青島市淮河路上跨膠黃鐵路立交橋方案研究

陳洪濤 郭德才

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

隨著國家經濟的快速發展,在交通設施建設過程中,公路、鐵路相互交叉的情況越來越多,面臨的工程情況也越來越復雜。 許多學者進行相關方面的研究,魏毅強針對保阜高速公路上跨京廣鐵路提出轉體T構、獨塔單索面斜拉橋、T 梁3 種解決方案,認為T 構能顯著減少對鐵路的影響,并確保鐵路運營安全[1];周國鋒結合濟南市開源路公跨鐵立交橋工程,對比分析雙塔斜拉橋、矮塔斜拉橋、獨塔斜拉橋3 種方案,最終選擇施工風險低、施工及運營期間對鐵路影響較小的雙塔斜拉橋方案[2];葉長允針對濱萊高速公路跨膠濟客專工程矮塔斜拉橋轉體、預應力混凝土連續梁轉體和預應力混凝土T 構3 個方案,分別從施工方法、轉體噸位以及對鐵路干擾程度等方面進行對比分析,最終選擇轉體連續梁方案[3]。

綜上所述,對于公跨鐵橋梁,在保證既有鐵路安全的前提下,應從結構形式、施工方法等多方面比較選擇。 以下結合青島市淮河路上跨膠黃鐵路立交橋工程,分別從整體線形、對既有鐵路的影響程度、結構形式、施工難度、橋梁景觀性等方面進行方案比選。

1 工程概況

青島市淮河路上跨膠黃鐵路立交橋為整個淮河路高架橋工程的控制點,該處工點位于山東省青島市黃島區,是該區乃至整個青島的重點建設項目。 項目西連淮河西路,北連黃島立交和疏港高速,南連江山北路和黃河路立交,東連劉公島路和第二海底隧道。 其中,第二海底隧道已開工建設,作為主疏解通道,構成西海岸新區快速路網“三橫”中的一橫,項目建成后,對于加快青島市建設和經濟發展具有重要意義。

2 現狀條件及控制因素

項目與膠黃鐵路交叉,位于黃島站中部,交叉角度為78°。 橋下共計21 股鐵路,由西向東分別為存車場線,Ⅱ場線、Ⅲ場線、油專線。 既有淮河路采用框架橋,以下穿方式通過,跨徑為8-16-8 m,凈高5 m,雙向六車道+人非混合。 Ⅱ場線、Ⅲ場線已電化,其中Ⅱ場線電氣化立柱高16 m;Ⅲ場線電氣化立柱高20 m,未掛網。

由工點位置沿淮河路向東約100 m 為規劃“空鐵”,空鐵頂部設計高程為19.42 m,既有淮河路與規劃淮河路立交橋分別從該貨運空鐵上方和下方穿過,這在一定程度上限制規劃淮河路的縱斷高程。

龍崗山路在工點東側約700 m 處與既有淮河路平交,新建立交會影響東側上下匝道長度,若縱斷較高,則匝道較長,東側龍崗山路被匝道阻斷。 橋位平面見圖1。

圖1 橋位平面

3 主要技術指標

道路等級:城市快速路;

設計速度:80 km/h;

荷載等級:城-A 級1.3 倍;

車道布置:雙向六車道;

地震設防烈度:6 度(0.05g);

涉鐵工程橋梁凈空:運營階段取8.5 m。

4 總體方案

4.1 南移方案

橋位位于既有淮河路南側,對既有淮河路影響小,以直線方式布置,采用“轉體+頂推+架橋機”施工工藝組合。 本方案與既有淮河路錯開布置,施工及運營期間對既有淮河路影響較小。 但受淮河路高架橋西側互通、空鐵影響,涉鐵橋梁縱斷面受控,需通過遷改鐵路設備使橋梁縱斷面降低[4]。

4.2 路中方案

橋位位于既有淮河路正上方,以直線方式布置,采用轉體施工工藝。 分別于Ⅲ場線東側、Ⅱ場線與存車場線之間設置轉體主墩,Ⅲ場線與Ⅱ場線間設置過渡墩,橋墩均采用門式墩[5-6],以保證既有淮河路通行。受淮河路高架橋西側互通、空鐵及東側上下匝道影響,涉鐵橋梁縱斷面受控,需通過遷改鐵路設備使橋梁縱斷面降低。

5 橋梁設計方案

5.1 南移斜拉橋方案

(1)橋型布置

采用35 m 小箱梁跨越存車場線,采用65 m 頂推鋼箱梁跨越Ⅱ場線,采用2×126 m 轉體斜拉橋跨越Ⅲ場線及空鐵。 橋位平面見圖2、橋型布置見圖3。

圖3 南移斜拉橋方案橋型布置(單位:cm)

(2)2×126 m 轉體斜拉橋

主梁采用單箱三室截面箱梁,梁高3.6 m[7],跨高比為35,梁頂頂寬34.4 m,底寬11.5 m,底板厚30～60 cm,頂板厚30～75 cm;采用三向預應力體系[8]。

主塔布置在主梁截面中央,人字形橋塔,塔身采用矩形空心截面,整體塔高82 m,有效塔高70.8 m,塔跨比0.56[9]。 橋梁典型斷面見圖4。

圖4 南移斜拉橋方案典型斷面(單位:cm)

斜拉索采用PESC7 mm 鍍鋅高強度平行鋼絲束[7],其標準強度不低于1 770 MPa[11]。 斜拉索在梁上的索間距為6.0 m,在塔上的索間距為2.0 m,最外側斜拉索傾角為30°,全橋共設置34 對斜拉索。

橋梁采用塔梁墩固結體系[12],主梁與過渡墩間設支座連接。

(3)65 m 頂推鋼箱梁

主梁采用單箱四室等高鋼箱梁,梁高3 m。 受西側互通匝道影響,橋梁變寬,梁頂頂寬34.4～34.74 m,底寬25.4～25.735 m,懸臂長4.5 m。 梁體與橋墩采用支座連接。

(4)2×35 m 小箱梁

采用簡支橋面連續小箱梁,主梁梁高1.8 m,受西側互通匝道影響,橋梁變寬(寬34.74～43.89 m),其中西側橋跨由12 片中梁、2 片邊梁組成,東側橋跨由10 片中梁、2 片邊梁組成,濕接縫寬度根據實際情況調整。 梁體與橋墩采用支座連接。

(5)下部結構

2×126 m 斜拉橋轉體主墩采用Y 形墩。 墩底縱橫向尺寸為11.0 m×11.9 m[13-14]。 主墩承臺分3 層,承臺厚度分別為3.0 m、1.8 m、6.8 m。 上層為上轉盤,縱橫向尺寸為18.0 m×18.0 m;中層放置轉體球鉸支座,縱橫向尺寸為19.0 m×19.0 m;下層為下轉盤,縱橫向尺寸為25.7 m×28.4 m。 基礎采用群樁基礎,采用39 根φ2.0 m 鉆孔灌注樁。

其他橋墩采用花瓶式橋墩,墩頂設大懸臂預應力蓋梁,墩底接承臺,基礎采用鉆孔灌注樁基礎。

(6)施工工藝

2×126 m 斜拉橋擬采用轉體法施工[15]。 首先施工橋梁下部結構;然后順鐵路線路方向搭設支架,現澆梁體及橋塔;鐵路要點,封鎖線路,采用墩底轉體施工工藝,將橋梁轉體就位;2×35 m 小箱梁擬采用梁場預制,架橋機要點架設施工工藝;65 m 鋼箱梁擬在西側小箱梁上拼裝,頂推施工至平面位置后落梁就位[16-18];最后施工橋面附屬,成橋。

(7)方案評價

盡管該方案對既有淮河路影響相對較小,但從對既有鐵路線的影響程度來看,Ⅱ場線既有電氣化立柱橫跨5 股道,可將軟橫跨改為硬橫跨,立柱高度由16 m 降為11 m,且平面位于直線,可通過調整電氣化立柱位置,滿足鐵路部門關于“立柱距離橋梁邊緣大于5 m”的要求,此時凈高可按8.5 m 控制。 Ⅲ場線既有電氣化立柱未掛網,立柱高20 m。 轉體施工時可將立柱拆除,待轉體完成后恢復,轉體過程中凈高不受立柱限制。 成橋后,由于鐵路平面為曲線,受立柱縱向跨距影響,無法滿足鐵路部門關于“立柱距離橋梁邊緣大于5 m”的要求。 為降低橋梁縱斷,通過改動Ⅲ場東側2 股鐵路線路,向東撥移1.5 m,以滿足接觸網立柱遷改為硬橫跨條件,立柱高度可由20 m 降為11 m,凈高可按16 m 控制。 本方案對鐵路站場影響較大,從整體來看,該方案線形也相對較差。 另外,因縱斷面較高,東側龍崗山路需通過既有淮河路進行交通轉換。因此,需對路中方案進行詳細研究。

5.2 路中T 構方案

對于路中方案而言,僅需調整個別接觸網立柱,對既有鐵路影響較小,但需重點解決3 個方面的問題:①橋梁主跨跨越14 股鐵路,邊跨受油專線、空軌和龍崗山路匝道控制,需采用不平衡大跨轉體,考慮通過配重、設置臨時撐腿和臨時索塔的方式解決;②該方案在既有淮河路路中修建,為保證既有淮河路通行,橋梁下部結構采用門式墩;③根據鐵路部門相關規定,為減小對鐵路運輸的影響,應優先選擇轉體施工方案[19-20],故選擇在門式墩上方設置轉體支座,轉體施工。

針對該線位,結合項目現場條件,對(135+80) m跨橋梁結構進行T 構橋型和斜拉橋橋型的比選。 其中,下部結構及(67+78) m 轉體T 構方案與路中斜拉橋方案一致。 橋位平面見圖5。

圖5 T 構方案橋位平面(單位:m)

(135+80) m 轉體T 構主梁采用單箱三室變截面鋼箱梁,中支點根部梁高8.0 m,135 m 跨邊支點梁高4.0 m,80 m 跨邊支點梁高3.2 m,梁高采用拋物線變化。 橋梁頂寬29.9 m,底寬20.9 m,懸臂長4.5 m。 梁體與橋墩采用支座連接。 橋型布置見圖6,典型斷面見圖7。

圖6 T 構方案橋型布置(單位:cm)

圖7 T 構方案典型斷面(單位:cm)

5.3 路中斜拉橋方案

(1)橋型布置

采用(67+78) m 轉體T 構跨越存車場線及Ⅱ場線,采用(135+80) m 轉體斜拉橋跨越Ⅲ場線。 橋位平面見圖8,橋型布置見圖9。

圖8 路中斜拉橋方案橋位平面(單位:m)

圖9 路中斜拉橋方案橋型布置(單位:cm)

(2)(135+80) m 轉體斜拉橋

主梁采用單箱五室截面鋼箱梁,梁高3.5 m,跨高比為38.6,頂寬34.4 m,底寬16.0 m。

主塔布置在主梁截面中央,塔身采用矩形鋼箱梁截面,整體塔高66 m,有效塔高55 m,塔跨比0.4。

斜拉索采用PESC 鍍鋅高強度平行鋼絲束(φ7 mm),其標準強度不低于1770 MPa;135 m 跨上斜拉索索間距為10.0 m, 80 m 跨上為5.0 m,塔上索間距為2.5 m,最外側斜拉索傾角為23.8°,全橋共設置24 對斜拉索。

結構體系為塔梁固結體系,梁體與橋墩采用支座連接。 橋梁典型斷見圖10。

圖10 路中斜拉橋方案典型斷面(單位:cm)

(3)(67+78) m 轉體T 構

主梁采用單箱四室變截面鋼箱梁,中支點根部梁高5.2 m,邊支點梁高3.2 m,梁高采用拋物線變化。受西側互通匝道影響,橋梁變寬,頂寬變化范圍為34.4～43.76 m,底寬變化范圍25.4～34.76 m,懸臂長4.5 m[22-23]。

(4)下部結構

為避免高架橋橋墩影響既有淮河路通行,橋梁下部結構均采用門式墩,門式墩凈距16 m,與既有淮河路下穿鐵路框架中間孔對齊,以保證中間孔道路的正常通行。 根據初步計算結果,為適應上部梁體支座反力,墩頂采用預應力蓋梁。 橋墩側墻厚度定為2 m,由圖10 可知,側墻侵入兩側道路1.3 m, 但對兩側道路通行影響不大,墩底設承臺,承臺厚3.2 m。 基礎采用φ2.0 m 鉆孔灌注樁基礎[24]。

(5)施工工藝

擬采用轉體法施工。 首先施工橋梁下部結構,為減少對既有道路運營的干擾,門式墩兩側墻分開施工,施工一側,封閉一側,保證有一側道路正常通行;然后順鐵路線路方向搭設支架,拼裝鋼箱梁及橋塔;再采用墩頂轉體施工工藝,將橋梁轉體就位;最后施工剩余橋跨,成橋。

6 橋梁方案比選

結合以上論述,分別從工期、結構形式及施工特點等方面對3 種方案進行比較(見表1)。

表1 3 種橋梁方案比較

通過分析,相較于南移斜拉橋方案,路中斜拉橋方案整體線形好,工期短,投資較低;相較于路中T 構方案,施工風險相對較低,且造型能更好滿足景觀性要求。 綜合考慮,路中斜拉橋方案具有較大優勢。

7 結語

結合實際的建設條件分別從線路整體線形、上下部結構設計、施工工藝以及對既有線路的影響等方面。對南移方案、路中斜拉橋方案以及路中T 構方案進行深入比選,最終采用路中斜拉橋方案。 相較于其他兩個方案,該方案綜合考慮線路整體線形,合理利用門式墩的特點,有效減小對既有淮河路的影響,結合孔跨布置,采用墩頂大跨不對稱轉體斜拉橋和轉體T 構兩種結構形式相結合方式,實現對21 股鐵路線的跨越。