基于大萊龍鐵路擴能改造工程淺談既有線橋涵設計

王康

摘 要：對大萊龍鐵路擴能改造工程的橋涵設計進行概述，主要介紹大萊龍鐵路擴能改造工程中橋涵設計的一般原則及設計的重點、難點。既有線改造橋涵設計不同于新建鐵路橋涵設計，設計相對復雜，控制因素多，更加需要設計單位各專業間分工明確，相互協作。通過對既有橋涵的調查分析，結合既有橋涵普查報告及工務臺賬，提出了相應的既有橋涵改造方案，期望為類似鐵路工程建設提供參考。

關鍵詞：既有線;擴能改造;電氣化;橋涵;設計

1 概述

大萊龍鐵路位于山東半島環渤海灣，是山東省沿海鐵路通道的組成部分，西端從德大線大家洼站引出，途經濰坊濱市屬海經濟技術開發區、寒亭區、昌邑市，青島市屬平度市，煙臺市屬萊州市、招遠市、龍口市引入龍煙線龍口西站。大萊龍擴能改造工程正線全長175.761 km（其中利用既有益羊鐵路9.807 km），全線維持既有平、縱斷面，進行提速、電氣化改造;改建既有站10個，新開中間站1個、會讓站1個;站場到發線有限長度延長至1 050 m;全線鋪設60 kg/m跨區間無縫線路;路基、橋涵病害同步進行整治。改造完成后由貨運變為以貨運為主，兼顧客運的客貨共線鐵路（Ⅰ級鐵路）。

1.1 既有線概況

既有益羊鐵路，鐵路等級為Ⅲ級地方鐵路支線，單線，貨物列車最高運營速度60 km/h，內燃機牽引，橋涵設計荷載采用“中-22級”，一般橋涵設計洪水頻率為50年一遇，彌河分洪河特大橋設計洪水頻率為100年一遇。益羊鐵路1984年5月動工，1988年2月臨管運營。

既有大萊龍鐵路，鐵路等級為Ⅰ級地方鐵路，單線，貨物列車最高運營速度60 km/h，內燃機牽引，橋涵設計荷載采用“中-活載”，橋梁設計洪水頻率為100年一遇、涵洞設計洪水頻率為50年一遇。大萊龍鐵路1999年5月動工，2005年6月通車試運營。

1.2 既有橋涵概況

本線共有簡支梁橋63座，其中特大橋5座，大橋12座，中橋35座，小橋11座，梁式橋總長度10 160.8 m;框架中橋10座，框架小橋4座;各類型涵洞732座，平均每公里路基涵洞4.4座;既有道路上跨橋13座;平交道口88處。

梁類型主要有鋼筋混凝土普高度梁、低高度梁;預應力混凝土普高度梁、低高度梁、超低高度梁;明橋面下承式栓焊簡支鋼桁梁。除跨越重要河流的橋梁采用重力式橋墩外，其它橋梁下部結構均采用輕型橋墩（單圓柱墩、板式墩）;橋臺采用T型橋臺及耳墻式橋臺。

涵洞類型主要有蓋板涵、斜交蓋板涵、框架涵、圓涵、倒虹吸等。

2 既有橋涵存在的主要問題

本線設計標準為地方鐵路，既有橋涵設計標準低，而貨運量較大，運營單位橋涵養護維修不及時，橋涵設備不斷老化，不能滿足提速至120 km/h的需要，需對既有橋涵進行加固改造。

根據現場調查情況，既有圬工橋梁體裂縫、露筋、橫隔板剝落露筋、人行道板老化、泄水孔銹蝕嚴重，板式橡膠支座變形老化，盆式橡膠支座及搖軸鋼支座轉角超限，連接桿、螺栓缺失，墩臺裂縫、露筋、吊欄、圍欄缺失等較普遍;個別河道中橋墩受侵蝕較嚴重。此外，個別梁橋因河道過度挖沙致基礎裸露;3處鋼桁梁梁體均有被汽車撞擊歷史，對行車安全有一定的影響。

既有蓋板涵防水層失效漏水、露筋、混凝土剝落較普遍，框架涵頂板底橫向裂縫較普遍，部分涵洞被路基土掩埋失去原有功能，部分下穿鐵路的交通涵，由于道路下挖，雨季積水嚴重，交通不便，部分橋涵兩側道路擴寬發展，通行凈高、凈寬與城市發展不相適應。

3 擴能改造的主要技術標準

（1）鐵路等級：Ⅰ級。

（2）設計洪水頻率：

橋梁設計洪水頻率：1/100;

線路過去無大的水害發生時涵洞利用既有：1/50。

（3）設計速度目標值：

旅客列車120 km/h，貨物列車80 km/h;

既有3處明橋面鋼桁梁橋限速80 km/h。

（4）設計活載：

鐵路橋涵：中-活載;

公路荷載：按相應公路荷載等級的1.3倍或相關協議辦理。

（5）建筑限界：

按照電氣化鐵路國家標準限界“建限—1”執行。

4 擴能改造橋涵設計的依據及一般原則

首先，擴能改造橋梁設計應根據橋涵結構工作狀況分析考慮，建設單位應組織對本線重點橋梁進行綜合檢定分析，選取有代表性的橋梁進行靜、動載及提速試驗，掌握橋梁結構在荷載作用下的工作性能、承載能力、整體剛度等。設計單位根據現狀工況，提出對應強化措施。

其次，多年來鐵路建設標準，設計規范等均進行了重新修訂，鐵路設計理念也有了較大轉變，而既有鐵路的建成時間普遍久遠，其設計理念及采用的標準、設計規范雖然能滿足當時條件下的鐵路建設要求，但較難與當前鐵路運輸發展要求相適應。因此，既有線的擴能改造，必將出現許多新的問題。例如，速度目標值調整后，線路曲線半徑的取值，緩和曲線長度的取值，路基橫向寬度的取值，橋上道砟厚度的取值，涵洞頂最小填土高度的取值等。再比如，內燃機牽引改造為電力牽引橋上增設接觸網支柱，需對既有結構進行檢算等。

本文結合大萊龍鐵路擴能改造工程，重點介紹單線鐵路擴能改造所涉及的橋涵設計原則及橋涵設計的重點、難點。

4.1 橋涵改造主要設計依據

本工程新建橋涵按《鐵路橋涵設計規范》（TB 10002-2017）執行。既有橋涵病害整治，改造加固后各項指標應滿足《鐵路橋梁檢定規范》（鐵運函[2004]120號）和《既有線提速技術條件（試行）》（鐵科技〔2002〕76號）的規定要求;既有橋涵病害整治應按《普速鐵路橋隧建筑物修理規則》（TG/GW103-2018）和《鐵路混凝土結構耐久性修補及防護》（Q/CR 410-2020）的執行。

4.2 既有橋涵利用、加固、改建主要原則

充分利用既有橋涵，避免大拆大建是既有線改造的指導思想，橋涵主體結構無病害或存在一定的病害，對其病害進行整治、加固利用;拆除重建、擴孔、廢棄、新增橋涵需有充分的依據。本工程主要根據項目總體設計方案，并結合橋涵工點的實際情況，統籌分析，各專業設計接口按照分工明確，相互協作為原則確定橋涵改造內容。主要有以下幾點：

（1）平面、縱斷面不改動或改動在規定的允許范圍內（平面改動小于70 mm）且無病害時，維持既有利用，若線路撥移大于7 cm，則需同時移梁。對于移梁距離20 cm以內時，僅考慮幫寬墩臺身，基礎原位利用。對于移梁距離20 cm～100 cm時，需檢算基礎受力，并對基礎、墩臺身進行幫寬加固處理。

（2）平面、縱斷面改動較大時，既有橋廢棄并新建橋梁。

（3）為了滿足列車對橋梁的豎向動力作用，橋上道床必須具有足夠的厚度，根據本線速度目標值的要求，橋梁道砟厚度一般設置25 cm為宜，由于既有橋梁墩臺不均勻沉降影響，困難條件下道砟厚度不應小于20 cm，且不應大于30 cm。

（4）跨度20 m及以下采用板式橡膠支座及弧形支座的橋梁，梁端增設橫向限位裝置。

（5）新建或接長橋涵應結合現場實際情況對既有線采用挖孔樁、架設D型鋼便梁等線路加固措施防護既有線路。為保證既有線運營不中斷，小橋涵接建優先選用挖孔樁防護既有線。

（6）既有無病害的涵洞原則上利用（或接長），對于有水（病）害的涵洞，根據具體情況，原則上采取改建、修復、加固。涵洞填土高度受既有線控制的，通過線路抬道的方式，盡量滿足正線涵洞填土高度不小于0.8 m，站線涵洞填土高度不小于下0.6 m。對于填土高度在0.6 m～1.2 m之間的涵洞，可采用鋪設彈性軌枕等措施來降低列車荷載對涵洞頂板的沖擊作用。

4.3 橋涵改造設計重點、難點

（1）梁體加固。橋梁的振動是列車在橋梁上行駛時引起的外部激勵振動，振動響應的大小與外部激勵的大小以及橋梁抵抗自身變形的能力和橋梁自身剛度有關。車橋系統橫向振動在橋梁上的直接響應是梁的橫向振幅和振動頻率。根據車橋系統振動理論，列車、梁體和墩臺是相互作用和相互約束的關系，通過大量實測數據表明，采用重力式墩臺的振動對橋梁的振動影響很小，而采用輕型墩臺的振動對橋梁的振動影響較大。橋梁加固目的就是增加橋梁的整體剛度，即通過增加梁體橫向聯結、梁端設置橫向限位裝置，輕型橋墩幫寬、補樁等措施提高橋梁整體剛度。

本線梁體采用1996年以前的標準設計（見表1），數量大，種類多，傳統的鐵路混凝土雙片式簡支梁兩片T梁縱向分開，通過橫隔板焊接連接，且數量較少，不能完全保證兩片T梁相互連成整體，共同抵抗橫向彎曲的作用。經過長期運營，一些梁的橫隔板斷裂、混凝土剝落，橫向整體剛度差，在列車通過時跨中橫向振幅過大。項目可研階段建設單位委托中國鐵路設計集團有限公司選取5座有代表性橋梁進行了靜、動載及提速試驗，筆者根據檢定報告并選取有代表性的梁型，采用大型有限元軟件按實際尺寸建立有限元模型進行分析。通過理論計算、分析，增加既有梁體的橫向剛度及橋墩的橫向剛度能有效解決橋梁振動超限問題。

通過理論分析并借鑒已經成熟的加固方案，確定加固方案如下：

1）跨度12 m及以下的鋼筋混凝土梁，采用化學植筋法在梁端及跨中增設橫向聯結將兩片梁連成整體，跨中橫隔板厚度采用1 m，梁端橫隔板采用0.9 m。

2）跨度12 m及以上的預應力混凝土梁，跨度16 m、20 m的鋼筋混凝土梁，在梁端、跨中及腹板變厚處增設橫向聯結（加厚橫隔板及增設水平橫隔板），并施加橫向預應力將兩片梁連成整體。

3）對于存在裂縫的鋼筋混凝土梁，先對裂縫進行注漿灌封處理，然后縱向按跨度分別在梁底跨中4 m（10 m、12 m梁）、9 m（16 m、20 m梁）范圍內粘貼鋼板加固。建設過程中，為避免化學螺栓鉆孔過程中破壞既有梁體縱向受力鋼筋，經綜合比選，改為粘貼碳纖維板代替鋼板加固。

（2）橋墩加固。上世紀80年代中期至90年代末期，因設計理念的不同，我國鐵路建設采用了大量的輕型橋墩，如鋼筋混凝土單圓柱墩、鋼筋混凝土板式橋墩等，根據以往提速改造經驗及靜、動載試驗表明，輕型橋墩橫向剛度偏弱，試驗列車運行速度60 km/h通過時橫向振幅均超限。為確保列車以規定的速度通過時，橋梁結構不出現激烈振動，防止車輪脫軌，以及保證客車過橋的舒適性，全線輕型橋墩均進行了幫寬加固處理。

本線共有29座橋梁下部結構采用輕型橋墩，其中20座橋梁采用單圓柱墩，合計60個墩;9座橋梁采用板式橋墩，合計62個墩。輕型橋墩加固主要方法：

1）單圓柱墩在墩柱周圍外包鋼筋混凝土，縱橋向墩身前后各加厚0.3 m，橫橋向加寬至3.2 m～3.7 m，形成圓端形截面。

2）板式橋墩在墩柱周圍外包鋼筋混凝土，橫橋向墩身左右各加寬0.2 m，縱橋向加寬至1.45 m～2.5 m，加固后橋墩仍為圓端形。

3）相應橋墩基礎經計算后亦需根據需要進行加固：

①既有基礎采用擴大基礎的，當承載力不滿足要求時將擴大基礎進行橫向分層加寬。

②既有基礎采用樁基的，當承載力不滿足要求時，橫向每側增加1個與既有橋相同直徑的樁基。

（3）橋梁板式支座，弧形鋼支座補設橫向限位裝置，2001年以前使用的鐵路標準跨度20 m以內的簡支T梁多采用板式橡膠支座（無上、下支座板，不區分固定、活動支座），部分采用弧形鋼支座，以上兩種支座對梁體橫向震動限制過弱，借鑒我國鐵路6次大提速的經驗，列車過橋速度超過120 km/h時，橋梁橫向振幅就會超限，需對橋梁補設橫向限位裝置。

（4）涵洞出入口斜蓋板處理。既有大萊龍鐵路采用了

大量斜蓋板出入口，當站改增加股道時，原本不承受列車活載的梯形節斜蓋板承受了新增股道引起的活載和土壓力，使梯形節斜蓋板無法滿足受力要求。經計算孔徑≤3.0 m梯形節斜蓋板可直接利用，或直接進行接建。孔徑>3.0 m

梯形節斜蓋板可采取以下幾種方式處理：

1）在跨中及端部通過植筋方式各增加一道豎墻，經計算加固后梯形節斜蓋板滿足受力要求，原位利用。

2）在既有梯形節蓋板內套接框架涵，使梯形節與框架涵共同受力，不再進行拆除。

3）受交通、排洪因素影響，不能滿足以上條件的，拆除梯形節斜蓋板后接建。

（5）橋上接觸網支柱選型及安裝方式。既有鐵路橋墩采用的定型圖年度跨度大，從20世紀70年代至90年代均有，數量多，類型復雜，有重力式圓端形橋墩，重力式圓形橋墩，鋼筋混凝土單圓柱墩，鋼筋混凝土板式橋墩等。新增接觸網支架一般設在橋墩橫向中心線上，當

有避車臺時應偏置一側設置，同時要求要盡可能在沒有避車臺的橋墩上安裝。橋上接觸網選型一般原則如下：

1）跨度20 m及以上橋梁，橋墩頂帽定型圖尺寸足夠大，一般可直接或增設鋼橫梁支架后，安裝直腿鋼柱或斜腿鋼柱。

2）跨度16 m及以下橋梁，橋墩頂帽定型圖尺寸較小，一般在橋墩側面托盤及墩身增加鋼托架后，安裝直腿鋼柱。

3）經計算，既有橋墩增加接觸網支架后不能滿足橋墩受力要求的，應采用獨立基礎單獨設置接觸網支架，尤其是高墩、轉換柱、中心錨節柱、下錨柱時應特別注意檢算。

4）接觸網鋼柱距電纜槽或避車臺邊緣的距離不小于10 cm，還應保證錨栓距橋墩頂帽邊緣距離不小于22 cm。

（6）強侵蝕環境下明顯侵蝕受損橋墩補強。大萊龍鐵路所經濰坊地區距離海岸線較近，受海水潮汐作用影響，處于水位變動區橋墩在氯鹽環境的長期作用下，混凝土大面積出現蜂窩、麻面現象。

橋墩補強一般采用貼鋼板，混凝土幫寬增加截面等方式，本線考慮到以上方式對既有線運營影響較大，受侵蝕橋墩采用水下玻璃纖維套筒進行加固，防止橋墩混凝土結構被進一步侵蝕。且相比傳統方式，水下玻璃纖維套筒防腐防侵蝕性能效果更優越。

（7）鋼桁梁防腐涂裝。既有鐵路電化改造后，鋼桁梁維護涂裝需接觸網停電后才能進行，并且點內作業時間有限，鋼梁重新涂裝對鐵路運營影響較大，故電化改造前應對鋼梁重新進行長效涂裝。本線鋼桁梁設計于2001年，按照《鐵路鋼橋保護涂裝》（TB1527-1995）的體系Ⅳ涂裝，即特制環氧富鋅底漆（2道）+環氧云鐵中間層（1道）+灰鋁粉石墨醇酸面漆（3道），設計壽命10～15年，目前鋼梁服役已近20年，雖涂膜劣化等級未達到重新涂裝標準，筆者認為即使施工難度再大也應在電化改造前，按《鐵路橋梁鋼結構及構件涂裝及涂料 第1部分：鋼梁》（Q/CR 749.1-2020）涂裝體系重新涂裝，不應降低涂裝標準。

（8）有條件改造的平交道口工程，本項目全線平交道口共88處，其中平交改立交42處，維持平交道口39處，封閉7處。平交改立交道口應盡量采用頂進式下穿框架橋（涵），本線35處改為下穿立交，7處改為上跨立交。

1）頂進橋涵的施工質量與施工進度直接影響到既有線行車安全及施工工期，本線頂進橋涵工點多，安全風險大，設計中結合工點的地質、地形、鐵路運營條件等具體情況合理選擇線路加固方案。一般情況下采用單孔或多孔16 m、20 m、24 m D型鋼便梁架空線路;站場多股道線路情況復雜時采用縱挑橫臺梁加固線路;丘陵巖石路基處小孔徑框架橋，為避免設置D梁支點樁，采用32 mD型鋼便梁架空線路。

2）根據鐵路相關文件要求平交改立交道口應盡量采用頂進式下穿框架橋（涵），同時可考慮在連接框架橋（涵）兩側引道上設雨棚，避免夏季暴雨時，排水不及時，路面積水。

3）在既有線上開展雙層集裝箱運輸將受到諸多因素制約。如果既有線位于國家規劃雙層集裝箱運輸通道上，那么結合擴能改造工程的實施，應努力為既有線上開行雙層集裝箱運輸創造條件，如果由于既有線建成年代大多比較久遠，設計標準比較低，若一味強調開行雙層集裝箱運輸，則改建工程量巨大。本線設計過程中多次與鐵路產權單位溝通，最終確定平改立上跨鐵路立交橋按不開行雙層集裝箱考慮，在投資增加不大的前提下，可預留通行雙層集裝箱通行條件。

5 結束語

目前本項目正在建設當中，橋梁加固完成后，竣工通車前還應進行動載試驗，對加固前后的檢測數據進行對比，以確保加固措施安全可靠，滿足運營的使用要求。

既有線改造橋涵設計不同于新建鐵路橋涵設計，制約因素較多，必須確保鐵路運營的安全、減少對鐵路運輸的影響，又要保證改造橋涵工程的質量，需要設計單位各專業間分工明確，相互協作，結合現場實際情況，有目的性的進行合理設計。大萊龍鐵路擴能改造工程在建設過程中，針對鐵路橋涵設計中梁體加固、輕型橋墩加固、基坑防護、線路加固、既有線移梁、斜蓋板涵出入口處理等技術進行探索，達到降低橋涵施工難度，減少橋涵施工對既有線路影響，確保鐵路線路的安全運行的目。以上是筆者對大萊龍鐵路擴能改造工程設計及施工過程中的一些經驗總結，希望在今后類似工程的設計工作起到一定的借鑒作用。

參考文獻：

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