軌道交通特大橋鋪軌線形設(shè)計(jì)及其工程實(shí)踐

段桂平 劉加華

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心， 201103， 上海∥第一作者， 高級(jí)工程師)

軌道交通橋梁主體結(jié)構(gòu)施工完成后，受二期恒載(軌道、觸網(wǎng)及立柱、聲屏障、電纜溝槽、線纜及支架等)和車輛活載等影響會(huì)產(chǎn)生一定的變形，相應(yīng)地會(huì)帶動(dòng)固結(jié)其上的軌道結(jié)構(gòu)一起變形。對(duì)于一般簡(jiǎn)支梁或跨度較小的連續(xù)梁，上述變形較小，不足以引起大的軌道不平順，鋪軌時(shí)一般不予考慮；但對(duì)于變形較大的大跨度或其他特殊橋梁，軌道鋪軌時(shí)必須考慮其影響，否則將引起較大的軌道幾何不平順。本文詳述了上海軌道交通5號(hào)線南延伸項(xiàng)目閔浦二橋段鋪軌線形的設(shè)計(jì)思路、施工實(shí)施過(guò)程及后續(xù)監(jiān)測(cè)情況，供同類工程參考。

1 工程概況

1.1 橋梁

上海閔浦二橋位于黃浦江老閔行奉賢西渡區(qū)段，是連接老閔行和奉賢的地方客運(yùn)專用通道。主橋全長(zhǎng)436.65 m，上層為公路雙向4車道，下層為雙線軌道交通，設(shè)計(jì)活載為公路-I級(jí)荷載和兩車道軌道交通荷載。大橋雙層橋梁主體結(jié)構(gòu)同步施工完成，上層公路于2010年5月建成通車；下層預(yù)留軌道交通5號(hào)線南延伸，除橋梁主體結(jié)構(gòu)外其他均未實(shí)施。2014年6月，上海地鐵5號(hào)線南延伸工程開(kāi)工建設(shè)。

大橋主橋采用獨(dú)塔雙索面連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，主橋跨度布置為38.25 m+147 m+251.4 m(見(jiàn)圖1)。主梁除邊跨為N型桁架外，主跨及次邊跨均為三角桁架，上、下層橋面為正交異性鋼橋面，橋面寬23.04 m(見(jiàn)圖2)。

圖1 閔浦二橋總體布置圖

1.2 軌道

閔浦二橋下層5號(hào)線南延伸預(yù)留設(shè)計(jì)時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)按如下方案考慮：60 kg/m鋼軌，WJ-2扣件，無(wú)縫線路，支承塊承軌臺(tái)整體道床，主橋兩端大梁縫處設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)高度500 mm。

尺寸單位：mm

5號(hào)線南延伸實(shí)施時(shí)即施工圖階段，閔浦二橋主橋段軌道設(shè)計(jì)方案為：60 kg/m鋼軌，無(wú)縫線路，主橋兩端除大梁縫外采用鋼彈簧浮置板整體道床配套WJ-2A扣件，中部采用減振扣件配套支承塊承軌臺(tái)整體道床，大梁縫處采用梁端伸縮裝置和鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。

2 橋梁預(yù)拱度設(shè)置與實(shí)測(cè)梁面標(biāo)高

2.1 橋梁設(shè)計(jì)變形及預(yù)拱度

根據(jù)閔浦二橋橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算資料，大橋主跨(跨度251.4 m)在二期恒載(軌道結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)立柱、電纜槽、聲屏障等晚于橋梁施工的構(gòu)筑物)作用下最大豎向變形為123 mm，活載(運(yùn)行的車輛)作用下最大變形為104 mm(見(jiàn)表1)，橋梁結(jié)構(gòu)施工時(shí)主橋梁面設(shè)置了活載預(yù)拱度，即梁面標(biāo)高按照設(shè)計(jì)梁面標(biāo)高疊加活載預(yù)拱度進(jìn)行實(shí)施。

表1 橋梁局部地段變形數(shù)據(jù)表 單位：m

2.2 閔浦二橋梁面標(biāo)高測(cè)量情況

一般橋梁地段設(shè)計(jì)軌面線與設(shè)計(jì)梁面線應(yīng)為平行關(guān)系，兩者之間存在一個(gè)固定的高差即設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)高度，實(shí)測(cè)梁面線在設(shè)計(jì)梁面線上下小幅擺動(dòng)。對(duì)于設(shè)置預(yù)拱度的橋梁，設(shè)計(jì)軌面線疊加預(yù)拱度后與考慮預(yù)拱度后的設(shè)計(jì)梁面線平行，并應(yīng)基本與實(shí)測(cè)梁面線平行。

將實(shí)測(cè)閔浦二橋下層軌道交通梁面標(biāo)高與原設(shè)計(jì)軌面標(biāo)高、原設(shè)計(jì)理論梁面標(biāo)高和疊加預(yù)拱度值的理論梁面標(biāo)高數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)照，如圖3所示。閔浦二橋主橋?qū)崪y(cè)梁面線與前期設(shè)計(jì)標(biāo)高相差甚遠(yuǎn)：① 根據(jù)前期設(shè)計(jì)資料，主橋?qū)崪y(cè)梁面標(biāo)高應(yīng)在疊加預(yù)拱度的設(shè)計(jì)梁面標(biāo)高線附近擺動(dòng)，但實(shí)際卻偏離較大，其中最大偏差達(dá)到了247 mm。② 實(shí)測(cè)梁面至設(shè)計(jì)理論軌面的最小高度僅為149 mm，設(shè)計(jì)理論軌面疊加預(yù)拱度后軌面至梁面最小高度僅為252 mm，與設(shè)計(jì)軌道結(jié)構(gòu)高度500 mm偏離較大。

圖3 設(shè)計(jì)軌面線與實(shí)際梁面線關(guān)系圖

2.3 軌面線形設(shè)計(jì)的必要性及需求

一般情況下，軌道交通結(jié)構(gòu)工程施工完成后、軌道鋪設(shè)前會(huì)進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡工作[1]。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，對(duì)結(jié)構(gòu)施工偏差較大地段調(diào)整線路平面和縱斷面去適應(yīng)已實(shí)施完成的結(jié)構(gòu)，以滿足限界、軌道等相關(guān)專業(yè)要求。

從上文可知，閔浦二橋段工況復(fù)雜：① 施工完成的梁面實(shí)測(cè)標(biāo)高與原設(shè)計(jì)考慮活載預(yù)拱度的梁面標(biāo)高偏差較大，按現(xiàn)狀，軌道結(jié)構(gòu)高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離標(biāo)準(zhǔn)要求，軌面必須進(jìn)行調(diào)整；② 主橋恒載、活載作用下變形均較大，鋪軌時(shí)的軌面線形必須考慮其影響。此時(shí)線路縱斷面的調(diào)整不僅僅要滿足調(diào)線調(diào)坡的要求，還必須適應(yīng)橋梁變形的需求，可以稱之為特大橋梁軌道鋪軌線形設(shè)計(jì)。

常規(guī)連續(xù)梁鋪軌時(shí)軌面標(biāo)高一般按照設(shè)計(jì)軌面線疊加橋梁設(shè)置的預(yù)拱度考慮，橋梁變形時(shí)帶動(dòng)軌道結(jié)構(gòu)同步變形逐步將預(yù)拱度抵消[2]，但閔浦二橋主橋段不能如此簡(jiǎn)單操作。這主要是由于橋梁施工時(shí)設(shè)置的預(yù)拱度僅為活載預(yù)拱度，未考慮二期恒載下的變形，并且活載預(yù)拱度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)理論值偏離較大。

鋪軌線形的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下條件：① 初始狀態(tài)滿足平順性要求，即使橋梁未按設(shè)計(jì)理論發(fā)生二期恒載作用后的變形，但仍能確保軌面的平順性；② 軌道、觸網(wǎng)立柱、聲屏障等恒載作用下軌面隨橋梁變形實(shí)際發(fā)生后，軌道幾何狀態(tài)仍滿足平順性要求；③ 活載作用下的軌道幾何狀態(tài)滿足平順性要求；④ 最小軌道結(jié)構(gòu)高度滿足設(shè)計(jì)要求。

3 縱斷面鋪軌線形設(shè)計(jì)

3.1 原始線路縱斷面

原設(shè)計(jì)縱斷面基本以江中心為最高點(diǎn)向兩側(cè)設(shè)雙面人字坡，坡度3.1‰，坡長(zhǎng)均為244 m，豎曲線半徑為5 000 m。覆蓋閔浦二橋主橋部分，初始線路縱斷面設(shè)計(jì)未考慮橋梁變形趨勢(shì)，如圖4所示。

尺寸單位：mm

3.2 線形設(shè)計(jì)原則及思路

1) 為確保預(yù)留值盡可能接近實(shí)際變形值，與橋梁專業(yè)人員共同研究后決定，將恒載作用下的理論變形值折減10%作為線形設(shè)計(jì)時(shí)實(shí)際考慮的恒載變形值；活載變形設(shè)計(jì)理論值為1/2(公路-I級(jí)荷載+軌交荷載)豎向位移，將公路-I級(jí)荷載調(diào)整為1車道時(shí)的荷載，即將1/2(公路-I(1車道)+輕軌)豎向位移作為線形設(shè)計(jì)時(shí)考慮的活載變形值。

2) 按第1條原則，根據(jù)橋梁計(jì)算資料，主橋第一跨、第二跨(見(jiàn)圖1)二期恒載作用下的變形均小于10 mm，鋪軌線形設(shè)計(jì)時(shí)不予考慮。

3) 將變坡點(diǎn)設(shè)置在主跨橋梁最大變形處，調(diào)整后的線形盡量適應(yīng)現(xiàn)有橋面線形，確保初始狀態(tài)軌面和橋面發(fā)生最大變形時(shí)軌面均滿足平順性要求。

4) 為滿足較不利地段軌道結(jié)構(gòu)高度的要求，因部分軌道高度會(huì)較高，需請(qǐng)橋梁專業(yè)人員對(duì)縱坡調(diào)整后的最大軌道荷載進(jìn)行確認(rèn)。

3.3 設(shè)計(jì)方案

基于前述主要原則和思路，對(duì)主橋段縱斷面進(jìn)行重新調(diào)整設(shè)計(jì)，提出了兩個(gè)方案。兩個(gè)方案均將原設(shè)計(jì)3.1‰的兩個(gè)坡段調(diào)整為3個(gè)坡段，在主橋主跨中間增設(shè)新變坡點(diǎn)(見(jiàn)圖5)。具體如下：

方案一：新調(diào)整的3個(gè)坡的坡度和坡長(zhǎng)分別為：3.5‰和141.0 m、1.5‰和193.0 m、7.0‰和157.5 m，新的坡長(zhǎng)和坡度均滿足規(guī)范要求[3]。調(diào)整后，浮置板范圍最大軌道結(jié)構(gòu)高度為768 mm，最小軌道結(jié)構(gòu)高度為579 mm；承軌臺(tái)區(qū)域最大軌道結(jié)構(gòu)高度為662 mm，最小軌道結(jié)構(gòu)高度為472 mm。

方案二：新調(diào)整的3個(gè)坡的坡度和坡長(zhǎng)分別為：3.3‰和181.0 m、1.5‰和153.0 m、6.86‰和157.5 m，新的坡長(zhǎng)和坡度均滿足規(guī)范要求[3]。調(diào)整后，浮置板范圍最大軌道結(jié)構(gòu)高度為767 mm，最小軌道結(jié)構(gòu)高度為561 mm；承軌臺(tái)區(qū)域最大軌道結(jié)構(gòu)高度為692 mm，最小軌道結(jié)構(gòu)高度為520 mm。

圖5 線形設(shè)計(jì)方案

兩個(gè)縱斷面布置方案差別不大，其主要區(qū)別在于方案二中里程為K2+650的變坡點(diǎn)更靠近主塔。

3.4 方案校核

為確保方案的可靠性，在理論上對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行校核。將兩個(gè)方案的初始軌面線形、橋梁恒載作用變形后軌面線形、橋梁恒載活載共同作用后軌面線形進(jìn)行對(duì)照(見(jiàn)圖6和圖7)。圖中：曲線1為初始軌面標(biāo)高數(shù)據(jù)繪制，根據(jù)橋梁專業(yè)人員提供的不同里程處橋梁變形值，利用三次拋物線模擬橋梁變形曲線，得到任意位置處橋梁變形值；將初始軌面線數(shù)據(jù)減掉恒載作用下橋梁變形得到曲線2；初始軌面線數(shù)據(jù)減掉恒載和活載引起的總變形后的軌面線為曲線3。

圖6 方案一校核

圖7 方案二校核

從圖中可以看出，兩個(gè)方案的初始線形和變形后的線形均比較平緩，也即兩個(gè)方案在理論上均適用于本工況。

4 方案實(shí)施及后續(xù)跟蹤

4.1 方案實(shí)施

設(shè)計(jì)單位選擇前述兩鋪軌線形方案中的方案一，維持變坡點(diǎn)位置不變，微調(diào)縱坡坡度后形成最終調(diào)線調(diào)坡設(shè)計(jì)圖紙，供現(xiàn)場(chǎng)鋪軌使用。

為方便過(guò)程中軌面標(biāo)高測(cè)量和控制，施工前請(qǐng)測(cè)量單位在橋上布設(shè)控制點(diǎn)，并特別在主橋主塔位置加設(shè)控制點(diǎn)，以方便施工過(guò)程中的標(biāo)高控制和變形監(jiān)測(cè)[4]。

實(shí)際軌道施工時(shí)按由主橋兩端向中間的順序進(jìn)行施工。由于過(guò)程中軌道荷載逐漸增加，橋面變形也逐步發(fā)生，無(wú)法采用控制軌面絕對(duì)標(biāo)高的方法進(jìn)行鋪軌施工，所以采用相對(duì)標(biāo)高控制法進(jìn)行施工。即施工前，根據(jù)測(cè)量的梁面標(biāo)高和調(diào)坡后的軌面標(biāo)高計(jì)算控制點(diǎn)的實(shí)際軌道高度；施工過(guò)程中，按控制點(diǎn)位的軌道結(jié)構(gòu)高度為基準(zhǔn)進(jìn)行軌面標(biāo)高的控制，混凝土道床澆筑完成后進(jìn)行精調(diào)[5]。

4.2 后續(xù)跟蹤

4.2.1 施工過(guò)程中跟蹤

2017年12月底，現(xiàn)場(chǎng)反饋橋梁最大變形發(fā)生位置與設(shè)計(jì)位置出現(xiàn)偏移，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)原因?yàn)椋洪h浦二橋主跨長(zhǎng)254 m，其中主跨小里程側(cè)169 m為承軌臺(tái)整體道床，現(xiàn)場(chǎng)已架軌但未澆筑混凝土；接著為69 m浮置板，板已鋪，但未頂升；之后為抬枕和調(diào)節(jié)器地段，已架軌，道床未澆筑。由于靠近大里程側(cè)浮置板道床大部分荷載已就位，承軌臺(tái)整體道床地段僅架設(shè)了鋼軌和軌枕，而且浮置板道床的荷載較承軌臺(tái)道床重，故而出現(xiàn)最大變形點(diǎn)位置側(cè)偏移的現(xiàn)象。

根據(jù)橋上預(yù)留精測(cè)網(wǎng)控制點(diǎn)點(diǎn)位復(fù)測(cè)結(jié)果，控制點(diǎn)垂向變形均小于橋梁專業(yè)最初提供的橋梁變形值(見(jiàn)表2)。由于軌道荷載并未完全施加，認(rèn)為橋梁變形在可控范圍，要求后續(xù)施工仍按軌面與梁面高差即軌道結(jié)構(gòu)高度不變進(jìn)行控制。

4.2.2 施工完成后跟蹤

為跟蹤了解實(shí)際橋梁在二期恒載作用下的變形情況，2018年4月3日利用鋪軌前在主塔位置處預(yù)留的控制點(diǎn)，對(duì)軌道鋪設(shè)完成后的梁面標(biāo)高進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并與前期梁面標(biāo)高進(jìn)行對(duì)照，計(jì)算了橋梁變形量(見(jiàn)表3)。橋梁變形趨勢(shì)符合前期理論趨勢(shì)，最大變形量為78 mm，小于前期二期恒載作用下的最大理論變形值，符合預(yù)期，理論上可確保軌面平順。經(jīng)對(duì)實(shí)際軌面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量后，確認(rèn)幾何狀態(tài)良好。

表3 閔浦二橋軌面變形監(jiān)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)

上海軌道交通5號(hào)線南延伸于2018年12月30日通車試運(yùn)營(yíng)，至今閔浦二橋段軌道狀態(tài)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文詳述了上海軌道交通5號(hào)線南延伸閔浦二橋主橋段鋪軌線形設(shè)計(jì)、鋪軌工程實(shí)施方案和后續(xù)實(shí)施情況。通過(guò)本工程案例的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)采用特大跨度橋梁的軌道交通建設(shè)提出如下建議：① 軌道交通特大跨度橋梁，由于在二期恒載和活載作用下的變形較大，線路縱斷面應(yīng)考慮橋梁變形趨勢(shì)結(jié)合橋跨布置進(jìn)行設(shè)計(jì)。② 大跨度橋梁軌道鋪設(shè)前應(yīng)對(duì)梁面標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)實(shí)測(cè)梁面標(biāo)高、橋梁設(shè)計(jì)變形、橋面預(yù)拱度等參數(shù)進(jìn)行鋪軌線形設(shè)計(jì)，確保橋梁在二期恒載和活載作用下變形后軌面的平順性。③ 鋪軌施工過(guò)程中，軌面標(biāo)高應(yīng)按軌面與梁面的相對(duì)高程進(jìn)行控制，并應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中高程變化情況，發(fā)生異常及時(shí)協(xié)調(diào)處理解決。