包西鐵路通道大保當至張橋段橋梁設計

唐 英

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司橋隧處,西安 710043)

1 工程概況

包西鐵路通道大保當至張橋段位于陜西省境內，自北向南縱貫榆林、延安、渭南三市，線路北起既有神延線的大保當車站，南至西延線的張橋車站，線路全長561.132 km。

包西鐵路通道北接京蘭通道中的京包線、包蘭線，中通煤運通道的神朔線、侯西線和新建的太中銀線，南連包柳通道中的西康線、陸橋通道中的隴海線，東連寧西通道的西南線，是西北地區鐵路網骨架的重要組成部分。因此，在路網中地理位置極為重要，徑路非常便捷優越。

大保當至張橋段屬包柳通道的組成部分，是陜北、內蒙中西部與西南、華東、中南、關中及陜南等地區客貨交流的便捷通道；盡快實施本項目，使本段鐵路成為客貨兼顧，以煤運為主的快速大能力路網通道，增強包柳通道沿途區域間的經濟聯系，充分發揮通道經濟和社會效能，促進西部欠發達地區的經濟發展等方面有著非常重要的意義和作用。

1.1 地形、地貌

包西鐵路通道大保當至張橋段縱貫陜西省北部和關中地區。以魚河峁、慶興村為界，主要經過三大地貌單元，大保當至魚河峁為毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原的接壤帶，魚河峁至慶興村為陜北黃土高原梁峁溝壑區，慶興村以南屬渭北黃土臺塬及渭河河谷區。

1.2 沿線主要水系

本段線路除部分地段位于毛烏素沙漠南緣的風沙區外，其余地段均在黃土溝壑區；線路所經地區主要有無定河水系、秀延河水系、延河水系、洛河水系，均屬黃河流域，為黃河的一、二級支流。

1.3 工程地質

沿線出露的地層上部為第四系覆蓋層，底部主要出露中生界地層，古生代的地層只在局部地段出露。沿線岸坡、山梁上部廣覆厚層黃土。各河流河床及階地分布沖積黏性土、砂類土及碎石類土，部分溝谷分布軟弱地基土及新近淤積軟土。主要地層有黃土、頁巖、砂巖、泥巖及灰巖等。

1.4 沿線氣象

沿線氣候屬溫帶半干旱氣候區，具有冬季寒冷、夏季炎熱，溫差懸殊，四季明顯的特征。

2 主要技術標準

(1)鐵路等級：國鐵Ⅰ級。

(2)正線數目：大保當至延安增建二線，延安至張橋一次新建雙線，甘泉至張橋既有線保留。

(3)最大坡度：6‰，大保當至榆林、綏德至甘泉雙機坡13‰。

(4)速度目標值及最小曲線半徑

大保當至延安增建二線160 km/h，最小曲線半徑一般2 000 m，困難1 600 m。

延安至張橋新建雙線160 km/h(預留200 km/h條件)，最小曲線半徑一般3 500 m，困難2 800 m；既有線延安至甘泉間廢棄，其余地段原則上維持不變。

何寨至鄭西客專新臨潼車站客車聯絡線: 本聯絡線執行客運專線技術標準，速度目標值200 km/h，最小曲線半徑2 200 m。電力牽引，最大坡度12‰，到發線有效長700 m，自動閉塞。

(5) 設計活載：中-活載。

3 橋涵工程

沿線橋涵主要工程數量見表1。

表1 包西鐵路通道大保當至張橋段橋涵工程數量

4 橋梁設計

4.1 橋梁概況

線路所經地區地形起伏較大，橋高從幾m至70余m不等，線路跨越榆溪河、無定河、淮寧河、秀延河、延河、洛河等多條河流，多受地形、防洪需要而設橋。

受立交要求而設橋：本線跨越黃延高速公路、西禹高速公路、G210國道、G307國道、G309國道、S205省道、S201省道，既有神延、西延鐵路，新建疏解線、聯絡線鐵路與本線多次交叉，除地形控制或跨越確有困難的橋梁主跨采用特殊結構外，其余橋梁均采用標準跨徑的簡支梁結構。受線路高度和立交凈空控制時采用連續剛構、梁-拱組合體系等橋式結構。橋梁長度及跨徑根據地形、水文及立交等條件綜合確定。

4.2 橋梁類型

全段橋梁類型及比例統計見表2。

表2 包西鐵路大張段橋梁類型及比例統計

4.3 橋梁設計原則

(1)上部結構

橋梁上部結構除個別需特殊設計外原則上采用部頒標準圖，具體按旅客列車速度目標值確定：旅客列車速度目標值為160 km/h，采用“通橋(2005)2101”系列部頒通用圖；旅客列車速度目標值為200 km/h，采用“通橋(2005)2201”系列部頒通用圖，跨度采用16、24 m及32 m簡支T梁。

對于橋高大于50 m的高橋，當地形、地質及水文條件適宜，且橋長較長時，為減少高墩個數及阻水寬度，采用大跨連續梁或大跨簡支梁橋式方案。

其他受立交等條件控制，跨越高速公路、鐵路的工點視橋址處具體情況，采用鋼管混凝土系桿拱、連續梁、連續剛構或其他形式的橋式結構。

根據陜西省水利廳要求，跨越洛河的部分橋梁由于斜交角度較大，采用48 m或64 m簡支箱梁，采用造橋機節段拼裝法施工。

(2)橋梁下部結構

優先選用圓端形橋墩，當流量較大，水流斜交角度α>20°時采用圓形橋墩；部分立交橋梁，采用矩形橋墩。墩高h>25 m時采用空心橋墩；墩身均設護面鋼筋。橋臺根據地形、地質條件采用T臺或挖方內橋臺。

(3)橋梁基礎設計

地質條件適宜，有少量(或無)地下水，且基礎埋深小于6 m時，選用明挖滿灌基礎；處于天然河道上的特大橋、大中橋及修建于不良地質上的橋梁不得采用明挖基礎。

當地基持力層埋置較深，地層情況相對單一且地下水水量較少時可采用挖井基礎。挖井基礎深度宜小于12 m，截面形式采用矩形、圓形及圓端形。

對于不適用于明挖滿灌基礎和挖井基礎的地層采用樁基礎，樁徑采用φ100 cm、φ125 cm、φ150 cm及φ180 cm。一般16 m跨簡支梁采用φ100 cm樁徑，24 m和32 m跨簡支梁采用φ125 cm 樁徑。

4.4 特殊地區橋梁設計

(1)濕陷性黃土地區

位于各級濕陷性黃土地區的橋梁，其墩臺基礎一般均應置于非濕陷性土層中。當采用樁基時，需穿透濕陷性黃土層，將樁底置于穩定可靠的非濕陷性土層中。

樁基礎的負摩阻力按《濕陷性黃土地區建筑規范》(GB50025—2004)取值，Ⅰ、Ⅱ級自重濕陷摩阻力取-10 kPa，Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷摩阻力取-15 kPa。濕陷性土層范圍地基土比例系數m按飽和狀態下濕陷性黃土取值，范圍在2 500～6 000 kPa/m2。一般非自重濕陷性土層取6 000 kPa/m2，Ⅰ、Ⅱ級自重濕陷性土層取4 500 kPa/m2，Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷土層取2 500 kPa/m2。

(2)煤窯采空區

包西鐵路通道大保當至張橋段目前已探明位于煤窯采空區的橋梁有13座，長度合計約4 834.8 m。煤窯采空區的橋梁采用灌漿與鉆孔樁基礎相結合的原則處理：首先對采空區墩臺一定范圍內的地基進行注漿處理，采空處理完畢后，經鉆孔檢查注漿效果達到要求后，再進行鉆孔樁基礎施工，樁底均置于采空區底板以下1～2 m。

(3)鹽漬土及硫酸鹽侵蝕地區

本線部分段落地表水或地下水具硫酸鹽侵蝕性，侵蝕程度為弱-強；蒲城地區有鹽漬土分布(鹵泊灘)，按照水質分析報告， SO42-、Mg2+及可溶鹽陰陽離子總和含量的最大值分別為23 536.6、12 519.7、60 245.0 mg/L，對混凝土有硫酸鹽強侵蝕性、鎂鹽強侵蝕性和鹽類結晶強侵蝕性，環境作用等級為L3、H4，屬強侵蝕地區；因此，這些段落必須對混凝土采取防腐措施，以提高結構耐久性。具體措施如下：

①侵蝕地區混凝土結構水泥中根據侵蝕強度添加一定比例的防腐添加劑。按弱侵蝕48 kg/m3，中等以上侵蝕54 kg/m3摻量摻加。水泥采用普通硅酸鹽水泥；

②強侵蝕以上地段，橋梁墩臺身、承臺、樁身鋼筋均采用環氧涂層鋼筋；

③強侵蝕及超強侵蝕地段，除滿足以上要求外，基頂至地面以上1.0 m高范圍內的墩身外表面增設防護層；

④明挖基礎及承臺挖基時宜垂直開挖，基坑四周及坑底噴涂5 mm厚瀝青，待瀝青干硬后，滿灌基礎或承臺。

4.5 新結構橋梁設計

(1)甘泉洛河大橋、梁峁洛河大橋，采用32 m單線和48 m單線簡支箱梁；狄家河特大橋及義南洛河特大橋，采用32 m雙線和64 m雙線簡支箱梁，造橋機分段拼裝施工的新技術。

64 m雙線簡支箱梁為目前國內在建跨度較大的采用造橋機分段拼裝施工的結構，梁體采用單箱、單室、等高度預應力混凝土簡支箱梁。梁高5.0 m，梁頂寬9.5 m，底寬5.50 m，頂板厚32 cm，中心處厚41 cm；底板厚35 cm，腹板厚50 cm。計算跨度為64.0 m，兩端懸臂外伸各40 cm，梁全長66.2 m。根據每個梁段最大自重控制在1 400 kN以內及減少梁段種類的原則，全橋共分15個梁段，14個濕接縫。梁段長度為1號梁段3.10 m，2號梁段3.80 m，其余梁段4.0 m。濕接縫長度0.60 m。

64 m雙線簡支箱梁跨中截面見圖1。

圖1 64 m雙線簡支箱梁跨中截面(單位：cm)

義南洛河特大橋主墩高達65 m，主橋采用多跨64 m雙線簡支箱梁，每孔箱梁重達21 000 kN，造橋機重約14 000余kN，累計重35 000余kN荷載在高空完成梁段定位、節段拼裝、預應力張拉等一系列成梁作業，無論從跨度、起吊重還是線路等級均實現了國內同類型橋梁工程的重大突破。

(2)應黃延高速立交要求，跨黃延高速公路大橋采用128 m鋼管混凝土系桿拱結構；主橋上部采用鋼管混凝土系桿拱，拱軸線采用二次拋物線，理論計算跨度L=128 m，橫橋向設置2道拱肋，拱肋中心間距13.05 m。主梁采用預應力混凝土簡支箱梁，橫截面為單箱三室截面，梁全長131 m；主橋采用先梁后拱的施工方法，主梁采用支架法現澆施工；拱肋鋼管在工廠拼焊成10 m左右的構件，運至工地，吊裝在拱肋支架上進行組拼并焊接施工。跨黃延高速公路大橋有限元模型如圖2所示。

圖2 跨黃延高速公路大橋有限元模型

《跨黃延高速公路大橋動力性能研究報告》分析顯示，在美國5級譜條件下，滿足C62貨物列車在50～70 km/h、K2貨車60～100 km/h以及中速客車在160～180 km/h范圍內安全舒適運行，在美國6級譜條件下，滿足C62貨物列車在50～80 km/h、K2貨車60～120 km/h以及中速客車在160～240 km/h范圍內安全舒適運行。

單跨128 m的鋼管混凝土簡支系桿拱結構，為目前國內首座雙線時速200 km客貨共線鐵路簡支系桿拱橋，新型啞鈴形拱肋截面形式，在同類型鐵路橋梁中首次采用。根據《荷載試驗報告》，跨黃延高速公路大橋具有足夠的強度和剛度，動力性能良好，能夠滿足設計的荷載等級和運營要求。

(3)應西禹高速立交凈空要求，跨西禹高速公路特大橋采用1聯(23+41+96+41+23) m V撐連續梁，梁體采用單箱單室等高度直腹板箱形截面，1聯總長225.5 m，邊支座中心至梁端距離0.75 m，計算跨度為(23+41+96+41+23) m。V撐三角區梁高采用4.2 m，其余梁段梁高4.0 m，箱梁頂寬11.46 m，底寬6.0 m；V撐連續梁采用掛籃懸臂澆筑施工。主橋立面見圖3。

圖3 跨西禹高速公路特大橋主橋立面(單位：cm)

本橋借鑒大跨斜拉橋邊跨輔助墩的設計理念，通過在V撐連續梁合龍后邊跨設置輔助墩，減小主跨跨中的活載彎矩，從而改善梁體結構的受力分布，有效提高梁體的豎向剛度。主橋施工工序為先合龍(64+96+64) m V撐連續梁，然后在輔助墩墩頂施加1 500 kN頂力，安裝輔助墩支座，完成體系轉換，形成最終(23+41+96+41+23) m V撐連續梁橋式。本橋采用V撐連續梁結構設置輔助墩創新技術，解決了橋梁豎向剛度弱的技術難題，改善了梁體受力狀態，拓寬了V撐連續梁的應用領域。

5 重點橋梁

(1)跨黃延高速大橋

橋址處鐵路里程DK513+825～DK513+876.5為黃陵至延安的高速公路，該高速公路為雙向4車道，路面寬21 m，斜交角度31°，填土高約5 m；鐵路里程DK513+908～DK513+920處為寬8.0 m的305省道，道路順直；應陜西省交通廳要求黃延高速按預留拓寬條件設計。

橋址范圍內出露地層主要為第四系全新統沖積砂質黃土、粗圓礫土、礫砂、粗砂，侏羅系頁 巖夾砂巖；橋址處地下水水質良好，對圬工無侵蝕性；本區地震動峰值加速度0.05g。

結合橋址地形條件，本橋中心里程DK513+892，孔跨布置為1孔32 m簡支T梁+1孔128 m鋼管混凝土系桿拱+2孔32 m簡支T梁+3孔24 m梁簡支T梁。見圖4。

圖4 跨黃延高速公路大橋橋跨布置(單位：cm)

24、32 m簡支T梁采用廠制成品梁，架橋機架設施工；128 m系桿拱采用支架上分段現澆施工系桿梁體，梁體上搭設拱肋支架，在支架上拼裝空鋼管拱肋，即主橋采用先梁后拱的施工方法。

主橋上部結構采用鋼管混凝土系桿拱，拱軸線采用二次拋物線，矢跨比f/L=1/5，矢高f=25.6 m，理論計算跨度L=128 m，理論拱軸線方程為：Y=0.8X-0.006 25X2。橫橋向設置兩道拱肋，拱肋中心間距13.05 m。主梁采用預應力混凝土簡支箱梁，橫截面為單箱三室截面。系梁全長131 m，系梁梁高3.0 m，梁頂寬16.35 m，底寬13.69 m，梁端拱腳處10.5 m范圍內梁頂加寬至16.95 m，梁底加寬至14.85 m；邊腹板厚64 cm，拱腳處加厚至185 cm;中腹板厚38 cm，拱腳處加厚至210 cm。

兩主墩墩身采用“凸”形橋墩，基礎采用φ200 cm的鉆孔灌注柱樁基礎。為防止雷擊對橋梁結構的損壞，本橋設置了避雷裝置。

(2)甘泉洛河大橋

本橋位于甘泉縣城附近，跨越洛河，站內6線橋，因線路跨越洛河斜交角度較大，根據水工模型試驗成果及《防洪評價報告》審查意見，為減小橋墩阻水，本橋按6座單線橋設計，錯墩布置，以順應水流方式跨越洛河。橋址處百年一遇設計流量8 823 m3/s。甘泉洛河大橋橋跨布置見圖5。

圖5 甘泉洛河大橋橋跨布置(單位：cm)

工點位于洛河的一級階地及河漫灘區，地層較簡單，工程涉及的地層主要為砂質黃土、粉砂、粗砂、礫砂、細圓礫土、粗圓礫土，侏羅系中下統頁巖夾砂巖。

全橋結合地形條件，按照6座單線設計，各線里程為獨立里程，孔跨布置均為5孔32 m簡支T梁+6孔48 m簡支箱梁。

48 m簡支箱梁采用節段拼裝法施工，梁段預制場地布置在西安臺后。梁體采用單箱、單室、等高度預應力混凝土簡支箱梁。梁高3.8 m，軌底至梁底高4.5 m，梁頂寬4.96 m，底寬3 m，頂板厚31.4 cm，中心處厚32.5 cm；底板厚32 cm，腹板厚35 cm。計算跨度48.0 m，兩端懸臂外伸各55 cm，梁全長50.2 m。全橋共分9個梁段，8個濕接縫。梁段長度為1號梁段4.15 m，其余梁段5.3 m。濕接縫長度0.60 m。

各線橋臺均采用T臺，所有橋墩均采用單線圓形實體橋墩，其中1～4號墩墩徑3.4 m，直坡；5～10號墩墩徑3.8 m，直坡。全橋墩臺均采用樁基礎，柱樁。

(3)馬坡洛河特大橋

馬坡洛河特大橋位于洛河峽谷區，為全段內最高的橋，橋高76 m左右。橋址處設計流量7 690 m3/s。橋址范圍洛河兩岸地勢陡峻，呈“V”字形。橋址范圍涉及地層主要為碎石土、黏質黃土和黏質黃土及砂巖夾泥巖。

因橋高，從經濟、美觀及軌道需要等因素考慮，孔跨布置采用9孔32 m簡支T梁+(40+5×64+40) m剛構連續梁+7孔32 m簡支T梁+(40+3×64+40) m剛構連續梁+4孔32 m簡支T梁，全橋長1344.53 m。

橋臺采用雙線T形橋臺，橋墩均采用雙線圓端形實體橋墩和雙線圓端形厚壁空心橋墩。墩臺基礎采用φ125 cm、φ150 cm及φ180 cm樁基礎及明挖滿灌基礎，基底(樁底)均置于砂巖夾泥巖中。主跨剛構連續梁采用懸灌法施工。

(4)義南洛河特大橋

橋址位于陜西省蒲城縣義南村西側，跨越洛河，設計流量8 211 m3/s。本橋在DK689+972處跨既有西延鐵路，斜交角度約43°。橋址范圍內主要地層為黏質黃土、二疊系砂巖和灰巖。既有西延鐵路橋在本橋上游約180 m處斜跨洛河，設10孔32 m簡支梁，圓形橋墩，T形橋臺，運營狀況良好。

本橋孔跨式樣為7-32 m簡支箱梁+11-64 m簡支箱梁+2-32 m簡支T梁，中心里程DK689+556，橋全長1038.5 m，橋高70 m。見圖6。

圖6 義南洛河特大橋橋跨布置(單位：cm)

橋臺采用雙線T形橋臺，橋墩均采用雙線圓端形實體墩及雙線圓端形空心橋墩。墩臺基礎均采用φ125 cm及φ150 cm鉆孔樁基礎，基底均置于完整砂巖中。64 m簡支箱梁和32 m簡支箱梁采用移動造橋機施工，制梁場地設在包頭側。

(5)史家河特大橋

史家河特大橋位于西社車站，站內4線橋；橋址處為山區自然沖溝，季節性流水，設計流量56 m3/s。地層主要為第四系全新統黏質黃土、漂石土、碎石土及上更新統風積砂質黃土、坡積碎石土及三疊系砂巖、泥巖等。橋址處地震動峰值加速度為0.15g，動反應譜特征周期為0.40 s。

本橋位于西社車站，受地形條件控制而設，為多孔32 m預應力混凝土簡支梁4線橋，雙柱排架橋墩的橋式。孔跨布置為22孔32 m預應力混凝土簡支梁，4線。中心里程DK681+985，橋全長730.54 m。梁采用預制梁，架橋機架設。見圖7。

圖7 史家河特大橋橋跨布置

橋墩采用雙柱式橋墩或板凳式橋墩，橫向設頂帽及橫撐，鉆孔樁基礎。橋臺采用2個雙線橋臺，包頭臺為雙線挖方臺，西安臺為雙線T臺，西安臺采用φ125 cm鉆孔樁基礎。史家河特大橋現場施工照片見圖8。

圖8 史家河特大橋施工照片

(6)白水河大橋

白水河為洛河一級支流，流域面積750 km2，流域全長83.3 km，沿河建有林皋水庫和故現水庫。橋址處地層主要為石炭系下統頁巖夾砂巖、奧陶系中統灰巖。

本橋結合水文、地形、地質條件，孔跨布置采用1-32 m+2×64 mT形剛構+1-32 m+1-24 m)，全橋長231.0 m，中心里程DK691+137。24、32 m簡支T梁采用廠制成品梁，架橋機架設施工；2×64 m預應力混凝土T形剛構采用掛籃懸臂澆筑施工。見圖9。

圖9 白水河大橋主跨橋跨布置(單位：cm)

橋臺采用雙線T臺；橋墩采用雙線圓端形實體橋墩，變截面圓端形空心橋墩。1～4號墩采用巖石明挖滿灌基礎，橋臺采用φ125 cm樁基礎。

(7)跨西禹高速特大橋

西禹高速公路是京昆高速公路陜西段一部分，該高速公路為雙向4車道，設緊急停車帶及中央綠化帶，交叉點處公路處于挖方內，挖方深約2.5 m。線路與高速公路斜交43°，現狀公路路基寬27.5 m，兩側各有1 m寬側溝，上覆蓋板，側溝外側各設1.5 m平臺。此段公路順直平坦，交通較為繁忙，應高速公路部門要求，本橋按跨越遠期預留8車道設計。

地層主要為第四系上更新統風積砂質黃土、黏質黃土，第四系中更新統風積砂質黃土、黏質黃土。地下水對混凝土侵蝕類型為硫酸鹽侵蝕，侵蝕等級為H2。橋址區內黃土具Ⅲ級自重濕陷性，濕陷厚度約9 m。

受立交條件控制，全橋孔跨布置為：1-32 m簡支T梁+(23+41+96+41+23) m V撐連續梁+8-32 m簡支T梁，中心里程DK738+097，橋全長540.63 m。32 m簡支T梁采用廠制成品梁，架橋機架設施工；V撐連續梁采用掛籃懸臂澆筑施工。見圖10。

圖10 跨西禹高速特大橋主橋橋跨布置(單位：cm)

本橋橋臺均采用雙線T臺；簡支梁橋墩采用雙線圓端形實體橋墩 全橋墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑φ125 cm和φ150 cm，均為摩擦樁。

6 結語

本文對包西鐵路大保當至張橋段的橋梁設計進行了全面總結，對跨越大的河流及高速公路等典型橋梁進行了介紹，對橋涵工程的設置進行了概述；由于本段線路長，地形地質復雜，橋涵工程的設置和橋式方案的選擇，是橋梁設計重要的組成部分，也對控制工程投資至關重要。

橋涵工程的設置應綜合考慮沿線地形條件、地質條件及水文條件，并結合立交、防洪、灌溉及通道等要求，合理布設，符合安全適用、技術先進、經濟合理的要求。橋式方案的選擇應從經濟、安全、施工、美觀及與周圍環境協調等多方面比較，并考慮結構耐久性和維護的方便性，抓住主要因素，選擇較為合理的橋式方案。

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