濟(jì)南齊魯黃河大橋總體方案研究

王 偉

（濟(jì)南城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250131）

1 項目背景

齊魯黃河大橋是濟(jì)南北跨攜河發(fā)展的“三橋一隧”戰(zhàn)略通道之一，經(jīng)過濟(jì)南市槐蔭區(qū)、天橋區(qū)，南起齊魯大道與濟(jì)齊路交叉口，接現(xiàn)狀齊魯大道，依次跨越美里路、濟(jì)廣高速，經(jīng)過鄭家店村東，跨越黃河后，與G309 交叉相交。路線的主要控制點有路線起點、濟(jì)廣高速現(xiàn)狀橋孔、黃河特大橋橋位、邯濟(jì)鐵路線、路線終點、沿線村莊等。

目前，濟(jì)南市域內(nèi)溝通黃河兩岸的交通設(shè)施嚴(yán)重不足，城市道路過河通道僅建邦黃河大橋、濟(jì)南黃河一橋以及零星浮橋，導(dǎo)致現(xiàn)狀大橋擁堵嚴(yán)重，交通壓力過大，亟需建造新的過河交通設(shè)施緩解日益增長的交通壓力。本項目建設(shè)是貫徹濟(jì)南市“攜河發(fā)展”戰(zhàn)略，對完善區(qū)域規(guī)劃路網(wǎng)、提高路網(wǎng)運(yùn)輸能力、改善區(qū)域交通出行環(huán)境有重要意義[1]（見圖1）。

圖1 項目地理位置圖

2 建設(shè)條件

2.1 地形、地貌

場地地貌單元屬黃河沖洪積平原與山前沖洪積傾斜平原疊交地帶，局部微地貌單元系黃河河床，原始地形較平坦。受黃河淤積及人工填筑的作用，形成中間高，南北兩側(cè)低的地形，河漫灘地面標(biāo)高27.5～29.0 m，黃河大堤堤頂標(biāo)高約32.8～36.7 m，堤壩外側(cè)地面標(biāo)高約23.0～25.0 m。沿線兩岸基本無開發(fā)，現(xiàn)狀主要為村莊和農(nóng)田。

2.2 地質(zhì)[2]

場地為黃河沖洪積平原與山前沖洪積傾斜平原疊交地帶，局部微地貌單元系黃河河床，地形較平坦，第四系覆蓋層厚度較大，厚度50～80 m。工程場地?zé)o不良地質(zhì)。

2.3 河流與水文

黃河干流從平陰縣清河門進(jìn)入濟(jì)南市境，沿市境北部逶迤東北，流經(jīng)平陰、長青、濟(jì)南市郊區(qū)、歷城及章丘，于章丘黃河鄉(xiāng)的常家莊出境，流經(jīng)市境長度172.9 km。黃河濟(jì)南段現(xiàn)行河道，是1855 年黃河在銅瓦廂決口，北徙奪大清河，改道至利津注入渤海時形成的，市境黃河流向自西南而東北，地面相對穩(wěn)定。

擬建工程河段位于濼口水文站上游，該河段為黃河下游彎曲性河道，黃河河道在該河段主河槽形態(tài)及位置相對比較穩(wěn)定，大堤寬約1.4 km，河道斷面形態(tài)為復(fù)式，主槽一般呈U 型斷面，主河槽水面寬約400～600 m，灘地寬一般為300～1 200 m，主河槽平均水深4.6 m，寬深比約4～5。河道彎曲系數(shù)一般在1.20 左右，河道縱比降約0.01%。

2.4 通航

根據(jù)《黃河水系航運(yùn)規(guī)劃報告》（交通部黃河水系航運(yùn)規(guī)劃辦公室，1988 年），橋位河段規(guī)劃為Ⅳ級航道。

2.5 地震[3]

本場地位于濟(jì)南市，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），判定本場地抗震設(shè)防烈度為7 度，屬設(shè)計地震第三組。擬建工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（甲類），場地及鄰近地區(qū)全新世以來未見活動斷裂，場地較穩(wěn)定，可作為建設(shè)用地。

3 設(shè)計主要限制因素

3.1 路網(wǎng)銜接

項目區(qū)域內(nèi)道路網(wǎng)發(fā)達(dá)，與本項目相關(guān)的主要道路有京福高速公路、濟(jì)廣高速公路、國道309、國道308、二環(huán)西路快速路、臘山河西路和濟(jì)齊路。項目總體方案選擇應(yīng)考慮好與周邊路網(wǎng)銜接工作。

3.2 黃河水利委員會行政審批

黃河水利委員會對相鄰跨黃橋梁間距要求高，線位選擇條件復(fù)雜。根據(jù)黃委會要求，本工程跨黃線位與上游京滬高鐵跨黃河大橋及下游濟(jì)南建邦黃河大橋的間距需滿足一定要求，中間還要避開黃河水文測量斷面，選線條件復(fù)雜。另一方面，黃河防洪要求高，橋梁布跨要求嚴(yán)格，橋型選擇受限。

跨黃河大橋應(yīng)按照黃河水利委員會對跨黃河橋梁線位間距要求進(jìn)行選線，按照防洪評價中的橋梁布跨及標(biāo)高等要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，是本項目需重點考慮的問題。

3.3 公路與軌道建設(shè)方式

依據(jù)濟(jì)南市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃，遠(yuǎn)期擬新增一條軌道交通線位沿齊魯大道北延布設(shè)，并與本通道工程一并過河。

本項目跨黃河橋梁設(shè)計需考慮與軌道交通的合建與銜接，要求跨黃河段橋梁為公軌合建，兩側(cè)接線為公軌分建。如何處理好橋梁與軌道交通的合建、分建關(guān)系、與軌道交通的銜接條件、施工及運(yùn)營期的相互影響是總體設(shè)計主要任務(wù)之一。

4 總體設(shè)計方案

4.1 路線方案設(shè)計

路線方案設(shè)計將兩岸接線與橋位選址結(jié)合起來整體研究，結(jié)合路線的主要控制因素，從方案與上游京滬高鐵大橋的距離出發(fā)，優(yōu)化組合，選定了近、中、遠(yuǎn)4 條線位，分別為距離京滬高鐵大橋最近的A 線位，距離京滬高鐵大橋適中的K 線位、以及距離京滬高鐵大橋最遠(yuǎn)的B、B'線位（見圖2）。

圖2 線位K 示意圖

4 條線位A、K、B、B' 之間最大的區(qū)別在于與上游京滬高鐵大橋的間距，以下就與規(guī)劃銜接、功能定位、線形條件等方面做綜合比選，如表1 所示。

表1 路線方案比選一覽表

線位A 距京滬高鐵大橋過近，本通道施工運(yùn)營中可能對現(xiàn)狀橋梁有影響，并且橋較難通過黃委會審批；線位K 與京滬高鐵大橋距離適中，與規(guī)劃銜接較好；線位B 與京滬高鐵大橋距離相對最遠(yuǎn)，但與規(guī)劃路網(wǎng)相差較大，道路繞行較遠(yuǎn)；線位B'無法直接串聯(lián)西客站次中心和桑梓店地區(qū)中心，不符合近期通道建設(shè)意圖。綜上所述，本通道工程擬推薦線位K。

4.2 公軌橋梁建設(shè)模式

根據(jù)前期橋隧方案比選結(jié)論，隧道方案工程風(fēng)險大，投資高，因此本通道采用橋梁形式過河。軌道交通與本通道的總體布置模式存在合建和分建兩種方式。

4.2.1 公軌分建

軌道交通若單獨采用橋梁形式過河，占用寶貴的過河通道資源，且橋梁過密不滿足黃委會對黃河橋梁間距的要求，難以通過黃委會批復(fù)。故公軌分建軌道交通宜采用隧道形式。

軌道交通采用隧道方式過河，并在黃河南北兩岸沿齊魯大道采用地下線布置。齊魯大道橋梁僅考慮機(jī)動車、非機(jī)動車和行人過河需求布置。本布置模式造價相對合建更高昂，若采用該模式布置，橋梁方案與后續(xù)介紹的公軌合建同層布置方案基本相同（除橋梁橫向?qū)挾确矫娲嬖诓町悾壍啦捎脝为毜亩軜?gòu)穿越黃河。

4.2.2 公軌合建

綜合分析國內(nèi)外已（在）建公軌合建橋梁斷面布置[4-8]，如表2 所示，一般存在以下公軌同層和公軌分層兩種布置模式。

表2 國內(nèi)外城市道路、公路與軌道交通合建橋梁一覽表

根據(jù)調(diào)研國內(nèi)已（在）建公軌合建橋梁，尤其是公路橋梁或鐵路橋梁，采用分層布置模式居多，即上層布置車行道、下層布置軌道交通及慢行系統(tǒng)。本次方案設(shè)計分層方案如圖3 所示，將機(jī)動車道布置在上層，下層布置軌道交通、非機(jī)動車道和人行道，從而大大降低慢行系統(tǒng)過河的爬坡高度。

圖3 公軌分層布置橋梁橫斷面（單位：m）

根據(jù)調(diào)研國內(nèi)已（在）建公軌合建橋梁，同層布置的有：上海軌道交通6 號線趙家溝大橋、上海長江大橋、重慶鵝公巖長江大橋、重慶魚洞長江大橋等。從軌道交通在橋面布置的位置來看，除上海長江大橋軌道交通布置在車行道外側(cè)，其他均布置在車行道中間（即橋梁結(jié)構(gòu)中心）。上海長江大橋由于橋梁長度較大，布置在中間無法設(shè)置掉頭區(qū)等軌道交通事故救援的必須措施而將軌道交通布置在兩側(cè)。

從結(jié)構(gòu)受力的合理性以及軌道交通運(yùn)行的安全性上來看，軌道交通布置在外側(cè)橋面排水不易處理，列車靠近拉索，對拉索疲勞也不利。在發(fā)生緊急情況時，軌道交通布置在橋梁內(nèi)側(cè)對疏散人群更為有利。為此，本次設(shè)計按照公軌同層軌道居中布置進(jìn)行設(shè)計，如圖4 所示。

圖4 公軌同層布置橋梁橫斷面（單位：m）

對于公軌合建的不同布置方式，各有其優(yōu)缺點，具體比較如下表3 所示。

表3 公軌合建橋梁布置形式比選

4.2.3 比選結(jié)果

公軌合建的建設(shè)模式能更集約地利用過河通道資源，節(jié)省工程投資，但城市道路與軌道交通建設(shè)往往不同步，方案需充分考慮軌道交通需求，做好預(yù)留。市政道路與軌道交通建設(shè)主體不同，建設(shè)及后期管養(yǎng)協(xié)調(diào)難度和工作量都較大；公軌分建模式建設(shè)和管養(yǎng)等協(xié)調(diào)工作簡單，但浪費(fèi)寶貴的過河通道資源，工程投資相對也高。相比較而言，濟(jì)南黃河段過河通道資源相對稀缺，采用分建模式不利于遠(yuǎn)期再新增過河通道。因此，本通道擬采用公軌合建模式，預(yù)留遠(yuǎn)期軌道交通過河需求。

對于公軌合建軌道布置方式而言，公軌合建分層布置因受結(jié)構(gòu)高度影響，機(jī)動車爬坡高、橋梁接線長，且鋼結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)困難，不適用于本通道機(jī)動車需盡快落地的情形；公軌合建同層軌道居中布置則結(jié)構(gòu)完全對稱，國內(nèi)建成的實例也較多，機(jī)動車爬坡高度相對較小。本工程擬推薦采用公軌合建同層軌道居中的布置模式。

4.3 跨黃河大橋設(shè)計

4.3.1 控制條件

根據(jù)黃建管[2007] 48 號文件要求：在黃河干流陶城鋪以下河段主河槽孔跨不少于180 m，灘地不少于50 m，跨越方式為全橋跨越。

根據(jù)《齊魯大道北延跨黃河大橋防洪評價報告》[9]，擬建橋梁橋位河槽斷面圖如圖5 所示，現(xiàn)狀主河槽寬度為575.8 m，通過分析橋位上下游歷年斷面變化及主槽左右起點距變化，因此確定橋位斷面主槽寬度最大為610 m。

圖5 河槽斷面圖

黃河堤身設(shè)計斷面內(nèi)不得設(shè)置橋墩。橋梁跨越堤防，橋墩應(yīng)離開堤身設(shè)計堤腳線一定距離（原則上黃河不得小于5 m）。

根據(jù)《黃河水系航運(yùn)規(guī)劃報告》（交通部黃河水系航運(yùn)規(guī)劃辦公室，1988 年），橋位河段規(guī)劃為Ⅳ級航道。

本橋橋位與現(xiàn)狀京滬高鐵黃河鐵路大橋距離較近，總體布置上應(yīng)考慮增大跨徑以減少橋墩數(shù)量，從而減小對行洪的影響，經(jīng)過與防洪專題單位溝通后確定，兩岸大堤內(nèi)只布置兩個橋墩。

4.3.2 孔跨布置

考慮到上述控制條件，結(jié)合防洪評價單位推薦布跨意見，齊魯黃河大橋的孔跨布置如下：橋梁以全橋跨方式跨越黃河，主橋推薦方案孔跨布設(shè)為95 m+280 m+420 m+280 m+95 m，主河槽跨度為420 m，灘地跨度為280 m，淤背區(qū)跨度為95 m，主橋全長1 170 m，滿足黃建管[2007] 48 號文件相關(guān)規(guī)定。

跨黃河大橋方案比選考慮不同橋型方案及相應(yīng)合理邊中跨比，主河槽跨度適當(dāng)增加，灘地跨度適當(dāng)減小，保證主橋長度不變并滿足橋跨控制條件。

4.3.3 主橋方案

結(jié)合防洪評價單位推薦布跨意見，進(jìn)行了兩種主橋方案比選。

（1）系桿拱橋方案

主橋方案一采用網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋，跨徑布置為（95+280）+420+（280+95）=1 170 m。橋面寬度60.7 m?？傮w布置如圖6 所示，橫斷面布置如圖4 所示。

圖6 方案一網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋總體布置（單位：m）

420 m 跨拱矢跨比為1/6，矢高70 m，內(nèi)傾角度3.0°；280 m 跨拱矢跨比也為1/6，矢高46.67 m，內(nèi)傾角度5.3°，拱肋采用五邊形鋼箱斷面。拱肋橫聯(lián)形式采用一字撐，撐桿為八邊形鋼箱斷面。吊索采用網(wǎng)狀布置，主梁上標(biāo)準(zhǔn)間距為9 m，順橋向傾角約60°。主梁采用正交異性組合橋面板組合梁，梁高4.15 m。下部結(jié)構(gòu)采用尖端型薄壁墩形式，矩形承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

約束體系：95 m+280 m 一聯(lián)在P19 墩設(shè)置順向固定支座，其余橋墩設(shè)置順向活動支座；420 m 一聯(lián)在P20 墩設(shè)置順向固定支座，其余橋墩設(shè)置順向活動支座；280 m+95 m 一聯(lián)在P21 墩設(shè)置順向固定支座，其余橋墩設(shè)置順向活動支座；主橋三聯(lián)在各橋墩均設(shè)置一個橫向固定支座、一個橫向活動支座。全橋共設(shè)置16 個豎向支承支座。

（2）雙塔斜拉橋方案

主橋方案二采用雙塔組合梁斜拉橋，跨徑布置為95+240+500+240+95=1 170 m。橋面寬度60.7 m。總體布置如圖7 所示。

圖7 方案二雙塔斜拉橋總體布置（單位：m）

主塔采用A 形橋塔，主塔塔身高約143 m，橋面以上塔高122.5 m。全橋共216 根拉索，呈空間雙索面扇形布置。主梁采用正交異性組合橋面板組合梁，鋼梁高4.0 m，橋面板厚0.15 m。邊墩、輔助墩沿橫橋向設(shè)置兩個，采用獨柱墩。主塔基礎(chǔ)采用45?2.0 m鉆孔灌注樁；邊墩、輔助墩采用2×8?2.0 m 鉆孔灌注樁，分離式承臺，如圖8 所示。

圖8 方案二橋塔構(gòu)造圖（單位：m）

采用扭絞型平行鋼絲斜拉索，冷鑄錨，鋼絲標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa。全橋共144 根斜拉索，最長斜拉索長度約264 m。斜拉索外設(shè)雙層PE 護(hù)套，顏色可根據(jù)景觀要求選用。對拉索表面采取螺旋線、凹坑等氣動輔助措施，以及在斜拉索兩端安裝內(nèi)置式阻尼器，以提高斜拉索抗風(fēng)雨振性能。

主橋采用漂浮體系，塔墩固結(jié)、塔梁分離，主梁與主塔之間無豎向支座，設(shè)置縱向連接裝置。橋墩上均設(shè)置豎向支承。

（3）綜合比選

兩種主橋方案比選表如表4 所示。綜合技術(shù)難度、施工風(fēng)險、施工周期、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、景觀效果及工程造價，考慮到濟(jì)南黃河上斜拉橋過多，在造價基本相當(dāng)?shù)那疤嵯?，推薦采用結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)的網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋。

表4 橋梁方案比選表

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地介紹了濟(jì)南齊魯黃河大橋工程的項目背景、建設(shè)條件、設(shè)計主要限制因素、總體方案、橋型比選等內(nèi)容，綜合考慮了周邊路網(wǎng)銜接、黃委要求、工程造價等因素，比選確定了總體路線方案。

在大量調(diào)研國內(nèi)外公軌合建橋梁建設(shè)方式的前提下，結(jié)合本項目工程背景及實際情況，本工程擬推薦采用公軌合建同層軌道居中的布置模式，并預(yù)留遠(yuǎn)期軌道交通過河需求。

結(jié)合跨黃河大橋設(shè)計控制條件，進(jìn)行了網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋和雙塔斜拉橋兩種主橋方案總體布置與設(shè)計，綜合技術(shù)難度、施工風(fēng)險、施工周期、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、景觀效果及工程造價，考慮到濟(jì)南黃河上斜拉橋過多，在造價基本相當(dāng)?shù)那疤嵯?，推薦采用結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)的網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋方案。