高郵至鎮(zhèn)江特大橋總體設計及技術創(chuàng)新

陳 杰

(中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070)

1 概述

連鎮(zhèn)高鐵全線線路長304.5 km，正線橋梁275.5 km，占比90.5%，超過10 km的特大橋有8座，見表1[1]。高郵至鎮(zhèn)江特大橋為全線最長橋梁，位居世界長橋前列[2-3]，見表2。本文以此橋為例，介紹高速鐵路超長特大橋設計。

表1 連鎮(zhèn)高鐵橋長10 km以上特大橋

表2 部分世界長橋統(tǒng)計

1.1 建設條件

高郵至鎮(zhèn)江特大橋起位于高郵市周山鎮(zhèn)，平行于京滬高速公路向南設高郵高架站、邵伯線路所、揚州東高架站，終止于鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)高橋鎮(zhèn)，見圖1。

圖1 高郵至鎮(zhèn)江特大橋線路平面

沿線經(jīng)過里下河沖湖積平原區(qū)、長江漫灘平原區(qū)，水系、湖泊、河渠縱橫，公路、水路交通發(fā)達。跨越高水河、鹽邵河等等級航道11條；夾江、金灣河等洪評河流67條；京滬高速高郵匝道、八橋匝道、揚溧高速公路等高速及國省干道10條；文昌東路、萬福路等主要城市道路10余條；西氣東輸、江蘇油田原油管等油氣管線23條；既有寧啟鐵路、新建淮揚左線、淮泰右線鐵路各1處。

地層主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積形成的黏性土、粉土、砂土等，抗震設防烈度為Ⅶ度(高郵段部分為Ⅵ度)。

1.2 主要技術標準

鐵路等級:高速鐵路；

設計速度:250 km/h；

正線數(shù):雙線，線間距4.6 m；

軌道類型:無縫線路，有砟軌道；

設計荷載:ZK活載[4]；

洪水頻率:1/100。

1.3 主要設計原則

標準跨度32 m、24 m預制簡支箱梁采用通橋(2016)2229[5-6]，采用大跨度連續(xù)梁、連續(xù)剛構等特殊結構跨通航、防洪河流、立交道路，位于高郵高架站、揚州東高架站、邵伯線路所等道岔區(qū)段上的橋梁采用道岔連續(xù)梁。全橋僅在跨夾江剛構連續(xù)梁設溫度調節(jié)器。

標準墩采用通橋(2009)4201圓端型實體橋墩，與水流夾角較小時采用圓形實體橋墩。橋臺采用矩形空心橋臺。樁基以鉆孔樁為主，環(huán)境及地質條件允許時采用預制管樁。

橋面附屬設施參考通橋(2016)8388A執(zhí)行。

2 橋梁技術特點

2.1 建設條件復雜

橋梁與河流、道路、管線交叉眾多；穿越揚州江都區(qū)、生態(tài)科技新城，城鎮(zhèn)區(qū)域環(huán)境敏感點多；高郵高架站、揚州東高架站、邵伯線路所橋群綜合設計復雜[7]；跨越既有寧啟鐵路安全風險大。

超長特大橋相比一般特大橋還有以下特點:

(1)橋長特別長，需分段設計，統(tǒng)籌接口設計復雜。跨標段架梁、下部結構、橋面系、救援通道等細節(jié)設計需劃分明確。

(2)施工標段多，分段推進，組織管理難度很大。高郵至鎮(zhèn)江特大橋分為5個標段施工，5年施工期間有多處施工交叉需合理組合和銜接。

2.2 橋梁特殊結構多

高郵至鎮(zhèn)江特大橋預制簡支梁2 490孔，現(xiàn)澆簡支梁163孔，連續(xù)梁等特殊結構達51聯(lián)-9 008.2 m，特殊結構占橋梁總長度的10%，見表3。

表3 __高郵至鎮(zhèn)江特大橋特殊結構

3 重點橋梁橋式方案比較

高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨越淮河入江水道主要泄洪通道夾江[8]，橋址處河寬約740 m，設計流量Q1%＝9 752 m3/s，設計流速V1%＝1.31 m/s。 平均水深19.2 m，最大水深24.77 m。設計采用了三個橋式方案進行比較，見圖2及表4。

圖2 高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨夾江橋式方案(單位:cm)

表4 高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨夾江主河槽段方案比較

綜合比較分析，剛構連續(xù)梁方案深水橋墩少，施工工藝成熟，運營維修少。結合防洪評價審查批復意見，采用(60.75+4×100+60.75)m剛構連續(xù)梁跨越夾江。

4 設計技術創(chuàng)新

4.1 鐵路橋梁大直徑管樁應用

連鎮(zhèn)高鐵在高郵至鎮(zhèn)江特大橋先期開工段X316號墩進行了跟鉆法管樁試驗[9]。跟鉆法是在PHC管樁中空部插入專用鉆頭，邊鉆孔取土邊將樁沉入土中的一種沉樁施工方法。在底部持力層注漿攪拌形成擴大球根，管樁插入球根內形成擴大頭，以提高單樁承載力[10-11]。管樁靜載試驗工點地層情況見圖3。

圖3 X316號墩處跟鉆法管樁試驗地層情況

選取X316號墩處現(xiàn)場1根鉆孔樁、1根跟鉆法管樁，試驗結果:

(1)直徑0.8 m、樁長57 m跟鉆法預制管樁，豎向抗壓極限承載力8 926 kN；直徑1.0 m、樁長58 m鉆孔灌注樁，豎向抗壓極限承載力9 000 kN，豎向極限承載力相當。

(2)樁頂水平位移達到10 mm時，1.0 m鉆孔樁水平承載力為350 kN，0.8 m管樁水平承載力300 kN，管樁水平承載力能滿足設計要求。

(3)在各級荷載下，樁身軸力沿樁身呈非線性遞減分布，上部荷載越大，樁身軸力非線性分布越明顯，隨著荷載增加，樁身軸力的遞減幅度增大，見圖4、圖5。

圖4 X316號墩處鉆孔樁靜載試驗樁身軸力-深度分布

圖5 X316號墩處跟鉆管樁靜載試驗樁身軸力-深度分布

(4)跟鉆法擴底管樁樁端總阻力占比隨荷載等級的增加逐漸增大，在9 000 kN極限荷載作用下，樁長57 m管樁的樁端總阻力占比達到43%，樁長58 m鉆孔樁的樁端總阻力占比為18%。鉆孔樁側摩阻力的發(fā)揮程度遠大于端阻力的發(fā)揮程度(在設計豎向荷載4 000 kN作用下，鉆孔樁側摩阻力占總阻力的95%)。

(5)跟鉆法管樁適用于砂性土，預制管樁施工速度快、噪聲小、無泥漿污染，與鉆孔樁費用相近。新型管樁工法豐富了鐵路橋梁樁基礎施工方法。

高郵至鎮(zhèn)江特大橋有4 km簡支橋梁設計了錘擊打入法PHC管樁。以693＃墩(雙線32 m簡支梁，橋墩高9 m)為例，經(jīng)濟性對比見表5。打入法管樁比鉆孔樁每個橋墩約節(jié)省12萬元，即每延米橋長節(jié)省3 670元，經(jīng)濟效益明顯。

表5 693＃墩鉆孔樁與打入法管樁經(jīng)濟性比較

4.2 簡支梁調跨橋墩

連鎮(zhèn)高鐵位于平原水網(wǎng)化地區(qū)，水陸交通發(fā)達，橋梁長度長。針對標準預制32 m、24 m簡支梁和連續(xù)梁難以滿足孔跨布置和經(jīng)濟需要時，創(chuàng)新設計了簡支梁調跨橋墩。在墩頂局部設2 m左右的調節(jié)段，調節(jié)段外輪廓與相鄰兩側標準梁一致，當調跨范圍在2～8 m時可通過1～3個調跨橋墩調節(jié)跨度，靈活有效地解決了超長多控制節(jié)點橋梁孔跨布置的難題。同時，考慮景觀效果優(yōu)化橋墩輪廓尺寸，較好地實現(xiàn)了非標橋墩與相鄰橋墩和箱梁的銜接過渡。如圖6所示，跨沿江公路、自來水管、污水管工點，原設計方案采用(32+48+32)m連續(xù)梁跨沿江公路，施工過程發(fā)現(xiàn)埋于地下的自來水管(直徑1.6 m)及污水管(直徑0.6 m)無法遷改，如連續(xù)梁加大跨度，主跨需90 m以上且要抬高線路縱斷面，X73墩小里程側橋墩基礎已無法調整，如采用現(xiàn)澆非標準跨度簡支梁由于地質較差支架地基處理費用偏高。因此，以沿江公路路中分隔帶為中心，向小里程布置標準簡支梁，在X73墩頂設置1.9 m的調節(jié)段解決前后橋墩位置限制問題。橋梁孔跨布置很好地錯位避開了污水管和自來水管，并滿足跨越沿江公路布置要求。多控制節(jié)點情況下，簡支梁調跨橋墩配合標準梁預制架設施工，節(jié)省了投資和工期。

圖6 高郵至鎮(zhèn)江特大橋跨沿江公路及管線平立面(單位:cm)

4.3 橋面附屬優(yōu)化設計

設計調研了近年鐵路運營養(yǎng)護經(jīng)驗，混凝土欄桿出現(xiàn)部分欄桿立柱歪斜、脫落、下托梁斷裂等問題，連鎮(zhèn)橋梁設計時采取欄片加高深入遮板取消托梁、用梁端單獨欄片代替跨縫欄片進行優(yōu)化，增強了欄桿的耐久性。結合京杭運河文化特點，以船帆和波浪為要素，橋梁欄桿采用點綴景觀欄片+波形欄片(見圖7)，形成一種千帆競渡、乘風破浪的動感意象和美好寓意，推動建設精品橋梁工程。

圖7 橋面欄桿立面

5 結束語

連鎮(zhèn)高鐵高郵至鎮(zhèn)江特大橋是一座超長橋梁，沿線跨越眾多河流、航道、道路、管線，穿越城鎮(zhèn)，控制工點多，橋梁總體設計是工程設計的關鍵[12-14]。總體設計建議注意以下內容:(1)合理孔跨布置，應結合防洪評價、通航論證、立交安全評估、橋涵協(xié)議、現(xiàn)場情況及規(guī)劃發(fā)展等因素綜合考慮橋跨；(2)盡量標準化設計，常用跨度橋梁盡量采用預制架設簡支梁，減少變跨，橋墩類型盡量歸并，減少類型；(3)深入研究大跨橋梁、橋群、高架車站等復雜節(jié)點設計和比選；(4)加強專業(yè)接口和施工標段銜接設計。

針對高郵至鎮(zhèn)江特大橋對橋梁樁基、橋墩、橋面附屬等進行了創(chuàng)新設計研究，形成跟鉆法新型管樁施工工藝、高鐵簡支梁調跨橋墩等研究成果，豐富了高鐵橋梁設計方法和經(jīng)驗。連鎮(zhèn)高鐵于2015年9月全線開工建設，2020年12月通車運營。