水曹鐵路接軌遷曹鐵路立交復雜區域橋涵選型與布設

劉 春，田 楊，尹興權，李 昊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

0 引言

隨著社會經濟的發展,鐵路、公路、市政、管道、電力等交通運輸、能源體系日益復雜。各交通運輸、能源工程線路之間產生主動(客運樞紐、管道綜合)、被動的相互影響也不斷增加。各部門對施工安全、運營安全的要求也越來越規范化、詳細化,穿(跨)越立體交叉工程的橋涵布設的重要性也更加突顯出來。立交橋涵的布設直接、間接地影響工程投資,乃至線路方案的可行性。對于立交穿(跨)越的研究,以大跨度結構、轉體施工[1]等方面研究較多,而對于小跨度結構、異形框架結合孔跨布置完成立交穿跨越方面的研究相對較少。采用大跨度結構完成立交跨越在安全性、功能性方面有其優越性,但在經濟性、適用性、可持續性方面也有一定的局限性。橋梁跨度越大則下部基礎也越大,同時橋梁建筑高度也增高,在增加工程投資的同時,高大、雄偉的立交跨越橋梁及引線工程,給后期其他工程建設的立交跨越也增加了難度,可謂“橋梁高高高上天、跨來跨去何時了”;此外,當主體工程的功能要求與外部的控制因素,以及現場條件形成復雜的立交環境時,大跨度橋梁結構有時也難以勝任,通常會選擇對既有的次要結構進行改建,往往代價巨大。

本文結合水曹鐵路接軌既有遷曹鐵路工程中兩支新建單線鐵路在分別穿越既有鐵路后、小角度交叉、又緊坡降低高程、并行穿越既有橋,在下穿既有鐵路的同時跨越不規則布設的兩條石油、液化天然氣管道的復雜立交環境,以工程實例闡述雙單線橋梁錯孔布置、異形框構橋式、小跨度板梁與框架墩結合的立交跨越橋式等“非大跨度”橋梁的立體交叉設計,作為一定條件下設計方向的一隅,為鐵路工程及涉鐵工程解決立交跨越問題提供一些思路及參考。

1 工程概況

水曹鐵路位于河北省唐山地區,是一條北起遷安水廠礦區、南至曹妃甸港區的雙線電氣化集疏港鐵路,鐵路等級參照國鐵Ⅰ級。根據線路的功能要求,水曹鐵路近期與遷曹鐵路接軌。在接軌方案研究階段,對比了左、右線外包遷曹及水曹右線中穿遷曹等方案,經主管單位審查后按中穿方案實施。接軌區域內新建、改建鐵路總長6.67 km(折算單線),既有鐵路、管線、道路的復雜立交關系及主要技術標準,工程地質概況,立交橋涵概況說明如下。

1.1 區域內既有鐵路、管線、道路相互關系說明

接軌區域內既有鐵路、管線平面關系如圖1所示。既有遷曹鐵路(雙線)與既有曹西左、右線下穿唐曹左線(圖1中A交叉點)后,曹西左、右線上坡分別跨越遷曹鐵路及唐曹右線;既有唐曹左、右線區域內呈外包形式,走行于遷曹鐵路兩側。

區域內共有城鎮熱力管道1條,輸油、LNG(液化天然氣)長輸管道2條。熱力管道基本垂直穿越各條鐵路線;輸油管道穿越既有曹西左線后折向南偏西,至LNG管道處折向南偏東并行LNG管道走行約180 m后跨越LNG管道后再次與之并行前行;LNG管道局部范圍內呈Z字型走行,從西向東直線穿過唐曹右線、曹西右線后,折向穿越遷曹雙線、曹西左線后,再次折向平行于原方向,與輸油管道并行斜交穿越唐曹左線曲線段后,走行于唐曹左線外側30 m外。

需要說明的是,圖1中西南方向唐曹右線外側為24 m寬的公路,也是線路方案研究的控制因素;曹西左線的左側、曹西右線的右側規劃預留曹西三、四線;唐曹左線的左側也需預留增建單線的條件。水曹鐵路線路走向、橋梁結構要考慮預留鐵路的建設條件。

從立面關系來看,既有鐵路及管線由低到高大致為:LNG管道-輸油管道(燃氣管道)-遷曹雙線(唐曹右線)-曹西左、右線-唐曹左線。

1.2 區域內鐵路、管線的主要技術標準

區域內鐵路的主要技術標準如表1所示,穿(跨)越時主要考慮其凈寬(單線鐵路4.88 m)、凈高(建限-1凈高6.55 m、雙層集裝箱凈高7.96 m)的要求[2],以及接觸網高壓電安全距離要求(安全距離2 m,5 m范圍內金屬構造物設置接地)。陜京LNG管道、曹津輸油管道為有壓金屬長輸管道,管徑分別為1 016 mm,813 mm。鐵路橋梁跨越管道,橋梁底面至自然地面的凈空高度不應小于2.0 m;管道與鐵路橋梁墩臺基礎邊緣水平凈距不宜小于3 m[3]。

表1 區域內鐵路的主要技術標準

1.3 工程地質概況

橋區從上至下依次為:人工填土、80 kPa淤泥質粉質黏土、100 kPa黏性土、100 kPa砂類土。土壤最大凍結深度采用0.8 m。地震動峰值加速度為0.15g,地震基本烈度為7度。地震動反應譜特征周期值0.65 s。

1.4 區域內立體交叉設計概況

水曹鐵路接軌遷曹鐵路區域內鐵路、道路、管線之間的立體交叉設計概況如表2所示。6.67 km線路范圍內立體交叉18次(不含與規劃線路交叉),平均2.7次/km;最小交叉角度30°,立交情況頗為復雜。

表2 立體交叉設計概況表

2 區域內立交橋涵選型及設計要點

普速鐵路常規橋型為32 m,24 m,20 m,16 m跨度預應力混凝土簡支T梁,其中32 m跨為一般地區,也是水曹鐵路橋梁設計的經濟跨度。但接軌工程有著區域有限(直線距離2 km左右)、地形平坦、既有構筑物交織、地質松軟、地下水位淺等環境特點。根據這些特點,增加了10 m鋼筋混凝土板梁橋型及配套的橋墩、框架墩,以及異形框構、小跨度連續剛構橋型以滿足立交要求。選取有代表的橋型方案比選及設計要點闡述如下。

2.1 采用雙單線錯孔布置簡支T梁跨越道路

水曹鐵路跨越在建十里海南路(城市道路),交叉角度約43°,如采用大跨度連續梁或者簡支鋼桁梁一跨跨越,主跨約64 m(如采用48 m跨度,橋墩占據非機動車道及人行步道)。交叉點位于車站附近,鐵路軌面高程受限;地下水位較高(見圖2),道路不宜下挖,道路高程受限(如下挖則需采用U形槽防水、需設泵房進行立交排水)。因此需選用建筑高度較小的橋梁結構,即采用64 m雙線鋼桁梁,但鋼桁梁投資較高。如采用分幅跨越,可選用8 m+12 m+12 m+8 m門式剛構橋,但斜交角度大于45°,結構整體受力較差,且投資相對較高。結合十里海南路尚未完工情況,提出采用24 m簡支T梁分為雙單線錯孔布置的橋跨形式,單線橋墩錯位設于道路的隔離帶內(見圖3),大大降低了工程投資與施工難度。需要指出的是即使雙單線錯孔布置,常規的單線橋墩的頂帽及接觸網立柱基礎都將侵入道路限界,需對橋墩頂帽及接觸網立柱進行局部改造。

把雙線橋調整為雙單線錯孔布置,將橋墩設于道路隔離帶內(必要時鐵路下部結構采用預制拼裝結構),是一種較為經濟的、值得推廣的橋跨布置方式。

2.2 采用異形框構完成兩條新建鐵路交叉

水曹鐵路右線與曹西左線交叉后,需與改建遷曹左線交叉方可中穿接入遷曹線,而至接軌點附近又必須下穿既有曹西左線。受既有線平面控制,有兩種立交方案選擇:一是水曹右線先跨越曹西左線以及改建遷曹左線后再下穿曹西左線;二是水曹右線穿越曹西左線、改建遷曹左線后再下穿曹西左線。受接軌高程控制,水曹右線上跨方案線路坡度將超過限值,因此只能選擇水曹右線下穿方案。受既有線平面關系及鐵路最小曲線半徑的限制,水曹右線與改建遷曹左線的交叉角度較小(圖1中B區),如采用門式墩跨越,水曹右線將下挖較多,將加大U形槽規模及穿越曹西左線的施工難度。綜合考慮提出了水曹右線從框架內通過、改建遷曹左線從框架頂通過的異形框構方案。框架內兩端與U形槽順接,框架頂兩端與簡支T梁結構順接(見圖4,圖5)。

以兩線交叉角為參數來看,交角為90°時,這種異形框構轉換為正常的正交框構;交角為0°時,這種異形框構轉換為上下層受力的長筒狀結構。二者的主要區別在于其受力不同、上下共同受力的頻遇也不同。異形框構的結構長度取決于交叉角度。當上下兩線均為新建線路,且立交凈空受限時異形框構相比框架墩跨越有一定的優勢。異形框構從斷面上看由中間單箱三室框構及兩端的單箱雙室不對稱框構組成,結構劃分要盡量使受力明確,具體設計時注意與相關結構物(如簡支梁橋墩、U形槽)接口的空間關系。

2.3 采用小跨度連續剛構穿越既有橋

受接軌平面線形及周邊既有曹津管道、陜京LNG管道走行所限,改建遷曹左線及新建水曹右線需并行從既有曹西左線53號—53號墩之間32 m橋下小角度斜交穿越。橋區為濱海軟土地基,如采用路基形式穿越,難免對既有橋墩造成偏壓;如采用雙線U形槽通過,U形槽結構與既有橋墩承臺有所沖突;如采用常規路基樁板結構,受跨度所限,樁基施工與既有樁基間距偏小,容易對既有結構造成影響。因此以橋代路穿越既有橋。

受接軌高程控制,橋梁結構不宜采用太大跨度(跨度大則建筑結構高,梁底置于既有地面以下較多時,需考慮地表水、地下水位的影響以及結構防腐)。新建樁基與既有樁基間距按不小于6倍樁徑控制[4]。考慮梁體與樁基剛度的匹配,經結構試算后采用16 m+16 m+16 m剛構雙單線錯孔布置的形式完成穿越。結構平面布置如圖6所示。

2.4 采用框架墩與小跨度板梁跨越長輸管道

區域內兩次采用“框架墩+10 m跨度混凝土板梁”跨越長輸管道(圖1中C區、D區),其中C區受穿越曹西左線控制,D區受接軌高程控制,跨越管道凈空都比較低。加之跨越處,輸油、LNG管道并行或相互跨越,且與新建鐵路的交叉角度較小,綜合考慮后采用跨距13 m的框架墩配合10 m跨度小板梁完成跨越,盡量統一橋型、減少特殊設計。

以D區為例,平面布置如圖7所示。如采用32 m簡支梁跨越(在兩管道中間設置橋墩),在承臺邊緣距離管道最小邊距5 m要求的限制下無法跨越;如采用大跨度橋梁一跨跨越,則建筑高度高會導致管道頂凈高不滿足要求,且梁底低于自然地面較多(如圖8所示),不利于區域內排洪。

本線13 m跨距的框架墩橫梁為了盡量降低建筑高度,按預應力混凝土結構設計[5],梁高1.1 m。由于框架墩墩高僅0.5 m(見圖8),基礎相對剛度大,橫梁如按兩端剛結后再進行張拉,則大多數預應力效應由下部結構抵抗,很難在橫梁中發揮出來,因此橫梁一側需先張拉、后澆筑墩身(完成剛結)。這是低墩高框架墩值得注意的設計細節。10 m跨度板梁采用鋼筋混凝土結構設計,梁端采用了整條橡膠簡易支座,降低了整體建筑高度,需要指出的是對于多孔結構在采用簡易支座時應設置梁體的縱、橫向限位裝置來滿足無縫線路鋪設的剛度要求。框架墩橫梁、10 m板梁均采用預制吊裝施工,降低跨越管道的施工風險[6-7]。

3 主要結論與建議

3.1 主要結論

采用雙單線錯孔布置的橋式方案既解決了“鐵路不便抬高、道路不宜降低”的沖突問題,又大幅降低了工程投資、減少了后期鋼梁橋的養護投資,可謂雙方受益、一舉多得;異形框構是充分抓住“立交雙方是同步建設”這一特點而提出的“低建筑高度”的經濟橋型;小跨度連續剛構錯孔布置是結合路基“樁+板結構”與橋梁結構的優點與現場實際結合而提出的較為經濟的橋型;小跨度板梁與框架墩結合則是基于對“跨度越大、建筑高度越大、基礎也越龐大”的認識,結合具體情況而提出的適用橋型[8-9]。

由此可見,新建工程采用一種或多種中小跨度結構、異形結構,經合理布置、結構計算后跨越既有結構物的立體交叉設計,在一定條件下不失為一種既經濟又有效的設計思路。

立體交叉設計一般要進行多方案比較后,方能得到適用、經濟、合理的穿(跨)越方案。具體設計時,經結構專業、線路等專業協同研究、多次優化參數后,先考慮功能性、再考慮經濟性,一般可得到較優的立交方案。

3.2 建議

立體交叉設計過程中,要在深入理解相關行業規范要求的基礎上,客觀地考慮雙方權益單位在運營、維護、施工、規劃等方面的需求。當對方提出較為嚴格的要求時,不要簡單理解為“刁難”,要認真對待、科學評價、分清利弊,通過協商確定總體經濟、適用、安全、雙贏的立交方案[10]。

當立體交叉設計采用非常規的結構時,在構造方面除要考慮橋梁本專業結構的協調外,尚應考慮與路基、軌道、接觸網、電磁防護等專業的接口關系;在結構計算方面要予以重視,適當保守設計。