上海金山鐵路橋梁設(shè)計

張池權(quán)

(中鐵第四勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 工程概述

上海金山鐵路從上海南站引出至金山客站，全長58 km，途經(jīng)上海市徐匯、閔行、松江、金山四個區(qū)，共設(shè)上海南、莘莊、春申、新橋、車墩、葉榭、亭林、阮巷、金山等9個車站，建成后將成為上海市中心城區(qū)連接金山區(qū)的一條快速鐵路(軌道交通22號線)［1］。工程分為3段:上海南至莘莊段暫利用既有線;莘莊至新橋段增建三、四線;新閔支線、金山支線既有線改造及增建二線。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)鐵路等級:Ⅰ級。

2)正線數(shù):上海南至新橋四線，新橋至金山雙線。

3)速度目標(biāo)值:旅客列車最高行車速度160 km/h。

4)最小曲線半徑:一般地段1 600m，困難地段600m。

5)軌道類型:有砟軌道。

6)限制坡度:6‰，客車線12‰。

7)設(shè)計洪水頻率:橋梁1/100，涵洞1/100。

8)設(shè)計荷載:中—活載。

3 既有橋利用、加固和改建的設(shè)計原則

莘莊至新橋段既有線為滬春線、滬昆線，經(jīng)過多次提速，速度目標(biāo)值已達160 km/h，既有橋涵均原式利用。

新橋至金山段既有線為新閔支線、金山支線，為企業(yè)專用線，速度目標(biāo)值為80 km/h。部分既有橋為鋼筋混凝土梁，裂縫嚴(yán)重，拆除重建;部分跨航道的既有橋為下承式鋼板梁，經(jīng)動力分析，不滿足提速后速度目標(biāo)值160 km/h的行車要求，按審查意見，加固后利用(加固方法:加強下平聯(lián)斜撐及主梁蓋板)。根據(jù)“上海市府辦秘(2008)012235”號文精神，金山鐵路新建跨黃浦江雙線鐵路橋，既有公鐵兩用橋移交給公路部門改造成公路橋。其它橋為框架橋或預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋，使用狀況良好，原始利用。

4 主要特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 門式墩及“歪脖子”墩

因條件限制，新橋特大橋以小角度跨越新鎮(zhèn)街。若一孔跨越，需要160m以上跨度，經(jīng)比選采用5跨32 m簡支梁+門式墩體系跨越。機非分隔帶上設(shè)3個門式墩及1個“歪脖子”橋墩，見圖1。

圖1 新橋特大橋門式墩和“歪脖子”墩

4.1.1 門式墩

本工點共設(shè)有21號、23號和24號3個門式墩，立柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，帽梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。21號墩橫向跨越人非及人行道下高壓煤氣管，門式墩立柱設(shè)在機非分隔帶上及煤氣管邊。23號、24號墩橫向跨越機動車道，門式墩立柱設(shè)在機非分隔帶上。

4.1.2 “歪脖子”橋墩

22號墩處線路中心偏離機非分隔帶中心0.45m，線路方向與機非分隔帶方向交角9°，故22號墩設(shè)計成“歪脖子”。墩身截面為平行四邊形，順道路方向布置，墩身順道路方向與線路方向成9°斜交。

4.2 道砟橋面下承式簡支鋼桁梁設(shè)計

由于下承式鋼桁梁具有自重輕、建筑高度低、跨越能力大等特點，本線跨滬昆線、黃浦江、中運河等3處工點由于建筑高度的限制采用了3種跨度下承式鋼桁梁。3種跨度鋼桁梁結(jié)構(gòu)尺寸如表1。

表1 鋼桁梁結(jié)構(gòu)尺寸 m

4.2.1 橋面布置

根據(jù)本線的速度目標(biāo)值(160 km/h)及工點所處環(huán)境(跨滬昆線工點處于同潤家園小區(qū)邊，屬噪聲敏感點;黃浦江跨越處屬一級水源保護區(qū)，橋面雨水不得直接排至江面上)，本線鋼桁梁橋面采用密布橫梁體系鋼正交異性板整體道砟橋面，雙線鋼桁梁橋面布置見圖2。

圖2 雙線鋼桁梁橋面布置(單位:mm)

4.2.2 主桁

主桁設(shè)計為無豎桿整體節(jié)點平行弦三角桁式。整體節(jié)點技術(shù)是在原栓焊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了多焊少栓的原則，桿件加工及焊接在工廠完成，大大減少了工地高強螺栓的數(shù)量，不僅可以節(jié)省鋼材，安裝方便，而且構(gòu)件質(zhì)量更易保障。

主要設(shè)計指標(biāo)見表2。

表2 鋼桁梁設(shè)計指標(biāo)

4.3 小跨度單線簡支槽形梁設(shè)計

4.3.1 概述

陳春公路位于春申站南側(cè)，是區(qū)域內(nèi)滬昆線東西兩側(cè)道路的重要連接通道，交通十分繁忙。既有線跨陳春公路采用1孔9.0m框架，增建三、四線若采用框架，需要封道施工，交管部門不同意;采用1孔14 m剛架方案，橋下沒有搭設(shè)支架的空間。只有采用1孔16 m槽形梁方案，采用高位現(xiàn)澆然后落梁的施工方法才能滿足施工期間道路正常通行要求。

4.3.2 橋面布置

人行檢修通道采用角鋼支架形式，設(shè)在主梁外側(cè)，電纜槽掛在欄桿外側(cè)。梁端設(shè)爬梯上梁頂平臺，平臺兩側(cè)設(shè)欄桿供檢查人員通行。聲屏障設(shè)置在梁頂平臺外側(cè)欄桿位置。以Lp=32 m槽形梁為例，其橋面布置如圖3。

4.3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

圖3 Lp=32 m單線槽形梁橋面布置(單位:mm)

梁部采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，施加縱向及橫向雙向預(yù)應(yīng)力。梁部按原位支架現(xiàn)澆施工設(shè)計，按單端張拉和兩端張拉兩種情況考慮。

槽形梁兩片主梁間凈寬按限界及最小曲線半徑確定，適當(dāng)考慮安全富裕，梁的結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

表3 槽形梁主要尺寸m

5 技術(shù)特點與技術(shù)創(chuàng)新

5.1 技術(shù)特點

5.1.1 跨越的河道多，與鐵路相交的道路多

鐵路沿線為河道比較密集的河網(wǎng)化地區(qū)，莘莊至金山線路長僅47.5 km，跨越69條排洪河道。鐵路沿線經(jīng)濟發(fā)達，道路眾多。與鐵路交叉的有規(guī)劃紅線的市區(qū)級道路44條，無紅線的村鎮(zhèn)級道路29條。

5.1.2 下穿立交多

與本線交叉的道路眾多。但由于既有新閔支線、金山支線標(biāo)準(zhǔn)較低，與道路絕大多數(shù)為平交，因而本工程平改立多達44處(不含站內(nèi)人行天橋及地道)。其中鐵跨公下穿立交40座，人行天橋2座，公跨鐵特大橋2座。

5.1.3 特殊結(jié)構(gòu)種類多

本線大中橋梁座數(shù)不多，橋梁長度占線路比重也不大，但特殊結(jié)構(gòu)仍有16種。既有常用的連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁、門式墩等，也有不常用的槽形梁、系桿拱、鋼桁梁等。

5.1.4 緊鄰既有線，外部條件對橋梁設(shè)計影響大

本工程為既有線改造，增建二線及三、四線緊鄰既有線，施工對既有線運營有較大影響。橋式方案、基礎(chǔ)類型選擇、基礎(chǔ)布置及承臺埋深均需考慮對既有線的影響。地下管線的走向、航道條件及道路的規(guī)劃對橋式方案及橋孔布置影響較大。橋涵跨越這些控制點時，橋式方案及孔跨、墩臺埋深等經(jīng)多次協(xié)調(diào)才最后敲定。

5.2 技術(shù)創(chuàng)新

5.2.1 小角度、低高度條件下跨越鐵路繁忙干線［2］

本線春申特大橋以小角度(14°～16°)跨越既有滬昆鐵路，兩線軌面高差10.217 m，容許跨越結(jié)構(gòu)物軌底至梁底高度1.881 m。連續(xù)梁及門式墩方案由于結(jié)構(gòu)高度不滿足跨越要求，不可行?？臻g剛構(gòu)方案要在既有線邊施工近50根鉆孔樁，且需在既有線上方滿布膺架施工梁部混凝土，施工周期較長，對既有線運營影響巨大。下承式鋼桁梁方案造價稍高，但鋼梁采用轉(zhuǎn)體架設(shè)的施工方法，鋼梁只需轉(zhuǎn)體16°，轉(zhuǎn)體滑動距離只有26.7 m，轉(zhuǎn)體時間只需要不到6 h，可在三個二級封鎖點內(nèi)完成［3］，施工周期大大縮短，對既有線的影響也大大減小。小角度、低高度跨越繁忙干線采用下承式鋼桁梁加轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，既能以較低的結(jié)構(gòu)高度跨越鐵路，又能以較短的施工周期完成鋼梁的架設(shè)，是小角度、低高度條件下跨越鐵路繁忙干線一種比較優(yōu)越的橋式方案。

5.2.2 密布橫梁體系鋼正交異性板道砟整體橋面

本線鋼桁梁橋面采用近幾年鐵路上興起的一種新結(jié)構(gòu):密布橫梁體系鋼正交異性板整體道砟橋面［4］。

傳統(tǒng)的明橋面鋼桁梁不僅噪聲大，而且由于軌道防爬的考慮，一般只能用在直線及不大于3‰的坡度上［5］，在使用上受到較大局限。密布橫梁體系鋼正交異性板道砟整體橋面不僅克服了明橋面的上述局限性，拓展了鋼梁的使用范圍，還有效地解決了縱橫梁橋面體系中橋面系參與主桁共同作用給橋面結(jié)構(gòu)帶來的不利影響［6］。和縱橫梁橋面系相比，不僅具有更大的抗彎、抗扭剛度，更能適應(yīng)高速行車的性能要求，還能降低縱橫梁的高度、減小橋面用鋼量［7］，目前已廣泛應(yīng)用于大跨鐵路橋梁。

5.2.3 “MMA+CAP”橋面輕質(zhì)墊層體系

本線鋼桁梁橋面墊層采用新型材料:“MMA+CAP”輕質(zhì)墊層體系。

傳統(tǒng)的鋼橋面板與道砟之間的墊層采用150～250mm厚鋼筋混凝土槽板，其上是60mm防水層及保護層，墊層總厚度210～310mm。本線采用的橋面墊層為3 mm MMA(甲基丙烯酸甲酯)高性能防水體系［8］上直接粘著 50mm厚高粘著輕質(zhì)墊層 CAP(Concrete with Adhesive Pads，混凝土粘著墊板)，墊層總厚度只有53 mm，不僅降低了結(jié)構(gòu)高度，還大大減輕了結(jié)構(gòu)自重。

5.2.4 框架橋無便梁頂進施工工藝

既有鐵路平改立時，跨越公路一般采用框架。為了不中斷行車，框架一般采用架設(shè)便梁直接頂進的施工方法。

本工程選用倪家一組下穿立交工點，試驗了一種新型的框架頂進施工工藝:框架頂進雙重置換工法［9］。本工法是框架直接頂進工法與管幕工法相結(jié)合的工法，由上海建工集團公司根據(jù)日本R＆C工法改進而來［10］。該工法是利用頂管機按一定順序依次頂進若干個工具管(若干個小截面工具管組合成框架截面)，將框架所處部位的土體全部置換出來，然后再頂進框架將全部工具管置換出來，工具管回收利用，最終通過雙重置換過程完成地下通道工程施工。

該工法和鐵路傳統(tǒng)的框架直接頂進工法相比，最大特點是不用架設(shè)便梁，也就不用便梁支墩，可以在道岔區(qū)施工，還可以運用在公路及城市道路中，使用范圍更加廣泛。和管幕法相比，最大特點是工具管可以重復(fù)利用，降低了工程造價。

該工法多次頂進工具管，且需雙重置換，施工周期較長。需要接受井，且工作井和接受井中正面的圍護樁不能重復(fù)利用，加大了工程造價。

該工法研究是國家“863”計劃資助項目，目前只在本項目成功實踐。可以預(yù)見，待該工法逐步完善后，會在鐵路、公路與城市道路領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)語

上海金山鐵路為既有線增建二線或三、四線項目，橋式方案的選擇受到既有線和既有橋的限制，很多工點需要采用低高度結(jié)構(gòu)，因而設(shè)計了建筑高度較低的槽形梁、下承式鋼桁梁系列。鋼桁梁采用了“密布橫梁體系鋼正交異性板道砟整體橋面”新技術(shù)和“MMA+CAP”橋面輕質(zhì)墊層新型材料，不僅降低了結(jié)構(gòu)高度，還大大減輕了結(jié)構(gòu)自重。提出了在小角度、低高度條件下采用“下承式鋼桁梁”結(jié)合“簡支鋼桁梁平面轉(zhuǎn)體”跨越鐵路繁忙干線橋式方案及配套施工工藝。首次采用“框架頂進雙重置換工法”，開創(chuàng)了框架橋無便梁頂進施工的先河，為在咽喉區(qū)頂進框架創(chuàng)造了條件。

［1］中鐵第四勘測設(shè)計院集團有限公司.上海金山鐵路技術(shù)總結(jié)［Z］.武漢:中鐵第四勘測設(shè)計院集團有限公司，2012.

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