西安市東二環上跨隴海鐵路大橋方案研究

王文濤

中鐵二院工程集團有限責任公司 四川 成都 610000

橋型的選擇不僅對局部節點本身的經濟性、美觀性、施工方案產生影響，而且間接影響到整個工程的造價、施工周期以及城市景觀的要求。選用合理的結構型式對全線景觀效果、降低整體工程造價、提高施工速度及便捷性、減少對既有地面交通以及其他控制性構筑物的干擾等有著重要意義。因此西安二環路上跨隴海鐵路大橋受二環路主線位置的制約，橋位選擇空間不大，本項目的關鍵點在于橋型方案的選擇以及轉體施工上[1]。

1 工程概況

東二環主線高架上跨隴海鐵路大橋節點位于長纓東路與含元路之間，現狀為下穿西安東站的金花隧道，原有東二環四車道主線與四車道輔道共用六車道的下穿隧道，因此該處長期成為東二環的通行瓶頸。現計劃將拓寬為雙向六車道后的東二環主線與輔道分離，新建一座跨西安東站的大跨徑橋梁作為東二環主線，既有下穿隧道作為輔道。

2 建設條件分析

2.1 地形地貌

大橋擬建場地地勢平坦，鐵路北地段地面標高介于4 0 3.6 7～4 0 5.5 9 m 之間，鐵路南地段地面標高介于4 0 6.32～4 07.74m之間。西安東站內股道軌面標高介于406.339～407.347m之間。總體地形較平坦，西安東站兩側標高相差不大，地形條件較好。

2.2 地質條件

根據勘探揭露，場地地層自上而下依次為：第四系全新統人工填筑土 (Q4ml)、第四系全新統沖洪積黏質黃土(Q4alpl)、第四系晚更新統風積黏質黃土(Q32eol)、第四系晚更新統風積黏質黃土(Q31eol)、第四系晚更新統殘積古土壤(Q3el)、第四系晚更新統沖積黏質黃土(Q3al)。

場區抗震設防烈度為Ⅷ度，設計地震加速度為0.20g。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)之附錄B，場區地震動反應譜特征周期為0.35s。

根據《西安地裂縫場地勘察與工程設計規程》(DBJ24-6-88)的規定，擬建工程不受f3地裂縫的影響。此外，未發現其它不良地質現象。

綜上，橋位處工程地質狀況一般，抗震設計以及超長樁基是后續設計的重點。

2.3 主要交叉構造物

東二環上跨隴海鐵路大橋與多處既有構造物交叉，包括隴海鐵路上、下行正線、車輛整備所、華清東路高架橋及西安地鐵三號線等，其下方場地條件復雜，鐵路管線和設施眾多。因此，跨越隴海鐵路干線宜盡量考慮工期短，對鐵路運營干擾小的施工方案[2]。跨越車輛整備所由于股道多，且該部分股道主要是用于客車進出檢修之用，可考慮搭設防護棚的施工方案。

3 橋位選擇

3.1 橋位選擇原則及控制

⑴符合道路功能和路線總體走向的要求。

⑵橋位區無影響橋梁建設的地質病害或地質病害較少。

⑶橋位地形地質條件有利于墩臺布設，并降低橋梁規模。

⑷本橋的橋位方案與兩側接線工程方案緊密關聯，需要兩側互通立交的接線的工程方案進行綜合研究。

3.2 主要制約因素

根據前文中描述的地形、地質條件，本項目橋位可選空間有限，主要制約因素有：

圖2 橋位平面示意圖（圖片來源：作者自繪）

(1)金花隧道：金花隧道作為地面輔道保留其使用功能，因此橋位只能布置在金花隧道兩側。

(2)地鐵三號線：目前已經在通車運營，橋梁下部樁基外側應盡量保持安全距離，避免施工擾動影響地鐵運營安全。

(3)西安高架快速干道立交：北側與西安高架快速干道交叉，設置互通式立交。立交匝道的布置影響主線的走向，目前匝道出入口加寬段已進入主橋范圍。

(4)樓房建筑：橋位處的西南象限、東南象限、東北象限均存在高層建筑，因此線位的布置只能利用既有華清路立交環形匝道內的空間。

(5)鐵路設施：主要包括位于兩側的隴海鐵路上、下行正線、機走線以及車輛整備所的21條整備股道。

3.3 橋位選擇結論

依據以上制約因素，橋位選定東線方案和西線方案。其中西線方案受地鐵三號線影響，主橋跨度需設置在320m以上。東線方案南側利用華清路高架與隴海鐵路正線之間的空間設置橋墩，北側不受控制，主橋跨徑在270m。無論是采用轉體施工還是頂推施工，隨著跨徑的增加，施工難度幾何性增加。因此經過綜合比選，僅選取東線方案開展橋型方案研究[3]。

4 橋型選擇

4.1 橋型方案設計原則

根據本項目工程特點，在橋梁設計過程中除認真執行“安全、耐久、適用、環保、經濟、美觀”的技術方針外，還應遵守以下原則：

⑴因地制宜，統籌兼顧，走可持續發展道路。

⑵重視結構耐久性，可到達，可檢查、可養護、可維修、可更換。

⑶充分利成熟技術，推動橋梁技術進步。

⑷注重景觀，將橋梁結構與城市環境景觀融合。

⑸重視環保、節約，創優質工程。

4.2 跨徑選擇

一般來說，鐵路范圍內用地均有規劃需求，相關鐵路設施遷改困難。鐵路內設置永久性橋墩條件困難，且施工場地如在鐵路內部，施工設備進場和施工材料運輸的難度也很大，因此采用主跨一跨跨越隴海鐵路干線和車輛整備所的橋型方案應更為適宜。

圖3 跨徑選擇示意圖（單位：m）

考慮主墩基坑施工安全的要求，東二環上跨隴海鐵路大橋主橋一跨跨越隴海鐵路和車輛整備所的跨度約為270m左右。此時南側華清路高架橋與隴海鐵路下行線之間的空間恰好可以用用作轉體施工之前的現澆施工場地。

邊跨跨徑的選擇主要是利用南側環形匝道內的空間設置輔助墩、交界墩，邊跨跨徑108m，邊中跨比0.4。北側考慮與南側邊跨對稱布置，最終選定（108+270+180）m的跨徑組合。

4.3 橋型方案

適合此跨徑的橋梁形式有矮塔斜拉橋、斜拉橋、下承式系桿拱橋以及懸索橋。若采用常規懸索橋方案需設置重力式錨碇，錨碇設置困難，影響城市景觀且不經濟；270m主跨的自錨式懸索橋跨徑較大，設計和實施難度很大，同時由于自錨式懸索橋需先梁后索，主梁施工對鐵路干擾大，因此首先將其排除。矮塔斜拉橋由于結構高度太高（經估算270m跨度的矮塔斜拉橋根部梁高將達到8m左右），路線縱坡難以滿足要求橋下凈空要求，因此也不再考慮。下承式系桿拱橋也是跨越鐵路是常用的橋型選擇，不過采用鐵路部門允許的轉體施工無足夠的施工空間，鐵路場站內無法搭設臨時支承墩又否定了頂推施工方案。因此本項目考慮施工方案也不再對拱橋進行研究[4]。

斜拉橋主跨梁體結構高度較低，能夠滿足橋下凈空要求，同時，施工上可考慮采用轉體或頂推施工，對鐵路的影響相對較小，方案具有可實施性，因此對（108+270+108）m跨徑組合的雙索面斜拉橋和單索面斜拉橋方案進行進一步的重點比較和分析。

5 橋梁結構設計

5.1 方案一：雙塔三跨雙索面混凝土斜拉橋方案

5.1.1 總體布置

由于東二環跨越鐵路橋梁主橋主跨能夠一跨跨越隴海鐵路及車輛整備所，采用混凝土梁后期維護保養工作少，對運營鐵路干擾少，并且邊跨經過配重能以經濟跨徑跨越地方市政道路及地鐵，因此經過分析比選后推薦采用（108+270+108）m的雙塔三跨雙索面斜拉橋方案。南側邊跨跨徑組合為（40+68）m，北側邊跨跨徑組合為（68+40）m。主梁采用預應力混凝土箱梁，索塔采用寶石型索塔，橋墩采用矩形實心墩，群樁基礎。

圖4 方案一斜拉橋橋型總體布置（單位：m）

該橋型方案氣勢宏偉，結構造型獨特，既較好地適應了路線平面線形和結構受力的需要，又體現了變化的美學韻律，主塔造型美觀新穎.本方案城市景觀效果較好，能夠體現結構造型與周邊環境融合的結合美，建成后必將成為該地的標志性建筑之一[5]。

5.1.2 結構體系

本方案采用半飄浮體系，索塔處設豎向支座及橫向抗風支座，主梁縱向漂浮；輔助墩和過渡墩處設一個單向活動支座和一個雙向活動支座，橫向設擋塊；索塔和主梁交界位置全橋設置八套粘滯阻尼器。

5.1.3 主梁設計

考慮到橋梁下方有電氣化鐵路接觸網，主橋結構宜采用混凝土而非鋼梁，以減少對鐵路的干擾和影響。1995年Svensson曾對200～1000m跨徑斜拉橋選用不同材料主梁的經濟性作過研究，認為跨徑在200～400m時，采用混凝土主梁是最經濟的。因此本橋從涉鐵需求和經濟性上考慮，主梁選用預應力混凝土結構。

適合雙索面斜拉橋的混凝土主梁的主要結構形式有實體式板梁、π型梁、雙邊箱梁以及P-K梁等。實體式板梁、π型梁無論是構造還是施工，都是比較簡單，但適用條件比較受限，如實體式板梁一般適用于橋寬不大的情況。因此綜合考慮本橋的寬度、結構需求、施工、景觀等因素后，選擇采用了分離式的雙邊箱梁截面作為主梁的結構形式。雙邊箱梁具有抗扭、抗彎剛度大，能適應多種斜拉索布置形式以及施工方式的特點。設計橋面全寬36.5m，梁高3.0m，具體截面如圖5所示。

圖5 方案一主梁跨中斷面圖（單位：cm）

5.1.4 索塔及基礎

圖6 方案一索塔構造圖（單位：cm）

雖然斜拉索的直線線形與基本等高、纖細的梁體形成的結構體現了斜拉橋的結構美感，但索塔結構形式的選擇才是斜拉橋景觀設計的重中之重，在美學上起到決定性的作用。本橋索塔選擇了變形的寶石型塔，考慮盡量減小轉體施工上轉盤的尺寸，將雙肢塔墩盡量收窄。正面看如同漢語的“合”字，其成為2021“一帶一路”年度候選漢字，正寓意西安市作為古絲綢之路的起點和“一帶一路”的重要節點城市的地位。

橋面以上塔高70m，塔墩高15m，采用矩形空心結構。主墩承臺合修，主墩每個承臺下接18根直徑φ2.5m的鉆孔灌注樁。

5.1.5 斜拉索

斜拉索采用空間索面扇形布置，全橋共有84對斜拉索。中跨標準段拉索縱向間距6m，邊跨索距結合其跨度適當調整。

斜拉索目前主要有兩種類型，即平行鋼絲束和平行鋼絞線斜拉索，鋼絞線斜拉索較平行高強鋼絲斜拉索強度高，能減少斜拉索用量，自重輕，垂度小，可提高斜拉索剛度，鋼絞線斜拉索安裝簡單、易于操作。但是鋼絞線斜拉索直徑較同等面積的平行鋼絲束斜拉索略粗，截面面積略大，斜拉索所受靜風荷載相對較大。綜合考慮，本方案擬采用平行鋼絲斜拉索。

梁上錨固形式采用混凝土錨固塊，塔上錨固形式采用鋼錨梁。

5.2 方案二：雙塔三跨單索面混凝土斜拉橋方案

東二環上跨隴海鐵路大橋方案二采用了跨徑270m的雙塔三跨對稱單索面混凝土斜拉橋方案（邊跨采用壓重與中跨荷載平衡）。南側邊跨跨徑組合為（40+68）m，北側邊跨跨徑組合為（68+40）m。

方案二采用半飄浮體系，塔梁固結，設置豎向支座與主墩相連。主梁縱向漂浮；輔助墩和過渡墩處設一個單向活動支座和一個雙向活動支座，橫向設擋塊。

設計橋面全寬為37m，主梁采用預應力混凝土箱梁，采用單箱五室斜腹板結構形式，根部梁高6m，跨中梁高3.5m。主橋墩為矩形花瓶狀，主塔為實心H型鋼筋混凝土結構，主墩每個承臺下接18根直徑φ2.5m的鉆孔灌注樁。橋面以上塔高70m，中跨標準段拉索縱向間距8m。

圖7 方案二主梁跨中斷面圖（單位：cm）

該橋型方案氣勢宏偉，結構造型獨特，正面看如同寶劍刺入蒼穹，氣勢恢弘。

6 施工方案

6.1 基礎施工

由于承臺開挖斷面靠近既有鐵路邊緣，基礎施工期間對既有鐵路有一定的影響。承臺開挖期間可采取一下防護措施：對主墩承臺基坑靠鐵路側四壁，采取鉆孔灌注樁加水平撐桿的支護形式，樁和樁之間采用網噴防護。同時施工期間對基坑靠鐵路側進行系統監測，觀察支護樁頂水平位移、樁身側向變形、地下水位等，并根據實際觀察情況采取臨時應急措施[6]。

6.2 施工防護棚

施工期間需對涉及到的鐵路設施搭設防護棚，確保鐵路設施的絕對安全。防護棚由跨越隴海鐵路正線、車輛整備棚以及轉提前順隴海鐵路方向搭設的兩道防護棚共四個部分組成。

6.3 主梁施工

經過與鐵路主管部門溝通，跨越隴海鐵路正線需要采用頂推或轉體施工，跨越整備線可采用掛啦施工，因此主梁施工采用“轉體施工+懸臂掛籃”相結合的方式，即主橋跨越隴海鐵路部分梁部采用轉體施工，轉體完成后跨越車輛整備所以及合龍部分采用全封閉掛籃施工，轉體長度48m+48m，方案一轉體重量約為15000t，方案二轉體重量約14000t，轉體角度均為逆時針旋轉68°。邊跨剩余主梁采用支架現澆施工。

圖8 橋梁施工方式及轉體示意圖

7 結束語

對于城市道路建設中涉及到鐵路的橋梁方案設計，涉鐵施工的可行性以及與城市建設景觀協調一致是兩個重點。本文通過分析相應的建設條件，提出了兩個切實可行的方案，并針對方案各部位結構形式的選擇提出了設計原則，可為其他類似項目提供參考。