劉家鋒
(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)
當前,我國《中長期鐵路網規劃》正加緊實施,以四縱四橫為主骨架的高速客運網正在大規模建設[1],一部分已建成,如已通車運營的武廣、鄭西客運專線最高運行時速達350 km;連接兩大直轄市的京津城際鐵路,自2008年8月奧運會前開通運營至今,運營情況良好,得到了世界各國的普遍贊譽。高速鐵路作為綠色環保的交通運輸工具,在中國廣袤的國土上正大規模興建,對貫徹國家節能減排,發展低碳經濟,加快區域經濟一體化,統籌城鄉發展的戰略,促進經濟社會全面和諧發展,將起到引領和支撐作用。橋梁作為高速鐵路的重要組成部分,其所占比重超過線路總長的50%以上,有些占線路總長的80%以上,如京津城際鐵路,正線全長113.544 km,橋梁100.171 km[2],橋梁占線路全長的88%;正在建設的京滬高速鐵路全長1 318 km,橋梁1 060 km,橋梁占全長的80.7%[3],其中常用跨度橋梁長度為956 km,占橋梁總長的90%。據統計,這些橋梁中,有95%以上的橋梁采用中小跨度的橋梁(20~64 m),且中小跨度的橋梁中采用標準設計的橋梁占90%左右[4],我國客運專線鐵路的主要梁型是32 m后張法箱形簡支梁[5],20、24 m梁僅作為調整跨度使用,此外,在一些新建鐵路客運專線還采用了40~64 m箱形梁[5~7]。目前,我國中小跨度鐵路箱形梁主要架設方法有預制架設法[2~3,8~12]、移動模架法[4,13~16]、支架現澆法[17]、節段拼裝法[5~7,18~22]和滿布支架現澆法。這些方法在我國各條客運專線的建設中均得到廣泛應用,尤其是預制架設法和移動模架法,在32 m跨簡支箱梁的施工中占主導地位;節段拼裝法主要用于解決跨度在40~64 m中等跨度簡支箱梁的架設難題[18],因箱梁質量大、架設困難,往往采取將其分段預制,在橋位處利用造橋機原位拼裝成型的施工方法,該方法在包西[22]、溫福[5]、鄭西[21]、昌九[6]等線得到應用。支架現澆法主要用于32 m跨及以下跨度橋梁的施工[17],適合孔數不多,地基條件較好的橋梁架設。筆者曾在《鐵道標準設計》2000年3期撰文《高速鐵路中小跨度橋梁結構模式及架設方法》[23],當時的背景是我國秦沈客運專線已開工建設,橋梁所遇到的主要問題是大噸位箱梁的架設,而我國鐵路中小跨度橋梁以T梁為主,架橋機可架設的最大跨度T梁為32 m,最大質量為130 t[24],并且T梁由專門的橋梁預制工廠預制,需用專用的運梁平車按超級超限貨物運輸,長途運至架設現場,先鋪軌,后架梁,雙片T梁不能一次架設到位,需墩頂橫移梁,架梁作業安全風險較大。限于當時的架梁條件,秦沈客運專線大規模采用架橋機架設的雙線單箱簡支梁跨度為24 m[8~9],主要采用了JQ600、意大利尼古拉公司的550 t運架一體機,用六四式軍用梁拼組的SPJ32/450型、DF32/450型單箱32 m架橋機等8套不同型號的運架設備。32 m雙線單箱簡支梁采用移動模架和移動支架架設,其中遼河特大橋74孔32 m梁采用八七型搶修鋼梁拼組的移動支架節段拼裝施工[20],小凌河大橋49孔32 m雙線預應力簡支箱梁第一次大規模地采用移動模架法現澆施工[13],為以后我國鐵路客運專線大規模采用移動模架法施工積累了成功的經驗。
根據近年來我國高速鐵路中小跨度橋梁的成功經驗,筆者對目前我國中小跨度簡支箱梁的架設方法進行梳理和總結,以為今后一段時期的高速鐵路橋梁建設提供借鑒,限于篇幅,僅對預制架設法、移動模架法、移動支架節段拼裝法和支架現澆法進行闡述。
為了便于比較和研究,選取目前常用的20~64 m中小跨度箱形簡支梁作為研究對象,不包括框構橋和連續梁以及結合梁。由于雙線整孔預應力混凝土箱形簡支梁是目前我國高速鐵路的主要梁型,因此,施工方法主要圍繞該范圍內梁型進行論述。
為了節省耕地、保護農田、減小鐵路對城鎮的分隔、減少與地面其他交通方式的干擾,保證列車高速運行的安全,我國鐵路客運專線選線的一條重要理念就是以橋代路。由于我國幅員遼闊,鐵路所經過的地區存在大量的軟土、松軟土、巖溶等不良地質,加之過量抽采地下水,地基易產生不均勻沉降,為了保證橋梁結構的安全,設計大量采用簡支箱梁。為了保證箱梁的施工質量,在線路附近修建大型預制梁場,對箱梁集中預制,并用架橋機架設,考慮到架梁工效和投資等因素,根據以往的經驗,架梁的合理運梁半徑為20 km,如京滬高速鐵路全線32 m跨雙線簡支梁共計27 973孔,設置48個梁場,每個梁場的制梁孔數大部分在600孔以上[3]。圖1為目前我國各條客運專線廣泛應用的900 t箱梁下導梁式架橋機,圖2為DCY900型輪胎式運梁車在運送900 t箱梁。箱梁集中預制的優點如下。

圖1 DF900D型導梁式定點起吊架橋機

圖2 DCY900型輪胎式運梁車
(1)作業條件好、箱梁質量易于保證
由于箱梁體積大,質量大,鋼筋布置復雜,預應力孔道多,且采用高性能混凝土,無砟軌道梁精度要求高,采取集中工廠化預制,較支架現澆、移動模架等方法更能保證箱梁的質量,目前,我國高速鐵路900 t 32 m箱梁預制取得了一整套成熟的施工工藝,在全自動箱梁液壓整體內模、大體積箱梁鋼筋綁扎、預應力孔道壓漿、高性能混凝土的配比及振搗工藝等方面均積累了豐富的經驗,與電力、電牽、通信、信號等專業的有關接口均實現了高精度對接,為站后專業的各項施工創造了便利條件。
(2)制梁臺座和模板等設備可重復使用,可提高制梁效率,節省大量費用
如前所述,預制梁場的規模均較大,采用固定的制梁臺座和模板(內模和外模按一定比例配置),并設置鋼筋綁扎臺座,箱梁的施工按固定的流程進行,梁場內布置的龍門吊、移梁機等在規定的區域內作業;地面作業極大程度地減少了高空作業,混凝土采用大型自動計量攪拌機集中攪拌,并用大型輸送泵輸送,采用附著式振搗器和插入式振搗器相結合的振搗方式;澆筑成形的箱梁采用蒸汽養護,極大地縮短了混凝土的凝固時間,加快了預制臺座的周轉,提高了箱梁預制的機械化水平和制梁效率。此外,張拉作業在地面進行,可更好地控制預應力施工質量,節省了大量的費用,根據有關文獻,預制1孔32 m 900 t箱梁的時間為120~138 h。
(3)存梁時間長,便于混凝土梁在架設前完成徐變上拱
由于大噸位預制箱梁的預應力施工分兩期進行,即在預制臺座上初張拉,在存梁場放置一段時間達到規定的齡期后進行終張拉并壓漿封錨,兩次張拉間隔時間較長,可更好地減少因混凝土徐變而產生的上拱。根據理論計算和有關梁場的實測資料,目前我國32 m箱梁的預設拱度控制在10 mm以內,這對以后軌道板的高精度鋪設和保持軌道的高平順性打下了良好的基礎。圖3為京滬高速鐵路某箱梁預制場全貌,為了節省占地,存梁場箱梁雙層碼放。

圖3 箱梁預制場
(4)架梁作業效率高
目前,我國鐵路客運專線32 m 900 t箱梁的架橋機和運梁車已形成較為完整的系列。國內主要研制生產單位有鄭州大方橋梁機械有限公司、中鐵工程機械設計研究院、中鐵大橋局、中鐵武橋重工、北戴河通聯、鄭州華中建筑機械有限公司、北京萬橋興業公司、石家莊鐵道學院等,架橋機不但能在平原地段架梁,而且適應于山區橋隧相連地帶架梁,尤其是穿越隧道時架橋機可不解體,運梁車低位運梁,較大地提高了900 t架橋機對山區鐵路大噸位箱形橋梁架設的適應能力[25]。從國內已建成的高速鐵路的經驗看,在合理的架梁半徑(25 km左右)范圍內,通過固定的施工組織,提運架作業的良好配合,一般一天可架設2孔32 m 900 t箱梁,運距較短情況下(5~6 km)架梁速度能達到5孔/d,個別單位曾在京滬高速鐵路創下一天架設9孔32 m 900 t箱梁的紀錄。在高速鐵路橋梁工程浩大、工期緊,質量要求高的形勢下,采取集中預制箱梁并用900 t架橋機架設,是目前我國高速鐵路大噸位簡支箱梁施工的最優選擇。我國目前所取得的超常規、超高速的高速鐵路建設速度,其中很重要的原因之一是采用了現場集中制梁,用大噸位架橋機架設箱梁,通過采用標準化作業流程,極大地提高了橋梁的施工質量和效率。圖4為900 t運架一體機在武廣客運專線架梁,圖5為900 t運梁車穿隧道運梁。

圖4 900 t運架一體機

圖5 運梁車穿越隧道運梁
移動模架法是目前我國高速鐵路橋梁最主要的施工方法之一,廣泛應用于平原和山區鐵路的標準梁跨的施工,最大跨度達40 m,適合梁型主要有簡支梁和連續梁,以32 m簡支梁為主。由于我國目前實施了嚴格的耕地保護制度,對一些征地拆遷困難,地基處理難度大,造價高及不便設置大型預制梁場地段的鐵路橋梁,以及規模較大、工期緊,需多工作面展開施工的橋梁,采用移動模架法則成為必然的選擇。移動模架分為上行式移動模架和下行式移動模架[4,14~15],根據模架承重主梁在混凝土箱梁的位置來劃分。圖6為正在澆筑箱梁混凝土的上行式移動模架,圖7、圖8為兩種不同型號的下行式移動模架。其主要特點如下。

圖6 上行式移動模架

圖7 MZ32下行式移動模架

圖8 DSZ32/900型上承自行式移動模架造橋機在甬臺溫鐵路客運專線作業
(1)施工占用場地小
與預制架設和節段拼裝法相比,移動模架法不需要預制場,因此不存在梁場建設問題。在當前節約用地,減少用地、保護自然生態環境的大環境下,高速鐵路設計不僅要盡量減少占用土地,也要在建設中少占用土地,減少對周圍環境的破壞。移動模架施工集制梁、架梁為一體,不需要占用大量場地制梁和存梁,節省了梁場建設費用,同時也不需大噸位龍門吊、提梁機、運梁車等大型設備,節省了大量機械設備購置費;與滿堂支架法相比,不需進行地基處理,勞動力投入少。
(2)適用范圍廣泛,可多工作面展開施工
根據目前我國鐵路客運專線橋梁設計經驗,合理的路橋分界點高度為6~10 m,下行式移動模架的適用墩高為6 m以上,對于墩高低于6 m的橋梁則需搭設臨時支墩,上行式移動模架則不受此限制。移動模架適用范圍廣泛,可用于現澆24、32 m和40 m簡支梁或連續梁,尤其適用于高墩、軟土地基、深山峽谷、江河或湖泊灘地跨越既有線路等特殊地理環境橋梁的施工。對于長橋或特長橋,可同時采用多套移動模架展開多個作業面施工,有利于爭取工期。
(3)作業流程固定、機械化程度高
我國鐵路客運專線橋梁移動模架法已形成一套完整的施工工藝流程。其機械化程度高,支腿具有自移、模架自行過孔等功能,模架在高處向前移位方便迅速,不妨礙橋下交通,施工速度較快,常規狀態下12 d可完成1孔32 m箱梁施工。下行式模架由于其上部作業面寬敞,可安裝2臺30 t走行門吊,箱梁鋼筋可利用已完成箱梁頂板進行綁扎,可節省鋼筋綁扎時間。此外,對于高橋墩處的移動模架拼裝,如采用常規搭設支架安裝,不但需要大型的吊裝機械,而且還需大量搭設支架的臨時設施,安裝周期長、設備投入多,費用高;此種情況下主要采用整體提升法將模架整體提升到墩頂,國內的許多高橋墩的移動模架采用此法安裝。
(4)制梁周期受氣候的影響較大
由于移動模架在原位現澆制梁,箱梁混凝土不便于搭設保溫棚,進行蒸汽養護難度較大,且成本較高。因此,采用模動模架法施工宜在10~30 ℃氣溫環境下進行。低溫不利于混凝土強度的增長,對于在東北等高寒地區必須設保溫棚,采取蒸汽養護措施。相對預制梁的蒸汽養護來說,代價和成本較高。
(5)張拉、壓漿、封端等作業凈空小
采用移動模架法施工,需要在箱梁兩端原位張拉預應力筋,但張拉空間不足,必須對采用移動模架施工的標準梁梁端進行改造;即在箱梁兩端底板、腹板及頂板處開槽,滿足梁端張拉空間的需要[16]。壓漿和封端作業空間也同樣較狹小,但通過采取此措施,能保證移動模架箱梁施工的要求,實踐證明此法是可行的。
對于上行式移動模架和下行式移動模架的性能和特點,已有專門文獻論述[4],不再贅述。
節段拼裝法是介于整孔預制架設法和移動模架法之間的一種施工方法,其既包含有預制梁中的預制工藝,又有移動模架法中的原位拼裝特點,近年來在我國一些中等跨度(40~64 m)的客運專線橋梁中大量采用,尤其是一些墩高比較高,跨度較大的橋梁,橋址處有適合預制梁段的場地。箱梁化整為零,分為若干節段進行預制。因此,預制場較整孔運架法可小很多(1~2 hm2)。梁節在移動支架上組拼,調整線形符合要求后進行張拉,不需進行體系轉換。梁節之間的接頭分為濕接縫和干接縫。由于干接縫處鋼筋斷開,接縫處2~3 cm保護層易出現疲勞開裂,因此,我國鐵路橋梁節段拼裝主要采用濕接縫。接縫長度為60 cm,接縫處綁扎鋼筋,并安設預應力孔道,然后澆筑混凝土,該施工工藝較為成熟。自1992年在寧夏回族自治區靈武楊家灘黃河特大橋48 m箱形簡支梁國內首次采用移動支架法以來,在國內已有幾十座橋梁采用該法施工,跨度從32 m至64 m[6~7,18~19],目前國內跨度最大的雙線整孔簡支梁跨度為64 m。包西鐵路義南洛河特大橋[29]11孔64 m雙線單箱簡支梁采用SX32/64移動支架造橋機施工,建造速度達到12d/孔,圖9為SX32/64移動支架造橋機施工現場。64 m箱形簡支梁因跨度大,質量大,因此,有的客運專線設計采用的是雙片梁,即按梁從橫斷面分為兩部分預制,縱向13段,在支架組拼后澆筑縱向和橫向接縫,如溫福線白馬大橋即采用此方法施工[5]。

圖9 包西鐵路義南洛河特大橋SX32/64移動支架造橋機施工現場
移動支架節段拼裝法具有以下特點。
(1)箱梁分段預制,占用場地較小
由于箱梁分段預制,其預制占用場地較整孔預制大大縮小,特別適合山區狹谷橋梁施工,如鄭西客運專線磨溝河大橋(6-32 m)和列斜溝大橋(8-32 m)采用KZ32-1型客運專線造橋機,是集運架為一體的大型聯合設備[21],利用較小的空間、完成了箱梁節段預制,如圖10所示。

圖10 鄭西客運專線列斜溝大橋KZ32-1型客運專線移動支架造橋機施工現場
(2)機具設備小型化、減少建設費用
節段預制較整孔預制可節省大量的大噸位設備,由于箱梁分節預制所用機具設備相對小很多,且使用較為靈活,梁節預制場建設的費用較低,模板、臺座的利用率高。
(3)變高空作業為平地作業,效率高,質量好
梁節預制在地面預制場完成,作業條件好,有利于保證箱梁質量,且可按工藝流程展開流水作業,制梁效率較高,這與整孔預制法相同。同時也減少了大量的高空作業,有利于保證施工人員的安全,降低了施工風險。
(4)可跨越既有鐵路、公路和河流,減少對交通的影響
由于節段拼裝法適用范圍較廣,可架設橋梁的跨度為32~64 m,因此,對跨越既有鐵路、公路和河流具有較好的適應性,增加了橋梁選線設計的自由度,特別是在山區一些高橋墩橋梁,已大量采用48、56、64 m系列簡支箱梁,改變了過去高墩林立、小跨度梁配高墩的不合理設計,使橋梁結構設計更加合理、美觀,并節省了大量的投資,減少了對既有交通和通航的影響。對于跨越常年有水的河流,采用48~64 m中等跨度的簡支梁,與32 m跨梁相比,減少了橋墩數量,減少了阻水面積,有利于河道行洪。圖11為2種不同型號的移動支架造橋機錯開架設西安樞紐北環線渭河特大橋64 m簡支梁。
支架現澆法主要適用于澆筑孔跨較少,工期不太緊的橋梁,其施工較靈活,適合于一些橋墩高度較矮(10 m以下)的橋梁,也適用于中等及大跨度連續梁(此種情況不在本文探討范圍),支架主要采用六四式軍用架、貝雷梁等制式器材,在支架上支立模板、綁扎鋼筋,澆筑混凝土并進行張拉,支架需設置砂箱等特殊措施落架。相對于滿堂落地支架,可減少大量的基礎處理費用,施工占用土地較少,采取防護措施后可跨越既有鐵路和公路施工。模板為一次性使用,支架則可反復拆卸使用,可通過租賃方式解決,節省部分費用。該法在我國各條高速鐵路建設中廣泛采用,國內已有大量的文獻進行報道[17],本文不再贅述。

圖11 2種不同型號的移動支架造橋機錯開架設西安樞紐北環線64 m單線簡支梁

表1 預應力簡支箱梁施工方法比較
比較結論:由于我國幅員遼闊,地形、地勢差異較大,橋梁所經行地區情況千差萬別,不可能用一種施工方法包打天下,需因地制宜,根據工期、造價,在確保安全和質量的前提下,選擇適合具體橋梁施工條件的施工方法,使資源配置最優。即將整孔預制架設法作為大規模箱梁架設施工的首選方法,移動模架法作為主要施工方法,其他方法作為補充,這對確保我國目前的大規模、高標準、高速度的客運專線建設質量特別重要,也是比較符合我國當前客運專線橋梁施工實際的現實選擇。
橋隧相連地段箱梁的架設是我國山區鐵路橋梁建設遇到的難點問題。由于箱梁的橫向寬度超過隧道凈空,運梁車不能穿過隧道運梁,有關設計單位采取了許多措施來解決此問題[25]。主要措施有:箱梁翼緣割翼部分后澆,增大隧道凈空,變雙線整孔箱梁為單線并置箱梁等。國內架橋機制造廠家也研制出了穿隧道運架一體機、穿隧道整機不解體架橋機,以適應橋隧相連地段的箱梁架設,并配套了低高度的運梁車[26](運架一體機除外)。此外,設計單位也對常用跨度橋梁的標準圖進行了優化,將箱梁寬度由13.4 m減小為12 m,施工單位在有條件的地方隧道二襯不做、仰拱只施做一部分,這在一定程度上解決了橋隧相間地段孤橋、野橋的架設難題。有關部門認為整孔預制梁的質量優于采用其他3種方法施工的梁,但片面強調采用整孔預制架設法,會造成投資增加,工期延長。解決此類問題應樹立系統和全局觀念,針對具體的情況進行具體分析,該用移動模架法則用移動模架法,該用支架現澆法則用現澆法。在保證全線施工組織目標工期的前提下,對整個標段乃至全線范圍內的橋梁施工方案進行系統優化,有關設計單位已形成這方面的研究成果,并已在南廣鐵路得到應用。對于隧道長度較短,制梁場必須設在隧道一側,穿過隧道運梁,在進行充分的經濟比選的基礎上,可擴大隧道斷面,而不割除箱梁翼緣板,雖然隧道斷面擴大增加部分費用,但簡化了后繼施工工藝,可大大減少總的施工費用。根據有關客運專線隧道的施工經驗,隧道拓寬 0.4 m,擴孔每延米增加費用2 000元[27]。哈大客運專線臺山隧道全長332 m,為了保證寬達13.4 m 的32 m箱梁在不割除翼緣條件下由運梁車運輸穿越隧道,隧道斷面擴大至209 m2[28],從局部來看,此方案不合理,但從全線的施工組織總體安排、總工期、造價、建設質量來看,卻是科學合理經濟的。
我國在鐵路客運專線箱形簡支梁的架設施工中積累了豐富的經驗,取得了一大批先進、成熟的施工工法,中小跨度雙線簡支箱梁(特別是跨度32 m雙線簡支箱梁)在客運專線橋梁中占有重要比重,其施工質量、進度直接關系到客專建設的成敗。總結我國客運專線橋梁架設經驗,中小跨度簡支箱梁架設應遵循以整孔預制架設、移動模架原位現澆施工為主,移動支架節段拼裝施工和支架現澆為輔的原則。對一些遇到的新問題(如橋隧相連地段箱梁的架設)還需重點進行研究,不斷取得突破;并對既有施工技術不斷優化完善,創新中小跨度簡支箱梁的架設方法和工藝,全面提高我國客運專線中小跨度簡支箱梁的施工水平。
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