山区高速铁路桥梁设计几个问题探讨

白琦成

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

根据2008年国务院调整的《中长期铁路网规划》,到2020年全国铁路营业里程达到12万km以上,建设客运专线1.6万km以上。2010年底全国铁路营业里程达到9.1万km,我国已投入运营的高速铁路8 358 km。因此,可以预见未来10年我国高速铁路建设任务重大、高速铁路营业里程日新月异。山区约占我国国土面积的2/3,已建成高速铁路不论是时速350 km的郑西、武广等客运专线,还是时速250 km的褔厦、石太等客运专线,线路都有大段经过山区。西南地区已开建的贵广、沪昆、云贵等高速铁路和将开建的西成、成渝、成贵、遂渝、渝黔等高速铁路无不翻山越岭。由于山区在地形、地貌、地质等方面不同于平原和盆地,决定了山区高速铁路桥梁在桥址选择、上下部结构形式及附属工程设计等方面特点。本文参照有关文献及笔者参加郑西、西成、兰新、合福客运专线等项目的设计、咨询体会，探讨山区高速铁路桥梁桥址选择、桥式方案、墩台形式、基础类型等。

2 山区高速铁路桥址选择

山区高速铁路桥址选择是在已定线路总方向的情况下,以水文、地形、地貌、地质、河道演变、水利设施、既有道路、城市规划、施工、养护、维修、通航、行洪、工程投资、特殊政治军事等要求为条件,对满足各种条件的线路、桥址方案进行分析比较和选择。桥址选择时应遵循以下原则：尽量选择最小桥高的线路方案,做好不良地质地段桥址选择,慎重研究上跨水利、道路、管线等设施桥位。

2.1 选择最小桥高的线路方案

高速铁路桥梁桥高愈小,对高速铁路要求的高平顺性、高舒适性及高安全性等愈有好处,亦能减小桥梁投资。在铁路选线时,应对高桥线路方案附近地形、地貌大范围研究,寻找最小桥高的线路方案,尽可能降低线路高程。

郑西客运专线中山大桥桥址选择如图1所示。可以看出采用线路方案经过冲沟上游,桥高仅38.2 m,原线路方案经过冲沟下游,桥高达74.8 m。

图1 中山大桥桥址选择示意

2.2 不良地质地段桥址选择

铁路修建与运营过程中常见的不良地质现象有：滑坡、错落、危岩、落石、崩塌、岩堆、泥石流、风沙、岩溶、人为坑洞、水库坍岸、地震区、放射性和有害气体等。由不良地质作用引发的,危及人身、财产、工程或环境安全的事件,称为地质灾害。

由于选线不当、工程处理措施不到位,地质灾害常导致铁路建筑物破坏,中断行车,甚至造成重大事故,使旅客人身安全与行车安全不能得到保障。因此,山区不良地质地段往往控制铁路线路走向,选线时应深入调查研究,收集足够的气象、水文、地质与水文地质资料,查明不良地质分布范围、类型、规模、发生与发展原因、规律性及其对铁路的危害程度,整治的难易等,提出可行的绕避或整治方案,通过方案比选确定线路位置。一般对正在活动的、发展的、规模较大且难于整治、严重危及施工与行车安全的不良地质地段,或已趋稳定、规模不大、绕避不致大量增加投资的不良地质地段,应予以绕避；对基本稳定、规模不大、易于整治、危害不严重的不良地质地段,宜选择有利部位通过。

山区高速铁路运营期间高速高安全性要求,桥址选择方面与传统山区普速铁路有很大的不同,比如线路通过一面陡坡地段,有隧、桥路、全桥三个方案,以前普速铁路往往会采用清理加固坡面、在坡面范围内桥路或全桥方案,但是高速铁路则选择隧道方案或远离坡面的其他线路方案。

2.3 上跨水利、道路、管线等设施桥址选择

水利设施包括水库、取水口、灌溉管网、灌溉渠等。

水库区桥址选择应注意：(1)与水库相关单位协商大坝上游线路与大坝的最小距离；(2)尽量减小深水施工难度；(3)选择水库坍岸影响较小地段设桥；(4)大坝下游桥址宜选择在大坝下游集中冲刷范围以外。

《生活饮用水卫生标准》中规定“取水点上游1 000 m至下游100 m的水域不得排入工业废水和生活污水,不得从事有可能污染该段水与水质的活动”,因此,取水口附近桥位应改移线路或迁改取水口,以保证桥位与取水口距离要求。

线路一般宜绕避灌溉管网密布地区,以避免施工期间对管网的破坏及运营期间管网漏水引起墩台沉降。大型灌溉渠内不宜设置桥墩。

高速铁路上跨道路主要有铁路、高速公路、国道、省道、县道、乡村道路等。由于山区地形限制,既有道路往往已占据有利位置,改移既有道路增加大量投资不划算,另为减小施工期间对既有道路的破坏和运营干扰,因此,要求高速铁路桥址选择便于在既有道路两侧开挖基坑且不致破坏既有道路及施工对运营干扰较小的地段通过。

确定跨越灌溉渠、道路、管线桥位及跨度都需要与其相关业主单位了解落实灌溉渠、道路现状及规划,管线实际位置及避让距离要求,并签订协议。宜尽量减小线路与灌溉渠、道路、管线斜交角度以减小桥梁跨度。宜最大限度合并排洪、灌溉渠、立交涵洞,减小涵洞密度。

3 山区高速铁路桥梁常用桥式方案

3.1 简支梁结构形式

3.1.1 组合T梁

日本和西班牙高速铁路有的采用了组合T梁,如日本北陆新干线设计时速260 km,跨度24.2、29.2、34.2 m采用4片式组合T梁,跨度39.2、44.2 m采用6片式组合T梁。

现行通用图有时速250 km有砟轨道12、16、24 m跨径4片式组合T梁,时速350 km无砟轨道16 m跨径4片式组合T梁。有研究认为，对于32 m跨径,5片式组合T梁较4片式组合T梁有经济优势,车桥耦合分析表明，32 m跨度组合T梁可以满足250 km/h高速铁路安全性和舒适性要求。

组合式T梁体量较小,架设方便,在山区高速铁路桥隧相连地段适应性好,综合经济性好。但是组合式T梁连接结构及支座甚多,较箱梁发生问题的概率大,运营养护维修存在较多问题。

3.1.2 组合箱梁

高速铁路组合箱梁通用图有时速250 km客运专线有砟轨道跨径24、32 m组合箱梁,时速250 km城际客运专线有砟轨道跨径20、24、32 m组合箱梁,时速350 km客运专线无砟轨道跨径24、32 m组合箱梁。组合箱梁主要用于桥隧相连地段。时速250 km的石太、合武等客运专线采用了组合箱梁。目前时速350 km客运专线尚无采用组合箱梁实例。

由于国内公司研制的整孔箱梁运架一体机已可实现在山区穿越隧道口架桥，无需拆解任何部件、实现桥隧相连的隧道口零距离架桥。组合箱梁对预制工期有严格要求,为保证组合箱梁两片箱梁变形协调横向连接位置的准确,要求同一孔两片箱梁龄期相差不超过6 d。组合箱梁架设后需现浇桥面板和端隔墙,工序烦琐。组合箱梁整体性、横向刚度、经济性均逊色于整孔箱梁。因此,高速铁路应尽量少采用组合箱梁。

3.1.3 整孔箱梁

高速铁路预制整孔箱梁通用图有时速250 km的有砟轨道客运专线20、24、32 m跨径先张法或后张法预应力混凝土双线单箱单室箱梁,时速250 km的有砟轨道客运专线20、24、32 m跨径后张法预应力混凝土单线单箱单室箱梁,时速250 km有砟轨道线间距4.6 m城际客运专线20、24、32 m跨径后张法预应力混凝土双线单箱单室箱梁,时速250 km有砟轨道线间距4.6～5.0 m城际客运专线20、24、32 m跨径后张法预应力混凝土双线单箱双室箱梁,时速350 km有砟轨道客运专线24、32 m跨径后张法预应力混凝土双线单箱单室箱梁,时速350 km无砟轨道客运专线20、24、32 m跨径后张法预应力混凝土双线单箱单室箱梁等。

高速铁路现浇整孔箱梁通用图有时速250 km有砟轨道客运专线32 m跨径现浇箱梁,时速350 km无砟轨道客运专线24、32 m跨径现浇箱梁等。

由于受当时梁宽为13.4 m、架运设备需拆解通过隧道、工期紧等因素限制,郑西客运专线渑池至灵宝段、武广客运专线韶关至花都段桥隧相连地段整孔箱梁施工采用了运架后浇翼缘板、支架现浇、移动模架现浇等方案,详见表1,可以看出主要以移动模架现浇为主。

随着整孔箱梁运架一体机的广泛应用,在山区运架梁不穿越3 km长以上隧道,均可考虑采用运架预制整孔箱梁。由于受长3 km以上隧道施工工期影响,若运架梁要穿越长3 km以上一般考虑现浇简支整孔箱梁或其他桥式方案。

3.2 预应力混凝土连续梁为山区高速铁路首选特殊桥梁结构形式

高速铁路预应力混凝土连续梁通用图有时速250 km有砟轨道2×24 m、3×24 m、2×32 m、3×32 m、2×40 m、(24+32+24) m、(32+40+32) m、(32+48+32) m、(60+100+60) m现浇连续梁,时速250 km有砟轨道(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m悬灌施工连续梁,时速350 km有砟轨道(32+48+32) m现浇连续梁,时速350 km无砟轨道2×24 m、3×24 m、2×32 m、3×32 m、2×40 m、(32+48+32) m现浇连续梁,时速350 km无砟轨道(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m悬灌施工连续梁。

由于2×24 m、3×24 m、2×32 m、3×32 m、(24+32+24) m连续梁可以采用相同跨度简支梁替换,现浇简支梁模板可利用率高,现浇简支梁工序简单、经济性较好,因此这几种跨度连续梁较少采用。

各设计院根据各线工点具体情况编制了主跨100 m以下其他跨度连续梁设计图。如京沪高速铁路采用了(24+40+24) m、(32+40+32) m、(37+60+37) m、(44+68+44) m、(40+72+40) m、(55+80+55) m等跨度预应力混凝土连续梁,中铁二院各线采用了(36+56+36) m、(36+64+36) m、(44+80+44) m、(56+96+56) m等跨度预应力混凝土连续梁。

值得指出的是，对同样设计时速相近跨度的预应力混凝土连续梁比较分析后发现,顶板、底板、腹板厚度及预应力筋等方面有一些不同,如(56+96+56) m与(60+100+60) m预应力混凝土连续梁比较见表2。因此,建议有关主管单位对常用主跨100 m及以下预应力混凝土连续梁统一制定尺寸等参考标准。

高速铁路主跨超过100 m大跨度预应力混凝土连续梁已比较常见。国内已建成有砟轨道高速铁路连续梁最大跨度达144 m,已建成无砟轨道高速铁路连续梁最大跨度达128 m。由于需要适应轨道及不设轨缝伸缩调节器要求,连续梁跨度宜控制在150 m以内。

表2 主跨96 m与主跨100 m连续梁设计参数比较

西成线嘉陵江特大桥采用了(76+144+76)m预应力混凝土连续梁,梁体为单箱单室变高度变截面箱梁,梁体全长297.8 m,主跨跨中10 m梁段和边跨端部10 m梁段为6.6 m等高梁段,中支点附近9 m处梁高为12 m,其余梁段梁底下缘按二次抛物线Y=6.6+X2/7 233.8变化。主跨支点及跨中截面见图2。

图2 主跨支点及跨中截面(单位：cm)

梁体采用C55混凝土,封锚采用C55无收缩补偿混凝土。

梁体按三向预应力设计。(1)纵向顶板、腹板、边跨底板钢束采用17-15.2高强度低松弛钢绞线,OVM15-17群锚,YCW350B千斤顶张拉,内径90 mm外径103 mm塑料波纹管成孔。中跨底板钢束采用19-15.2高强度低松弛钢绞线,OVM15-19群锚,YCW400B千斤顶张拉,内径100 mm外径113 mm塑料波纹管成孔。采用真空灌浆技术。顶板118束(含备用束4束),腹板40束,底板59束(含备用束3束),全桥共设217束。(2)横向采用4-15.2钢绞线,内宽72 mm、高22 mm塑料波纹管成孔,真空灌浆,单端张拉,张拉端采用OVBM15-4扁形锚具锚固,固定端采用OVBM15P-4型锚具锚固。(3)竖向采用公称直径32 mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋,YCW60B穿心式单作用千斤顶张拉,JLM-32型锚具锚固,φ45 mm(δ=0.5 mm)塑料波纹管成孔,在腹板内单排布置。(4)普通钢筋：箱梁环框受力钢筋、纵向分布钢筋采用未经高压穿水处理的HRB335钢筋,联系钢筋采用HPB235钢筋。

连续梁采用轻型挂篮分段悬臂灌注施工,分别在主跨两墩顶立模灌注0号梁段,待混凝土达到90%强度并满足5 d龄期时张拉0号梁段预应力。然后在0号梁段安装挂篮,分别在挂篮上对称向两侧顺序灌注各梁段,完成2个T构；两边跨端梁段利用支架浇筑,同时合龙两边跨,最后合龙主跨,形成连续梁体系。

经过轨道专业计算,桥梁所在线路一定长度范围内无砟轨道采用小阻力扣件后,可以不设置轨缝伸缩调节器。

由于预应力混凝土连续梁具有整体性好、刚度大、设计施工技术成熟、经济性好、对地形无特殊要求、山区地质满足其要求相对地基条件较好等优点,预应力混凝土连续梁已成为西南山区各线首选特殊结构形式。

3.3 高速铁路其他特殊桥梁结构形式概述

京津城际跨北京四环主桥采用了(60+128+60) m连续梁拱桥[6],京沪高速铁路镇江跨京杭运河主桥采用了(90+180+90) m连续梁拱桥。

高速铁路高墩大跨桥梁常选用预应力混凝土连续刚构桥,国内已建成襄渝增建二线普速铁路牛角坪特大桥主桥采用(100+192+100) m连续刚构,广珠城际容桂水道特大桥主桥采用(108+2×185+115) m连续刚构。

山区高速铁路针对峡谷陡壁特殊地形选用T构,普速铁路宜万线马水河大桥采用(116+116) m T构,日本上越新干线吾妻川大桥采用(110+110) m T构,国内高速铁路合福、西成等线设计拟采用的T构跨度在70 m左右。

西南山区各线设计拟采用其他特殊大跨代表桥梁有：(1)云贵线丘北南盘江特大桥主桥采用416 m劲性骨架钢筋混凝土拱；(2)沪昆线北盘江特大桥主桥采用430 m钢筋混凝土拱；(3)成贵线金沙江大桥主桥采用(96+108+360+108+96) m连续钢桁拱；(4)大瑞线怒江特大桥主桥采用490 m上承式钢桁拱；(5)渝利线韩家沱长江特大桥主桥采用(81+135+432+135+81) m钢桁斜拉桥；(6)南广线郁江特大桥主桥采用(36+96+228+96+36) m钢桁斜拉桥；(7)沪昆线姚官屯特大桥主桥采用(42+128+42) m系杆拱等。

为保证桥梁纵横向刚度满足高速行车要求,桥愈高,下部结构需做大做强；大跨度桥梁梁端伸缩量及转角相对较大,易造成轨道不平顺,对高速行车不利；高桥高速行车安全隐患是必须考虑的问题。因此,应进行多方面技术经济比选后慎重选择高墩大跨桥梁线路方案。

4 山区高速铁路桥墩形式比较

4.1 圆端形墩与矩形墩比较

圆端形与矩形桥墩是山区高速铁路常用桥墩形式。本文以7度地震区墩高40 m为例进行圆端形空心墩与矩形空心墩身工程数量及刚度比较,见表3。圆端形空心墩构造如图3所示,矩形空心墩构造如图4所示。

表3 圆端形与矩形空心墩比较

图3 圆端形空心墩构造(单位：cm)

图4 矩形空心墩构造(单位：cm)

表3显示,墩高40 m按图3、图4墩身尺寸,矩形空心墩不论是混凝土还是钢筋数量均小于圆端形空心墩,但矩形空心墩墩身纵横向线刚度均小于圆端形空心墩。矩形空心墩与圆端形墩各有优势,选用以外部条件决定。

经过汶川大地震后,有观点认为矩形桥墩存在直角处应力集中问题,抗震性能没有圆端形墩好；再者,为了与流线形圆端形墩通用图配套，现在高速铁路桥梁普遍采用圆端形桥墩。

4.2 流线形圆端形墩与一般圆端形墩比较

郑西、武广客运专线圆端形桥墩墩高20 m以下采用直坡,各单位实体空心分界有以7 m为界的,也有15 m左右分界的。后来流线型圆端形墩通用设计图设计墩高范围为H≤20 m。但是根据郑西客运专线渑池至灵宝越岭段、西成客运专线省界至江油段墩高统计(表4),墩高20～30 m墩数占全部桥墩数的20%以上,因此有必要研究墩高20～30 m桥墩形式。7度地震区墩高20、25 m流线形圆端形实体桥墩与一般圆端形空心桥墩工程数量及刚度比较见表5。

表4 郑西、西成客运专线各种墩高墩数统计 个

通过表5可以知道,(1)墩高20 m及以下一般圆端形空心墩造价较流线形圆端形实体墩高；(2)墩高25 m流线形圆端形实体墩与一般圆端形空心墩造价接近；(3)两种墩形墩身刚度相差不大。另外考虑到实体墩浇筑方便,不设墩内检查设施,建议一般地震区铁路桥墩墩高30 m以内采用实体墩,高速铁路流线形圆端形墩墩高可设计至30 m高。

表5 流线形圆端形实体墩与一般圆端形空心墩比较

30 m以上圆端形空心墩墩顶纵横向尺寸、墩身内外坡度、顶底实体段高度、壁厚等是拟定空心墩尺寸差异的地方。

5 山区高速铁路桥梁基础设计的2个问题

5.1 明挖扩大基础对地基的要求

6度地震区，按第一层襟边宽度0.7 m、第二层襟边宽度1.0 m设置2层明挖基础,覆土厚6.0 m,曲线上32 m跨度简支箱梁,墩高10、20 m流线形圆端形实体墩及墩高30、40、50、60 m圆端形空心墩基底最大应力,以及按地基基本承载力为0.5 MPa设计优化明挖基础尺寸见表6。

表6 不同墩高基底最大应力及优化明挖基础尺寸

由表6可知,墩高30 m以下桥墩明挖基础层数较多,对地基承载力要求较高；墩高30 m以上桥墩明挖基础对地基承载力要求并不高。由于明挖扩大基础存在沉降不易控制问题。因此,除土层不采用明挖扩大基础,砂岩、页岩、泥岩等易风化、遇水易软化W3岩层中不宜采用明挖基础,而采用桩基；矮墩应比较采用明挖基础。明挖基础施工完成后应采用M10浆砌片石封闭基坑超挖部分至基顶。

5.2 基岩内钻孔灌注桩计算模式

基岩内桩基是按柱桩还是摩擦桩设计,各单位标准不同。有单位规定：当桩底置于软质岩,岩石单轴抗压强度R值小于4 MPa时,可分别按摩擦桩和柱桩进行计算,在各自的力学指标符合实际的前提下,取单桩容许承载力较大者作为计算值。有单位规定桩端嵌入基岩基本承载力σo≤0.5 MPa按摩擦桩设计。也有单位桩端嵌入基岩基本承载力σo=0.6 MPa按摩擦桩设计的。

如果覆土较厚,桩端进入基岩,按摩擦桩或柱桩计算的桩长相差较小；如果覆土较薄,按柱桩满足嵌岩深度要求计算桩长则会比按摩擦桩计算桩长短。桩基计算模式与实际受力情况是否一致,直接关系到结构是否安全和经济。笔者建议根据不同覆土厚度、不同桩径、不同基岩实际情况、不同成孔方法等实际情况确定桩基计算模式。

6 结语

我国高速铁路建设方兴未艾,桥梁长度占线路总长比重大,应重视桥址选择对线路方案的影响。通过京津城际、郑西、武广等高速铁路的开通运营,不断积累总结桥梁设计施工经验,优化简支桥梁上部结构形式、墩台尺寸。预应力混凝土连续梁成为山区高速铁路特殊桥梁首选桥式,加强研究采用连续刚构、T构、拱桥、斜拉桥等高墩大跨桥梁结构形式,为山区高速铁路选线提供更大选择空间。桥梁基础设计应视实际情况确定基础类型与计算模式。

[1]铁建设[2009]209号,高速铁路设计规范(试行)[S]．

[2]郑 健.中国高速铁路桥梁[M].北京：高等教育出版社,2008．

[3]朱 颖.复杂艰险山区铁路选线与总体设计论文集[M].北京：中国铁道出版社,2010．

[4]白琦成.郑西客运专线渑池至灵宝段桥梁设计[J].铁道标准设计，2009(2)：83-87.

[5]陈 列，许佑顶.武广铁路客运专线韶关至花都段设计的主要特点[J].铁道标准设计，2010(1)：19-22.

[6]王宝振，宋顺忱.京津城际跨北京四环(60+128+60)m连续梁-拱空间分析[J].铁道标准设计，2007(2)：22-24.

[7]毕玉琢.复杂山区铁路桥梁设计[J].铁道标准设计，2005(11)：48-52.

[8]饶少臣.大跨高墩T构铁路桥设计研究[J].铁道标准设计，2005(11)：52-56.