梅龍鐵路橋梁勘察設(shè)計綜述及創(chuàng)新技術(shù)

謝秉敏,王德華,張崇斌

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司橋梁工程設(shè)計研究院,北京 100055)

1 概述

新建梅州至龍川鐵路項目(以下簡稱“梅龍高鐵”)位于廣東省東部，線路自梅汕高鐵梅州西站引出，沿途經(jīng)梅州市梅縣區(qū)、興寧市、五華縣和河源市龍川縣，終至贛深高鐵龍川西站，大致呈東西走向，新建正線全長93.986 km(以左線計)。右線繞行段落長3.519 km；上、下行聯(lián)絡(luò)線長度分別為4.946、4.432 km，共計8.465 km。

本項目東與既有梅汕高鐵互通，西與在建贛深高鐵相聯(lián)，是廣河梅通道的組成部分；是粵東地區(qū)對接華中、華北地區(qū)的高速客運通道的組成部分；本項目也是龍巖經(jīng)梅州至龍川鐵路項目的一部分，是長三角經(jīng)海西經(jīng)濟區(qū)聯(lián)系珠三角地區(qū)重要的輔助通道。

1.1 自然條件

1.1.1 主要河流水系

本線沿線主要跨越寧江、五華河、鶴市河、東江、義都河等。寧江是韓江的一級支流，是流域面積最大的梅江支流。東江是珠江流域的三大河流之一，是龍川、河源、惠州等地通往珠江三角洲地區(qū)的水上通道，本線跨越東江處為規(guī)劃內(nèi)河Ⅲ級航道。

1.1.2 地形地貌

梅龍高鐵走行于粵東北地區(qū)，以低山丘陵、河流沖積平原為主，中新生代斷陷盆地鑲嵌其間，整體地形起伏較大。低山丘陵地面高程80～600 m，山丘植被茂密，其間溝谷河流發(fā)育，村莊城鎮(zhèn)密集。

1.1.3 工程地質(zhì)

沿線覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層；下伏基巖主要為古近系(E)、白堊系(K)、石炭系(C)、泥盆系沉積巖，下古生界(Pz1)變質(zhì)巖及燕山期(γ5)侵入巖地層。沿線橋涵工程不良地質(zhì)主要為巖溶、溜塌、順層、人為坑洞、放射性。沿線特殊巖土主要為人工棄土、軟土。

1.1.4 地震動參數(shù)

Ⅱ類場地條件下，沿線橋涵工程基本地震動峰值加速度為0.05g～0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35～0.42 s。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：高速鐵路。(2)正線數(shù)目：雙線。(3)設(shè)計行車速度：350 km/h。(4)正線線間距：5.0 m。(5)最小曲線半徑：一般7 000 m，困難5 500 m。(6)最大坡度：20‰，困難25‰。(7)軌道類型：雙塊式無砟軌道。

2 橋梁工程概況

梅龍高鐵新建橋梁長35.202 km(以左線計)，橋梁占比37.45%。

沿線橋涵分布概況如表1所示。

表1 梅龍高鐵全線橋涵分布

3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

本線大中橋基礎(chǔ)一般按鉆孔樁基礎(chǔ)設(shè)計，鉆孔樁樁徑一般采用1.0、1.25、1.5 m及2.0 m。

3.1 不良地質(zhì)、特殊巖土基礎(chǔ)設(shè)計

本線不良地質(zhì)、特殊巖土主要有巖溶、采空區(qū)、城鎮(zhèn)建設(shè)堆積的深厚素填土等。

3.1.1 巖溶、采空地區(qū)橋梁選線和基礎(chǔ)設(shè)計

(1)巖溶(斷層接觸帶)

本線巖溶發(fā)育段落主要位于既有梅州西出站端至何公塘隧道入口之間，共計約2.540 km。該區(qū)域內(nèi)發(fā)育覆蓋型巖溶，其主要巖性為石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2-3ht)灰?guī)r，巖溶弱-中等發(fā)育，表現(xiàn)類型主要為溶(土)洞。

其中尤以梅州西站出站端的葉屋特大橋最為典型。

工點橋范圍內(nèi)灰?guī)r地段鉆孔數(shù)205個，揭露溶洞的鉆孔152個，見洞率74.0%，平均線巖溶率23.0%，溶洞發(fā)育規(guī)模及大小不等。已揭露巖溶最大埋深約62 m、未揭穿。溶洞充填形式主要為全充填、半充填及無充填3種，充填物為黏性土、碎石、雜砂及灰?guī)r碎塊，呈串珠狀等發(fā)育形式，局部頂板已全部溶蝕，充填黏性土夾砂類土及碎塊。

葉屋特大橋41號墩附近為灰?guī)r和石英砂巖兩巖層斷層接觸帶。41號墩小里程側(cè)為灰?guī)r段落，巖溶呈強烈發(fā)育，形成較大充填和半充填串珠狀溶洞。41號墩大里程為石英砂巖段落，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為35°∠40°。41號墩受斷層影響，兩側(cè)基巖產(chǎn)生滑動和位移影響，巖體較破碎，地下水易富集。

結(jié)合地質(zhì)鉆探資料，為保證鐵路運營安全[1]，在該斷層、巖溶發(fā)育段落，采用1-(56+90+56) m連續(xù)梁跨越，避免墩柱、基礎(chǔ)支立于斷層、串珠式溶洞段落。葉屋特大橋跨越巖溶、斷層布置見圖1、圖2。

圖1 連續(xù)梁跨越巖溶、斷層平面布置(單位：m)

圖2 連續(xù)梁跨越巖溶、斷層立面 (單位：cm)

巖溶地區(qū)的橋梁基礎(chǔ)可采用鉆孔灌注樁或預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)[2]。預(yù)應(yīng)力管樁無泥漿排放、高效環(huán)保，符合國家綠色建筑的橋梁裝配化發(fā)展戰(zhàn)略方向。但本項目基巖埋深較淺、覆蓋層較薄、有孤石、表層軟土層較厚等情況，易導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力管樁樁身傾斜、樁體折斷、樁端或樁頭破損等問題。經(jīng)綜合比選，本項目均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

鉆孔樁樁底均要求支撐于巖層，樁底嵌入新鮮巖面的深度應(yīng)按計算確定，且不應(yīng)小于0.5 m。

一般樁底處持力層應(yīng)完整、穩(wěn)定；同時結(jié)合相關(guān)文獻、規(guī)范，規(guī)定持力層底板厚度不應(yīng)小于6 m要求[3]。

當(dāng)位于串珠狀溶洞區(qū)域內(nèi)時，樁間溶洞頂、底厚度若大于1 m，該厚度可計入累計嵌巖深度，但應(yīng)滿足累計嵌巖深度不小于6 m。

樁身穿越未填充或填充不飽滿溶洞，且樁底未揭示有下伏溶洞者，可采取拋填片石、黏土處理并輔以鋼護筒等措施。

(2)采空區(qū)

本線石排特大橋橋址范圍分布人工開挖形成的廢棄礦坑，線位跨越老石灰?guī)r采空區(qū)，見圖3、圖4。

圖3 穿越采空區(qū)段落橋址平面(單位：m)

圖4 穿越采空區(qū)段落部分立面(單位：m)

通過鉆探結(jié)合物探探測手段，于10號墩～12號墩之間揭露暗挖礦洞1和巷道，巷道高度為2.5 m，開挖深度10.75～22.30 m。礦洞2位于12號墩～13號墩，鉆探揭露最大開采深度達29.8 m，上覆回填碎石與棄砟。15號墩揭露采空區(qū)為礦洞3，為雙層礦洞，上、下層礦洞開挖深度分別為4.5、8.2 m。

根據(jù)地質(zhì)詳勘資料，該采空區(qū)規(guī)模較小且較穩(wěn)定，設(shè)計應(yīng)充分考慮采空區(qū)對施工期間地表塌陷、沉降的影響，對采空區(qū)預(yù)處理處后，再行實施橋梁基礎(chǔ)，樁底穿透采空區(qū)并嵌入新鮮、穩(wěn)定弱風(fēng)化基巖，最大樁長60 m。[4-6]。

礦洞1的采礦通道與地表貫通，可參照巖溶地區(qū)樁基施工處理，即：施工前先向礦洞內(nèi)拋填片石、黏土填充密實，防止地表塌陷。樁基施工過程中，繼續(xù)拋填片石、黏土，并輔以鋼護筒等措施，保證成樁質(zhì)量。

3.1.2 山谷地形深厚素填土

受線站位影響，本線東江特大橋西岸跨越一處深厚棄砟場。棄砟場占地面積約13 hm2，堆砟方量約為240萬m3，最大堆砟高度為51 m，棄砟場堆積連續(xù)時間超過10年，最近堆土?xí)r間3～4年，棄砟場級別判定為1級，見圖5、圖6。

圖5 棄砟場全景

圖6 線位穿越棄砟場平面(單位：m)

根據(jù)該工點處地質(zhì)勘察與評估報告，棄砟場邊坡局部穩(wěn)定性在天然和暴雨工況下不滿足要求。

(1)橋梁方案(圖7，圖8)

圖7 局部橋跨布置(單位：m)

圖8 典型墩臺橫斷面(單位：m)

棄砟場內(nèi)以8孔32 m簡支梁橋形式通過，刷坡減載后橋下棄砟厚度最大處達28 m。

由于素填土具有壓密性、不均勻性、沉陷性、高壓縮性和低強度性等特點，對工程的影響主要表現(xiàn)為欠固結(jié)素填土對樁基的負摩阻力作用，以及不均勻場地土體蠕動導(dǎo)致的水平力作用[7-8]。

橋梁基礎(chǔ)設(shè)計中充分考慮以下因素的綜合影響：墩臺水平剛度限值要求和工后沉降限值要求，素填土沉降固結(jié)產(chǎn)生的負摩擦力影響，克服素填土固結(jié)過程中不均勻沉降以及附加水平蠕變等不利影響。在此基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)設(shè)計采取了如下措施：采用6～8根大直徑群樁基礎(chǔ)(棄砟范圍內(nèi)基礎(chǔ)樁徑為1.8 m，棄砟體以下樁徑為1.5 m)、樁基外套永久鋼護筒、涂抹瀝青，以增強抗剪能力、抵消負摩阻力；適當(dāng)增加樁間距以增大基礎(chǔ)剛度；考慮樁側(cè)土壓力、自由樁長等因素，驗算基礎(chǔ)穩(wěn)定性與沉降，以確保安全。

(2)路基方案(圖9，圖10)

圖9 局部路基樁板結(jié)構(gòu)(單位：m)

圖10 典型路基橫斷面(單位：m)

基底采用樁板結(jié)構(gòu)加固，樁基采用C35鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m，縱向間距7 m、橫向間距4.4 m，方形布置，樁長17.0～49 m。承載板采用C40鋼筋混凝土、板厚1.2 m，縱向長20 m、橫向13.0 m，共計9塊。

經(jīng)橋、路方案綜合比較，考慮鐵路安全和避免路基后期沉降影響線路正常使用等因素，推薦以橋梁形式通過。

邊坡刷坡坡率1∶1.5～1∶3.0，采用C25混凝土拱型截水骨架防護，骨架內(nèi)客土植草種灌木防護。刷坡段落設(shè)置完善的排水系統(tǒng)，避免雨水沖刷，引起邊坡滑塌。

由于此類山地型深厚素填土地層分布不均，填土厚度隨地形變化，其沉降控制、水平變形及負摩阻值難以準(zhǔn)確預(yù)估，以往也沒有類似的、可較好參照的經(jīng)驗。為確保主體結(jié)構(gòu)安全可靠，現(xiàn)場仍應(yīng)進行樁基試驗、邊坡監(jiān)測等工作，以驗證設(shè)計參數(shù)、指導(dǎo)施工，并為后續(xù)無砟軌道鋪設(shè)、運營等各階段提供指導(dǎo)性意見。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計

本線作為速度350 km/h的高速鐵路，剛度要求高。沿線地質(zhì)條件較為復(fù)雜，基巖埋深較淺，地形高差大，墩臺處縱、橫向坡度較陡。為匹配基礎(chǔ)與墩身、梁部剛度，增強縱、橫向水平抗力，基礎(chǔ)布置一般選用較大直徑樁基礎(chǔ)、行列式布置[9]。特別是單線、高墩承臺，在滿足鐵路規(guī)范“剛性角”條件下，基礎(chǔ)尺寸較大。

本線承臺均按照“撐桿-系桿體系”理論進行驗算，確定承臺厚度及鋼筋配置。由于HRB400鋼筋應(yīng)力偏大，為節(jié)省工程投資，承臺主筋采用HRB500高強鋼筋。

3.3 墩臺設(shè)計

本線所經(jīng)區(qū)域以低山丘陵、河流沖積平原為主，地形復(fù)雜、高差大，墩高3～55 m不等。

墩臺設(shè)計中，結(jié)合線路條件、地質(zhì)情況、墩頂構(gòu)造要求、墩身受力等因素，統(tǒng)一墩身坡比、盡量減少墩身外坡比的分檔，以節(jié)省墩身模板、簡化施工：雙線墩高3～50 m，采用直坡、45∶1、25∶1、35∶1，共計4種坡比；單線墩高3～55 m，采用直坡、45∶1、40∶1、25∶1、35∶1，共計5種坡比。

當(dāng)橋墩高度超過30 m時，從受力及經(jīng)濟造價出發(fā)，宜采用空心墩[10]。

根據(jù)計算，結(jié)合墩型統(tǒng)一、節(jié)省模板等因素考慮，當(dāng)橋梁工點墩高不超過一定高度(雙線33 m、單線32 m)且段落內(nèi)橋墩均為實體墩時，30 m以上橋墩亦可采用實體墩。

3.4 連續(xù)梁橋墩剛度控制

橋墩縱向水平線剛度是橋梁和無縫線路設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，橋上無縫線路鋼軌與墩臺縱向力的分配以及梁、軌位移的大小很大程度上取決于橋墩縱向水平線剛度。

規(guī)范對一般簡支梁墩臺最小縱向剛度均做出了明確要求。本線結(jié)合相關(guān)文獻[11-12]，提出一般跨度無砟軌道連續(xù)梁固定墩墩頂最小縱向水平線剛度數(shù)值(表2)。

表2 雙線連續(xù)梁橋墩墩頂最小縱向水平線剛度

3.5 下部結(jié)構(gòu)主要指標(biāo)

本線橋梁工程下部結(jié)構(gòu)主要統(tǒng)計數(shù)據(jù)詳見表3、表4。

表3 樁基礎(chǔ)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表4 下部結(jié)構(gòu)主要數(shù)量統(tǒng)計指標(biāo)

本線雙線段落位于粵東梅州—龍川(不含龍川縣城)的低山丘嶺地區(qū)，高差大，弱風(fēng)化花崗巖、砂巖等基巖埋深較淺，正線以1.25 m柱樁為主；單線橋梁工點均位于龍川縣城鎮(zhèn)中心區(qū)域，持力層為弱風(fēng)化礫巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理較發(fā)育，巖質(zhì)極軟，以摩擦樁為主，1 m、1.25 m樁基占比基本相當(dāng)。

由于多層立交關(guān)系，單線段落平均墩高較高，存在較多空心墩，故單線墩臺延米混凝土、鋼筋數(shù)量較大。

4 特殊結(jié)構(gòu)橋梁

梅龍高鐵沿線跨越河流、既有鐵路、在建鐵路、高速公路、國省道及市政道路等，受通航及立交凈空、防洪、城鎮(zhèn)規(guī)劃等條件制約，全線共設(shè)特殊結(jié)構(gòu)橋梁29座。東江特大橋跨越東江規(guī)劃內(nèi)河Ⅲ級航道，采用1-(95+160+95) m連續(xù)剛構(gòu)主跨一跨跨越，為本線最大跨度工點。

4.1 東江特大橋

東江特大橋位于河源市龍川縣東北側(cè)東江干流上，距下游廣梅汕鐵路東江橋150 m，位于雙線、直曲線(R=2 000 m)段落，正線線間距為4.426～4.400 m。橋址處橋軸線法線方向與水流流向交角約15°，東江河段為規(guī)劃內(nèi)河Ⅲ級航道，代表船型為1 000 t級貨船、多用途集裝箱船、自卸砂船。

主橋按單孔雙向通航、與下游廣梅汕鐵路東江特大橋?qū)撞贾茫罡咄ê剿?2.60 m，最低通航水位65.98 m。百年洪峰流量8 330 m3/s，百年水位74.716 m。

主橋立面布置見圖11。

圖11 東江特大橋主橋立面(單位：cm)

梁體為單箱單室、變高度、變截面箱梁，采用C60混凝土、三向預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計。

主橋中支點處截面最低點梁高10.5 m，跨中7 m及邊跨19.3 m直線段截面最低點梁高5.50 m，梁底下緣按二次拋物線變化。邊支座中心線至梁端0.8 m，梁縫中心線至梁端0.15 m。邊支座橫橋向中心距6.4 m。

邊墩采用實體橋墩，墩高29、25 m。

主墩位于東江主河中，中墩高37.87、41.85 m。為滿足防洪要求，墩身采用兩段式雙肢剛壁墩[13]：下墩身順?biāo)鞣较蚺まD(zhuǎn)約10°、墩寬5.0 m，上墩身保持與線路垂直、單肢寬2.2 m。

5 本項目技術(shù)創(chuàng)新

(1)完善了橋梁工程跨越巖溶發(fā)育段落、采空區(qū)的勘察設(shè)計內(nèi)容，有效規(guī)避了鐵路建設(shè)、運營風(fēng)險。

(2)提出了以橋代路穿越山谷大型深厚棄砟場的設(shè)計原則及具體措施。

(3)總結(jié)了本線橋梁墩臺基礎(chǔ)設(shè)計相關(guān)參數(shù)、指標(biāo)及一般跨度無砟軌道連續(xù)梁固定墩墩頂最小縱向水平線剛度數(shù)值，可為后續(xù)高速鐵路設(shè)計提供經(jīng)驗、借鑒。

6 結(jié)語

本文基于梅龍鐵路施工圖勘察及設(shè)計成果，重點研究了如下問題。

(1)巖溶、斷層、采空區(qū)、深厚棄砟場等不良地質(zhì)、特殊巖土段落的橋梁工程勘察設(shè)計。

如以葉屋特大橋為代表的巖溶、斷層發(fā)育段落，不僅應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘探成果逐樁設(shè)計，還應(yīng)結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造情況，重視并深入研究灰?guī)r與其他不可溶巖層接觸帶附近的橋梁工程橋式、橋跨方案，避免橋墩、基礎(chǔ)落于不穩(wěn)定的持力層上，引起后續(xù)調(diào)跨，甚至影響后續(xù)運營安全。

以石排特大橋跨越采空區(qū)為例。在研究線路無條件繞避的前提下，綜合多種勘察手段，詳細研究并判明了采空區(qū)的空間形態(tài)、穩(wěn)定性等情況后，采用32 m簡支梁跨越，基礎(chǔ)施工時采取先拋填片石、黏土、跟進鋼護筒等措施，現(xiàn)場實施時總體風(fēng)險可控。

如東江特大橋以8孔32 m簡支梁穿越深厚棄砟場，橋下棄砟最大可達50 m，刷坡減載后橋下棄砟厚度最大處仍達28 m。根據(jù)設(shè)計提出變樁徑、外套鋼護筒、涂刷瀝青以減少負摩阻效應(yīng)等措施，目前現(xiàn)場已相應(yīng)開展試樁作業(yè)。后續(xù)結(jié)合相關(guān)試驗、監(jiān)測，驗證并完善設(shè)計，并可為施工作業(yè)及無砟軌道鋪設(shè)、運營等各階段提供指導(dǎo)性意見，為后續(xù)高速鐵路穿越山谷大型深厚棄砟場的建設(shè)提供實踐經(jīng)驗。

(2)下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文總結(jié)了梅龍鐵路橋梁工程下部結(jié)構(gòu)相關(guān)指標(biāo)，提出了一般跨度連續(xù)梁墩頂最小縱向水平剛度的建議數(shù)值，可作為后續(xù)鐵路建設(shè)的有益參考。