山區單線客貨共線鐵路混凝土簡支梁選擇

劉遠長 桑 原

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055; 2.中鐵城建集團北京工程有限公司,北京 100024)

1 概述

目前,適用于客貨共線鐵路的常用跨度簡支梁有簡支T梁和簡支箱梁兩種形式。根據“鐵總建設[2019]78號關于發布客貨共線鐵路常用跨度簡支箱梁通用參考圖的通知”,初步設計未批復的客貨共線鐵路建設項目,應積極采用箱梁通用參考圖;經全壽命周期技術經濟比選后,當T梁較箱梁具有優勢時,也可選用現行T梁通用參考圖。如何進行梁型比選,確定適合的梁型直接影響工程的投資和施工組織,是設計工作的前提條件。

已有許多學者進行相關研究,班新林等以滬通鐵路為例,對比分析簡支T梁方案和簡支箱梁方案的工程概算,認為客貨共線鐵路使用簡支箱梁可節省工程建設投資并縮減工期[1];麻文娟結合黔張常鐵路的橋梁設計,探討客貨共線鐵路簡支梁梁型的選擇問題,并分析不同梁型的優缺點及其適用條件[2];曹政國等結合貴廣鐵路貴賀段設計的實際情況,對簡支箱梁的梁型及施工方法的比選進行闡述,并總結山區高速鐵路簡支箱梁施工方法及比選原則[3];楊鵬健對比簡支T梁和簡支箱梁的主要工程用量、工程造價、運維成本[4];侯建軍等給出客貨共線鐵路簡支箱梁優化設計的方向[5]。以往研究取得了一定的成果,但多針對時速200km客貨共線雙線鐵路[6-10],對于單線為主的山區鐵路缺乏對比分析。以下結合工程實例對山區單線鐵路進行的比較分析。

2 分析對象

2.1 簡支T梁

采用“通橋(2017)2101”時速160公里客貨共線鐵路預制后張法簡支T梁,設聲屏障段采用“通橋(2012)2109(設聲屏障)”時速160公里客貨共線鐵路預制后張法簡支T梁。單線無聲屏障T梁橋面布置見圖1,單線設聲屏障T梁橋面布置見圖2。

圖1 單線無聲屏障T梁橋面布置(單位:mm)

圖2 單線設聲屏障T梁橋面布置(單位:mm)

單線T梁由2片梁組成,雙線由4片梁組成。多片梁通過橋面板及橫隔板連接的措施構成整體,在隔板處施加橫向預應力。每片梁可單獨預制、架設。T梁體積小,不需要大噸位運架設備,且便于運梁通過隧道,梁體存放和施工組織都較為方便。

無聲屏障的T梁梁體架設完成后,需現場澆筑濕接縫,安裝人行道結構,張拉橫隔板的橫向預應力;有聲屏障的T梁人行道采用整體橋面形式,橋面板設置橫向預應力,需在梁體架設完成后需現場澆筑濕接縫,張拉橫隔板及橋面板的橫向預應力,后澆部分施工難度大,質量不易控制。

2.2 簡支箱梁

采用“通橋2019(2131)”時速160公里客貨共線鐵路預制有砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁,單線箱梁橋面布置見圖3[10]。

圖3 單線箱梁橋面布置(單位:mm)

箱梁整體性較好,整體橋面有利于保證防水效果,便于安裝欄桿、聲屏障、電纜槽等附屬構造,擋砟墻具備脫軌防護功能和取消橋面護軌的能力;箱梁可采取預制架設或現場澆筑的方法施工。由于箱梁的寬度大于單線隧道,預制箱梁通過隧道時需采取特殊措施[11-12]。

2.3 結構比較

一般情況下,無聲屏障時,T梁工程數量小于箱梁;設聲屏障時,單線T梁工程數量大于箱梁,雙線T梁與箱梁數量較為接近,工程數量對比見表1。

表1 梁部主要工程數量對比

3 建設成本對比分析

3.1 工程概況

某西南山區鐵路擴能改造工程位于四川省東南部。線路自既有成渝鐵路引出,改建后線路全長137.630km,其中新建線路長116.308km,設計速度為160km/h。

3.2 地形地貌

本線位于四川盆地南部低山丘陵區,沿線所經地貌單元主要為剝蝕丘陵地貌,局部為低中山區。剝蝕丘陵區海拔高程300～500m,相對高差20～150m,丘坡被開墾為耕地或林地,溝谷大多開辟為水田。低中山區海拔高程500～1000m,相對高差100～200m,山脈和溝谷縱橫,其延伸方向與構造線基本一致,北段多成北東-南西向,南段近東西向,自然坡度一般為10°～30°,局部形成陡崖,植被較發育。

3.3 工程地質

沿線地層從新生界至中生界均有分布。上部以第四系全新統松散覆蓋層為主,巖性為沖洪積砂卵礫石層,坡殘積層,坡洪積黏性土,崩坡積碎石土、塊石土,局部分布有人工填土,廣泛分布在沿線溝谷、河流漫灘、階地段及丘坡表層。其下以泥巖、砂質泥巖與砂巖互層為主。

3.4 橋隧分布

全線新建橋梁75座/28.123km,新建隧道20座/36.244km,新建橋隧總長64.367km,占新建線路的55.34%。個別段落橋梁集中,梁孔數較多;絕大多數區段橋隧間隔分布,隧道間橋梁少。兩隧道間橋梁孔數由多到少分別為256孔、135孔、94孔、62孔,其余均小于20孔。

3.5 下部結構

(1)橋墩

簡支T梁橋墩,墩高30m以下采用“通橋(2017)4103”時速160km、200km客貨共線鐵路單線圓端型實體橋墩;其余采用設計圖紙。

根據本線可行性研究估算造價,橋墩混凝土造價為799.87元/m3;橋墩鋼筋造價為5477.78元/t。單線橋墩工程數量及造價對比見表2,雙線橋墩工程數量及造價對比見表3。

表2 單線橋墩工程數量及造價對比

表3 雙線橋墩工程數量及造價對比

(2)基礎

選取直線地段橋墩進行試算,以樁底承載力用足為原則。直徑1m的樁主力情況下,單樁軸向力控制值按4500kN控制,直徑1.25m的樁按7000kN控制,“主+附”情況下乘1.2。簡支梁墩頂縱向水平線剛度限值:單線220kN/cm,雙線350kN/cm。單樁軸向力富余而墩頂縱向水平線剛度不足時,優先采用加大樁間距的方法增加縱向剛度[13-15]。

根據本線可行性研究報告,直徑1m的樁造價為2383.8元/m,直徑1.25m的樁造價為3394.5元/m,承臺單價1100.5元/m3。單線樁基礎工程數量及造價對比見表4,雙線樁基礎工程數量及造價對比見表5,價差中包含了因樁間距不同導致的承臺混凝土數量的差異。

表4 單線樁基礎工程數量及造價對比

表5 雙線樁基礎工程數量及造價對比

3.6 接觸網設置

(1)簡支T梁

接觸網支柱設置在橋墩上,支柱采用大限界框架安裝腕臂系統,接觸網支柱采用熱浸鍍鋅格構式直腿橋鋼柱。

(2)簡支箱梁

接觸網支柱設置在橋面上,支柱采用預留孔方式安裝腕臂系統。接觸網支柱采用H形鋼柱。

3.7 梁場設置

若采用簡支T梁,全線共需設置1處梁場;若采用簡支箱梁,需根據隧道間的梁孔數確定梁場設置。全線共有776孔梁,兩隧道間梁孔數大于300孔的1處,大于100孔的3處,大于60孔的4處。

單線隧道二襯施工完成后,洞內最寬處為6.67 m,單線箱梁梁寬7.1m,隧道無法滿足箱梁正常通過(見圖4)。為滿足施工,可采用預制與現澆結合及現澆翼緣板箱梁兩種方式。

圖4 單線箱梁過隧道示意(單位:mm)

(1)預制與現澆結合

在兩隧道間梁孔數較多的區域,設置箱梁預制場,其余采用現澆施工。

①大于60孔的區段設置梁場,全線共設4處梁預制場。造價對比見表6。

表6 設4處梁場方案造價對比

②大于100孔的區段設置梁場,全線共設3處梁預制場,造價對比見表7。

表7 設3處梁場方案造價對比

③大于300孔的區段設置梁場,全線共設1處梁預制場。造價對比見表8。

表8 設1處梁場方案造價對比

(2)現澆翼緣板箱梁

對箱梁進行特殊處理,以滿足過隧條件。在翼緣板預制時每側縮短1.3m,并預埋連接鋼筋,調整后梁寬為4.5m。

箱梁通過隧道后,現澆懸臂板,擋砟墻、電纜槽豎墻、接觸網基礎等預埋鋼筋均需同步施工。現澆翼緣板工程數量見表9。

表9 現澆翼緣板工程數量

箱梁通過隧道后再進行后澆段施工,會嚴重影響梁體的架設進度,而且后澆懸臂板需現場張拉橫向預應力,風險大,質量不易控制,費用也增加較多,造價對比見表10。

圖5 現澆翼緣板箱梁過隧道示意(單位:mm)

表10 現澆翼緣板箱梁造價對比

根據上述情況,現澆翼緣板箱梁后續現場施工步驟多,難度大,進度慢;而設置1處梁場供梁范圍過大,架設進度緩慢;設置4處梁場造價偏高。故設置3處梁場較為合理。

3.8 造價分析

全線平均墩高為18.7m。橋墩造價按平均墩高計算。橋梁造價見表11。

表11 全線橋梁造價對比

3.9 工期比較

若采用T梁方案,鋪軌和架梁采用鋪架一體軌道式架橋機,邊鋪邊架施工,鋪架工期為10個月,即在隧道完成后3.5個月內完成;若采用箱梁方案,架梁和鋪軌分開實施,箱梁架設在隧道二襯施工完成后即可進行,工期易于保證。

3.10 梁型選擇結論

(1)本線為既有線改造工程,采用T梁可與既有線梁型保持一致。另外,本線走行于丘陵低山區,對景觀要求不高,而且梁場選址較為困難,采用T梁可減少臨時用地。

(2)線路位于山區,跨越河流較多,墩高差別較大,箱梁不易采用支架現澆法施工。而采用移動模架法施工需要多次裝拆架橋機,施工成本增加較多;且由于山路難行,施工便道條件較差,架橋機轉運也相對困難。

綜合以上分析,本線推薦采用簡支T梁作為一般跨度標準梁型。

4 運營維護成本對比分析

目前,國內尚無鐵路線達到100年運營周期,沒有實際的數據可供參考。根據北京、上海鐵路局工務部門提供的數據,1孔雙線32m角鋼支架簡支T梁橋100年壽命周期內的養護維修費用為71.4萬元(北京局)、78.4萬元(上海局)。根據現階段高速鐵路整孔箱梁維護情況,1孔雙線32m簡支箱梁橋100年壽命周期內的養護維修費用為19.6萬元。

T梁養護維修工作主要是鋼橫梁人行道的除銹涂裝、護輪軌養護更換和支座的養護更換。相較于雙線T梁,單線T梁支座個數減半,護輪軌數量減半,鋼橫梁人行道數量不變,所以單線T梁養護維修費用要低于雙線T梁。而對于箱梁來說,單雙線梁養護維修內容差別不大。

5 結論

(1)設聲屏障的T梁造價高,施工復雜,質量難以控制,設聲屏障區段較多的鐵路宜選用箱梁。

(2)山區的單線鐵路,橋梁不集中,且箱梁過隧困難,聲屏障設置段落少,景觀要求低。如果設置較多梁場,梁場規模小,成本高。如果采用較多的現澆梁,則模板設備裝拆倒運難度大,工期和質量不易保證;如果采用現澆翼緣板箱梁,雖然能夠運梁過隧,但現場施工復雜,質量難以保證。而T梁由于體積小,運輸架設方便,具有一定優勢。

(3)當兩隧道間小于1km時,若需采用無砟軌道,則宜采用整體橋面的箱梁。

(4)山區鐵路應綜合考慮地理環境,施工方法、工期、經濟指標等因素進行梁型比選,以確定合適的梁型。