跨越既有鐵路橋梁方案設計研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

?

跨越既有鐵路橋梁方案設計研究

劉彥明

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安710043)

摘要：隨著鐵路建設的快速發展,與既有鐵路線交叉的情況越來越多,同時對既有線的運營安全重視程度日益增加,因此跨越既有線時的設計方案逐漸成為關注重點,結合蘭州—中川鐵路設計情況,對跨越既有鐵路線的橋梁方案進行研究,除采用傳統的預應力混凝土蓋梁門式墩、鋼蓋梁門式墩等設計方案外,根據實際情況首次提出預制拼裝組合新型門式墩方案、倒L形墩方案、轉體V形T構橋墩方案等一些新的設計思路,不僅節約工程投資、保證施工工期,同時又大大減少新線施工對既有線運營影響及后期的養護維修工作,經濟和社會效益顯著。

關鍵詞：既有鐵路；鐵路橋梁；轉體施工；倒L形墩；門式墩；V形墩

近年來，我國交通基礎工程設施發展迅猛，特別是以城際鐵路、客運專線為代表的高速鐵路發展尤為突出，新建線路與既有繁忙鐵路干線立體交叉情況越來越多，同時運營單位對既有線運營安全要求日益提高[1]，如何減少新線建設對既有鐵路的運營干擾成為橋梁方案考慮的重點，也是設計方案能否獲得運營部門批準的關鍵。新建蘭州—中川城際鐵路起自蘭州西站，經蘭州市區終至中川機場，線路通過蘭州西站、石崗站兩個站場，上跨西固城貨場專用線、蘭化302牽出線、蘭化貨場專用線、石崗站西咽喉區及蘭新鐵路等多條既有鐵路，僅黃河特大橋中交叉點就達11處之多[2]，因此跨越既有鐵路的橋梁設計方案需要認真分析研究。

跨越既有鐵路的橋梁方案大致分為兩類：一是以大跨橋梁方式跨越[3-4]；另一種是在交叉點附近布置橋墩以較小跨度跨越。哪種方案更為合理需要考慮兩線夾角、凈空高度、既有線運營繁忙程度、既有線條數等因素根據具體交叉情況確定，尋找相對工程經濟同時對既有線運營影響較小的設計方案。新建蘭州—中川城際鐵路根據不同的交叉跨越情況研究了不同設計方案，除采用傳統的現澆預應力混凝土蓋梁門式墩、鋼蓋梁門式墩、連續梁轉體施工等設計方案外，根據實際情況首次提出預制拼裝組合新型門式墩方案、倒L形墩方案、轉體V形T構橋墩方案等一些新的設計思路。

1傳統門式墩方案

當兩鐵路線夾角較小時，門式墩成為一種經濟合理的選擇，它能夠大大減小跨越既有線橋梁的跨度，節省工程投資，其經濟效益非常明顯，在實際工程中得到大量應用。

傳統門式墩方案是指應用較多的支架現澆預應力混凝土蓋梁門式墩[5-8]、鋼蓋梁門式墩[9-11]，支架現澆預應力混凝土蓋梁門式墩設計施工簡單，工程造價低，但施工時對既有線運營干擾較大，用在行車密度較小的專用線、車站牽出線等較為合理，黃河特大橋中跨越西固城貨場專用線的83號-84號墩、蘭化302牽出線的106號-107號、石崗站西咽喉區的111號墩均采用此方案。另一種鋼蓋梁門式墩，由于使用鋼結構蓋梁工程造價高，后期檢查養護工作量大，但吊裝質量小，施工對既有線運營干擾較小，施工工期短，一般用在結構跨度大、線路行車密度高、工期緊張的情況，黃河特大橋中的跨越石崗站西咽喉區的111號-112號墩采用了鋼蓋梁方案，上部荷載為(24+32) m雙線簡支梁，下面跨越3條既有鐵路線，112號墩蓋梁跨度達到25.8 m。其立面構造見圖1。

圖1　112號墩立面構造(單位：cm)

2連續梁轉體施工方案

蘭州—中川鐵路周家莊立交特大橋左線上跨既有蘭武雙線鐵路，兩線夾角約為30°，采用常規32 m簡支梁無法跨越，為保證既有線運營安全，減少施工過程中對既有線運營干擾，設計采用一聯(40+64+40) m單線預應力混凝土連續梁轉體施工設計方案，轉體前在連續梁兩主墩處平行于既有蘭武線采用掛籃懸澆施工，待達到最大懸臂狀態后，結合既有鐵路運營、施工及天氣等因素，擇機實施轉體施工，將連續梁梁體逆時針旋轉30°，轉體到位后再進行合龍段澆筑施工，合龍段位于連續梁跨中既有線上方。其與既有蘭新線平面關系見圖2。

圖2　周家莊特大橋(40+64+40) m連續梁主墩與既有線平面關系

該方案在跨越既有線時應用較多[3-4]，根據跨越具體情況略有區別，如既有線為運輸繁忙干線，申請天窗時間特別困難，可考慮進一步增大跨度—采用T構轉體施工方案[12]，只在轉體時向運營單位申請天窗時間，轉體到位后T構現澆段、合龍段施工均在既有線安全距離之外(圖3)，對既有線影響最小，運營部門最易接受，T構轉體施工方案比連續梁轉體方案跨度會加大，工程造價略貴。

圖3　T構現澆轉體平面示意

轉體方案中也有一些措施可進一步保證既有線安全或減小工程造價，如連續梁合龍段采用外包鋼箱，轉體到位后，合龍段施工均在鋼箱之內進行，在集包線第二雙線霸王河特大橋中得到應用[4]，獲得較好效果；再有轉體球鉸選擇，通常采用工廠制作鋼球鉸，重量較輕、質量較好，但體積較大、造價較高。RPC球鉸是最新研發的一種新型轉體球鉸，能夠充分利用RPC混凝土的抗壓性能，減小球鉸的構造尺寸。RPC球鉸與普通鋼球鉸相比，具有用鋼量較小，剛度大、承載能力高、轉動力矩小等諸多優點，RPC球鉸可以大幅度地減少機加工的工序和加工難度，可以有效降低球鉸的生產成本，已應用于西安北—機場線跨貨北環鐵路特大橋[12]。

3預制拼裝組合新型門式墩方案

傳統門式墩設計方案中現澆混凝土蓋梁需要在既有鐵路上方搭設支架、澆筑混凝土，其工期較長并對既有線運營影響較大，特別是跨越既有繁忙干線鐵路時，其方案甚至有時不能得到既有線管理方的認可；另一種鋼蓋梁門式墩方案，工程成本高，后期養護工作量大，而且由于鋼蓋梁位于高壓接觸網上方存在檢查維修困難等諸多缺點。能否尋找一種既經濟又施工簡單對既有線運營影響較小的設計方案呢？

蘭州—中川鐵路黃河特大橋左線跨越既有蘭新線時兩線夾角只有9°，如采用大跨結構一跨跨越，其橋梁跨度將達到180 m左右，不僅會抬高新建線路高程，而且結構物體量巨大，工程投資大幅增加，且位于線路左右線分開段，實施非常困難。既有蘭新線為雙線繁忙干線鐵路，如采用常規門式墩方案，無論是現澆混凝土蓋梁或鋼蓋梁方案均存在上述問題，因此經多次分析研究提出交叉點附近的21號、22號墩采用一種預制拼裝組合新型門式墩方案，該方案蓋梁采用兩片并置的預應力混凝土箱形截面，在不采用鋼蓋梁結構的前提下降低蓋梁自重和工程成本。22號墩預制拼裝組合型門式墩立面見圖4。

圖4　22號墩立面構造(單位：cm)

門式墩蓋梁采用預制吊裝施工方法，兩片預應力混凝土空心箱梁在既有線旁進行預制，待門式墩墩柱施工后，在承臺近鐵路側設置臨時支撐支架，把兩片預制箱梁吊裝于臨時支架之上，利用墩柱頂蓋梁現澆段連接為整體并張拉預應力束，最后拆除臨時支撐支架。21號墩蓋梁跨度為22 m，22號墩蓋梁跨度達到25 m，最大起吊質量為169.5 t。

采用混凝土結構形式，預制拼裝施工方案，形成組合新型門式墩。該門式墩比現澆混凝土蓋梁門式墩方案有諸多優點。

(1)采用預制吊裝方案，可以與墩柱平行施工，蓋梁質量更易保證，同時大大節省在既有道路上方施工工期，對既有線運營干擾大大減少；

(2)取消了既有線上方的現澆混凝土支架及防護棚架，能夠減小建筑高度，有效降低線路的高程，節約工程投資明顯；

(3)蓋梁在地面預制場預制，采用空心箱形截面形式，比常規門式墩采用的矩形實體截面減少圬工30%左右。

由于采用混凝土結構，設計施工簡單方便，可節約工期，最為明顯的是能夠大大節約工程投資，該門式墩蓋梁工程造價只有鋼蓋梁的1/8左右，同時又大大減少后期的養護維修工作及難度，更為經濟合理。

4倒L形墩方案

跨越既有線時孔跨大小、橋墩形式需要具體分析靈活考慮，當線路中心線與可布置橋墩中心線較近時，可采用施工簡單、造價經濟的倒L形橋墩方案。倒L形橋墩在城市軌道交通及高架橋應用較多[13]，在國鐵設計中未見報道。

圖5　倒L形橋墩立面(單位：cm)

黃河特大橋24號墩處線路中心線臨近既有蘭新線，與橋墩中心線偏差198.7 cm，上部荷載為(32+32) m單線T梁，墩身采用縱橋向3.0 m，橫橋向3.4 m，為平衡恒活載長期彎矩作用，在橋墩受拉側布置4束7-7φ5的鋼絞線，其橋墩立面見圖5。普速場動車走行線土門墩特大橋27號墩上跨蘭新第二雙線鐵路，兩線夾角為29°，線路中心與墩中心線偏差達260 cm，上部荷載為(32+32) m單線T梁，也采用倒L形墩，墩身采用縱橋向3.0 m、橫橋向4.0 m的矩形截面。

因倒L形墩長期承受恒活載的偏載作用，設計時需要根據線路等級、行車速度等因素對橋墩橫向變形、支點處豎向剛度、鋼軌間豎向位移差進行計算分析，以滿足軌道專業的有關變形要求。在上述橋墩設計時，兩鋼軌豎向位移差控制在2 mm以內。

5轉體V形T構橋墩方案

黃河特大橋23號墩位于線路左右線分開段，原設計左線跨越既有蘭新線采用預制拼裝組合新型門式墩、右線為單獨的圓端墩方案，施工過程中由于23號墩位于城區，既有蘭新線側房屋密集拆遷十分困難，既有道路狹窄施工機具無法進入，成為制約工期的關鍵點，根據具體線、墩位情況，經認真研究后提出左線23號墩兼顧右線21號墩，設計成V形T構橋墩，為減小對既有蘭新線運營干擾，采用轉體施工方案。23號墩處平面見圖6。

圖6　黃河特大橋23號墩處平面

轉體V形T構墩方案在橋墩下部布置的下轉盤、轉動球鉸及上轉盤的轉動系統，之上為鋼筋混凝土V形墩臂和預應力懸臂式蓋梁。V形墩臂在下部連成一體并與上轉盤固結，在上部分開與蓋梁兩側固結；各部分的連接均設置有圓弧倒角，兩墩臂與蓋梁中間形成“心”形。V形T構橋墩立面見圖7，各斷面見圖8。

圖7　V形T構橋墩立面(單位：cm)

圖8　V形T構橋墩斷面(單位：cm)

該方案具有以下優點：

(1)采用轉體方案，墩臂蓋梁可以在平行既有線側施工，大大節省在既有鐵路上方施工工期，對既有鐵路運營干擾減少到最低；

(2)只需在既有線一側施工，減少另一側的道路及施工場地的需求，對城區既有線側房屋密集，拆遷困難情況將十分有利，大大節省拆遷費用，工期有保證；

(3)取消了既有鐵路上方的防護棚架，能夠減小建筑高度，有效降低線路的高程，節約工程投資明顯；

(4)橋墩整體呈現V形流線形，中間圍成“心”狀，景觀效果比門形墩更佳，更適合在城區建設。

轉體V形T構墩方案在滿足跨越功能需要前提下，不僅能夠大大節約工程投資，保證施工工期，同時又大大減少新線施工時對既有線運營影響及后期的養護維修工作，景觀效果更佳，具有顯著的經濟效益和社會效益。

6結語

傳統支架現澆預應力混凝土蓋梁門式墩施工簡單，工程造價低，應用在行車密度較小的專用線或牽出線等較為合理；對結構跨度大、既有線行車密度高、工期緊張的情況，可考慮采用鋼蓋梁門式墩方案；如孔跨布置、場地條件適宜的條件下，可優先采用倒L形墩、預制拼裝組合門式墩或轉體V形T構橋墩方案，更為經濟合理；當一跨跨越既有鐵路其橋梁跨度可接受的情況下，選擇轉體T構或轉體連續梁方案，更易獲得運營單位的認可。

跨越既有線的情況多種多樣，其設計方案應根據實際情況具體分析，綜合考慮，詳細比較后才能找出工程經濟性較好，養護維修方便，同時施工過程中對既有線營運影響最小且經濟合理的橋梁設計方案。

參考文獻：

[1]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2012]280號鐵路營業線施工安全管理辦法[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2012.

[2]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.蘭州—中川鐵路黃河特大橋設計[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2014.

[3]蓋小紅.哈大客運專線運糧河特大橋連續梁轉體施工設計[J].鐵道標準設計，2012(5):89-92.

[4]姚寶輝.集包第二雙線霸王河特大橋連續梁轉體設計及施工關鍵技術[J].鐵道建筑，2014(7):22-24.

[5]李榮生.跨隴海鐵路門式墩橫梁施工方法[J].中小企業管理與科技，2015(1):87-91.

[6]汪海旺.成綿樂鐵路客運專線跨既有寶成線門式墩帽梁支架施工技術[J].鐵道標準設計，2011(5):50-52.

[7]樊益軒.跨既有電氣化鐵路門式墩蓋梁施工方法分析[J].工程與建設，2014(4):116-118.

[8]趙成貴.跨既有鐵路框架式橋墩施工及防護[J].鐵道標準設計，2011(3):64-67.

[9]金振山.大跨度鋼混組合框架墩設計與施工關鍵技術[J].中國鐵路，2010(6):58-61.

[10]徐鐵衛.杭長客專跨既有線門式墩鋼蓋梁吊裝施工技術[J].山西建筑，2013(29):164-166.

[11]吳偉宏，薛芳.鋼橫梁混凝土立柱組合門式墩設計與施工[J].工程建設與設計，2013(6):125-127.

[12]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.西安北—機場線跨貨北環鐵路特大橋設計[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2015.

[13]李青良，雷敏，趙品毅.倒L形鋼筋混凝土橋墩剛節點結構設計研究[J].現代城市軌道交通，2014(3):60-62.

Research on Design Schemes of Bridges Crossing Existing RailwayLIU Yan-ming

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：With rapid development of railway construction, crossing existing railway gets more frequent and the operation of existing railway runs risk of safety. Thus, the design for successful crossing of existing railway is becoming the focus. With reference to the design of Lanzhou-zhongchuan railway, the bridge schemes for crossing existing railway are studied in this paper. In addition to the traditional prestressed concrete coping portal pier and the steel coping portal pier, some new design concepts are first proposed according to the actual situation, such as the schemes of precast concrete portal pier, inverted“L” pier and rotation construction V-shaped T-frame bridge pier. These schemes not only save engineering investment, guarantee construction progress, but also greatly reduce the impact of new line construction and the post maintenance works on the existing railway operation with good economic and social benefits.

Key words：Existing railway; Railway bridge; Rotation construction; Inverted“L” pier; Portal pier; V-shaped pier

中圖分類號：U442.5+4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.012

文章編號：1004-2954(2016)02-0057-05

作者簡介：劉彥明(1969—)，男，教授級高級工程師，1991年畢業于西南交通大學橋梁工程專業，E-mail:clzlym@163.com。

收稿日期：2015-06-17； 修回日期：2015-07-01