應力布置，使梁體截面上、下緣應力差控制在4 MPa以內。

(3)選擇合適的鋪軌時間。預應力混凝土梁的工后徐變與鋪軌時間是密切相關的，適當推遲鋪軌時間，對保持軌道線形有利。綜合考慮施工工期和施工組織等因素，鋪軌時間宜在梁體合龍后3個月左右，并不宜早于2個月。

(4)適當延長張拉齡期。一般地，采用5 d齡期張拉預應力，考慮到跨度150，180 m為同類型橋梁最大跨度，增加張拉齡期有利于徐變控制，且能滿足工期要求，莞惠城際采用7 d齡期張拉預應力。

3.5 其他技術創新

(1)采用鋼筋混凝土理論設計鐵路橋墩、承臺

莞惠城際橋墩是經景觀化設計的流線形實體獨柱墩，為了少占地和便于布置于道路綠化帶中，需要盡量縮小獨柱墩尺寸。莞惠城際廣泛分布軟土，且很多承臺位于路中，需要減少承臺厚度，減小基坑開挖深度，從而減少支護工程量，減少施工風險。因此莞惠城際橋墩、承臺沒有像鐵路工程一樣采用素混凝土理論設計，而是按鋼筋混凝土結構理論進行設計。

(2)取消豎向預應力

混凝土連續梁拱設計，一般地中跨梁體都設置豎向預應力，對大跨度橋梁更是如此。根據TB10092-2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》，滿足條件:①設計荷載作用下，混凝土最大剪應力τc≤0.17fc；②主應力σtp≤fct/K2時，預應力受彎構件的箍筋可僅按構造布置。根據計算，(100+180+100) m連續梁拱中跨梁體，主力作用下中跨剪應力最大值2.0 MPa、主拉應力最大值0.6 MPa，主+附作用下中跨剪應力最大值2.0 MPa、主拉應力最大值0.7 MPa，滿足上述兩條件。且即使在預應力減少10%自重偏大6%的極端情況下，也滿足前述條件。同時考慮連續梁拱吊桿的作用，因此(100+180+100) m連續梁拱中跨沒有按常規設置豎向預應力筋，創新地取消了其豎向預應力筋，減少了豎向預應力管道制作、安裝、張拉、壓漿、封錨等工序，減少了豎向預應力管道對腹板的削弱，降低了工程造價，提高了工程進度。

(3)采用包絡設計理念

有效預應力隨著時間推移會降低，對特別重要的橋梁，應進行預應力敏感性分析，必要時可按某一指定的有效預應力不足比例進行補償配束。

規范容許預應力有±6%的施工誤差，結構尺寸有±5%的施工誤差，因此設計時要考慮規范允許的施工誤差對橋梁的不利影響。此外收縮徐變影響因素多，是十分復雜而難以精確計算的問題，對大跨度橋梁內力和變形影響大。

莞惠城際在主跨超過100 m混凝土連續梁設計時除頂板、底板預留一定量的備用束作為施工階段應急措施外，還采用了體外預應力作為應急措施[21]，進一步提高了橋梁的應急和抗風險能力。

4 結語

針對河網交錯、缺乏設計規范、景觀化設計等特點和難點，莞惠城際橋梁設計取得了以下創新成果。

(1)提出了適合珠三角城際網特點的設計活載、橋面布置、跨度系列等設計標準，部分成果納入TB10623—2014《城際鐵路設計規范》中。

(2)引入景觀設計理念，提出了符合嶺南建筑文化審美觀念的新結構，其設計理念、結構尺寸、構造細節等被國家鐵路局組織編制的城際鐵路通用圖(圖號：標橋(2015)222系列))所借鑒、采納。

(3)主跨150 m混凝土連續梁、180 m混凝土連續梁拱為同類型橋梁的最大跨度，通過專題研究提出了徐變控制綜合措施，滿足了無砟軌道橋梁變形“毫米級”的要求。

(4)結合莞惠城際軟土地基偏載作用的復雜工況，通過專題研究，提出了軟土地基偏載作用下樁基設計的實用方法和原則。

(5)研發了具有調高調平功能的新型盆式橡膠支座，解決了軟土地區沉降控制風險。

(6)與常規鐵路工程采用素混凝土結構理論設計不同，采用鋼筋混凝土理論設計鐵路橋墩和承臺，減小了橋墩占地和基坑開挖深度。

莞惠城際軌道交通的成功開通并經過多年運營檢驗，驗證其橋梁設計創新獲得了成功，特別是引進景觀設計理念設計的鐵路橋梁新結構，與周圍景觀融為一體，成為了一道靚麗的城市風景線。