山區(qū)高速鐵路橋梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

高金秋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

2020年是實(shí)施“十三五”規(guī)劃的收官之年，年底一大批高速鐵路、普速鐵路集中開通運(yùn)營。截止2020年12月底，全國鐵路營業(yè)總里程達(dá)14.6萬公里，其中，高鐵通車?yán)锍?.8萬公里，我國已建成世界上規(guī)模最大的現(xiàn)代化高速鐵路網(wǎng)，高速鐵路、高寒鐵路、高原鐵路、重載鐵路技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

如上所述，我國將迎來大規(guī)模高速鐵路建設(shè)。我國中西部多為山區(qū)，在這種地形條件下建設(shè)高速鐵路，從勘察、設(shè)計(jì)、施工等方面會帶來新的挑戰(zhàn)[1-3]。

以下對某山區(qū)高速鐵路可行性研究階段橋梁設(shè)計(jì)和綜合估算進(jìn)行分析，得出山區(qū)高速鐵路橋梁每米經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并分析橋梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響因素。為在山區(qū)高速鐵路勘察設(shè)計(jì)選線，線路縱斷面設(shè)計(jì)和可行方案決策提供參考。

1 我國高速鐵路橋梁簡述

高速鐵路運(yùn)營密度大、運(yùn)行速度高、對舒適度要求高，故高速鐵路線路應(yīng)具有平順性高、穩(wěn)定性高、精度高、殘變小和維修少等特點(diǎn)。

橋梁結(jié)構(gòu)在豎向剛度、工后沉降控制、土地占用和維修養(yǎng)護(hù)方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一般優(yōu)于路基工程，在高速鐵路建設(shè)中，橋梁結(jié)構(gòu)一般占比較大。

為了解決高速鐵路建設(shè)過程中橋梁工程多、工期緊張等問題，對標(biāo)準(zhǔn)跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁方案進(jìn)行了深入研究，經(jīng)過對不同跨度、不同截面類型的梁體綜合比較，確定我國高速鐵路橋梁常用跨度以32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為主，同時(shí)配以24 m作為調(diào)跨的橋梁布置原則。高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和橋梁施工工業(yè)化不僅易于對施工質(zhì)量進(jìn)行控制，而且加快了施工速度，為順利完成我國鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃中所確定的發(fā)展目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)[4-5]。

我國幅員遼闊，各個(gè)地區(qū)地形和地質(zhì)條件相差較大。為了與不同地區(qū)的自然環(huán)境相適應(yīng)，廣泛采用特殊結(jié)構(gòu)橋梁(見表1)[6-9]。跨越深谷時(shí)常采用拱橋；跨越高速公路或者既有鐵路時(shí)，多采用48～100 m的中等跨度連續(xù)箱梁；跨越大江大河時(shí)，除滿足河流通航要求外，還要考慮橋梁形式與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，常采用大跨度的系桿拱橋、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋、懸索橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁(如圖1～圖3)[10-15]。

表1 高速鐵路橋梁特殊結(jié)構(gòu)

圖1 京張高鐵官廳水庫特大橋

圖2 鄭焦城際鐵路鄭州黃河大橋

圖3 南廣鐵路西江特大橋

2 工程實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

某擬建高速鐵路位于我國西南山區(qū)，目前，該項(xiàng)目處于可行性研究階段，對該項(xiàng)目進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)后，明確了擬修建高鐵地區(qū)沿線河流水系特征及地形地貌、水文、氣象、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃等自然條件。該線主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

正線數(shù)目：雙線；

設(shè)計(jì)速度：350 km/h；

線間距：5 m；

最小曲線半徑：7 000 m(困難5 500 m)；

最大坡度：20‰(困難30‰)；

牽引種類：電力；

列車類型：動(dòng)車組；

到發(fā)線有效長度：650 m。

高速鐵路所處地區(qū)地形地貌為平原、丘陵、嶺谷區(qū)。測區(qū)出露中生界白堊系、侏羅系地層，川東平行嶺谷區(qū)各背斜核部出露有少量的三疊系地層，其中侏羅系約占全線總長度的90%左右，主要巖性為“川東紅層”泥巖、砂巖；第四系堆積物分布較廣，以河谷階地、緩丘槽谷等低洼地帶較為集中且厚度較大。巖土體主要力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖土主要力學(xué)參數(shù)

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

沿線水系均屬長江水系，水系發(fā)育，河流、水庫眾多。沿線主要河流為長江一級支流沱江、嘉陵江、小江。嘉陵江一級支流涪江、渠江、曲水河、西河、瀠溪河、清溪河，涪江支流芝溪河，渠江支流東柳河、流江河、銅缽河、明月江；小江支流南河、普里河。其中嘉陵江、渠江為規(guī)劃Ⅲ級航道；涪江為規(guī)劃Ⅳ級航道；沱江為規(guī)劃Ⅴ級航道；流江河、銅缽河、明月江為規(guī)劃Ⅶ級航道，部分河段通航。

2.2 新建橋梁主要設(shè)計(jì)原則

正線采用常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁和常用跨度連續(xù)梁，優(yōu)先布設(shè)32 m跨整孔簡支箱梁，24 m梁作為配跨使用，同一座橋盡量采用等跨布置；當(dāng)跨越通航河流、高等級公路、鐵路、或遇有深水基礎(chǔ)、高墩深谷，采用常用跨度梁跨越無法通過或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，視情況選用大跨度連續(xù)梁、剛構(gòu)、拱橋、斜拉橋或節(jié)段拼裝大跨度簡支梁等特殊橋梁結(jié)構(gòu)(見表3)。

表3 新建橋梁通用圖示意

正線橋墩高≤30 m時(shí)，宜采用雙線圓端型實(shí)體橋墩；當(dāng)橋墩高>30 m時(shí)，優(yōu)先采用空心墩。力求同一座橋梁墩形式簡化統(tǒng)一，以方便施工[16]。正線填方段采用雙線空心橋臺，若受地形影響，也可以采用挖方橋臺。

基礎(chǔ)類型應(yīng)根據(jù)水文、地質(zhì)、地形、沉降控制要求及施工條件等合理選用。墩臺基礎(chǔ)以鉆孔樁基礎(chǔ)為主，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好，地下水不發(fā)育且基礎(chǔ)埋深≤6 m時(shí)，可采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。鉆孔樁樁徑一般情況選用1.0 m、1.25 m，特殊情況可采用較大直徑鉆孔樁。

橋梁下部主要采用混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁部結(jié)構(gòu)多采用預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。梁部混凝土強(qiáng)度不得低于C50，墩臺不得低于C35，承臺一般采用C30，樁身一般采用C30。

橋梁一般采用HPB300和HRB400鋼筋，并滿足TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求。

2.3 橋梁綜合估算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

根據(jù)現(xiàn)場勘察設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況并深入研究后，最終確定一個(gè)推薦方案和多個(gè)比較方案。

結(jié)合勘察設(shè)計(jì)后所確定的所有線路方案，線路、站場、軌道、路基、隧道、橋梁、通號、接觸網(wǎng)、工經(jīng)等相關(guān)專業(yè)開展具體工點(diǎn)設(shè)計(jì)，然后根據(jù)每個(gè)方案的控制點(diǎn)工程的個(gè)數(shù)、工程實(shí)施的難易程度、對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的影響程度和工程投資進(jìn)行比較，進(jìn)一步明確各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

本項(xiàng)目有A方案和B方案，其中A方案線路長42.3 km，B方案線路長42.6 km。兩個(gè)方案橋梁工點(diǎn)的信息見表4。每個(gè)方案特大橋、大橋和中橋的綜合估算見表4～表7。

表4 A方案與B方案橋梁工點(diǎn)信息

續(xù)表1

續(xù)表6

表7 中橋綜合估算

續(xù)表7

由表4～表5可知，A方案和B方案特大橋綜合估算指標(biāo)分別為72 015元/m、117 218元/m； A方案和B方案特大橋的平均墩高分別為19.6 m、18.7 m，平均墩高相差不大，但是特大橋指標(biāo)相差45 203元/m。經(jīng)過對比分析，認(rèn)為有如下幾方面原因。

表5 特大橋綜合估算

(1)上部工程特殊結(jié)構(gòu)長度占比不同。A方案和B方案上部工程特殊結(jié)構(gòu)長度分別為544 m、1 824 m，特殊結(jié)構(gòu)占比分別為6.9%、23.6%，故B方案上部工程綜合估算指標(biāo)較A方案多20 143元/m。

(2)上部工程是下部工程量的直接影響因素，大跨度梁多，下部工程的鋼筋混凝土數(shù)量必然增大，B方案下部工程綜合估算指標(biāo)較A方案多14 527元/m。

(3)大跨度梁多因跨江、跨河及跨等級道路而設(shè)，大跨度梁的增多，會導(dǎo)致附屬工程中河床河堤整治、既有道路路基防護(hù)、邊坡加固防護(hù)數(shù)量增加，B方案附屬工程綜合估算指標(biāo)較A方案多1 723元/m。

(4)大跨度梁多采用懸臂施工、轉(zhuǎn)體施工，施工輔助設(shè)施數(shù)量大，B方案施工輔助設(shè)施綜合估算指標(biāo)較A方案多8 810元/m。

由表6可知，A方案和B方案大橋綜合估算指標(biāo)分別為77 321元/m、78 050元/ m，大橋指標(biāo)相差729元/m。A方案和B方案特大橋的平均墩高分別為16.6 m、16.3 m，平均墩高相差不大。

表6 大橋綜合估算

A方案和B方案上部工程特殊結(jié)構(gòu)長度分別為592 m、812 m，特殊結(jié)構(gòu)占比分別為5.9%、8.4%，雖然B方案特殊結(jié)構(gòu)占比高，但是A方案中有22孔32 m單線箱梁，故上部工程綜合估算指標(biāo)A方案較B方案多962元/ m。

B方案特殊結(jié)構(gòu)占比高，所以B方案下部工程、附屬工程和施工輔助設(shè)施綜合估算指標(biāo)分別較A方案高674元/ m、688元/ m、330元/ m。

表7中，A方案和B方案中橋綜合估算指標(biāo)分別為74 699元/m、74 163元/m，指標(biāo)相差536元/m。A方案和B方案中，平均墩高分別為12 m、11.7 m，平均墩高相差不大， A方案與B方案中均無特殊結(jié)構(gòu)和大跨度梁，故上部工程的綜合估算指標(biāo)僅相差30元/m。B方案下部工程、附屬工程綜合估算指標(biāo)較A方案高499元/m和1 065元/m。綜上，B方案較A方案綜合估算指標(biāo)略高，這主要是地形和地質(zhì)情況不同造成的。

3 結(jié)論

(1)橋梁上部工程、下部工程、附屬工程和施工輔助設(shè)施四個(gè)方面緊密聯(lián)系，上部工程中特殊結(jié)構(gòu)和大跨度梁對橋梁綜合估算指標(biāo)影響較大，在橋梁綜合估算指標(biāo)分析過程中，應(yīng)首先分析特殊結(jié)構(gòu)和大跨度梁占比。

(2)在全為常用跨度簡支梁的情況下，橋梁綜合估算指標(biāo)主要受橋梁高度影響，若橋梁高度一定，則附屬工程中的邊坡加固防護(hù)、既有道路路基防護(hù)等對橋梁綜合估算指標(biāo)有一定的影響，這部分對橋梁綜合估算指標(biāo)影響約為11%。

(3)對于復(fù)雜特大橋，如公鐵兩用橋，跨江橋，和高架車站應(yīng)該單列綜合估算單元。因?yàn)榇祟悩蛄航Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工輔助措施費(fèi)用高，綜合估算指標(biāo)較高。

(4)如果沒有特殊結(jié)構(gòu)，平均橋墩高在12 m左右，同時(shí)附屬工程中(如邊坡加固防護(hù)、橋下溝河及道路改移和既有道路路基防護(hù))無較大支出，并且基礎(chǔ)施工輔助措施采用一般方式，則橋梁綜合估算指標(biāo)約為6.6萬元/m。當(dāng)特殊結(jié)構(gòu)占比不超過橋梁總長的9%時(shí)，平均墩高不超過20 m的條件下，橋梁綜合估算指標(biāo)約為7.8萬元/m。

(5)在山區(qū)高速鐵路中不可避免的會有平均墩高大于20 m的橋梁，如果高橋較長且較為集中，應(yīng)對40 m及以上跨度簡支梁與32 m簡支梁進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析，以確定最優(yōu)方案。