濟(jì)寧市內(nèi)環(huán)快速路橋梁工程總體設(shè)計

李永君，宗志榮，劉思維

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

濟(jì)寧市位于山東省西南部，淮海平原與魯中南山地交接地帶。長期以來，因煤礦的壓覆、采空等非可開發(fā)用地的阻隔以及京杭運河、新兗鐵路、高速公路等屏障的割裂，濟(jì)寧市呈現(xiàn)多組團(tuán)獨立發(fā)展的空間結(jié)構(gòu)。各組團(tuán)間及其內(nèi)部聯(lián)系通道不足，過境與到發(fā)交通疊加嚴(yán)重，高峰時段關(guān)鍵節(jié)點擁堵嚴(yán)重。為改善城市交通出行環(huán)境，促進(jìn)各功能組團(tuán)的融合、優(yōu)化資源合理配置，提升城市整體競爭力，2017年濟(jì)寧市政府提出構(gòu)建主城區(qū)“兩環(huán)八聯(lián)+井字形快速路”的城市道路網(wǎng)，內(nèi)環(huán)快速路是其中的“核心一環(huán)”，如圖1所示。該項目線路全長41 km，其中高架橋梁36 km，地面道路5 km（見表1）。全線橋梁長度占比在88%以上，有多座大跨徑橋梁，橋梁工程的總體設(shè)計尤為重要[1]。

圖1 濟(jì)寧市內(nèi)環(huán)快速路總平面布置圖

表1 濟(jì)寧市內(nèi)環(huán)快速路規(guī)模統(tǒng)計表

2 建設(shè)難點

該項目橋梁總體設(shè)計有以下難點問題：

（1）快速路沿現(xiàn)有道路敷設(shè)，沿線多為建成區(qū)，鄰近物流園區(qū)，靠近市政府，施工期間交通影響敏感。

（2）濟(jì)寧市是京津冀大氣污染傳輸通道“2+26”城市之一，施工期間，對空氣污染防治要求嚴(yán)格。

（3）快速路多次跨越京杭運河、老運河、新兗鐵路和煤礦采空區(qū)等控制性節(jié)點，條件復(fù)雜。

基于以上建設(shè)難點，確定以大規(guī)模預(yù)制拼裝為該項目橋梁工程的主要施工技術(shù)。

3 設(shè)計理念

近年來，在綠色建造理念的推動下，國內(nèi)城市高架橋建設(shè)越來越多地采用預(yù)制拼裝施工技術(shù)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆施工方式相比，預(yù)制拼裝施工有以下優(yōu)點[2]：

（1）預(yù)制拼裝技術(shù)以工廠化專業(yè)生產(chǎn)代替施工現(xiàn)場人工澆筑作業(yè)，減少了現(xiàn)場作業(yè)人員，降低了施工安全風(fēng)險，同時提高了施工質(zhì)量。

（2）構(gòu)件在工廠中預(yù)制時，可以同步開展管線搬遷，縮短現(xiàn)場施工工期，減少對交通的影響。

（3）降低施工能耗、排放和揚塵，污染防治和文明施工顯著提升。

（4）預(yù)制場、設(shè)備和模板可以重復(fù)利用，降低工程造價，提高經(jīng)濟(jì)性。

濟(jì)寧是“孔孟之鄉(xiāng)”、“運河之都”、歷史文化名城和濱水生態(tài)旅游城市。為了降低內(nèi)環(huán)快速路建設(shè)對城市風(fēng)貌的影響，橋梁工程總體設(shè)計遵循“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、裝配化施工”的綠色設(shè)計理念，在全線標(biāo)準(zhǔn)路段大規(guī)模采用預(yù)制拼裝橋梁技術(shù)。施工期間，統(tǒng)籌規(guī)劃運梁路線，集中建設(shè)橋梁預(yù)制場。圖2為項目橋墩預(yù)制場。在跨越京杭運河時，橋型選用還充分考慮了與既有老橋的景觀協(xié)調(diào)性（見圖3）。

圖2 橋墩蓋梁預(yù)制場

圖3 濟(jì)寧大道跨京杭運河輔道橋

4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市快速路。

（2）主線車道：6車道。

（3）設(shè)計車速：80 km/h。

（4）汽車荷載等級：城-B級。

（5）橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

（6）設(shè)計安全等級：一級。

（7）結(jié)構(gòu)環(huán)境類別：Ⅱ類。

（8）設(shè)計風(fēng)速：100 a一遇，V10=27.2 m/s。

（9）地震基本烈度7度，水平向地震動峰值加速度0.05g，抗震設(shè)防分類乙類，抗震措施等級8度。

5 總體設(shè)計

5.1 跨徑布置

城市高架橋的標(biāo)準(zhǔn)跨徑一般在20~40 m，需綜合考慮地質(zhì)條件、運輸重量、外觀造型、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等因素。濟(jì)寧主城區(qū)地貌類型屬于沖積洪積平原亞區(qū)，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，按摩擦樁設(shè)計，樁基持力層為黏土或中砂，一般樁長在50 m左右。為降低預(yù)制構(gòu)件的起吊重量，標(biāo)準(zhǔn)跨徑采用27~31 m，3~4跨為一聯(lián)。在橫向路口處，為滿足橫向地面道路的交通需求，采用40 m、50 m、60 m跨徑，路中不設(shè)橋墩[3]。

5.2 梁型選擇

按照全預(yù)制拼裝橋梁的設(shè)計理念，綜合考慮橋梁景觀、結(jié)構(gòu)性能和跨徑要求，高架橋標(biāo)準(zhǔn)段采用預(yù)制小箱梁。目前國內(nèi)預(yù)制小箱梁一般采用“簡支結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)”和“簡支變連續(xù)結(jié)構(gòu)”兩種做法。根據(jù)該項目煤礦采空區(qū)場地穩(wěn)定性分析與評價報告，無法采用路基方式、必須采用高架橋通過的采空區(qū)路段，建議采用簡支結(jié)構(gòu)橋梁，以適應(yīng)可能發(fā)生的沉降，降低對結(jié)構(gòu)安全的影響[4]。因此，預(yù)制小箱梁采用簡支結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)。

在路口處，高架跨徑需要45~60 m，超出了混凝土小箱梁的跨徑范圍?？紤]到施工期間路口處交通流量大，梁型應(yīng)便于制造和運輸，安裝應(yīng)盡可能簡便快速，同時還要兼顧經(jīng)濟(jì)性和耐久性,因此采用簡支鋼混組合小箱梁，采用魚腹式變高度梁，與兩側(cè)混凝土小箱梁順接，使得跨路口橋型與標(biāo)準(zhǔn)段橋型設(shè)計風(fēng)格保持統(tǒng)一。為提高城市景觀效果，采用外觀輕盈的倒T型蓋梁，橋下空間視覺通透（見圖4）。橋梁排水管隱藏在蓋梁和立柱表面的凹槽內(nèi)，以細(xì)節(jié)設(shè)計提升工程品質(zhì)。

圖4 主線高架建成實景圖

5.3 斷面布置

標(biāo)準(zhǔn)段27~31 m跨徑小箱梁：6車道25.6 m橋?qū)?，布?片梁，每墩8根1.0 m樁；3車道13.0 m橋?qū)?，布?片梁，每墩5根1.0 m樁。路口處50 m跨徑鋼混組合梁：6車道25.6 m橋?qū)?，布?片梁，每墩10根1.0 m樁（見圖5）。預(yù)制立柱與承臺之間采用灌漿套筒連接，預(yù)制蓋梁與立柱之間采用灌漿波紋管連接。

圖5 主線橫斷面布置圖（單位：m）

6 BIM設(shè)計

該項目橋梁工程開展了BIM正向設(shè)計工作?？傮w設(shè)計采用上海市政總院自主研發(fā)的SMEDI-BDBIM橋梁智能化軟件平臺，在完成二維設(shè)計圖紙輸出的同時，自動生成全橋BIM總體模型。橋梁單體構(gòu)件設(shè)計采用CATIA軟件，對鋼筋、套筒和波紋管等結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢查、優(yōu)化設(shè)計、提高精度?？傮wBIM模型用于施工方案和施工組織設(shè)計，單體BIM模型使施工交底更加直觀、細(xì)致（見圖6）。BIM正向設(shè)計為全預(yù)制橋梁設(shè)計和施工提供了精度保證。

圖6 小箱梁濕接縫施工交底BIM模型

7 關(guān)鍵節(jié)點

該項目兩次跨越京杭運河，兩次上跨新兗鐵路，全線位于煤礦采空區(qū)，設(shè)計條件復(fù)雜。本節(jié)具體介紹上述節(jié)點設(shè)計情況。

7.1 跨京杭大運河橋

京杭大運河濟(jì)寧段既為水運通道又為南水北調(diào)東線干線，通航、環(huán)保、景觀三方面要求突出。該工程兩處拓寬改造既有京杭大運河橋，其中濟(jì)寧大道處老橋為兩幅主跨100 m的中承式系桿拱橋，濟(jì)水大道處老橋為兩幅主跨80 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。通過多方案論證，結(jié)合國內(nèi)外既有大型橋梁拓寬改造案例，兩處京杭運河橋均采用大跨鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，減小新建橋梁對既有橋梁景觀的影響，確保新老橋梁景觀融合。上述兩座橋梁施工前，均編制專項施工防護(hù)措施，避免橋梁施工期間對運河水質(zhì)的污染。

濟(jì)寧大道跨京杭大運河橋采用85 m+100 m+70 m+65 m=320 m跨徑布置，單幅橋?qū)?9.5 m。主梁采用變高鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，單箱雙室，中支點梁高5.0 m、4.0 m，邊支點及跨中梁高2.5 m。由于橋?qū)捿^寬，主跨采用小節(jié)段橋面吊機懸拼法施工，邊跨采用支架法使用350 t及200 t汽車吊進(jìn)行鋼梁節(jié)段安裝。100 m主跨縱向共分為15個節(jié)段，每個節(jié)段長6.0~8.65 m，橫向不分段。除0#、1#節(jié)段現(xiàn)場支架拼裝外，其余節(jié)段均由駁船運輸至橋位處，單個節(jié)段最大吊重99 t，采用120 t橋面吊機進(jìn)行懸臂拼裝（見圖7）。

圖7 濟(jì)寧大道跨京杭運河橋吊裝施工

濟(jì)水大道跨京杭大運河橋采用61 m+110 m+61 m=232 m跨徑布置，單幅橋?qū)?3.0 m。主梁采用變高鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁，單箱單室，中支點梁高6.0 m，邊支點及跨中梁高2.5 m。由于橋?qū)捿^窄，主跨采用大節(jié)段浮吊吊裝施工，邊跨采用支架法使用150 t汽車吊進(jìn)行鋼梁節(jié)段安裝。110 m主跨縱向共分為9個節(jié)段，每個節(jié)段長9.0~15 m。除0#節(jié)段外，其余節(jié)段均橫向分為4段，由公路運輸至橋位處，在橋下完成橫向拼裝，單個節(jié)段最大吊重164 t，采用300 t浮吊進(jìn)行懸臂拼裝（見圖8）。

圖8 濟(jì)水大道跨京杭大運河橋吊裝施工

7.2 跨新兗鐵路橋

寧安大道跨新兗鐵路轉(zhuǎn)體橋采用單幅2×60 m T構(gòu)，橋?qū)?9.9 m，轉(zhuǎn)體角度81.81°，轉(zhuǎn)體重量18 000 t。濟(jì)水大道跨新兗鐵路轉(zhuǎn)體橋采用雙幅2×58 m T構(gòu)，橋?qū)?7.3 m，轉(zhuǎn)體角度78°，單幅轉(zhuǎn)體重量13 000 t（見圖9）。新兗鐵路與京廣、京九、京滬三大南北干線相交，平均每15 min就有一趟列車通過，對轉(zhuǎn)體橋梁合龍的精度和線形等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求高。通過2臺千斤頂牽引，經(jīng)過45 min轉(zhuǎn)體，梁體實現(xiàn)精準(zhǔn)對接。

圖9 濟(jì)水大道跨新兗鐵路橋轉(zhuǎn)體橋施工

7.3 采空區(qū)設(shè)計策略

濟(jì)寧是全國重點開發(fā)的八大煤炭基地之一，年產(chǎn)煤占山東省60%。該項目沿線分布著濟(jì)寧二號煤礦、安居煤礦、唐口煤礦、運河煤礦、岱莊煤礦、許廠煤礦等6座煤礦。根據(jù)采空區(qū)穩(wěn)定性評價報告，內(nèi)環(huán)快速路實施范圍內(nèi)采空區(qū)場地穩(wěn)定性為穩(wěn)定、基本穩(wěn)定和欠穩(wěn)定[4]（見圖10）。

圖10 內(nèi)環(huán)快速路沿線采空區(qū)場地穩(wěn)定性評價分區(qū)圖

采空區(qū)采取以下設(shè)計策略：

（1）對于穩(wěn)定路段：采用簡支結(jié)構(gòu)橋梁通過，并設(shè)置防落梁構(gòu)造。

（2）對于基本穩(wěn)定路段：優(yōu)先采用路基形式，并對路基進(jìn)行加固，采取柔性路面設(shè)計；必須以橋梁方式通過時，延遲修建計劃。

（3）采空區(qū)路段快速路建成后，設(shè)立移動變形觀測站，并進(jìn)行定期觀測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

8 結(jié)語

該項目于2019年3月起陸續(xù)開工，經(jīng)過21個月的建設(shè)，于2020年12月建成通車。4條快速路累計通車?yán)锍?1 km，含互通立交4座，出入口匝道26對，跨京杭大運河、古運河、洸府河、新兗鐵路橋等重要橋梁10座，極大優(yōu)化了主城區(qū)的快速立體交通體系，拉動了主城區(qū)各板塊融合發(fā)展，構(gòu)筑了“高快一體化”交通格局，成為建設(shè)淮海經(jīng)濟(jì)區(qū)中心城市的重大基礎(chǔ)設(shè)施引擎，標(biāo)志著濟(jì)寧市邁入了立體交通新時代。

在規(guī)劃和設(shè)計階段，以可持續(xù)發(fā)展理念為指導(dǎo)，橋梁工程總體設(shè)計對橋梁全壽命周期的設(shè)計、施工、運營、養(yǎng)護(hù)、維修、拆除進(jìn)行全面考慮，盡最大可能降低對城市交通和環(huán)境的不利影響[5]。工程建設(shè)期間，橋梁全預(yù)制拼裝技術(shù)的成功運用收到了良好社會效果。希望該項目的設(shè)計和工程實踐能為國內(nèi)城市橋梁的高質(zhì)量建設(shè)提供參考和借鑒。