巖溶地區高速鐵路應用32m和40m預制簡支箱梁技術經濟性比較研究

莫雁冰，莫玲慧，伍斌

（廣西南崇鐵路有限責任公司，廣西 崇左 532299）

1 研究背景

我國高速鐵路建設面臨橋梁工程建設規模巨大而建設周期相對較短問題。目前，我國廣泛采用以32m 預制簡支梁為主，配以24m 簡支梁調跨的標準跨徑預應力混凝土簡支梁方案解決建設周期問題[1]。2017 年，新建鄭州至濟南客運專線首次采用40m 整孔預制簡支箱梁實現運架，具備標準化建造條件[2]。高速鐵路40m 簡支箱梁的應用可豐富預制標準梁的跨度序列，高速鐵路在何情況條件下采用40m 簡支箱梁將更具優勢，文章作一個案例加以分析研究[3]。

2 項目概述

新建崇左至憑祥鐵路位于廣西壯族自治區的西南部，是250km/h 高鐵南寧至憑祥高速鐵路的一部分，為南寧至崇左鐵路的延伸，線路東起崇左市崇左南站，向西經龍州縣至憑祥市。項目東端經南崇鐵路引入南寧樞紐與南廣、柳南、南昆、貴南高鐵以及在建南深高鐵相連，西端遠期與中越高速通道相連，經河內與萬象—曼谷—吉隆坡—新加坡相通，形成中國與東盟的重要國際運輸通道。

崇憑鐵路在項目可行性研究階段拉通方案共有新建橋梁56 座，共計41206.76 延長米，占新建正線線路總長度的50.8%，其中巖溶橋占橋梁總長比為77.9%。

目前我國高速鐵路預制架設簡支箱梁因受運架設備的控制，跨度大于32m 簡支梁基本采用現澆法或節段拼接法實施[4]。40m 整孔簡支梁梁部及其下部橋墩均尚無部頒通用圖，需單獨立編制并論證，文章主要就崇憑鐵路對采用預制架設40m 簡支梁方案與采用現行部頒32m 簡支梁（圖號：通橋（2016）2229 系列）方案進行技術經濟性比較。

3 經濟技術比選參數設定

崇憑線全線橋梁墩高在3～40m 范圍內的橋墩數量占總橋墩數量的98.35%，統計表如表1 所示。

表1 崇憑線全線墩高統計表

根據墩高占比情況，比選按墩高3～20m、20～30m、30～40m 分為三檔分別新建3 座梁跨各為32m和40m 的橋梁工程，進行橋梁模數及墩高級數等比選參數設定：

第一，分別新建1 座墩高3～20m、梁跨各為32m和40m 橋梁，橋墩高從3m 變化至20m，墩高按每增高0.5m 遞增一級進行，共計35 個橋墩。

第二，分別新建1 座墩高20～30m、梁跨各為32m和40m 橋梁，橋墩高從20.5m 變化至30m，墩高按每增高0.5m 遞增一級進行，共計20 個橋墩。

第三，分別新建1 座墩高30～40m、梁跨各為32m和40m 橋梁，該橋墩高從30.5m 變化至40m，墩高按每增高0.5m 遞增一級進行，共計20 個橋墩。

每座橋梁的橋墩個數相同，橋長不同，建立比選參數的橋梁表見表2。

表2 比選橋梁表

4 橋梁工程主要結構及場地設計

4.1 上部結構（梁部結構）

40m 簡支梁采用梁長40.6m，計算跨度39.3m，截面類型為單箱單室等高度簡支箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚，頂板寬12.2m，底板寬5.3m，橫橋向支座中心距為4.4m，截面中心處梁高為2.886m，腹板傾角1∶3.5。截面如圖1 所示。

圖1 40m 簡支梁截面尺寸（單位：mm）

32m 簡支梁采用32m 標準簡支梁[通 橋（2016）2229 系列梁圖]，梁長為32.6m，計算跨度為31.5m，截面類型為單箱單室等高度簡支箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內側加厚。支座中心線至梁端0.55m，梁高為2.686m，頂板寬為12.2m，底板寬為5.3m。現行32m 標準簡支梁梁斷面如圖2 所示。

圖2 通橋（2016）2229 簡支梁截面尺寸（單位：mm）

32m 與40m 簡支梁技術、經濟參數對比見表3。

表3 梁型對比表

由表3 可知，結構尺寸及梁重方面，40m 簡支梁較現行32m 簡支梁大；剛度、基頻方面，40m 簡支梁較現行32m 簡支梁小；梁端轉角、殘余徐變上拱方面，40m簡支梁較現行32m 簡支梁大；每延米經濟指標方面，40m 簡支梁較現行32m 簡支梁略大。

4.2 橋墩結構

40m 簡支梁橋墩根據40m 簡支梁進行設計，頂帽為縱向寬度為3.6m、橫向寬度均為8.0m 的圓弧形截面，由墩身至頂帽以圓弧過渡。頂帽頂設置排水坡，頂帽與墩身相互間不設飛檐。墩身采用圓弧形截面，并根據墩身高度分別采用直坡等截面和變坡變截面，直坡和變坡分界墩全高為12m，墩頂縱向尺寸分別為2.2m、2.5m、2.8m，橫向尺寸均為6.2m。詳見圖3、圖4。

圖3 40m 簡支梁橋墩立面圖（h≤9m）（單位：cm）

圖4 40m 簡支梁橋墩平面圖（h≤9m）（單位：cm）

32m 簡支梁橋墩統一采用標準設計圖集：通橋（2017）4201（速度250km/h）雙線圓端形實體墩通橋。

4.3 基礎結構

采用該線典型地質，即巖溶地區橋梁，基礎采用樁基，比選時考慮巖溶處理。巖溶地區墩臺樁基均采用拋填片石夾黏土混合物處理溶洞，并考慮困難段鋼護筒跟進。樁基遇斜巖面采用回填混凝土處理。

4.4 梁場設計

結合《鐵路大型臨時工程和過渡工程設計規范》（Q/CR 9149—2018），崇憑鐵路梁場設置主要按以下原則考慮。第一，每個梁場規模不小于100 孔。梁場供梁半徑滿足1d 架設完成1 孔箱梁，運梁車滿足1d架設完成1 孔箱梁，合理走行距離一般控制在20km以內。制梁場合理的供梁范圍控制在30～35km，一般不超過40km。梁場盡量靠近橋梁集中地段，特別是梁孔數量較多的長橋附近，以縮短運梁距離，加快架梁進度和節約運梁投資。同時，應充分考慮技術復雜橋梁、高墩橋梁以及大跨連續梁橋對架梁工期的控制。第二，根據以往項目經驗，梁場投資差異主要受箱梁供應半徑控制。橋梁重心分布情況、工程地質條件以及控制性工程工期等諸多因素均對梁場投資影響較大。此外，架梁進度因素是影響梁場制梁臺座及存梁臺座的主要因素，40m 梁型的變化對梁場影響并非其主要因素。據測算，40m 預制梁場指標明顯高于32m 預制梁場，每延米指標約高出30%。

5 技術經濟比較分析

5.1 選用32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算

5.1.1 根據橋梁模數及墩高級數比選參數設定原則，采用3～20m 墩高的32m 簡支梁為36 孔，墩臺37 個，橋長1189.2 延長米。主要工程概算如表4所示。

表4 3～20m 墩高32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.1.2 根據橋梁模數及墩高級數比選參數設定原則，采用20～30m 墩高的32m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長698.7 延長米。主要工程概算如表5 所示。

表5 20～30m 墩高32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.1.3 根據橋梁模數及墩高級數比選參數設定原則，采用30～40m 墩高的32m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長698.7 延長米。主要工程概算如表6 所示。

表6 30～40m 墩高32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.2 選用40m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算

5.2.1 根據橋梁模數及墩高級數比選參數設定原則，采用3～20m 墩高的40m 簡支梁為36 孔，墩臺37 個，橋長1477.2 延長米。主要工程概算如表7所示。

表7 3～20m 墩高40m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.2.2 根據橋梁模數及墩高級數比選參數設定原則，采用20～30m 墩高的40m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長866.7 延長米。主要工程概算如表8 所示。

表8 20～30m 墩高40m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.2.3 根據橋梁模數及墩高級數比選參數設定原則，采用30～40m 墩高的40m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長866.7 延長米。主要工程概算如表9 所示。

5.3 經濟指標比較

通過對表4～表9 對應數據分析對比可知，崇憑鐵路項目采用40m 跨箱梁作為主要梁型投資較采用32m 跨箱梁作為主要梁型投資少，具體投資對比詳見表10。

表10 32m 跨與40m 跨預制箱梁經濟性指標對比表

5.4 技術經濟比選結論

此次簡支梁方案比選采用該線典型地質，即巖溶地區橋梁，并計入巖溶處理數量。橋梁墩高按照0.5m 級度遞增，比選3～20m、20～30m、30～40m 不同墩高時橋梁主要工程數量。根據橋梁主要工程量和概算得出如下結論：第一，在該線典型地質條件下，僅考慮巖溶處理的費用，不考慮梁場投資影響，40m梁方案較32m 梁方案投資指標均降低。墩高3～20m，每延米節約1.45%（1000 元）；墩高20～30m，每延米節約0.8%（700 元）；墩高30～40m，每延米節約3.7%（4100 元）。采用40m 梁每延米指標降低均在5%之內，經濟性不顯著。第二，若考慮梁場投資影響，40m 簡支梁梁場投資比32m 簡支梁梁場投資高30%，40m 梁方案較32m 梁方案投資節省極低。

5.5 推薦梁型選用方案

崇憑鐵路共有橋墩1154 個，其中墩高大于30m 橋墩共計52 個，占所有橋墩總個數4.51%，占比較小，因此，40m 簡支箱梁方案對于本線的經濟性優勢不明顯。目前國內采用40m 簡支梁的鐵路項目少，40m 簡支梁架橋機普及和應用少，施工熟練程度相對較低，有效解決建設周期相對較短問題效果不明顯。此外，崇憑鐵路是南崇鐵路的延伸，與南崇鐵路采用同一種梁型便于全線統一，利于建設、運營及維修養護。綜上，此次推薦選用跨度32m 簡支梁方案，不推薦選用跨度40m 簡支梁方案。

6 結語

綜上所述，此次簡支梁方案比選采用典型地質，即巖溶地區高速鐵路32m 和40m 預制簡支梁箱橋技術經濟性比較研究，根據分析結果可以推斷，40m 簡支箱梁經濟性指標主要取決于墩高、地質條件等因素。在墩高大于40m 時，采用40m 簡支梁將經濟性較明顯，采用墩身越高，40m 簡支箱梁方案越省。