巖溶地區(qū)高速鐵路應用32m和40m預制簡支箱梁技術經(jīng)濟性比較研究

莫雁冰，莫玲慧，伍斌

（廣西南崇鐵路有限責任公司，廣西 崇左 532299）

1 研究背景

我國高速鐵路建設面臨橋梁工程建設規(guī)模巨大而建設周期相對較短問題。目前，我國廣泛采用以32m 預制簡支梁為主，配以24m 簡支梁調(diào)跨的標準跨徑預應力混凝土簡支梁方案解決建設周期問題[1]。2017 年，新建鄭州至濟南客運專線首次采用40m 整孔預制簡支箱梁實現(xiàn)運架，具備標準化建造條件[2]。高速鐵路40m 簡支箱梁的應用可豐富預制標準梁的跨度序列，高速鐵路在何情況條件下采用40m 簡支箱梁將更具優(yōu)勢，文章作一個案例加以分析研究[3]。

2 項目概述

新建崇左至憑祥鐵路位于廣西壯族自治區(qū)的西南部，是250km/h 高鐵南寧至憑祥高速鐵路的一部分，為南寧至崇左鐵路的延伸，線路東起崇左市崇左南站，向西經(jīng)龍州縣至憑祥市。項目東端經(jīng)南崇鐵路引入南寧樞紐與南廣、柳南、南昆、貴南高鐵以及在建南深高鐵相連，西端遠期與中越高速通道相連，經(jīng)河內(nèi)與萬象—曼谷—吉隆坡—新加坡相通，形成中國與東盟的重要國際運輸通道。

崇憑鐵路在項目可行性研究階段拉通方案共有新建橋梁56 座，共計41206.76 延長米，占新建正線線路總長度的50.8%，其中巖溶橋占橋梁總長比為77.9%。

目前我國高速鐵路預制架設簡支箱梁因受運架設備的控制，跨度大于32m 簡支梁基本采用現(xiàn)澆法或節(jié)段拼接法實施[4]。40m 整孔簡支梁梁部及其下部橋墩均尚無部頒通用圖，需單獨立編制并論證，文章主要就崇憑鐵路對采用預制架設40m 簡支梁方案與采用現(xiàn)行部頒32m 簡支梁（圖號：通橋（2016）2229 系列）方案進行技術經(jīng)濟性比較。

3 經(jīng)濟技術比選參數(shù)設定

崇憑線全線橋梁墩高在3～40m 范圍內(nèi)的橋墩數(shù)量占總橋墩數(shù)量的98.35%，統(tǒng)計表如表1 所示。

表1 崇憑線全線墩高統(tǒng)計表

根據(jù)墩高占比情況，比選按墩高3～20m、20～30m、30～40m 分為三檔分別新建3 座梁跨各為32m和40m 的橋梁工程，進行橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)等比選參數(shù)設定：

第一，分別新建1 座墩高3～20m、梁跨各為32m和40m 橋梁，橋墩高從3m 變化至20m，墩高按每增高0.5m 遞增一級進行，共計35 個橋墩。

第二，分別新建1 座墩高20～30m、梁跨各為32m和40m 橋梁，橋墩高從20.5m 變化至30m，墩高按每增高0.5m 遞增一級進行，共計20 個橋墩。

第三，分別新建1 座墩高30～40m、梁跨各為32m和40m 橋梁，該橋墩高從30.5m 變化至40m，墩高按每增高0.5m 遞增一級進行，共計20 個橋墩。

每座橋梁的橋墩個數(shù)相同，橋長不同，建立比選參數(shù)的橋梁表見表2。

表2 比選橋梁表

4 橋梁工程主要結(jié)構(gòu)及場地設計

4.1 上部結(jié)構(gòu)（梁部結(jié)構(gòu)）

40m 簡支梁采用梁長40.6m，計算跨度39.3m，截面類型為單箱單室等高度簡支箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚，頂板寬12.2m，底板寬5.3m，橫橋向支座中心距為4.4m，截面中心處梁高為2.886m，腹板傾角1∶3.5。截面如圖1 所示。

圖1 40m 簡支梁截面尺寸（單位：mm）

32m 簡支梁采用32m 標準簡支梁[通 橋（2016）2229 系列梁圖]，梁長為32.6m，計算跨度為31.5m，截面類型為單箱單室等高度簡支箱梁，梁端頂板、底板及腹板局部向內(nèi)側(cè)加厚。支座中心線至梁端0.55m，梁高為2.686m，頂板寬為12.2m，底板寬為5.3m。現(xiàn)行32m 標準簡支梁梁斷面如圖2 所示。

圖2 通橋（2016）2229 簡支梁截面尺寸（單位：mm）

32m 與40m 簡支梁技術、經(jīng)濟參數(shù)對比見表3。

表3 梁型對比表

由表3 可知，結(jié)構(gòu)尺寸及梁重方面，40m 簡支梁較現(xiàn)行32m 簡支梁大；剛度、基頻方面，40m 簡支梁較現(xiàn)行32m 簡支梁小；梁端轉(zhuǎn)角、殘余徐變上拱方面，40m簡支梁較現(xiàn)行32m 簡支梁大；每延米經(jīng)濟指標方面，40m 簡支梁較現(xiàn)行32m 簡支梁略大。

4.2 橋墩結(jié)構(gòu)

40m 簡支梁橋墩根據(jù)40m 簡支梁進行設計，頂帽為縱向?qū)挾葹?.6m、橫向?qū)挾染鶠?.0m 的圓弧形截面，由墩身至頂帽以圓弧過渡。頂帽頂設置排水坡，頂帽與墩身相互間不設飛檐。墩身采用圓弧形截面，并根據(jù)墩身高度分別采用直坡等截面和變坡變截面，直坡和變坡分界墩全高為12m，墩頂縱向尺寸分別為2.2m、2.5m、2.8m，橫向尺寸均為6.2m。詳見圖3、圖4。

圖3 40m 簡支梁橋墩立面圖（h≤9m）（單位：cm）

圖4 40m 簡支梁橋墩平面圖（h≤9m）（單位：cm）

32m 簡支梁橋墩統(tǒng)一采用標準設計圖集：通橋（2017）4201（速度250km/h）雙線圓端形實體墩通橋。

4.3 基礎結(jié)構(gòu)

采用該線典型地質(zhì)，即巖溶地區(qū)橋梁，基礎采用樁基，比選時考慮巖溶處理。巖溶地區(qū)墩臺樁基均采用拋填片石夾黏土混合物處理溶洞，并考慮困難段鋼護筒跟進。樁基遇斜巖面采用回填混凝土處理。

4.4 梁場設計

結(jié)合《鐵路大型臨時工程和過渡工程設計規(guī)范》（Q/CR 9149—2018），崇憑鐵路梁場設置主要按以下原則考慮。第一，每個梁場規(guī)模不小于100 孔。梁場供梁半徑滿足1d 架設完成1 孔箱梁，運梁車滿足1d架設完成1 孔箱梁，合理走行距離一般控制在20km以內(nèi)。制梁場合理的供梁范圍控制在30～35km，一般不超過40km。梁場盡量靠近橋梁集中地段，特別是梁孔數(shù)量較多的長橋附近，以縮短運梁距離，加快架梁進度和節(jié)約運梁投資。同時，應充分考慮技術復雜橋梁、高墩橋梁以及大跨連續(xù)梁橋?qū)芰汗て诘目刂啤５诙鶕?jù)以往項目經(jīng)驗，梁場投資差異主要受箱梁供應半徑控制。橋梁重心分布情況、工程地質(zhì)條件以及控制性工程工期等諸多因素均對梁場投資影響較大。此外，架梁進度因素是影響梁場制梁臺座及存梁臺座的主要因素，40m 梁型的變化對梁場影響并非其主要因素。據(jù)測算，40m 預制梁場指標明顯高于32m 預制梁場，每延米指標約高出30%。

5 技術經(jīng)濟比較分析

5.1 選用32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算

5.1.1 根據(jù)橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)比選參數(shù)設定原則，采用3～20m 墩高的32m 簡支梁為36 孔，墩臺37 個，橋長1189.2 延長米。主要工程概算如表4所示。

表4 3～20m 墩高32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.1.2 根據(jù)橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)比選參數(shù)設定原則，采用20～30m 墩高的32m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長698.7 延長米。主要工程概算如表5 所示。

表5 20～30m 墩高32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.1.3 根據(jù)橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)比選參數(shù)設定原則，采用30～40m 墩高的32m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長698.7 延長米。主要工程概算如表6 所示。

表6 30～40m 墩高32m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.2 選用40m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算

5.2.1 根據(jù)橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)比選參數(shù)設定原則，采用3～20m 墩高的40m 簡支梁為36 孔，墩臺37 個，橋長1477.2 延長米。主要工程概算如表7所示。

表7 3～20m 墩高40m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.2.2 根據(jù)橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)比選參數(shù)設定原則，采用20～30m 墩高的40m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長866.7 延長米。主要工程概算如表8 所示。

表8 20～30m 墩高40m 跨預制箱梁作為主要梁型的工程概算表

5.2.3 根據(jù)橋梁模數(shù)及墩高級數(shù)比選參數(shù)設定原則，采用30～40m 墩高的40m 簡支梁為20 孔，墩臺21 個，橋長866.7 延長米。主要工程概算如表9 所示。

5.3 經(jīng)濟指標比較

通過對表4～表9 對應數(shù)據(jù)分析對比可知，崇憑鐵路項目采用40m 跨箱梁作為主要梁型投資較采用32m 跨箱梁作為主要梁型投資少，具體投資對比詳見表10。

表10 32m 跨與40m 跨預制箱梁經(jīng)濟性指標對比表

5.4 技術經(jīng)濟比選結(jié)論

此次簡支梁方案比選采用該線典型地質(zhì)，即巖溶地區(qū)橋梁，并計入巖溶處理數(shù)量。橋梁墩高按照0.5m 級度遞增，比選3～20m、20～30m、30～40m 不同墩高時橋梁主要工程數(shù)量。根據(jù)橋梁主要工程量和概算得出如下結(jié)論：第一，在該線典型地質(zhì)條件下，僅考慮巖溶處理的費用，不考慮梁場投資影響，40m梁方案較32m 梁方案投資指標均降低。墩高3～20m，每延米節(jié)約1.45%（1000 元）；墩高20～30m，每延米節(jié)約0.8%（700 元）；墩高30～40m，每延米節(jié)約3.7%（4100 元）。采用40m 梁每延米指標降低均在5%之內(nèi)，經(jīng)濟性不顯著。第二，若考慮梁場投資影響，40m 簡支梁梁場投資比32m 簡支梁梁場投資高30%，40m 梁方案較32m 梁方案投資節(jié)省極低。

5.5 推薦梁型選用方案

崇憑鐵路共有橋墩1154 個，其中墩高大于30m 橋墩共計52 個，占所有橋墩總個數(shù)4.51%，占比較小，因此，40m 簡支箱梁方案對于本線的經(jīng)濟性優(yōu)勢不明顯。目前國內(nèi)采用40m 簡支梁的鐵路項目少，40m 簡支梁架橋機普及和應用少，施工熟練程度相對較低，有效解決建設周期相對較短問題效果不明顯。此外，崇憑鐵路是南崇鐵路的延伸，與南崇鐵路采用同一種梁型便于全線統(tǒng)一，利于建設、運營及維修養(yǎng)護。綜上，此次推薦選用跨度32m 簡支梁方案，不推薦選用跨度40m 簡支梁方案。

6 結(jié)語

綜上所述，此次簡支梁方案比選采用典型地質(zhì)，即巖溶地區(qū)高速鐵路32m 和40m 預制簡支梁箱橋技術經(jīng)濟性比較研究，根據(jù)分析結(jié)果可以推斷，40m 簡支箱梁經(jīng)濟性指標主要取決于墩高、地質(zhì)條件等因素。在墩高大于40m 時，采用40m 簡支梁將經(jīng)濟性較明顯，采用墩身越高，40m 簡支箱梁方案越省。