節段預制橋梁技術在廣州地鐵的應用及發展研究

陽發金，孫峻嶺

（瀚陽國際工程咨詢有限公司 廣東省交通核心基礎設施綠色建設工程技術研究中心廣東省院士專家企業工作站，廣州 510220）

1945年，法國工程師E. Freyssinet最先運用節段預制技術在馬恩河上建造了Luzancy橋。隨后節段預制橋梁技術在歐洲飛速發展，20世紀五、六十年代傳至美洲、澳洲和亞洲[1-2]。

中國從20世紀60年代開始使用節段預制橋梁技術。該施工方法安全、質量好、施工速度快、對周圍環境影響小，在中國公路、市政等橋梁中得到了較為廣泛的應用，但在地鐵中應用較少。

自2003年開始，廣州地鐵先后在4號線、6號線、14號線和21號線[3-6]采用了節段預制橋梁技術。多年以來，經歷了從開始應用階段的節段預制簡支梁，逐漸發展為雙肢墩連續剛構、單肢墩連續剛構，橋梁結構體系上進一步優化。形成了適用于地鐵建設的節段預制橋梁設計、預制和架設施工等成套節段預制橋梁技術。依托于項目實踐經驗，瀚陽國際工程咨詢有限公司和廣州地鐵設計研究院股份有限公司作為主編單位編寫了《城市軌道交通預應力混凝土節段預制橋梁技術標準》(CJJ/T293-2019)[7]，自2019年11月1日起實施。

現依據“廣州地鐵新一輪線網預制拼裝工法專題研究”項目對節段預制橋梁技術在廣州地鐵的應用和發展進行總結，并提出技術提升建議。

1 工程概況

2007年建成通車的廣州地鐵4號線開始應用節段預制簡支橋梁技術，是中國首次在地鐵橋梁中使用節段預制橋梁技術。隨后，該技術在廣州地鐵中得到發展，2013年建成通車的廣州地鐵6號線在中國首次使用節段預制無支座雙肢墩連續剛構橋梁技術，2018年建成通車的廣州地鐵14號線、21號線在中國首次使用節段預制無支座單肢墩連續剛構橋梁技術。

1.1 應用階段

2007年建成通車的廣州地鐵4號線工程，是節段預制橋梁技術在廣州地鐵的開始應用階段。采用節段預制簡支橋梁技術，總長約14 km。廣州地鐵4號線簡支梁如圖1所示。

圖1 廣州地鐵4號線簡支梁Figure 1 Simply supported beam of Guangzhou Metro Line 4

1.2 發展階段

隨后，該技術在廣州地鐵中得到進一步發展。將節段預制箱梁與連續剛構體系相結合，相比簡支梁，更加輕巧、景觀效果更好，大大減少支座數量、減少運營階段維護工作量。以2013年建成通車的廣州地鐵6號線和2018年建成通車的廣州地鐵14號線、21號線為代表。

廣州地鐵6號線在中國首次將節段預制箱梁與雙肢墩連續剛構體系相結合，并且在主跨150 m拱橋上使用節段預制技術，總長約3 km。廣州地鐵6號線雙肢墩連續剛構如圖2所示。

圖2 廣州地鐵6號線雙肢墩連續剛構Figure 2 Double-leg continuous rigid frame of Guangzhou Metro Line 6

廣州地鐵14號線、21號線在中國首次將節段預制箱梁與單肢墩連續剛構體系相結合，相比雙肢橋墩，此結構更加簡潔、輕巧，景觀效果更好，總長約38 km。廣州地鐵14號線單肢墩連續剛構如圖3所示，廣州地鐵21號線單肢墩連續剛構如圖4所示。

圖3 廣州地鐵14號線單肢墩連續剛構Figure 3 Single-leg continuous rigid frame of Guangzhou Metro Line 14

圖4 廣州地鐵21號線單肢墩連續剛構Figure 4 Single-leg continuous rigid frame of Guangzhou Metro Line 21

2 技術方案

筆者擬從標準段橋梁結構體系、橋跨布置、主梁構造、節段劃分、永久預應力、接縫、剪力鍵、臨時預應力、下部構造、施工方法等方面進行闡述。

2.1 4 號線

1) 結構體系；采用簡支梁體系。

2) 橋跨布置。標準跨度以30、25 m為主，32.5、27.5、22.5 m為輔，個別較大路口采用41.9、40 m。

3) 主梁構造。主梁采用C50預應力混凝土結構。采用單箱室斜腹板截面，腹板斜度為1/4，梁高1.7 m，橋面寬9.3 m，底板寬4 m。箱梁頂板厚0.25 m，懸臂板厚0.12～0.50 m，標準節段腹板厚0.30 m，底板厚0.25 m；過渡節段腹板厚0.40 m，底板厚0.35 m；端節段D1腹板和底板厚0.50 m；端節段D2腹板和底板厚 0.55 m。箱梁縱向按全預應力混凝土結構設計、橫向按鋼筋混凝土結構設計。主梁主要截面如圖5所示。

圖5 主梁截面圖Figure 5 Section of main girder

4) 節段劃分?？缍?0 m主梁縱向分為12個節段，分別為6個標準節段、2個過渡節段、2個端節段D1、2個端節段D2。標準節段和過渡節段長2.5 m、兩個端節段長2.45 m。標準節段重30 t，端節段D2重42 t。共有約5 800個節段。

5) 永久預應力。僅設置縱向預應力，采用后張法體內預應力。

6) 接縫。預制節段之間采用環氧樹脂接縫。

7) 剪力鍵。為減少應力集中而設計為多鍵式剪力鍵，均勻布置。腹板全高范圍密布剪力鍵，頂板均勻布置5個剪力鍵、底板均勻布置4個剪力鍵。

8) 臨時預應力：采用精軋螺紋鋼。主梁節段拼裝過程中，在相鄰兩節段上張拉臨時預應力束，使接縫壓應力不小于0.3 MPa。頂板臨時預應力設置鋼臺座、通過臨時錨栓與頂板結合，底板臨時預應力設置鋼筋混凝土臺座、與底板結合為一體。

9) 下部構造：采用花瓶式橋墩。

10) 施工方法：節段梁采用短線法制造、架橋機逐孔拼裝架設。

2.2 6 號線

1) 結構體系。采用雙肢墩連續剛構體系。

2) 橋跨布置。標準段，最大跨度 40 m、最小跨度30 m，一般三跨一聯，少數四跨或者兩跨一聯。全線共計17聯，兩跨一聯共3聯，三跨一聯共7聯，四跨一聯共7聯。與路基段相鄰一聯橋梁、橋墩高度小于7 m，采用兩跨一聯、跨度30 m，長度占標準段橋梁總長約為3%；跨度≥38 m共9聯，其余跨度為33～38 m、共7聯。后續類似項目應重視橋跨布置優化工作，盡可能使絕大多數標準段橋梁跨度接近標準跨度，在保證其他指標均滿足要求的前提下，最大限度地提高橋梁經濟指標。

跨路口采用Y型剛構、跨度組合為(40+60+40) m，跨珠江大跨度節點橋采用連續剛構拱橋、跨度組合為(40+40+150+40+40) m，主梁梁高及截面形式與標準段橋梁相同。后續類似項目，如遇到標準段連續剛構與大跨度節點橋相接，可參照本項目處理；標準段橋梁與多線橋梁相接，多線橋梁可以采用與標準段橋梁接近的跨度、兩者梁高相同，多線橋梁橋面可以采用漸變變寬處理、與標準段橋梁勻順過渡，多線橋梁采用現澆施工方法。

3) 主梁構造。主梁采用C60預應力混凝土結構。采用單箱室斜腹板截面，腹板傾斜角為 42.36°，梁高2.0 m，標準段頂寬 9. 3 m、加寬段頂寬 9. 3～11. 2 m，加寬部分采用懸臂加寬形式，懸臂寬 1. 75～2. 7 m，底板寬 2. 4 m。頂板厚 0. 25 m；標準節段腹板和底板厚0.3 m；過渡節段Gb腹板和底板厚0.4 m；過渡節段Ga、端頭節段腹板和底板厚0.5 m。主梁縱、橫向按全預應力混凝土結構設計。主梁各截面如圖6和圖7所示。

圖6 主梁截面圖1Figure 6 Section of main girder 1

圖7 主梁截面圖2Figure 7 Section of main girder 2

4) 節段劃分。中墩頂梁段為現澆段，其余均為預制節段。預制節段分為標準節段、過渡節段Gb、過渡節段 Ga和端頭節段。標準節段長 2.6 m，過渡節段Gb長2.6 m，過渡節段Ga長2.5 m，端頭節段長1.85 m。最大節段重42.4 t。共有約1 000 個節段。

5) 永久預應力。設置縱、橫向預應力，采用后張法體內預應力。

6) 接縫。預制節段之間采用環氧樹脂接縫。預制節段與現澆段間設置0.30 m后澆段相連，中跨設置兩道濕接縫、邊跨設置一道濕接縫。

7) 剪力鍵。為減少應力集中而設計為多鍵式剪力鍵，均勻布置。腹板全高范圍密布剪力鍵，頂板均勻布置7個剪力鍵、底板布置1個剪力鍵。

8) 臨時預應力：采用精軋螺紋鋼。主梁節段拼裝過程中，在相鄰兩節段上張拉臨時預應力束，使接縫壓應力不小于0.3 MPa[8]。頂板設置鋼臺座、底板設置鋼筋混凝土臺座。

9) 下部構造。橋墩高 6.0～16.0 m，中墩為雙肢墩，墩中心間距1.9 m。單個邊墩采用單肢墩，相鄰兩聯邊墩構造及墩間距與中墩相同、成“雙肢墩”造型，共用同一基礎。橋墩高度H>10 m時，壁厚h采用0.7 m；H≤10 m時，壁厚h采用0.6 m。墩頂尺寸為2.4 m×0.7(0.6)m，在墩頂下4 m處按1/20坡度收縮成2 m×0.7(0.6)m，且坡度壁厚保持不變，長度方向按1/30坡度放大，橫向呈“瘦腰”造型。橋墩截面形狀近似為矩形，長邊采用半徑為15 m的內收圓弧，短邊采用半徑為0.6 m的內收圓弧，四周采用直線導角。承臺尺寸為6.5 m×6 m×2 m。樁基采用4根?1.5 m鉆孔灌注樁。橋墩構造如圖8和圖9所示。

圖8 中墩構造圖Figure 8 Structural drawing of middle pier

圖9 邊墩構造圖Figure 9 Structural drawing of side pier

10) 施工方法。節段梁采用短線法制造，由施工單位在番禺區新建預制場。節段梁采用架橋機逐孔拼裝架設，整孔架設完畢后、臨時支承于鋼立柱、形成簡支梁；然后施工中墩墩旁濕接縫、張拉永久鋼束、形成剛構連續梁；最后澆筑邊墩頂固結后澆帶，形成連續剛構。一孔梁架設時間大約3～4 d。

2.3 14號線、21號線

14號線和21號線情況基本相同，本節以21號線為例進行闡述。

1) 結構體系。采用單肢墩連續剛構體系。

2) 橋跨布置。標準段，最大跨度 40 m、最小跨度36 m，四跨一聯，少數三跨或者兩跨一聯。

3) 主梁構造。主梁采用C60預應力混凝土結構。采用單箱室斜腹板截面，腹板傾斜角為 42.36°，梁高2.0 m。標準段頂寬10.0 m、懸臂寬2.1 m，加寬段頂寬10.0～10.8 m，加寬部分采用懸臂加寬形式，懸臂寬2.1～2.5 m，底板寬 2.4 m。各節段腹板和底板、標準節段頂板厚度與6號線相同，過渡節段1頂板厚0.35 m、過渡節段2和端頭節段頂板厚 0.45 m。主梁縱、橫向按全預應力混凝土結構設計。主梁各截面圖與圖6和圖7基本類似，不再示意。

4) 節段劃分。與6號線相同，中墩頂梁段為現澆段，其余為預制節段。預制節段分為標準節段、過渡節段1、過渡節段2和端頭節段。標準節段長2.6 m、重36.5 t，過渡節段1長2.6 m、重43.8 t，過渡節段2長2.4 m、重44.8 t，端頭節段長2.35 m、重49.8 t。共有約2 100 個節段。

5) 永久預應力。設置縱、橫向預應力，采用后張法體內預應力。

6) 接縫。預制節段之間采用環氧樹脂接縫。預制節段與中墩頂現澆段間設置0.20 m后澆段相連，濕接縫采用 C60 高強補償收縮混凝土。

7) 剪力鍵。為減少應力集中而設計為多鍵式剪力鍵，均勻布置。

8) 臨時預應力：采用精軋螺紋鋼。頂板設置鋼臺座、底板設置鋼筋混凝土臺座。

9) 下部構造。橋墩高10.0～15.5 m。邊、中墩均為單肢墩，兩聯邊墩構造相同，并共用同一基礎。橋墩高度范圍保持墩厚h不變，墩頂以下一定長度范圍(H-H1)內橫向等寬、為 2.4 m，然后寬度方向按 1/30坡度向下放大，同一墩高區段橋墩寬度變化范圍高度相同、為表1中H1。橋墩截面形狀近似為矩形，四周采用0.3 m×0.3 m直線導角。聯與聯間梁縫間距0.1 m，為利于施工過程中脫模，墩間距由0.1 m斜向擴大至0.2 m。中墩整個墩高范圍沿縱橋向中間設有總寬0.2 m的梯形凹槽形成類似于相鄰邊墩的效果。相對于6號線橋墩橫向“瘦腰”造型、寬度在墩高范圍變化2次，橋墩外形更為簡潔、模板施工更為方便。

樁基均采用4根?1.5 m鉆孔灌注樁(兩聯邊墩共用同一基礎)。承臺尺寸為 6.0 m(順橋向)×6.0 m(橫橋向)×2.0 m(厚)。確保位于道路中央綠化帶的承臺埋深0.7 m以上，以保證道路恢復的路面攤鋪與壓實厚度。橋墩構造如圖10和圖11所示。橋墩尺寸見表1。

表1 橋墩尺寸Table 1 Pier dimension m

圖10 中墩構造圖Figure 10 Structural drawing of middle pier

圖11 邊墩構造圖Figure 11 Structural drawing of side pier

10) 施工方法。節段梁采用短線法制造，由施工單位在廣汕公路旁新建預制場，配套混凝土攪拌站，占地約 60 畝(1畝=666.67 m2)，共2 條生產線、10 套模具，1片節段梁生產時間約 2.5 d。節段梁采用架橋機逐孔拼裝架設，與6號線基本相同。

3 對比分析

從以上節段預制橋梁技術在廣州地鐵 4號線、6號線、14號線和21號線的應用、發展可知，有以下共同點和不同點。

3.1 共同點

1) 主梁均采用預應力混凝土結構，采用單箱室斜腹板截面。

2) 主梁均采用短線法工廠預制，預制節段長度基本接近，標準節段長2.5～2.6 m，過渡節段長2.4～2.6 m。

3) 主梁永久預應力采用后張法體內預應力。

4) 預制節段之間采用環氧樹脂接縫。

5) 均采用多鍵式剪力鍵，均勻布置。

6) 臨時預應力采用精軋螺紋鋼，主梁頂板設置鋼臺座、底板設置鋼筋混凝土臺座。

7) 節段梁均采用架橋機逐孔拼裝架設。

3.2 不同點

1) 4號線采用簡支梁結構體系，受力簡單、但結構體量較大；而6號線、14號線和21號線采用連續剛構體系，上下部整體受力、受力更合理，結構輕柔簡潔。

2) 6號線、14號線和21號線采用連續剛構體系，一般情況跨度為36～40 m、以40 m為主，跨度大，結構效率高，通透性更好。

3) 6號線、14號線和21號線采用連續剛構體系，跨度以40 m為主，主梁梁高2.0 m，高跨比為1/20、小于4號線的1/17.65，主梁底寬2.4 m，小于4號線的4.0 m。

4) 4號線采用花瓶墩，而6號線、14號線和21號線采用板式墩，外形更為簡潔、相對更為經濟。

5) 4號線采用簡支梁節段預制拼裝，拼裝架設施工難度小，而6號線、14號線和21號線采用連續剛構節段預制拼裝，施工過程需先簡支、后連續，現場澆筑中墩墩頂現澆段、墩旁濕接縫和邊墩固結后較段，施工工序相對復雜，施工難度相對較大，施工措施費用相對較多。節段預制拼裝簡支梁、連續剛構造價對比見表2。

表2 節段預制拼裝簡支梁、連續剛構造價對比Table 2 Cost comparison of segmental precast simply supported beam and continuous rigid frame bridge 萬元/m

節段預制拼裝簡支梁、連續剛構造價分別約為6.03、5.87 萬元/m，連續剛構略低；相對于簡支梁，連續剛構下部結構造價約低 0.27 萬元/m，主梁材料費用約高 0.07 萬元/m，主梁預制、存放、運輸、架設費用約高0.18 萬元/m，支座費用約低0.14 萬元/m，附屬工程費用基本相同。

6) 6號線、14號線和21號線采用無支座連續剛構體系，可以節省運營過程支座維養費用、減少運維開支。

4 提升建議

節段預制連續剛構橋梁結構體系上進一步優化，相對于節段預制簡支梁，可以節省總造價約2.7%，可以節省支座維養費用。后續可以進一步優化連續剛構橋梁布跨、預應力鋼束布置和施工方案，提高綜合經濟效益。該技術在廣州地鐵及中國氣候條件、地震參數等建設條件類似的地區會有更好的前景。

為了更好地推動節段預制連續剛構橋梁技術發展，建議作以下技術提升。

1) 推廣上、下部結構全橋預制。最近幾年，橋墩預制已經開始在中國公路、市政新建橋梁中應用，與橋墩現澆相比，具有質量優、施工快、能耗低、干擾小、勞動力成本節省等優點[9]?？梢赃M一步研究和推廣上、下部結構全橋預制在地鐵橋梁中的應用，同時應重視其經濟合理性。

2) 中墩0號塊由現澆調整為預制施工，增加了主梁預制線形控制難度，但提高了主梁預制率，減少現場施工時間、提高施工效率。

3) 采用體內、體外預應力混合配束。相對全體內配束節段預制橋梁，采用體內、體外預應力混合配束體內束更少、施工階段混凝土質量更容易保證，運營階段體外束檢修、補張拉和更換相對方便。目前體外預應力束在鐵路橋梁中一般用于既有橋梁加固，但體內、體外預應力混合配束已經開始在中國公路、市政新建橋梁中應用[10]。可以進一步研究和推廣體內、體外預應力混合配束在地鐵橋梁中的應用，應重點關注體內、體外預應力配束比例和主梁構造尺寸優化、受力性能、經濟合理性等。

4) 推行無支架施工。中墩、邊墩0號塊均統一為工廠預制，取消施工過程所有落地支架，減少占地、節約成本、提高施工效率。

5) 底板臨時預應力張拉臺座由傳統混凝土結構調整為鋼結構臺座，大大減少材料一次性消耗、節約成本。傳統混凝土臺座所需鋼筋和混凝土均為一次性損耗，而鋼臺座可以重復周轉利用。還可以進一步研究采用其他可重復利用的混凝土臺座[11]、更進一步降低臨時結構造價。