滬蘇湖高速鐵路跨常臺高速公路、乍嘉蘇航道橋式方案研究

宋子威,嚴愛國,畢玉琢

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063； 2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室,武漢 430063)

1 工程概況

滬蘇湖高速鐵路作為長三角核心區一條重要的鐵路運輸通道，對完善國家鐵路網，促進長三角地區的經濟、社會發展都起到很大的作用。它連通上海、蘇州吳江、湖州等地，與合杭高速鐵路、寧杭高速鐵路在湖州相接。線路在蘇州吳江區境內連續小角度跨越申嘉湖油氣管線、常臺高速、乍嘉蘇航道等控制點。

橋址處氣候類型為亞熱帶季風氣候，在統計年限內：橋位處最高氣溫為38.3 ℃(七月)，最低氣溫為-8.5 ℃(一月)，最大年平均相對濕度85%，地面附近平均風速3.2 m/s，風速最大可達20.3 m/s。

橋址區主要土層結構為：廣泛分布的第四系全新統松散堆積的流塑狀淤泥質土及軟塑狀粉質黏土層，粉土夾粉細砂層[1]，普遍發育深厚層軟土、松軟土，地基較為軟弱。

橋址處地震動峰值加速度為0.05g，場地類別為Ⅳ，場地的特征周期為0.65 s。

2 主要技術標準

(1)鐵路等級：高速鐵路。

(2)軌道類型：CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。

(3)設計速度：350 km/h。

(4)正線數目：雙線，線間距為5.0 m。

(5)線路條件：縱坡、直線。

(6)縱坡坡度：橋上最大縱坡16‰。

(7)荷載標準：ZK活載[2-3]。

(8)洪水設計頻率：100年一遇。

3 建設條件

受線路總體方案制約，線路在蘇州吳江區依次跨越申嘉湖油氣管線、常臺高速、乍嘉蘇航道。跨越條件復雜，且橋址區地基條件軟弱，設計施工難度大。橋址處平面見圖1。

圖2 (92+168+142+82)m剛構連續梁橋方案立面布置(單位:m)

圖1 橋址處平面位置

3.1 申嘉湖油氣管線

申嘉湖油氣管線是9 MPa鋼制油氣管，直徑為330 mm，根據GB50251—2015《輸氣管道工程設計規范》相關規定，橋梁承臺需滿足管道凈距5 m以上。

3.2 常臺高速

常臺高速G15W現狀為雙向4車道，跨越處公路線路為高架，道路與線路大里程夾角為153°，瀝青路面路面高程為9.19 m，常臺高速公路橋寬約28 m，兩幅橋間隔0.5 m，根據省交通運輸廳批復立交評估結論，跨越處需預留8車道。

3.3 乍嘉蘇航道

乍嘉蘇航道現屬于Ⅳ級航道，是江蘇省的干線級航道，根據2017～2035年《江蘇省干線航道網規劃》要求，將拓寬為Ⅲ級航道。在橋梁的跨越位置處，河道順直，現通航凈寬50 m，線路與河流的交角為89°。拓寬為Ⅲ級航道后，最高通航水位2.25 m，通航凈寬70 m，通航凈高7.5 m。

4 橋式方案

根據線路立交評估初步結論，考慮常臺高速G15W預留8車道的要求以及跨越油氣管線要求，需主跨采用168 m以上跨度跨越。同時，根據道路安全評估的要求，承臺投影不可進入規劃8車道線。

乍嘉蘇航道現為Ⅳ級航道，正在進行Ⅲ級航道整治。根據通航評估報告，為避免橋墩對河道行洪面積的壓縮以及對通航的影響，河中不能立墩，需采用70 m以上跨度單跨跨越航道。

結合以上評估報告，根據結構的合理性、技術先進性等因素，對以下3種橋型方案的優缺點進行比較分析：(92+168+142+82) m預應力混凝土剛構連續梁橋，(40+168+40) m系桿拱連續梁+83 m系桿拱，(35+168+136+35) m混凝土獨塔部分斜拉橋[4]。

4.1 預應力混凝土剛構連續梁橋方案

結合橋位處的關鍵控制因素，若采用剛構連續梁橋方案[5]，則橋跨布置為(92+168+142+82) m。主跨168 m越常臺高速及油氣管線，次主跨142 m跨越乍嘉蘇航道，在主跨和次跨兩端分別配置92，82 m邊跨，用于滿足施工及受力需要[6]。由于梁高較大，為滿足橋下凈空要求，需抬高7 754 m線路范圍內引橋高程，最大抬高量約4.0 m。剛構連續梁橋立面布置見圖2。

(92+168+142+82) m混凝土剛構連續梁主墩固結，次邊墩設置支座。梁體截面形式為單箱單室變截面。168 m跨支點處截面高12.5 m，142 m跨支點處截面高12 m，跨中截面高6.5 m，截面高度按半徑R=570 m的圓曲線變化[7]；截面頂板寬12.2 m(中墩處截面頂寬為11.7 m)，截面底板寬8.5 m。截面頂板厚度62 cm，腹板厚度按55～75～95～105～130 cm變化，底板厚度50～200 cm漸變，在梁端的支點位置、剛構墩的墩頂位置、橋梁的跨中位置均設橫隔板。梁的橫截面尺寸見圖3。

全橋共分為117個梁段，最長梁段為5.0 m，最大懸灌體積175.2 m3。橋梁中間采用7.0 m×8.5 m矩形空心固結墩，壁厚1.4 m，其余橋墩與主梁之間采用支座連接。

選用懸臂現澆法對主梁進行施工，墩頂零號段采用支架施工[8]，普通梁段采用掛籃澆筑；邊跨直線段采用支架施工[9]。

4.2 系桿拱連續梁橋方案

結合橋位處的關鍵控制因素，若采用系桿拱連續梁橋，則橋跨布置為(40+168+40) m系桿拱連續梁+83 m系桿拱[10]。

采用(40+168+40) m系桿拱連續梁主跨跨越油氣管線及高速公路，采用83 m系桿拱跨越乍嘉蘇航道[11]。系桿拱連續梁立面布置見圖4。

圖3 連續剛構梁橫截面(單位:cm)

圖4 系桿拱連續梁橋方案立面布置(單位:m)

系桿拱連續梁主梁為C55預應力混凝土結構，截面形式為等高度的單箱三室形截面，截面高3.0 m，截面寬13.6 m，在中支點處加寬至16.6 m；在邊跨支點、中跨支點位置的底板上設0.8 m檢查孔[12]，并在截面的底板上設泄水孔。在邊跨支點位置和中跨支點位置分別設置厚度為1.80 m和0.7 m的橫隔板；在箱梁的每個吊桿處設厚0.5 m，高1.30 m的吊點橫梁。主梁標準截面見圖5。

圖5 主梁標準截面(單位:cm)

拱肋采用鋼管混凝土結構，拱肋弦管直徑為1.4 m，分別由28，36 mm厚的鋼板卷制而成[13]。兩榀拱肋橫橋向間距12.0 m。在拱肋的鋼管及腹腔內填充C55補償收縮混凝土。上、下拱肋計算跨度分別為170.1，165.75 m，設計矢高分別為45，39 m，上下鋼管拱軸線分別采用系數為1.05、1.40的懸鏈線[14]。

全橋在順橋向共設置18組雙吊桿，間距8 m。吊桿材料為PES(FD)7-73型低應力防腐拉索[15]。吊桿上端錨固在拱肋的上緣，下端錨固在吊點橫梁的下緣。

本方案采用“先梁后拱”施工方法：利用滿堂直接施工主梁；主梁施工完成后，在橋面上拼裝拱肋；然后灌注鋼管及腹腔內的混凝土[16]；按指定次序張拉吊桿，施工橋面系成橋。

4.3 預應力混凝土獨塔部分斜拉橋

結合橋位處關鍵控制因素，若采用獨塔斜拉橋方案，則跨徑布置為(35+168+136+35) m混凝土獨塔部分斜拉橋[17]。主跨跨越常臺高速及油氣管線，邊跨跨越乍嘉蘇航道。立面布置見圖6。

圖6 (35+168+136+35)m獨塔部分斜拉橋方案總體布置(單位:m)

(35+168+136+35) m獨塔部分斜拉橋主橋全長375.7 m(包括兩邊梁端至支點各0.85 m)，墩、塔、梁在橋塔處固結，主梁在其他支墩處可以發生縱向位移[18]。梁體截面為單箱雙室箱形截面，截面頂板寬14.3 m，梁端、邊跨及跨中直線段截面高度為4.5 m，主跨輔助墩墩頂處截面高度為6.5 m，橋塔處梁截面高度為8.5 m，梁高按圓曲線變化。分別在橋塔位置、邊墩支點位置、輔助墩支點位置設橫隔梁[19]。橫隔梁上設有供檢查人員通過的檢修孔洞。另在主梁上斜拉索的錨固位置增設高度為1.8 m，寬度為0.6～1.0 m的半橫梁。

斜拉索布置形式為空間雙索面體系，梁上間距6.0 m，塔端間距1.0 m。在塔端采用分絲管索鞍貫通，與主梁通過錨固梁相連，在梁上布置斜拉索張拉端進行單根張拉[20]。

采用雙柱式索塔，索塔在縱橋向為直立式，在橫橋向為花瓶形，索塔在橋面以上部分的高度為57.0 m。為方便斜拉索的安裝，索塔截面采用矩形實體截面，順橋向寬度為5.0～6.0 m，橫橋向寬度為2.6 m，四周設10 cm圓倒角。

與剛構連續梁橋相比，獨塔部分斜拉橋方案中增設了索塔和斜拉索，斜拉索起到體外加勁的作用，可以增大橋梁的跨度，進而提高橋梁的跨越能力，同時也可以節約主梁的工程量。斜拉索在施工過程中可作為支撐參與受力，通過索力變換，在后期運營階段又參與結構的永久受力，與剛構連續梁橋的施工過程相比，節約大量的臨時用鋼量[21]。

4.4 方案比選

對以上所述的3種橋型方案進行綜合比較，比較結果見表1。

表1 3種橋式方案綜合比較

由表1可知，剛構連續梁橋方案技術成熟，橋梁剛度較大，施工方便，但由于橋下凈空的限制，需抬高7 754 m線路范圍內引橋高程，最大抬高量約4.0 m，梁高較大，與周圍景觀不協調，景觀效果較差，且抬高高程增加施工難度，此方案不宜采用。

系桿拱連續梁方案，景觀效果較好，考慮高程變化范圍內的總造價最低，但施工時需在高速公路及航道中搭設臨時支架，施工困難，此方案也不宜采用。

混凝土獨塔部分斜拉橋方案，結構景觀效果較好、造價合理，施工便捷，養護工作量小。(35+168+136+35) m混凝土獨塔部分斜拉橋是本橋的最佳方案。

5 結語

本文主要對滬蘇湖高速鐵路跨越申嘉湖油氣管線、常臺高速、乍嘉蘇航道的橋式方案進行比選。橋址處跨越條件復雜，地質條件較差，是線路設計的關鍵工程。經過比選，采用(35+168+136+35) m混凝土獨塔部分斜拉橋作為最終的橋式方案。此方案滿足跨越要求，結構合理，施工方便，景觀效果好，與周圍景觀較為協調。作為國內高速鐵路線路中跨度較大的獨塔斜拉橋，在設計和施工上都具有較大的難度。本橋方案的選取可為設計者在進行同類型橋梁設計時，提供可參考的經驗。