跨站場咽喉區橋梁改建方案設計及施工技術研究

李 靜

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 黑龍江哈爾濱 151006)

1 引言

現有立交橋因為建設年代久遠和橋面寬度較小，無法滿足城市發展和交通量加大要求，限制了道路通過能力，急需對既有橋拓寬改造。既有橋改造時受城市規劃限制一般采用原位改造，在方案設計上需對橋址處的地貌、周邊環境、施工方案、施工周期進行綜合考慮，以確保設計方案的可行性、合理性。本文以東直路跨鐵路站場咽喉區立交橋改造為例，詳細闡述跨站場咽喉區的城市鋼箱梁橋的設計及施工技術，為類似工程設計提供借鑒。

2 工程概況

(1)項目環境

東直路為哈爾濱市主城區的城市主干路，承載著市區與哈東站間的來往交通車輛。去往賓縣一些鄉鎮和天恒山風景旅游區、哈東一些鄉鎮的車輛均需經過此處。道路兩側商鋪、居民樓云集，道路規劃紅線寬60 m。既有跨線橋建于1965年，位于哈爾濱市東直路東端，跨越哈東站咽喉區。

(2)既有路、橋概況

隨著城市發展，東直路已擴建為雙向六車道、路面全寬32 m的城市主干道。而既有東直路跨線橋僅為雙向四車道，橋面寬16 m，橋梁結構為Lp＝9～16 m空心板梁橋。該跨線橋已嚴重限制了城市東部地區的交通發展，平時是小堵車，而早晚交通高峰就會出現嚴重堵車現象，急需進行拓寬改造。

(3)鐵路概況

本橋跨越哈東站咽喉區共9條鐵路線路，依次為摩托車線1、2線(工務線)，濱江上行線、5道(聯絡線)、濱江下行線、濱北下行線、濱北上行線、北遷線、水泥廠專用線。其中濱江上行線、濱江下行線、濱北下行線、濱北上行線4條線為正線電氣化鐵路，鐵路運輸十分繁忙。摩托車1線至北遷線的8條線的線間距為38.63 m，北遷線距水泥廠專用線的線間距為32.09 m。鐵路線間距及鐵路與相關既有橋墩位置關系見圖1。

圖1 鐵路與既有橋墩位置關系(單位：m)

3 新建跨線橋設計方案

3.1 總體方案

依據城市規劃，既有橋中心線即為東直路中心線，無利舊既有橋、增設單幅橋的條件，故改造總體方案為:

(1)封閉該段道路，拆除既有橋，原位建新橋。

(2)新建橋分左、右兩幅建設，跨線橋全寬36 m，單幅寬18 m，雙向六車道。

(3)站場咽喉區內，除水泥廠專用線與北遷線間距為32.09 m、有布置橋墩的條件外，其余各線間距為3.96～6.94 m，均無布設橋墩的條件，即主跨需一孔跨越8條鐵路線。

3.2 施工方案

本橋位于站場咽喉區內，無鐵路線封閉施工條件。為確保鐵路運營安全并減少對鐵路運輸的干擾，可選用的施工工法有:轉體施工、掛籃施工和頂推施工。本項目采用頂推施工，原因如下:

(1)本橋沿既有道路設置，橋址處道路兩側為8～9層的居民樓，道路紅線寬為60 m，無法滿足轉體施工半徑要求。

(2)站場咽喉區內的接觸網采用的是軟橫跨形式，線路間距較小，無法設置防護棚架，無掛籃施工條件。

3.3 橋孔布置

本跨線橋分兩孔分別上跨8條鐵路線和水泥廠專用線。鑒于8條鐵路線的線間距為38.63 m，考慮原位建橋需避讓既有橋墩(鐵路兩側的既有橋墩間距為51.04 m)，并為頂推臨時支墩留出位置，主跨跨徑選為65 m。為避讓既有道路，同時考慮合理的邊中跨比(0.6～0.8)，兩邊跨跨度采用52 m。即跨越鐵路線部分的橋梁全長169 m，跨度布置為(52 m＋65 m＋52 m)，其中第三孔52 m跨跨越水泥廠專用線，第二孔65 m主跨跨越其余8條線。橋跨布置見圖2。

圖2 橋跨布置(單位：m)

3.4 梁型選擇

為方便布設頂推和滑移設備，梁體設計采用等截面形式。頂推施工的梁型通常采用預應力混凝土梁或鋼箱梁。

3.4.1 預應力混凝土梁

預應力混凝土梁具有結構受力性能好、變形小、后期養護維修量小、抗震能力強的特點。當預應力混凝土梁采用等截面梁時，為使邊跨的正彎矩與中支點的負彎矩基本相當，梁的高跨比通常為1/15～1/20[1]，頂進施工時，為提高梁的剛度，梁高宜適當加大。

3.4.2 鋼箱梁

鋼箱梁重量輕、建筑高度小，有利于下部結構設計，工程總造價低；工廠化制作、現場拼裝，提高施工效率，適合北方施工期短的特點；鋼箱梁為閉合的箱體結構，抗彎、抗扭剛度大；結構新穎、外觀簡潔美觀。高跨比一般為1/25～1/30[2－3]。

3.4.3 梁型比選

(1)建筑高度比較。本橋位于哈東站咽喉區，咽喉區內的8條鐵路線中有4條為電氣化鐵路線，施工期間鐵路仍營運。依據《鐵路技術管理規程》，梁底距離電氣化鐵路接觸網承力索的高度不得少于2 m。本橋上跨鐵路的凈空不少于8.6 m，為保證橋梁的起、終點在主要路口前與既有道路順接，梁高將不得大于2.5 m。可見，從梁高上鋼箱梁具有絕對優勢。

(2)建設周期比較。本項目為既有橋改造工程，既有道路為城市主干道。因道路交通量大、施工場地狹小，施工期間對道路進行封閉，增加了周邊道路的交通擁堵程度；同時，本橋位于站場咽喉區，施工期間勢必對鐵路運營產生影響，建設工期越短，對鐵路的運營生產影響也就越小。可見，無論從城市交通還是鐵路運輸考慮，都應盡量縮短施工工期。鋼箱梁可以工廠預制、現場吊裝、拼接，較預應力混凝土梁在建設周期上亦具有優勢。

(3)后期維護。與預應力混凝土梁相比，鋼箱梁運營期的養護維修量和成本稍高，但隨著鋼梁涂裝技術的發展，維修量已大為減少。

(4)研究結論。從施工方便性、施工周期、后期維護等方面綜合比選，確定采用鋼箱梁。

3.5 橋梁設計

(1)鋼箱梁截面尺寸

單幅鋼梁截面形式為單箱三室，箱室高2.5 m，頂寬11.70 m，兩側設3.15 m懸臂，箱室底寬為10.53 m，單幅橋面為單向1.5%橫坡，梁底橫向為平坡，縱向坡度為3.54%。鋼箱梁單幅總重為2 023 t。鋼箱梁頂板采用正交異性板，板厚為16 mm，加勁肋采用U型閉合肋，基本間距600 mm；底板厚24 mm，采用開口加勁肋，基本間距300 mm；腹板板厚16 mm，采用開口加勁肋；橫隔板分普通橫隔板、支點橫隔板，橫隔板間隔2.6 m，兩橫隔板間加設一道閉合加勁肋。單幅鋼箱梁截面形式見圖3(左右幅相同)。

圖3 單幅鋼箱梁截面(單位：mm)

(2)鋼箱梁計算

鋼箱梁結構計算主要有三體系法和空間板單元整體計算法。在計算結果上三體系法略大[4－5]，偏于安全，故本橋梁體計算采用三體系法。

基本荷載組合:恒載＋汽車活載＋溫度荷載＋基礎位移。計算結果見表1～表2[6－8]。

表1 鋼箱梁應力計算結果匯總 MPa

表2 鋼箱梁剛度檢算

可見，計算結果均滿足規范要求。

4 新建跨線橋施工方案

頂推施工因其作業場地限定在空中一定范圍內、不中斷橋下交通，且設備簡單、施工平穩、噪聲低，是橋梁跨越鐵路、站場時常用的施工方法。

4.1 頂推工法比較

傳統的頂推施工，多采用拖拉式多點連續頂推法。隨著我國橋梁建設水平提高，從2010年開始，步履式多點連續頂推法得到應用，并快速發展。兩種頂推法比較見表3[9]。

表3 拖拉式與步履式頂推法比較

4.2 頂推施工方案

通過對拖拉式和步履式頂推方法的對比，可以看出步履式頂推法從施工效率和風險管控上要明顯優于傳統的拖拉式頂推法，尤其適合于鋼箱梁。出于對本橋上跨哈東站咽喉區的安全和對鐵路運營影響考慮，本次施工采用步履式頂推法。

本項目采用的步履式多點頂推施工方法，單幅橋設6組臨時墩(每組2個墩)、1個主控系統、6個分控系統、6個泵站。頂推過程中于每個臨時墩上的鋼梁外腹板下布置1臺步履式千斤頂，全橋共計12臺千斤頂，其中鄰鐵路兩個臨時墩上布設的千斤頂最大頂力為600 t，其余均為400 t。每個頂程的頂推距離為40 cm，歷時5～6 min，頂進速度約4 m/h。

4.3 施工難點分析及解決措施

4.3.1 頂進跨度較大

作為等截面連續梁，因本橋頂推跨度較大，會導致頂推施工時梁的受力狀態變化較大，施工應力狀態與運營應力狀態相差也較多。為確保施工期間梁體的安全，采取如下措施:

(1)加設臨時墩來減少頂進跨度，進而減少主梁負彎矩。即在保證施工安全距離的前提下，于鄰近鐵路線處設置臨時支墩，將頂進跨度由65 m減至55 m。

(2)為減小頂進過程中梁的前端懸臂負彎矩，設置鋼導梁(0.6～0.8頂推跨度)。導梁采用工字鋼梁，梁間設桁架橫聯，靠主梁側的一節導梁設置轉換梁，通過焊接將轉換梁與主梁臨時連接成整體。導梁全長36 m，重65 t[10]。

(3)按施工程序，將頂進過程分為13種工況，分別進行鋼箱梁和鋼導梁應力、撓度分析和檢算。檢算結果見表4。

表4 頂進期間鋼箱梁與鋼導梁檢算

由計算結果可知，頂進過程中鋼箱梁撓度和應力都遠小于允許值，鋼導梁撓度和應力均滿足要求。

4.3.2 跨越電氣化鐵路對安全性要求高

(1)控制梁體撓度。全橋頂程144 m，計劃歷時60 d，僅在鐵路天窗時間頂推時接觸網斷電，其余時間接觸網均處于帶電工作狀態。為保證鐵路運營安全，需保證梁底距離接觸網承力索的高度不小于2 m。通過對頂推過程進行分析，導梁跨過鐵路即將到達臨時墩時為撓度最不利工況，撓度值為314.6 mm；4條電氣化鐵路中接觸網承力索距離梁底高度最小的鐵路為濱北下行線，其允許撓度為380 mm。可見，能保證安全作業的距離要求。

(2)布設接地電纜，防范風險。頂推施工前，在鋼箱梁與前導梁相接位置進行接地設計，防止意外接電現象。

4.4 頂推監測

為施工中及時掌握鋼箱梁、鋼導梁及臨時墩的結構受力情況，保證頂推過程中線形、位置精度，施工中需進行應力、位移、變形監測。對鋼箱梁和鋼導梁前端的撓度監測、鋼箱梁軸線偏位監測、鋼箱梁與導梁連接處應力監測、臨時墩支架應力監測、臨時墩支架墩頂位移監測、臨時墩基礎沉降監測等[11－13]。

5 結束語

市區內的既有橋改造受城市規劃、既有建筑物限制，特別在跨越鐵路站場時，還需考慮施工的特殊性，對中等跨度橋梁(40～70 m)，頂推施工優勢明顯。

為減小對城市交通的影響，縮短建設工期。在梁型上應優先選擇可現場拼裝施工、整體性較好的鋼箱梁。

步履式頂推施工因各系統可同步運行，簡化施工工序，提高工作效率，較好解決了頂推施工中糾偏難的問題，更適用于鋼梁頂推。

頂推過程中，撓度控制工況為鋼導梁到達鐵路對側臨時支墩時；應力控制工況為鋼導梁通過該臨時支墩后12 m處。

橋梁改建中應結合具體條件，從結構合理、施工方便、契合規劃和過程控制等方面細致研究，選擇合理梁型和施工方案，為城市發展助力。