轉體法上跨高速鐵路大跨度跨座式單軌組合橋總體設計

趙 博 張崇斌 焦亞萌

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國城市化進程的加速推進,節能、環保、低碳成為經濟發展主題[1]。跨座式單軌交通系統采用“梁軌合一”結構[2],具有環保性能優異、景觀效果好、地形地貌適應能力強、建設周期短、投資低等優點[3],特別適合中小城市和特大城市衛星城的軌道交通建設[4]。目前,國內已有多個城市正在建設或準備建設跨座式單軌交通項目[5],受地形和線路條件限制,跨座式單軌線路難以避免與既有營運鐵路線交叉,屬于高風險節點[6-7]。因此,選擇合理的設計、施工方案及做好有效防護十分關鍵[8]。

1.1 工程概況

蕪湖市軌道交通2 號線一期工程線路全長15.856 km,共設車站11 座。線路自東向西依次穿越寧安客專上下行線、寧蕪鐵路上下行線及牽出線、合杭高鐵上下行線等7 條股道,交叉角度約為90°,為全線控制性工程,交叉點位置關系見圖1。

圖1 交叉點位置關系示意

1.2 建設條件

穿越點地處市政道路和鐵路夾心地帶,周邊存在既有普速和高速鐵路橋梁、在建高速鐵路橋梁、蕪湖站客車整備所房屋、市政泵站、小區高層住宅等多個構建筑物,建設環境復雜(見圖2)。

圖2 交叉點建設條件

1.3 主要技術標準

(1)系統制式:跨座式單軌,CMRⅡ型車。

(2)線路標準:雙線,標準線間距4.6 m,設計最高速度80 km/h,線路縱坡5‰、直線。

(3)設計荷載:CMRⅡ型荷載,活載軸重為140 kN(超員)、123 kN(定員),車輛活載圖示見圖3。

圖3 CMRⅡ車型活載圖式(單位:mm)

(4)地震效應:地震動峰值加速度值0.075g,地震動反應譜特征周期0.40 s。

(5)主體結構設計使用年限:100 年。

1.4 工程地質和水文地質

交叉點處地層主要為第四系全新統填筑土、雜填土、粉質黏土;第四系上更新統粉質黏土;白堊系上統泥質砂巖,侏羅系上統凝灰巖。

地下水埋深1.1～3.2 m,主要為填土、粉質黏土中的上層滯水、第四系孔隙水及基巖裂隙水。

2 總體設計方案比選

2.1 地面下穿鐵路(方案一)

采用1-10.0 m 框架橋下穿寧蕪鐵路,頂進長度33.5 m,對既有線路采用縱橫梁扣軌加固后頂進施工。頂進完成后,在框架橋西側現澆19 m 框架結構作為擬建合杭高鐵實施條件,再往東側延伸,以U 形槽下穿寧安客專后過渡至區間高架段,方案一平面和立面見圖4、圖5。下穿寧安客專處U 形槽結構外邊緣距既有(32+48+32) m 連續梁中墩承臺邊緣為1.7 m,采用“鉆孔灌注樁+旋噴樁+內支撐”方案進行防護,橫斷面布置見圖6。

圖4 方案一平面(單位:m)

圖5 方案一立面(高程單位:m;其余:cm)

圖6 方案一下穿寧安客專橫斷面(高程單位:m;其余:cm)

2.2 橋梁跨越鐵路(方案二)

交叉點在多條鐵路和市政道路的夾心地帶,施工空間狹小,橋梁跨越方案中,對比頂推施工、懸澆施工、轉體施工等多個方案,從施工周期、對鐵路干擾、要點次數、經濟性等方面進行比選[9],結合鐵路運營管理部門相關規定,采用轉體施工方案[10-11]。

采用(2×40) m T 構跨越寧安客專,轉體長度為2×37.5 m,轉體橋墩設置在寧安客專東側,逆時針旋轉92°,邊墩設置在寧安客專西側,樁基礎距離寧安客專(32+48+32) m 連續梁主墩樁基礎8.4 m;采用(34+60+34) m 連續梁跨越寧蕪鐵路和合杭高鐵,西側轉體橋墩設置于合杭高鐵西側,承臺距離鐵路剛構橋邊緣6 m,轉體長度為2×26 m,東側轉體橋墩設置于寧蕪鐵路東側,承臺距離鐵路框架橋邊緣4 m,轉體長度為2×32 m,均為逆時針旋轉92°。轉體前,平行于鐵路懸臂澆筑達轉體長度,于鐵路維修天窗時段墩頂轉體就位,合計3 個轉體墩,方案二橋跨布置平面、立面見圖7、圖8。

圖7 方案二橋跨布置平面(單位:m)

圖8 方案二橋跨布置立面(單位:m)

2.3 橋梁跨越鐵路(方案三)

采用(2×70)m T 構跨越3 條鐵路,整幅轉體長度2×69.9 m,順時針旋轉83°,不設置合龍段和邊跨現澆段,轉體橋墩設置在寧蕪鐵路東側,承臺距離鐵路框架橋邊緣8.3 m,東側橋墩設置在寧安客專東側,樁基礎距離(32+48+32) m 連續梁主墩樁基礎24.7 m,西側橋墩設置在合杭高鐵西側,承臺邊緣距離鐵路剛構橋邊緣9.8 m。轉體前平行于鐵路懸臂澆筑達轉體長度,于鐵路維修天窗時段墩頂轉體后在邊墩起頂就位,設1 個轉體墩,方案三橋跨布置平面、立面見圖9、圖10。

圖9 方案三橋跨布置平面(單位:m)

圖10 方案三橋跨布置立面(單位:m)

2.4 方案比選

如采用地面方案,需下穿既有鐵路框架橋,U 形槽結構距離寧安客專承臺距離較近,工程風險較大;同時需對既有市政道路進行拓寬,增加拆遷較多,結合兩側線路坡度還需增加較長的U 形槽段落,工程經濟性差。故予以舍棄。

對于橋梁上跨方案,考慮該處橋墩較高,若采用墩底轉體,則轉體重量較大,轉體系統所需基坑尺寸較大,直到轉體完成前此基坑無法回填,施工風險較大[12-13]。從減少結構尺寸、降低轉體重量、降低施工難度和風險的角度考慮,宜選擇墩頂轉體方案[14]。

方案二中,單個橋墩體量較小,下部結構施工時對鐵路影響相對較小,但是3 個轉體墩同時轉體,施工風險相對較高,且在鐵路上方有合龍段施工,不可控因素較多。在方案二基礎上,方案三將3 個轉體墩合并,雖然下部結構施工周期較長,但降低了施工難度,風險可控。同時取消邊墩現澆段和合龍段,可減少鄰近既有鐵路的施工周期。采取在邊墩處起頂就位的措施,抵消了梁體懸臂施工的下撓效應。由于橋墩個數減少,方案二和方案三綜合造價相當。

經綜合考慮,最終確定方案三為實施方案,即采用(2×70) m T 構一次轉體跨越3 條鐵路,不設置合龍段和邊跨現澆段。

3 轉體T 構單軌組合橋設計

3.1 橋面布置設計

為降低結構高度,將鋼軌道梁和T 構混凝土主梁采用承軌臺連接,形成組合橋,混凝土主梁承受主要恒載,鋼軌道梁和混凝土主梁共同承受車輛荷載。

上跨鐵路處兩側設置鋼筋混凝土板式護欄,寬0.25 m,高1.2 m,護欄上設置高1.3 m 的防拋網。結合本線建筑限界,最終確定橋面寬度為9.6 m,為方便橋面排水,由橋面中間往兩側橫向設置2%的排水坡,橋面布置見圖11。

圖11 橋面布置(單位:mm)

3.2 軌道梁設計

鋼軌道梁截面總高1.5 m,外寬0.55 m,單箱單室截面。頂板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚16 mm。為了保證箱梁抵抗畸變、翹曲的能力及結構的橫向傳力,每隔1.25 m 設置隔板,箱內隔板與箱梁頂板及腹板焊連。鋼軌道梁通過承軌臺和T 構主梁連接,承軌臺截面為矩形截面,寬1.3 m,高0.35 m,單線軌道梁橫斷面見圖12。

圖12 軌道梁斷面(單位:mm)

3.3 轉體T 構主梁設計

T 構主梁采用變高度單箱單室直腹板預應力混凝土箱梁結構,梁高3.2～6.9 m,箱梁板頂寬9.6 m,底板寬5.6 m。頂板厚35～85 cm,底板厚35～180 cm,腹板厚分兩次過渡(50～75～100 cm)。共劃分為17 個梁段,0 號梁段長11.0 m,其余梁段最長為4 m,最大懸臂澆筑體積為69.2 m3,采用單向預應力體系,縱向預應力鋼束采用17-φS15.2 mm 和19-φS15.2 mm 鋼絞線,采用頂、腹、底板布束方式布置,均采用兩端張拉,主梁典型斷面見圖13。主要工程數量指標為:每延米橋長C55 混凝土用量為14.2 m3,每方混凝土采用預應力鋼絞線58.1 kg,每方混凝土普通鋼筋用鋼量為191.8 kg。

圖13 主梁典型斷面(單位:cm)

采用Midas Civil 分析軟件建立T 構空間有限元模型進行分析,軌道梁、T 構主梁、橋墩均采用梁單元,有限元模型見圖14。對T 構主梁控制截面在施工和運營階段的強度、抗裂性、應力等進行檢算,主要結果見表1,在主力工況作用下截面最小強度安全系數為2.56,“主力+附加力”工況下,截面最小強度安全系數為2.24;最小抗裂安全系數為1.51,混凝土最大剪應力為3.32 MPa,均滿足規范要求[15-16]。

圖14 主梁計算模型

表1 主要計算結果

3.4 轉盤和下部結構設計

墩頂轉盤采用邊長4.503 m 正六邊形結構,轉盤厚2 m,下轉盤上設有φ2.55 m 的下球鉸及φ5.24 m的環形下滑道。球鉸由上下兩塊鋼質球面板及鋼護筒組成,轉體系統布置見圖15。

圖15 轉體系統布置(單位:mm)

中墩由轉盤底以圓曲線漸變至邊長2.136 m 的正六邊形結構,墩身曲線段高8 m,等截面段高15.3 m。邊墩采用高低墩形式與T 構兩側簡支梁相接,邊墩蓋梁和墩身縱向長均為2.8 m,蓋梁頂橫向寬6.7 m,T 構側蓋梁等寬段高1 m,從蓋梁底以圓曲線過渡至墩身。為避讓橋墩邊緣的既有擋墻,中墩承臺順橋向長14.5 m,橫橋向長10.5 m,厚3.8 m,采用12 根φ1.5 m鉆孔摩擦樁;邊墩承臺順橋向長6.5 m,橫橋向長10.5 m,厚3.0 m,采用6 根φ1.5 m 鉆孔摩擦樁,下部結構斷面見圖16。

圖16 下部結構斷面(單位:cm)

4 基坑支護設計

為控制基礎施工對既有鐵路橋梁的影響,均采用鉆孔灌注樁防護,樁頂設置閉合冠梁,該處地下水位較高,結合基坑邊緣到鐵路結構邊緣距離,對中墩采取“鋼板樁+注漿”方式止水,對邊墩采取旋噴樁止水。結合本橋實際情況,采用有限元軟件Plaxis3D 對20 號、21 號、22 號墩施工過程對鐵路的影響進行分析。建立橋墩及樁基礎結構模型,梁體自重和上部荷載作用通過墩頂施加荷載來模擬[17],見圖17。由于合杭高鐵在本橋下部結構施工過程中尚未實施上部結構,此處僅列出受影響相對較大的寧安客專2 號墩和寧蕪鐵路框架橋相關計算結果(見表2)。

圖17 基礎結構模型

表2 既有鐵路施工過程中位移計算結果 mm

由表2 可知,經計算,施工完成后,最終引起既有寧安客專2 號橋墩承臺豎向沉降量為0.079 mm,橫橋向位移為-0.195 mm,順橋向位移為-0.113 mm,引起既有寧蕪鐵路牽出線道岔處的沉降為0.783 mm,水平變形為0.469 mm,計算結果均滿足規范和鐵路部門的相關要求[18]。

5 結語

蕪湖市軌道交通2 號線一期上跨既有鐵路單軌組合橋采用墩頂轉體法,減輕轉體重量,降低施工難度,可有效減少施工過程對既有鐵路運營安全的影響。結合地質條件,針對不同基坑選擇合適的支護及止水方式,確保施工過程中鐵路行車安全。該橋于2019 年4 月開工,在樁基礎、基坑、橋墩及上部結構施工過程中對既有高鐵進行了全過程監測,采取相關措施后,沉降和變形控制滿足鐵路部門和設計要求。該橋已于2020 年10 月29 日精準轉體就位,其工程實踐可為同類跨座式單軌交通建設提供借鑒。