城市軌道交通上跨鐵路特大橋方案研究

吳 亮，王倫文，趙胤儒

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢430010）

0 引言

隨著國家經濟的發展和新型城鎮化的快速推進，我國交通基礎設施建設發展迅猛，新建線路與既有鐵路立體交叉的情況越來越多。如何減少新線建設對既有鐵路影響成為橋梁方案考慮的重點，也是設計方案能否獲得鐵路部門批準的關鍵。跨越既有鐵路的橋梁方案主要分為兩類，一是在交叉點附近布置橋墩以較小跨度跨越，梁部施工前在鐵路影響范圍內搭設防護棚架；二是采用大跨度橋梁跨越，采用頂推或轉體施工工藝。隨著鐵路運營單位對既有線運營安全要求日益提高，目前主要采用大跨度橋梁轉體方案。

公路和城市道路上跨既有鐵路已有較多的工程案例和研究[1-4]，但城市軌道橋特別是大跨度橋上跨既有鐵路的研究較少。本文以武漢軌道交通7號線北延線跨線橋為背景，研究跨越多股繁忙鐵路干線的橋梁方案，供類似工程參考。

1 工程概況

武漢軌道交通7號線北延線（前川線）工程起于黃陂前川，止于7號線一期工程園博園北站。線路全長36.2 km，設站11座（含預留站1座）。前川線在武漢北編組站七場以北1 km處上跨既有鐵路區域。區域內目前存在既有鐵路共5股道，分別是京廣下行貨車線、麻武下行聯絡線、麻武上行聯絡線、京廣上行貨車線和武漢北上行環發線。后續武漢北編組擴能改造規劃在該區域增設3股道。此處鐵路路基均為路塹形式，前川線在該段采用橋梁上跨既有鐵路，橋位區鐵路線路見圖1。主橋采用（86+2×156+86）m連續梁橋，其跨度為國內城市軌道交通同類型橋梁之最。采用轉體施工方案，轉體噸位達到15 000 t，居國內城市軌道交通轉體橋梁前列。

圖1 平面布置圖（單位：m）

2 控制性因素與橋型選擇

影響主橋方案的主要控制性因素如下：

（1）為了繞避軍事用地，前川線線路在前期已進行了充分論證，線路方案已經確定，無法進行調整。目前，前川線與京廣上行貨運線斜交角42.1°。

（2）橋位區存在兩處鐵路區域。第一處區域既有鐵路4股，規劃鐵路2股。該處鐵路路塹邊坡坡頂沿橋軸線方向距離172 m，坡腳間距123 m。第二處區域既有鐵路1股，規劃鐵路1股。該處鐵路路塹邊坡坡頂沿橋軸線方向距離56 m。兩處鐵路區域間坡頂平臺沿橋軸線方向寬92 m。

（3）橋位區地面高程約50 m，鐵路軌面高程為40.79～48.30 m。由于本橋大樁號側跨高速公路相關要求，本橋位處設計軌頂高程在71.0～73.5 m。

（4）天河機場與橋位區域直線距離約8.7 km。橋梁區域位于航空障礙物限值面內，該處限高90 m。為了盡量減小對鐵路的影響，避免開挖鐵路路塹邊坡，將橋墩設置在鐵路邊坡以外，第一處鐵路區域橋跨應大于210 m。在該跨徑范圍內主要適用的橋型有連續剛構橋、矮塔斜拉橋和拱橋。由于橋墩高度僅10 m左右，顯然連續剛構橋不合適。如果是矮塔斜拉橋，綜合考慮第二處跨越需要，可采用（145+250+145）m跨徑布置，軌道交通橋橋塔高跨比一般為1/8～1/10，則最小塔高25 m，塔頂高程超過天河機場障礙物限制面。拱橋施工較復雜，對鐵路運營影響很大，且只能采用中承式或下承式拱橋，拱圈頂部高程也超過90 m，方案不可行。以上研究表明，將橋墩完全放置在鐵路邊坡以外無合適的實施方案，可考慮將橋墩設置在邊坡上以減小橋梁跨度。

綜合考慮橋位區各控制性條件、施工方法、工程投資、施工工期和合龍段位置等因素，經鐵路局同意，主橋采用（86+2×156+86）m連續梁橋方案。為減小對既有鐵路影響，主梁采用懸臂澆筑然后轉體施工方法[5-6]。轉體前主梁邊緣至鄰近鐵路中心最小距離13.3 m，承臺邊緣至鄰近鐵路中心最小距離12.8 m，跨中合龍段至鄰近鐵路中心最小距離9.1 m，橋下鐵路最小凈空高度19.7 m。因此，橋梁各部位的施工和運營階段均不會侵入鐵路的建筑界限以內，且距離鐵路平面和立面上均有足夠的安全空間。橋型立面布置見圖2。

圖2 立面布置圖（單位：m）

3 主梁結構設計

3.1 主梁構造

主梁采用變高度單箱單室預應力混凝土箱梁。中支點截面梁高11.5 m（高跨比1/13.57），中跨跨中合龍段、邊跨現澆段、邊跨合龍段梁高6.0 m（高跨比1/26）。梁體下緣除中跨跨中18 m梁段、中墩6 m梁段、邊跨端部8 m梁段為等高直線段外，其余梁底下按1.8次拋物線變化。

箱梁頂寬9.6 m，底寬6 m，翼緣板端部厚20 cm，翼緣板根部厚80 cm。箱梁頂板厚50 cm，次邊跨邊支點處局部加厚到85 cm，中支點處局部加厚到100 cm；中跨和次邊跨腹板厚度為50～110 cm，中支點處局部加厚至135 cm，邊跨腹板局部加厚至70 cm。底板厚由中跨和次邊跨直線段的50 cm按1.8次拋物線變化至120 cm，中支點再加厚至200 cm。梁部截面見圖3、圖4。

圖3 中支點截面圖（單位：cm）

圖4 邊支點、跨中截面圖（單位：cm）

主梁0號塊長12 m，一般懸臂澆筑梁端為3.0 m、3.5 m、4.0 m，合龍段長2.0m，邊跨現澆段（含牛腿）長8.1 m。主梁采用C55混凝土。

連續梁共設5道橫隔梁和6道橫隔板。中支點處橫隔梁厚5.0 m，邊中支點處橫隔梁厚2.0 m。在懸臂澆筑19#節段設置0.5 m厚的橫隔板。橫隔梁、橫隔板處均設有孔洞供檢查人員通過。

縱向預應力采用標準強度為fpk=1 860 MPa的17、19-φs15.2高強度低松弛鋼絞線，鋼束均采用兩端張拉，預應力管道采用金屬波紋管成孔。豎向預應力采用標準強度為fpk=1 860 MPa的3-φs15.2高強度低松弛鋼絞線，鋼束采用一端張拉，張拉端位于箱梁頂板處，采用二次張拉工藝。

3.2 主要荷載與計算參數

（1）主梁采用C55混凝土，容重取26 kN/m3。

（2）二期恒載考慮線路設備重、接觸軌、疏散平臺、預制擋板、各種管線及其支承設備、聲屏障、防水層、保護層等，本連續梁二期恒載為101.1 kN/m。

（3）混凝土收縮和徐變按《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB 10092－2017）辦理。

（4）活載：A型車6輛編組，預留8A條件。

（5）橋墩不均勻沉降取2 cm。

（6）結構整體升降溫按±25℃計，箱梁頂板非線性升降溫按±10℃計

（7）掛籃重按1 000 kN考慮。

3.3 主梁主要靜力計算結果

采用橋梁博士V4.2進行施工階段和運營階段主梁靜力分析。主梁平行于鐵路方向懸臂現澆施工，待最大懸臂狀態后轉體施工，然后合龍邊跨，再合龍中跨。主梁計算結果如下：

（1）運營階段主梁強度和應力計算結果見表1。

表1 運營階段主梁強度及應力計算結果

（2）梁體豎向撓度計算結果見表2。

表2 主梁豎向撓度計算結果

（3）在列車靜活載作用下，梁端單端轉角為0.41‰，小于3‰規范限值。軌道鋪設完成后，梁體中跨跨中10 a徐變上拱值為6.1 mm，小于20 mm規范限值。

（4）經檢算，由恒載（含預加力）和靜活載引起的豎向撓度大于15 mm，主梁應設置預拱度，其拱度曲線與恒載加1/2豎向靜活載所產生的撓度曲線基本相同，但方向相反，按余弦曲線設置。本橋預拱度中跨反拱最大值41.8 mm，邊跨反拱值最大值31.3 mm。

3.4 主梁設計特點

（1）合理設計減少梁體殘余徐變變形

主梁截面長期處于偏心受壓狀態，必然出現徐變上拱或下撓，并隨截面上下緣應力差值的增大而增加。設計中加大了跨中截面高度，以提高梁豎向剛度，改善梁下緣應力。同時，跨中設置18 m等截面段，在加大跨中梁高的同時，基本不增加工程量。在設計中合理布置頂底板預應力鋼束，使梁體在鋪軌后截面上下緣應力基本相等，從而使梁體跨中殘余徐變變形大大減小[7-8]。本橋主梁鋪軌后中跨跨中截面上緣壓應力為6.95 MPa，截面下緣壓應力為8.15 MPa。

（2）采用二次張拉豎向鋼絞線預應力體系改善腹板抗裂性能

箱梁腹板豎向預應力的設置主要是為了增強抗剪能力，抑制腹板開裂。豎向預應力一般均為短束，傳統的精軋螺紋鋼豎向預應力體系回縮大、預應力損失大，且存在易拉斷、施工質量難以控制等問題，有效預應力難以保證。設計中采用二次張拉豎向鋼絞線預應力體系，其回縮量小，有效預應力保證率高，大大改善了腹板抗裂性能。

4 轉體系統

4.1 轉體系統設計

轉體系統主要由轉動系統、牽引系統和平衡系統構成[9-10]。轉動系統由上轉盤、下轉盤和轉動球鉸構成。其中，轉動球鉸是轉體系統的關鍵。牽引系統提供結構轉動的能力，主要由牽引設備、助推千斤頂支座、牽引反力座構成。平衡系統主要由球鉸、撐腳、助推千斤頂支座等構成，主要作用是確保轉體結構的平穩和安全。轉體系統立面圖見圖5，轉體系統平面圖見圖6。

圖5 轉體系統立面圖（單位:cm）

圖6 轉體系統平面圖（單位:cm）

主墩基礎均為16根φ1.8 m鉆孔樁基礎，階梯式雙層鋼筋混凝土承臺。上承臺（上轉盤）厚2.7 m，下承臺厚3.5 m，上承臺、下承臺中間設0.8 m的平轉空間。承臺采用C40混凝土，轉盤采用C50混凝土，封鉸采用C50微膨脹混凝土。

球鉸由上球鉸、下球鉸、球鉸間四氟乙烯板、固定上下球鉸的鋼銷、下球鉸鋼骨架組成。設計豎向承載力150 000 kN，為中心承重轉體，球體半徑8 m，球面投影直徑3.9m。上轉盤沿直徑10 m的圓周上設置8對撐腳，每對撐腳為φ800 mm×24 mm的雙鋼管柱，撐腳內灌注C50微膨脹混凝土。在撐腳的下方設有環形滑道，滑道寬度90 cm，轉體前在滑道面鋪裝5 mm厚不銹鋼板和5 mm厚聚四氟乙烯板，安裝撐腳時確保撐腳與下滑道的間隙為15 mm。

4.2 轉體施工

主梁平行于鐵路方向掛籃懸臂澆筑，澆筑完成20#節段、張拉預應力后形成最大懸臂狀態。砂箱在轉體前拆除，使上部荷載集中于球鉸之上，形成轉動體系。為了保證轉體過程中體系平穩轉動，要求預先調整體系的質量分布，使其質量處于平衡狀態。為此，將對轉體梁橫向不平衡力矩測試、轉體梁縱向不平衡力矩測試、摩阻系數測試、轉體姿態分析、轉體梁平衡配重。到達設計位置、精確測量并臨時限位后，鎖定轉體球鉸，澆筑封鉸混凝土、封固轉盤。

149#、150#及151#墩處T構轉體角度分別為順時針旋轉43.9°、41.0°及66.6°。轉體角速度取0.01 rad/min，懸臂端最大線速度不超過1.5 m/min，單個T構轉體用時約120 min。

5 減小對既有鐵路影響措施

（1）橋墩承臺基坑采用隔離樁和放坡錨噴支護方式[11]。基坑鄰近鐵路一側采用隔離樁進行支護，隔離樁采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，樁底嵌入中風化泥質粉砂巖中1.0 m以上。基坑其余部位采用放坡錨噴支護，其中149#橋墩承臺基坑深10.9 m，根據地質情況按不同坡比分兩級開挖，兩級邊坡間設置2.0 m寬馬道平臺。150#、151#號橋墩承臺基坑深度分別7.3 m、5.5 m，采用一級放坡。各級邊坡均采用噴錨防護，錨桿采用全長黏結水泥砂漿錨桿，間距2.0×2.0 m。在坡頂距坡口不小于5 m處設置截水溝，以降低水流對邊坡的沖刷。經計算，基坑開挖和橋梁施工各階段既有鐵路路基附加沉降均滿足規范要求。

（2）為最大限度地減少中跨合龍段施工對既有鐵路運營的影響，149#、150#號墩間跨中合龍段設置外模鋼結構，并在合龍吊籃下方設置二次兜底措施，防止跨中合龍施工時材料和設備掉入鐵路中。

（3）樁基施工過程中鉆機設置地錨防止傾覆影響鐵路運營。

（4）在鐵路上方一定區域設置2 m高防拋網，避免墜物影響鐵路運營。

（5）連續梁排水采用橋面排水方式，防止外掛排水管漏水或老化脫落影響鐵路運營。在主墩位置主梁設置擋水塊和豎向排水管，將橋面排水引入鐵路邊溝內。

6 結 語

（1）受橋位區地形地貌、既有鐵路布置和天河機場限高等因素影響，武漢軌道交通前川線上跨京廣上行貨運線區域采用（86+2×156+86）m連續梁橋方案，其跨度為國內城市軌道交通同類型橋梁之最。經計算分析，滿足規范要求。

（2）采用轉體施工方法，減小施工過程對既有鐵路運營的干擾。轉體噸位達到15 000 t，居國內城市軌道交通轉體橋梁前列。

（3）橋墩承臺基坑采用隔離樁和放坡錨噴支護方式。經計算，基坑開挖和橋梁施工各階段既有鐵路路基附加沉降均滿足規范要求。