濟(jì)陽(yáng)黃河公鐵兩用特大橋橋位及橋式方案比選

馮亞成，陳應(yīng)陶，張小坤，吳文華，劉紅緒，趙會(huì)平

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 工程概況

濟(jì)南至濱州高速鐵路項(xiàng)目位于山東半島城市群北部,是山東半島城市群城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分,線路西起濟(jì)南市,于濟(jì)南東站引出,向北經(jīng)濟(jì)南市歷城區(qū)、高新區(qū)、章丘區(qū),上跨黃河經(jīng)濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)、商河縣,向東經(jīng)濱州市惠民縣、濱城區(qū),接入濱洲站,正線長(zhǎng)約145 km。

本線全線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)稍有不同,濟(jì)南東至濟(jì)陽(yáng)(不含)速度目標(biāo)值250 km/h,濟(jì)陽(yáng)至濱州速度目標(biāo)值350 km/h。濟(jì)陽(yáng)黃河公鐵兩用特大橋是濟(jì)濱鐵路的重點(diǎn)控制性工程,位于章丘區(qū)與濟(jì)陽(yáng)區(qū)之間,速度目標(biāo)值按250 km/h設(shè)計(jì)。

2 建設(shè)條件

2.1 地形地貌

黃河特大橋位于黃河下游沖積平原區(qū),地貌屬黃河一級(jí)階地,地形平坦,地勢(shì)開闊,黃河河谷平坦,河谷北側(cè)為黃河大堤,南側(cè)以農(nóng)田為主,地面高程19.7～33.6 m,相對(duì)高差約13.9 m。橋址區(qū)有省道、河堤路等,交通便利。

2.2 河流、水文

黃河為常年流水,黃河河道在該河段主河槽形態(tài)及位置相對(duì)比較穩(wěn)定,河道斷面形態(tài)為復(fù)式,主槽一般呈U形斷面。由于黃河泥沙的不斷淤積,造成同流量下洪水位不斷抬高,致使黃河下游成為地上懸河。

擬建橋梁跨越黃河位置屬于黃河的艾山—利津河道,該河段現(xiàn)基本成為人工控制的彎曲性河段,兩岸由險(xiǎn)工、控導(dǎo)工程控制河勢(shì),河彎受限,中水時(shí)河槽相對(duì)穩(wěn)定。擬建橋位堤距約700 m,河床平均縱比降0.1‰。兩岸堤防標(biāo)準(zhǔn)為Ⅰ級(jí),堤頂寬度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均為12 m,設(shè)計(jì)高度超過(guò)2000年設(shè)計(jì)洪水位2.1 m,臨、背河坡均為1∶3,淤背區(qū)寬度100 m,高度與2000年設(shè)計(jì)水位平,河道平面變化較小。

橋梁設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇,按300年一遇檢算。橋位河段大堤防洪流量為11 000 m3/s(又稱“設(shè)防流量”),設(shè)計(jì)流量采用11 000 m3/s。

2.3 氣象條件

工程處于我國(guó)干旱和濕潤(rùn)氣候的過(guò)渡帶,來(lái)自東南沿海的暖濕氣流是造成魯北平原降水的主要因素,降水特點(diǎn)是年際年內(nèi)變化大,豐枯周期性交替。本區(qū)降水的季節(jié)性變化較大,1—5月份降水量占全年降水量的15%左右,6—9月(汛期)份占 70%～80%,10—12月份占10%左右。暴雨多集中在5—10月份,尤以7月上旬至8月中旬最為集中。濟(jì)南市濟(jì)陽(yáng)區(qū)年均氣溫13.5 ℃,年平均降水量592 mm,年平均蒸發(fā)量1 579.1 mm,歷年平均風(fēng)速2.1 m/s,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE,最大凍結(jié)深度43 cm。年最大瞬時(shí)風(fēng)速為23.6 m/s。

2.4 防洪及通航[1]

該河段黃河橋梁主橋跨徑需滿足黃委會(huì)(黃建管[2007] 48號(hào))《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)(試行)》及相關(guān)管理規(guī)定:即橋梁容許間距為6 km,主河槽內(nèi)孔跨≮180 m;同時(shí)需滿足與大堤距離要求不得小于5 m,大堤堤頂立交凈空≮4.5 m的要求。

本項(xiàng)目所在河段目前尚未通航,橋位處深槽寬約190 m。航道規(guī)劃為Ⅳ級(jí)雙向航道,航道最小水深1.9 m,本橋設(shè)計(jì)時(shí)按照Ⅳ級(jí)雙向航道設(shè)計(jì)。按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及通航評(píng)審意見,黃河大橋的通航孔雙向通航凈寬應(yīng)≮132 m,通航凈高≮8 m。

2.5 工程地質(zhì)

根據(jù)調(diào)查和勘探揭示,工點(diǎn)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工填筑土,沖積粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂及中砂等,第四系上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂。

3 橋位方案

3.1 橋位主要制約因素

(1)站位

黃河特大橋在遙墻機(jī)場(chǎng)站及濟(jì)陽(yáng)站之間上跨黃河,遙墻機(jī)場(chǎng)站站位及濟(jì)陽(yáng)站站位確定了黃河橋兩端的接線關(guān)系。根據(jù)前期工作,遙墻機(jī)場(chǎng)站已確定。根據(jù)濟(jì)陽(yáng)縣總體規(guī)劃及地方政府意見,本工程濟(jì)陽(yáng)站需設(shè)置于濟(jì)陽(yáng)縣城西南側(cè),方便客流吸引和疏解,以符合濟(jì)陽(yáng)縣城總體規(guī)劃和城市發(fā)展。

(2)沿河既有橋梁分布

本線擬跨越河段目前既有2座公路橋梁及2座浮橋,擬建1座公路橋梁。

(3)遙墻機(jī)場(chǎng)凈空限制

本工程距遙墻機(jī)場(chǎng)較近,部分區(qū)域機(jī)場(chǎng)對(duì)橋梁高度有限高要求,高程不得超過(guò)89.7～96.5 m(錐形面,不同位置限高值不等)。

(4)高壓鐵塔

在溝楊浮橋下游約750 m處,有110 kV高壓線跨越黃河,緊鄰東側(cè)大堤設(shè)有1座高壓鐵塔,黃河橋位需避開高壓鐵塔1倍塔高(約100 m)。

3.2 橋位方案選擇[2-6]

結(jié)合本工程線路總體走向及上跨黃河建橋主要控制因素,結(jié)合黃河兩岸地形、地貌、地質(zhì)、河道水文特點(diǎn)及防洪防凌要求、橋梁與城市及村鎮(zhèn)關(guān)系、兩岸水利設(shè)施建設(shè)等情況,并征詢防洪評(píng)價(jià)單位及山東黃河河務(wù)局意見,提出3個(gè)橋位方案,即濟(jì)陽(yáng)黃河大橋上游2 km、與規(guī)劃G308國(guó)道共橋位的橋位Ⅰ方案,濟(jì)陽(yáng)黃河大橋上游并置橋位的橋位Ⅱ方案以及濟(jì)陽(yáng)黃河大橋下游6.7 km的橋位Ⅲ方案,具體位置見圖1。

圖1 濟(jì)陽(yáng)黃河公鐵兩用橋橋位比選平面示意

綜合分析可知,3個(gè)橋位方案均有各自的優(yōu)缺點(diǎn),詳細(xì)比較如表1所示。

表1 濟(jì)陽(yáng)黃河公鐵兩用橋橋位方案比選

橋位Ⅰ優(yōu)點(diǎn)是濟(jì)陽(yáng)站位條件好,符合城市規(guī)劃,同時(shí)跨黃河處規(guī)劃有國(guó)道G308橋位,可以考慮共通道建設(shè),以節(jié)省橋位資源;其次橋位跨越處河道較窄,且橋梁軸線與主流夾角小,主橋長(zhǎng)度短,水文條件好。缺點(diǎn)是距離機(jī)場(chǎng)較近,線路條件稍差,主橋兩端需限速運(yùn)行,橋梁結(jié)構(gòu)高度受機(jī)場(chǎng)凈空限制, 同時(shí)與下游既有公路橋距離僅2 km,不滿足間距要求。

橋位Ⅱ優(yōu)點(diǎn)是滿足濟(jì)陽(yáng)設(shè)站條件,主橋兩端線路條件較好,與既有公路橋并行設(shè)置,能有效利用通道;缺點(diǎn)是線路方案從城市規(guī)劃區(qū)通過(guò),拆遷量較大,對(duì)城市發(fā)展影響較大。

橋位Ⅲ優(yōu)點(diǎn)是滿足橋梁間距的要求,線路條件好,不受機(jī)場(chǎng)凈空影響;缺點(diǎn)是橋位與主流夾角達(dá)35°,對(duì)河道行洪、行凌影響大,跨越處主河槽較寬,兩岸堤距達(dá)2 110 m,主橋工程造價(jià)高,且濟(jì)陽(yáng)設(shè)站條件差。

綜合比選,本工程上跨黃河推薦采用橋位Ⅰ方案。由于橋位Ⅰ不滿足橋梁6 km間距要求,經(jīng)與相關(guān)部門溝通,橋梁孔跨設(shè)置時(shí)需加大孔跨,滿足防洪和通航相關(guān)技術(shù)要求。通過(guò)鐵路、公路、防洪、通航等部門多次進(jìn)行踏勘、溝通及專題論證,結(jié)合該河段復(fù)雜的控制因素,均同意橋位I方案作為濟(jì)濱鐵路上跨黃河的推薦方案。

4 橋式方案

橋位處防洪評(píng)價(jià)要求主河槽內(nèi)跨度≮180 m,通航要求≮132 m,防洪要求較通航要求更為控制橋梁跨度設(shè)置。根據(jù)險(xiǎn)工處及主河槽常流水區(qū)不允許設(shè)墩的要求,同時(shí)橋墩承臺(tái)距離堤角要求≮5 m,則跨越險(xiǎn)工及主河槽常流水區(qū)跨度需要約300 m,剩余約460 m寬的主河槽淺灘處,跨度≮180 m,只能設(shè)置2孔,綜合分析后主河槽孔跨定為(228+240+300) m不等跨布置。

結(jié)合防洪、通航、機(jī)場(chǎng)等部門及外界邊界控制條件,著重對(duì)以下3種橋型進(jìn)行比選分析。

4.1 鋼桁梁矮塔斜拉橋方案[7-9]

該方案采用(72+144+228+240+300+132+84) m鋼桁梁矮塔斜拉橋跨越黃河主槽及兩岸大堤,主橋長(zhǎng)1 202 m。

結(jié)構(gòu)體系采用塔、梁分離,塔、墩固結(jié)體系。立面布置如圖2所示。

圖2 鋼桁梁矮塔斜拉橋方案立面布置(單位:m)

橋塔采用鋼筋混凝土橋塔,為適應(yīng)航空限高要求,4個(gè)橋塔采用不等高設(shè)計(jì)。斜拉索采用空間雙索面,扇形布置。主梁采用鋼桁梁, N形桁式,桁高15 m,節(jié)間長(zhǎng)度選用12 m。

橫斷面采用帶副桁的梯形截面布置,上弦橫向?qū)?1 m,下弦橫向?qū)?6 m。主橋鋼梁分上、下兩層,上層為G308國(guó)道(雙向6車道+硬路肩及非機(jī)動(dòng)車道),下層為雙線濟(jì)濱鐵路。上、下層均采用正交異性板整體鋼橋面。該斷面兼顧了公路、鐵路兩種斷面的寬度需求,截面效率較高。橫斷面布置如圖3所示。施工可采用懸拼架設(shè)或頂推法施工。

圖3 鋼桁梁矮塔斜拉橋方案主梁橫斷面(單位:m)

4.2 上加勁連續(xù)鋼桁梁橋方案[10-16]

該方案采用(72+144+228+240+300+132+84) m上加勁連續(xù)鋼桁梁跨越黃河主槽及東西岸黃河大堤,本方案主橋長(zhǎng)1 202 m。

連續(xù)鋼桁梁可采用上加勁或下加勁的方式,考慮大橋位于平原地區(qū),橋面高程受黃河淤積50年后大堤頂高程控制,采用上加勁的方式,既能滿足受力需要,同時(shí)可不抬高公路橋面,節(jié)省投資?？紤]景觀需求,最終采用上弦曲線變高的立面桁式。立面布置如圖4所示。

圖4 上加勁連續(xù)鋼桁梁橋方案立面布置(單位:m)

本橋從濟(jì)南側(cè)往濱州側(cè)4個(gè)主墩中支點(diǎn)處桁高分別漸變至42.5,45.5,46.5,49.5 m。中跨跨中和邊跨端部梁段桁高16.5 m,主桁采用N形桁式,桁高16.5 m,節(jié)間長(zhǎng)度選用12 m。主橋鋼梁分上、下兩層,上層為G308國(guó)道(雙向6車道+硬路肩及非機(jī)動(dòng)車道),下層為雙線濟(jì)濱鐵路。

由于本橋?yàn)樯霞觿胚B續(xù)鋼桁梁,為傳力直接,鋼梁截面采用上、下同寬的布置形式,主桁結(jié)構(gòu)寬35 m,上、下層均采用正交異性板整體鋼橋面。橫斷面布置如圖5所示。施工可采用懸拼架設(shè)或頂推法。

圖5 上加勁連續(xù)鋼桁梁橋方案主梁橫斷面(單位:m)

4.3 鋼箱梁矮塔斜拉橋方案[17-20]

在前兩種公鐵分層布置的基礎(chǔ)上,考慮公鐵同層布置的可能,因此,本方案采用(72+144+228+240+300+132+84) m鋼箱梁矮塔斜拉橋方案跨越黃河主槽及東西岸黃河大堤,主橋長(zhǎng)1 202 m。立面布置如圖6所示。

圖6 鋼箱梁矮塔斜拉橋方案立面布置(單位:m)

采用公鐵平層方案,相比公路在上、鐵路在下的合建方案,可以有效降低公路、人行道及非機(jī)動(dòng)車的橋面高程,減小公路引橋的高程,一定程度上可節(jié)省公路橋投資。

結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的形式,主梁采用變高度鋼箱梁截面。中支點(diǎn)處梁高9 m,跨中及邊支點(diǎn)處梁高6 m。高鐵布置在橋面系中央位置,兩側(cè)依次是機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道及人行道,由于公路鐵路同層設(shè)置,計(jì)入橋塔及緩沖帶、防護(hù)墻等橋面寬度達(dá)到64.5 m。橫斷面布置如圖7所示。

圖7 公鐵同層橋梁橫斷面布置形式(單位:m)

施工方面,由于鋼箱梁體積較大,本橋位處黃河不通航,只能通過(guò)公路運(yùn)輸,現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量巨大,主梁架設(shè)采用頂推施工較為合理。

通過(guò)線路疏解發(fā)現(xiàn),由于受線路條件所限,公鐵出主橋后需盡快分離,一側(cè)公路需以小半徑曲線下穿鐵路與另一側(cè)會(huì)合,公鐵平層雖可以降低公路路線高程,但惡化了公路平面線形。

4.4 主橋橋型方案比選[21]

從結(jié)構(gòu)受力、工程造價(jià)、與兩岸的接線關(guān)系等方面綜合比較3種橋式方案的優(yōu)缺點(diǎn),見表2。

表2 濟(jì)陽(yáng)黃河公鐵兩用橋橋式方案綜合比較

由表2技術(shù)層面可以看出,3個(gè)方案均能實(shí)現(xiàn)鐵路與公路跨越黃河的功能需求。進(jìn)一步分析可以看出,對(duì)于公鐵合建橋梁,公鐵分層相對(duì)于公鐵平層,結(jié)構(gòu)剛度大,該公鐵布置方案可以將橫斷面分層布置中結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的高度需求與鐵路行車對(duì)大跨結(jié)構(gòu)的大剛度需求很好地結(jié)合起來(lái);同時(shí),公鐵相互干擾少,安全行車有保障,功能更加明確,技術(shù)也更為成熟可靠,且橋墩橫向?qū)挾刃?有利于行洪,目前國(guó)內(nèi)在建的大多公鐵合建橋梁采用公鐵分層的橋梁也居多。而公鐵平層方案優(yōu)點(diǎn)是不抬高公路路面高程,但公路平面線形較差,且用鋼量較多(方案3多于方案1)。因此,對(duì)于本項(xiàng)目采用公鐵合建橋。整體來(lái)看,公鐵分層方案優(yōu)于公鐵平層方案,即方案1、2優(yōu)于方案3。

對(duì)于同是公鐵分層布置的方案1和方案2,兩者的主要區(qū)別在于主梁的加勁形式不同,方案1采用斜拉索對(duì)鋼桁梁進(jìn)行加勁,相比采用主桁設(shè)置上加勁弦加勁,同樣效果下,用鋼量大大減少,能夠顯著降低工程造價(jià),同時(shí)拉索給人的通透感強(qiáng),橋梁結(jié)構(gòu)的整體美學(xué)景觀好;方案2采用變高度連續(xù)鋼桁梁,結(jié)構(gòu)桿件類型多,施工難度大,且全橋用鋼量較大,公路橋面上加勁桿件較為粗壯,美學(xué)效果較差。因此,推薦方案1雙索面鋼桁梁矮塔斜拉橋(公鐵合建橋梁,公鐵分層)。

5 結(jié)語(yǔ)

黃河河段橋位資源十分緊張,且本項(xiàng)目受防洪、通航、機(jī)場(chǎng)凈空等多個(gè)因素影響,橋位及橋式方案選擇非常復(fù)雜。結(jié)合濟(jì)濱鐵路項(xiàng)目黃河橋的橋位、橋式方案選擇所做的前期研究工作,得出以下主要結(jié)論。

(1)橋位資源有限的情況下,有條件時(shí)應(yīng)盡量考慮與附近規(guī)劃橋梁合并設(shè)置。對(duì)于長(zhǎng)江、黃河及主要內(nèi)河通航河流,河道周邊控制因素多,橋位資源更是十分寶貴,目前公路與鐵路、公路與城市軌道等合建橋梁也越來(lái)越多,雖然協(xié)調(diào)工作量大,但可以充分利用通道資源,節(jié)省投資,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是有利的。

(2)提出的(228+240+300) m主跨不等跨布置的總體布置方案,與邊界條件適應(yīng)較好,滿足了各方的需求。

(3)公鐵分層橋梁結(jié)構(gòu)剛度大、公鐵干擾相對(duì)較小、安全運(yùn)營(yíng)維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單,一定條件下公路引橋接線條件好,相對(duì)公鐵平層橋梁優(yōu)勢(shì)較為明顯。

(4)橋式方案的選擇不僅要考慮橋梁本身的受力及經(jīng)濟(jì)性,還要考慮公路、鐵路兩端的接線條件,充分考慮結(jié)構(gòu)所用建筑材料、施工方法、交通運(yùn)輸?shù)纫蛩亍Ｔ跊](méi)有大噸位船舶運(yùn)輸?shù)那闆r下,施工方法有時(shí)甚至對(duì)結(jié)構(gòu)的選擇具有決定性影響。