轉(zhuǎn)體法上跨高速鐵路大跨度跨座式單軌組合橋總體設(shè)計

趙 博 張崇斌 焦亞萌

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程的加速推進(jìn),節(jié)能、環(huán)保、低碳成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展主題[1]?？缱絾诬壗煌ㄏ到y(tǒng)采用“梁軌合一”結(jié)構(gòu)[2],具有環(huán)保性能優(yōu)異、景觀效果好、地形地貌適應(yīng)能力強(qiáng)、建設(shè)周期短、投資低等優(yōu)點(diǎn)[3],特別適合中小城市和特大城市衛(wèi)星城的軌道交通建設(shè)[4]。目前,國內(nèi)已有多個城市正在建設(shè)或準(zhǔn)備建設(shè)跨座式單軌交通項(xiàng)目[5],受地形和線路條件限制,跨座式單軌線路難以避免與既有營運(yùn)鐵路線交叉,屬于高風(fēng)險節(jié)點(diǎn)[6-7]。因此,選擇合理的設(shè)計、施工方案及做好有效防護(hù)十分關(guān)鍵[8]。

1.1 工程概況

蕪湖市軌道交通2 號線一期工程線路全長15.856 km,共設(shè)車站11 座。線路自東向西依次穿越寧安客專上下行線、寧蕪鐵路上下行線及牽出線、合杭高鐵上下行線等7 條股道,交叉角度約為90°,為全線控制性工程,交叉點(diǎn)位置關(guān)系見圖1。

圖1 交叉點(diǎn)位置關(guān)系示意

1.2 建設(shè)條件

穿越點(diǎn)地處市政道路和鐵路夾心地帶,周邊存在既有普速和高速鐵路橋梁、在建高速鐵路橋梁、蕪湖站客車整備所房屋、市政泵站、小區(qū)高層住宅等多個構(gòu)建筑物,建設(shè)環(huán)境復(fù)雜(見圖2)。

圖2 交叉點(diǎn)建設(shè)條件

1.3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)系統(tǒng)制式:跨座式單軌,CMRⅡ型車。

(2)線路標(biāo)準(zhǔn):雙線,標(biāo)準(zhǔn)線間距4.6 m,設(shè)計最高速度80 km/h,線路縱坡5‰、直線。

(3)設(shè)計荷載:CMRⅡ型荷載,活載軸重為140 kN(超員)、123 kN(定員),車輛活載圖示見圖3。

圖3 CMRⅡ車型活載圖式(單位:mm)

(4)地震效應(yīng):地震動峰值加速度值0.075g,地震動反應(yīng)譜特征周期0.40 s。

(5)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限:100 年。

1.4 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

交叉點(diǎn)處地層主要為第四系全新統(tǒng)填筑土、雜填土、粉質(zhì)黏土;第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土;白堊系上統(tǒng)泥質(zhì)砂巖,侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r。

地下水埋深1.1～3.2 m,主要為填土、粉質(zhì)黏土中的上層滯水、第四系孔隙水及基巖裂隙水。

2 總體設(shè)計方案比選

2.1 地面下穿鐵路(方案一)

采用1-10.0 m 框架橋下穿寧蕪鐵路,頂進(jìn)長度33.5 m,對既有線路采用縱橫梁扣軌加固后頂進(jìn)施工。頂進(jìn)完成后,在框架橋西側(cè)現(xiàn)澆19 m 框架結(jié)構(gòu)作為擬建合杭高鐵實(shí)施條件,再往東側(cè)延伸,以U 形槽下穿寧安客專后過渡至區(qū)間高架段,方案一平面和立面見圖4、圖5。下穿寧安客專處U 形槽結(jié)構(gòu)外邊緣距既有(32+48+32) m 連續(xù)梁中墩承臺邊緣為1.7 m,采用“鉆孔灌注樁+旋噴樁+內(nèi)支撐”方案進(jìn)行防護(hù),橫斷面布置見圖6。

圖4 方案一平面(單位:m)

圖5 方案一立面(高程單位:m;其余:cm)

圖6 方案一下穿寧安客專橫斷面(高程單位:m;其余:cm)

2.2 橋梁跨越鐵路(方案二)

交叉點(diǎn)在多條鐵路和市政道路的夾心地帶,施工空間狹小,橋梁跨越方案中,對比頂推施工、懸澆施工、轉(zhuǎn)體施工等多個方案,從施工周期、對鐵路干擾、要點(diǎn)次數(shù)、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比選[9],結(jié)合鐵路運(yùn)營管理部門相關(guān)規(guī)定,采用轉(zhuǎn)體施工方案[10-11]。

采用(2×40) m T 構(gòu)跨越寧安客專,轉(zhuǎn)體長度為2×37.5 m,轉(zhuǎn)體橋墩設(shè)置在寧安客專東側(cè),逆時針旋轉(zhuǎn)92°,邊墩設(shè)置在寧安客專西側(cè),樁基礎(chǔ)距離寧安客專(32+48+32) m 連續(xù)梁主墩樁基礎(chǔ)8.4 m;采用(34+60+34) m 連續(xù)梁跨越寧蕪鐵路和合杭高鐵,西側(cè)轉(zhuǎn)體橋墩設(shè)置于合杭高鐵西側(cè),承臺距離鐵路剛構(gòu)橋邊緣6 m,轉(zhuǎn)體長度為2×26 m,東側(cè)轉(zhuǎn)體橋墩設(shè)置于寧蕪鐵路東側(cè),承臺距離鐵路框架橋邊緣4 m,轉(zhuǎn)體長度為2×32 m,均為逆時針旋轉(zhuǎn)92°。轉(zhuǎn)體前,平行于鐵路懸臂澆筑達(dá)轉(zhuǎn)體長度,于鐵路維修天窗時段墩頂轉(zhuǎn)體就位,合計3 個轉(zhuǎn)體墩,方案二橋跨布置平面、立面見圖7、圖8。

圖7 方案二橋跨布置平面(單位:m)

圖8 方案二橋跨布置立面(單位:m)

2.3 橋梁跨越鐵路(方案三)

采用(2×70)m T 構(gòu)跨越3 條鐵路,整幅轉(zhuǎn)體長度2×69.9 m,順時針旋轉(zhuǎn)83°,不設(shè)置合龍段和邊跨現(xiàn)澆段,轉(zhuǎn)體橋墩設(shè)置在寧蕪鐵路東側(cè),承臺距離鐵路框架橋邊緣8.3 m,東側(cè)橋墩設(shè)置在寧安客專東側(cè),樁基礎(chǔ)距離(32+48+32) m 連續(xù)梁主墩樁基礎(chǔ)24.7 m,西側(cè)橋墩設(shè)置在合杭高鐵西側(cè),承臺邊緣距離鐵路剛構(gòu)橋邊緣9.8 m。轉(zhuǎn)體前平行于鐵路懸臂澆筑達(dá)轉(zhuǎn)體長度,于鐵路維修天窗時段墩頂轉(zhuǎn)體后在邊墩起頂就位,設(shè)1 個轉(zhuǎn)體墩,方案三橋跨布置平面、立面見圖9、圖10。

圖9 方案三橋跨布置平面(單位:m)

圖10 方案三橋跨布置立面(單位:m)

2.4 方案比選

如采用地面方案,需下穿既有鐵路框架橋,U 形槽結(jié)構(gòu)距離寧安客專承臺距離較近,工程風(fēng)險較大;同時需對既有市政道路進(jìn)行拓寬,增加拆遷較多,結(jié)合兩側(cè)線路坡度還需增加較長的U 形槽段落,工程經(jīng)濟(jì)性差。故予以舍棄。

對于橋梁上跨方案,考慮該處橋墩較高,若采用墩底轉(zhuǎn)體,則轉(zhuǎn)體重量較大,轉(zhuǎn)體系統(tǒng)所需基坑尺寸較大,直到轉(zhuǎn)體完成前此基坑無法回填,施工風(fēng)險較大[12-13]。從減少結(jié)構(gòu)尺寸、降低轉(zhuǎn)體重量、降低施工難度和風(fēng)險的角度考慮,宜選擇墩頂轉(zhuǎn)體方案[14]。

方案二中,單個橋墩體量較小,下部結(jié)構(gòu)施工時對鐵路影響相對較小,但是3 個轉(zhuǎn)體墩同時轉(zhuǎn)體,施工風(fēng)險相對較高,且在鐵路上方有合龍段施工,不可控因素較多。在方案二基礎(chǔ)上,方案三將3 個轉(zhuǎn)體墩合并,雖然下部結(jié)構(gòu)施工周期較長,但降低了施工難度,風(fēng)險可控。同時取消邊墩現(xiàn)澆段和合龍段,可減少鄰近既有鐵路的施工周期。采取在邊墩處起頂就位的措施,抵消了梁體懸臂施工的下?lián)闲?yīng)。由于橋墩個數(shù)減少,方案二和方案三綜合造價相當(dāng)。

經(jīng)綜合考慮,最終確定方案三為實(shí)施方案,即采用(2×70) m T 構(gòu)一次轉(zhuǎn)體跨越3 條鐵路,不設(shè)置合龍段和邊跨現(xiàn)澆段。

3 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)單軌組合橋設(shè)計

3.1 橋面布置設(shè)計

為降低結(jié)構(gòu)高度,將鋼軌道梁和T 構(gòu)混凝土主梁采用承軌臺連接,形成組合橋,混凝土主梁承受主要恒載,鋼軌道梁和混凝土主梁共同承受車輛荷載。

上跨鐵路處兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土板式護(hù)欄,寬0.25 m,高1.2 m,護(hù)欄上設(shè)置高1.3 m 的防拋網(wǎng)。結(jié)合本線建筑限界,最終確定橋面寬度為9.6 m,為方便橋面排水,由橋面中間往兩側(cè)橫向設(shè)置2%的排水坡,橋面布置見圖11。

圖11 橋面布置(單位:mm)

3.2 軌道梁設(shè)計

鋼軌道梁截面總高1.5 m,外寬0.55 m,單箱單室截面。頂板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚16 mm。為了保證箱梁抵抗畸變、翹曲的能力及結(jié)構(gòu)的橫向傳力,每隔1.25 m 設(shè)置隔板,箱內(nèi)隔板與箱梁頂板及腹板焊連。鋼軌道梁通過承軌臺和T 構(gòu)主梁連接,承軌臺截面為矩形截面,寬1.3 m,高0.35 m,單線軌道梁橫斷面見圖12。

圖12 軌道梁斷面(單位:mm)

3.3 轉(zhuǎn)體T 構(gòu)主梁設(shè)計

T 構(gòu)主梁采用變高度單箱單室直腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu),梁高3.2～6.9 m,箱梁板頂寬9.6 m,底板寬5.6 m。頂板厚35～85 cm,底板厚35～180 cm,腹板厚分兩次過渡(50～75～100 cm)。共劃分為17 個梁段,0 號梁段長11.0 m,其余梁段最長為4 m,最大懸臂澆筑體積為69.2 m3,采用單向預(yù)應(yīng)力體系,縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用17-φS15.2 mm 和19-φS15.2 mm 鋼絞線,采用頂、腹、底板布束方式布置,均采用兩端張拉,主梁典型斷面見圖13。主要工程數(shù)量指標(biāo)為:每延米橋長C55 混凝土用量為14.2 m3,每方混凝土采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線58.1 kg,每方混凝土普通鋼筋用鋼量為191.8 kg。

圖13 主梁典型斷面(單位:cm)

采用Midas Civil 分析軟件建立T 構(gòu)空間有限元模型進(jìn)行分析,軌道梁、T 構(gòu)主梁、橋墩均采用梁單元,有限元模型見圖14。對T 構(gòu)主梁控制截面在施工和運(yùn)營階段的強(qiáng)度、抗裂性、應(yīng)力等進(jìn)行檢算,主要結(jié)果見表1,在主力工況作用下截面最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.56,“主力+附加力”工況下,截面最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.24;最小抗裂安全系數(shù)為1.51,混凝土最大剪應(yīng)力為3.32 MPa,均滿足規(guī)范要求[15-16]。

圖14 主梁計算模型

表1 主要計算結(jié)果

3.4 轉(zhuǎn)盤和下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

墩頂轉(zhuǎn)盤采用邊長4.503 m 正六邊形結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)盤厚2 m,下轉(zhuǎn)盤上設(shè)有φ2.55 m 的下球鉸及φ5.24 m的環(huán)形下滑道。球鉸由上下兩塊鋼質(zhì)球面板及鋼護(hù)筒組成,轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置見圖15。

圖15 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置(單位:mm)

中墩由轉(zhuǎn)盤底以圓曲線漸變至邊長2.136 m 的正六邊形結(jié)構(gòu),墩身曲線段高8 m,等截面段高15.3 m。邊墩采用高低墩形式與T 構(gòu)兩側(cè)簡支梁相接,邊墩蓋梁和墩身縱向長均為2.8 m,蓋梁頂橫向?qū)?.7 m,T 構(gòu)側(cè)蓋梁等寬段高1 m,從蓋梁底以圓曲線過渡至墩身。為避讓橋墩邊緣的既有擋墻,中墩承臺順橋向長14.5 m,橫橋向長10.5 m,厚3.8 m,采用12 根φ1.5 m鉆孔摩擦樁;邊墩承臺順橋向長6.5 m,橫橋向長10.5 m,厚3.0 m,采用6 根φ1.5 m 鉆孔摩擦樁,下部結(jié)構(gòu)斷面見圖16。

圖16 下部結(jié)構(gòu)斷面(單位:cm)

4 基坑支護(hù)設(shè)計

為控制基礎(chǔ)施工對既有鐵路橋梁的影響,均采用鉆孔灌注樁防護(hù),樁頂設(shè)置閉合冠梁,該處地下水位較高,結(jié)合基坑邊緣到鐵路結(jié)構(gòu)邊緣距離,對中墩采取“鋼板樁+注漿”方式止水,對邊墩采取旋噴樁止水。結(jié)合本橋?qū)嶋H情況,采用有限元軟件Plaxis3D 對20 號、21 號、22 號墩施工過程對鐵路的影響進(jìn)行分析。建立橋墩及樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型,梁體自重和上部荷載作用通過墩頂施加荷載來模擬[17],見圖17。由于合杭高鐵在本橋下部結(jié)構(gòu)施工過程中尚未實(shí)施上部結(jié)構(gòu),此處僅列出受影響相對較大的寧安客專2 號墩和寧蕪鐵路框架橋相關(guān)計算結(jié)果(見表2)。

圖17 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型

表2 既有鐵路施工過程中位移計算結(jié)果 mm

由表2 可知,經(jīng)計算,施工完成后,最終引起既有寧安客專2 號橋墩承臺豎向沉降量為0.079 mm,橫橋向位移為-0.195 mm,順橋向位移為-0.113 mm,引起既有寧蕪鐵路牽出線道岔處的沉降為0.783 mm,水平變形為0.469 mm,計算結(jié)果均滿足規(guī)范和鐵路部門的相關(guān)要求[18]。

5 結(jié)語

蕪湖市軌道交通2 號線一期上跨既有鐵路單軌組合橋采用墩頂轉(zhuǎn)體法,減輕轉(zhuǎn)體重量,降低施工難度,可有效減少施工過程對既有鐵路運(yùn)營安全的影響。結(jié)合地質(zhì)條件,針對不同基坑選擇合適的支護(hù)及止水方式,確保施工過程中鐵路行車安全。該橋于2019 年4 月開工,在樁基礎(chǔ)、基坑、橋墩及上部結(jié)構(gòu)施工過程中對既有高鐵進(jìn)行了全過程監(jiān)測,采取相關(guān)措施后,沉降和變形控制滿足鐵路部門和設(shè)計要求。該橋已于2020 年10 月29 日精準(zhǔn)轉(zhuǎn)體就位,其工程實(shí)踐可為同類跨座式單軌交通建設(shè)提供借鑒。