市域鐵路橋梁總體設計研究

張憲國

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，具有高速度、大運量、公交化等特點的市域鐵路發(fā)展迅速。市域鐵路用于連接城市內(nèi)各組團，設計速度通常為100～160 km/h，線路長度通常為50～100 km，平均站間距約為3 km，其速度及線路長度介于地鐵與高速鐵路之間。

市域鐵路線路含橋梁較多，橋梁長度占線路總長度的比例（以下簡稱“橋長占比”）較高，一般為50%～70%，因此有必要對其橋梁技術標準及總體設計原則進行專門研究和分析。為此，本文以臺州市域鐵路S1線一期工程項目為依托，闡述市域鐵路橋梁總體設計需考慮的內(nèi)容，以期為類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

臺州市域鐵路S1線一期工程是連接臺州市椒江區(qū)、路橋區(qū)及溫嶺市的重要軌道交通線路，起于臺州中心站，止于溫嶺城南站。線路全長52.5 km，橋梁長度為28.5 km，橋長占比為54.3%。市區(qū)內(nèi)水網(wǎng)、路網(wǎng)密集，線路多次在市區(qū)內(nèi)完成橋隧轉(zhuǎn)換。市區(qū)內(nèi)管線密集，沿線跨越的管線有高壓電纜、天然氣管道、國防光纜、雨（污）水管、通信光纜等。

沿線區(qū)域為第四系地層覆蓋，其土層以淤泥質(zhì)黏土層、軟～硬塑粉質(zhì)黏土層為主，橋梁設計須著重考慮深厚軟土上的結(jié)構(gòu)沉降問題。

本線路為無砟軌道線路，區(qū)間正線采用雙線，標準線間距為4.0 m，平面最小曲線半徑為400 m，最大線路縱坡為30‰；設計活載采用ZS活載；車輛采用6輛編組市域D型車，列車的最高設計速度為140 km/h。

3 標準橋梁設計

由于市域鐵路中橋長占比較高，因此選擇經(jīng)濟合理、造型美觀的橋梁結(jié)構(gòu)形式至關重要[1]。市域鐵路標準橋梁設計應在滿足使用功能的前提下，盡量降低工程造價，并兼顧結(jié)構(gòu)外形美觀。

3.1 結(jié)構(gòu)體系選擇

簡支梁體系和連續(xù)梁體系是目前國內(nèi)城市軌道交通橋梁的主要受力體系，其中簡支梁體系應用最廣泛。連續(xù)梁體系的豎向剛度比簡支梁體系大，但其對墩臺基礎不均勻沉降、混凝土收縮徐變、溫度變化控制的要求較簡支梁體系更高。而簡支梁體系雖然剛度不及連續(xù)梁體系，但當橋梁跨度為16 ～40 m時，其剛度足以滿足市域鐵路的要求，可保證列車安全運行并使旅客有較舒適的乘坐體驗[2]?？紤]到臺州市域鐵路S1線一期工程高架區(qū)間大多位于深厚軟土地區(qū)，而軟土層承載力小、壓縮性高的特點將導致墩臺基礎不均勻沉降控制的難度加大，因此其橋梁采用簡支梁體系。

3.2 梁型選擇

市域鐵路橋梁可采用多種梁型，如單箱單室箱梁、并置雙箱梁、U型梁等。下面從主要特點、受力性能、配套墩型、施工方法4方面對上述3種梁型進行對比分析，其結(jié)果見表1。

由表1可知，單箱單室箱梁及并置雙箱梁均為閉合截面，具有良好的整體性，U形梁為開口截面，整體性較前2種梁型稍差；從受力性能看，單箱單室箱梁及并置雙箱梁的抗扭剛度優(yōu)于U型梁[3-5]；從配套墩形看，單箱單室箱梁對應的橋墩墩頂寬度最小，可減少橋墩混凝土方量，而且景觀上較為通透；從施工方法看，3種梁型的施工方法均較為成熟，但單箱單室箱梁和U形梁的施工方法靈活性較并置雙箱梁更高[6]。

表1 梁型對比

經(jīng)上述對比，臺州市域鐵路S1線一期工程的標準橋梁采用單箱單室箱梁。

3.3 標準跨度選擇

橋梁標準跨度的選擇直接影響到項目的整體造價，應充分考慮項目的特殊性，結(jié)合城市景觀、地質(zhì)情況、全線平均墩高等因素進行比選，選擇上下部結(jié)構(gòu)總造價最經(jīng)濟的方案[7]。根據(jù)鐵路和城市軌道交通建設經(jīng)驗，高架區(qū)間簡支梁橋的經(jīng)濟跨度通常不大于40 m。本文根據(jù)本線的典型地質(zhì)情況，對橋墩高度為12 m、跨度分別為30 m和35 m的橋梁工程項目造價進行對比分析，其結(jié)果見表2。

由表2可知，橋梁跨度為35 m時，每延米綜合造價略低。綜合考慮施工組織、工期安排、景觀視覺等方面，本線的標準簡支梁橋跨度采用35 m，局部區(qū)域采用30 m。

表2 30 m和35 m跨度橋梁工程項目造價對比 萬元/m

3.4 橋墩墩型選擇

本線路由于項目用地相對緊張，不適合采用占地較大的H形墩、雙柱墩等橋墩墩型[6]，因此采用混凝土單柱墩。墩身與墩頂之間采用花瓣形曲線連接，使箱梁與橋墩間自上而下自然過渡，產(chǎn)生和諧之美，也可有效減輕建筑結(jié)構(gòu)物的“視覺重量”[8]；同時，在墩柱內(nèi)側(cè)刻槽以增加墩柱立體感，與臺州“和合文化”中“人與自然和諧”“人與人和諧”“人與自我和諧”的理念相契合，見圖1?？紤]到本線在市區(qū)內(nèi)沿市政道路中央綠化帶布置，在設計時力求使橋墩的橫截面尺寸保持一致，盡量減少對既有道路路幅及綠化帶的改造。

圖1 單柱墩效果圖

3.5 墩臺基礎設計

橋梁的墩臺基礎包括擴大基礎和樁基礎2種類型。如果基坑開挖深度小于5 m，基底承載力不小于350 kPa，且沉降計算結(jié)果滿足要求，則可采用擴大基礎。本線路由于沿線軟土層較厚，平均樁長較長，若采用常用的1.25 m樁徑鉆孔灌注樁，施工難度較高，因此根據(jù)線路具體情況（高墩、大跨結(jié)構(gòu)）采用1.5 m、1.8 m或2 m樁徑的鉆孔灌注樁，并盡量減少樁數(shù)量[9-10]。

此外，軟土地區(qū)的橋梁墩臺基礎設計還需要對橋墩剛度、墩臺基礎沉降量、墩臺穩(wěn)定性等進行驗算。

3.6 橋面附屬設施設計

橋面附屬設施為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其設計會對橋梁梁部結(jié)構(gòu)、墩臺基礎的設計產(chǎn)生直接影響，與橋跨結(jié)構(gòu)的總體投資以及后期的使用耐久性、養(yǎng)護維修工作有著密切聯(lián)系[11]。本線路的橋面附屬設施設計具體如下[12-13]，其布置見圖2、圖3。

圖2 無接觸網(wǎng)立柱時橋面附屬設施布置圖（單位：cm）

圖3 有接觸網(wǎng)立柱時橋面附屬設施布置圖（單位：cm）

（1）橋面防排水設施。橋面防排水設施的設計原則是以排為主，以防為輔。設置橋面防水層及保護層，排水采用在梁頂面設置V型坡的形式，將雨水集中至梁端V型坡的最低點，并統(tǒng)一排走。

（2）防護墻。由于本線未設護輪軌，故為防止列車脫軌，設置防護墻，防護墻的高度與軌頂高度一致。

（3）橋面欄桿及聲屏障。橋面欄桿采用通過熱浸鋅防腐處理的鋼欄桿，在環(huán)境敏感地區(qū)設置聲屏障。

（4）電纜槽。為滿足通信、信號、電力等專業(yè)的需要，在防護墻外側(cè)分別設置通信、信號電纜合槽和電力電纜槽，電纜槽也作為維修養(yǎng)護及應急疏散通道使用。電纜槽豎墻在梁體施工完成后進行現(xiàn)場澆筑，梁體施工時在防護墻及電纜槽豎墻對應位置預埋鋼筋，以確?，F(xiàn)場澆筑完成后防護墻及電纜槽豎墻與梁體連接為一體。

（5）接觸網(wǎng)立柱。本線采用的接觸網(wǎng)立柱類型有QJ-B和QJ-C 2種，是根據(jù)牽引供變電專業(yè)的技術要求確定的。橋梁施工時預留接觸網(wǎng)立柱基礎，設置于箱梁翼緣板上，梁部無需加寬。

4 特殊橋梁設計

4.1 凈空受限處橋梁設計

本線路在市區(qū)內(nèi)多次實現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換。由于臺州市區(qū)水網(wǎng)、路網(wǎng)密集，隧道經(jīng)常在下穿河道后立即采用極限坡度出地面，因此在橋隧轉(zhuǎn)換時，難以采用常規(guī)結(jié)構(gòu)的橋梁來跨越道路等既有建筑物，需采用鋼管拱橋、槽型梁橋等，以便降低結(jié)構(gòu)高度，順利實現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換。

例如，馬莊特大橋在距離橋臺200 m處斜交上跨現(xiàn)代大道，是跨度為128 m的鋼管混凝土系桿拱橋，梁長132 m，其橋式布置見圖4。拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度為3.4 m。拱肋為鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)，鋼管內(nèi)填充C50自密實混凝土，鋼管內(nèi)設置16 mm厚的加勁箍，腹板間設對拉桿，增加穩(wěn)定性。拱肋在橫橋向內(nèi)傾9°，形成提籃拱，拱頂處兩拱肋中心距為6.148 m，拱腳處兩拱肋中心距為14.5 m。梁部采用單箱三室預應力混凝土箱梁，橋面寬16.1 m，梁高2.5 m。系梁兩端設進人洞，各箱室均設檢查孔，便于在箱內(nèi)對吊桿等進行檢查與更換。

圖4 馬莊特大橋橋式布置示意圖（單位：cm）

4.2 斜交連續(xù)梁橋設計

本線路跨越的洪家場浦河道寬90 m，與線路的夾角為45°，河道按Ⅶ 級航道設計。線路設置于2 幅公路橋之間（2幅公路橋間凈寬11 m，跨度為（45 + 60 + 45）m）。為與公路橋梁孔跨相對應，本線路設置（45 + 60 + 45）m連續(xù)梁橋，橋墩順河道方向布置，與梁部的夾角為45°，其橋式布置見圖5。

圖5 跨洪家場浦橋橋式布置圖（單位：cm）

箱梁中支點設置3個橫隔板，2個與線路正交，1 個沿橋墩方向，采用斜交正做的方式，支座設置于斜橫隔板位置，這樣處理可使梁部鋼索在左右方向?qū)ΨQ，外觀自然銜接。斜交正做連續(xù)梁0號塊結(jié)構(gòu)布置見圖6。

圖6 斜交正做連續(xù)梁0號塊結(jié)構(gòu)布置圖（單位：cm）

4.3 橋臺后設框架橋接隧道 U 型槽

本線路橋隧轉(zhuǎn)換頻繁，且轉(zhuǎn)換處大部分采用極限坡度，因此如果在橋隧之間設置路基段，則該路基段通常較短（≤50 m）。橋梁、隧道均為剛性結(jié)構(gòu)，而路基為柔性結(jié)構(gòu)，短距離內(nèi)的結(jié)構(gòu)剛?cè)徂D(zhuǎn)換會對線路的后期運營產(chǎn)生較大影響，尤其在軟土地區(qū)這種影響更為突出。為解決上述問題，本線路采用在橋臺后設置小跨度框架橋的方式連接隧道的U型槽?？蚣軜虿辉O支座，且頂板尺寸較小，通過這種方式，既在滿足水位對橋梁高度要求的同時降低了U型槽高度，又避免了在軟土地區(qū)設置短路基，見圖7。

圖7 橋臺后設框架橋接隧道U型槽示意圖（單位：cm）

5 結(jié)語

本文以臺州市域鐵路S1線一期工程為依托，從標準橋梁和特殊橋梁設計2個方面闡述市域鐵路橋梁總體設計需考慮的內(nèi)容，包括標準橋梁結(jié)構(gòu)體系、梁型、標準跨度、橋墩墩型、墩臺基礎、橋面附屬設施的選擇及設計，以及凈空受限處橋梁、斜交連續(xù)梁橋、橋臺后設置框架橋等特殊橋梁設計，可為我國東部沿海軟土地區(qū)市域鐵路橋梁設計提供借鑒和參考。