怀邵衡铁路桥梁总体设计

尹书军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)



怀邵衡铁路桥梁总体设计

尹书军

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

主要介绍怀邵衡铁路全线桥梁的总体设计情况。为了解决该线复杂的地理、地质和环境条件等因素造成全线的设计困难，桥梁设计除按一般简支梁设计外，还提出以大跨度桥梁为辅的解决方案。在岩溶较为发育区域，提出桥梁基础安全持力层和基底位置，并结合实际情况采取人工造壁为主的钻孔成桩措施。施工结果反映该线桥梁设计效果良好。

铁路桥梁；连续梁；岩溶处理；设计

1 工程概况

1.1 线路概述

怀邵衡铁路位于湖南省中西部，起于怀化市怀化南编组站，止于衡阳市颜家垄站，沿途经过怀化市、邵阳市、衡阳市下辖的14个县(市、区)。正线建筑长度318.456 km，其中怀化—邵阳段174.038 km，邵东—衡阳段111.530 km；邵阳—邵东段32.888 km采用与娄邵铁路共通道线路并行方案，联络线长度21.565 km，其中怀化枢纽4.315 km，邵阳地区联络线7.12 km，衡阳枢纽联络线10.13 km。

线路起于云贵高原东部边缘的怀化，穿越“原始江南古陆”雪峰山区，进入湘中南丘陵区，止于衡阳，跨越沅水、资水、湘江三大水系。沿线怀化至洞口段为中、低山区，地形陡峻，多处桥、隧相连，怀化地区岩溶非常发育；洞口至衡阳段为丘陵地带，层出露较为齐全，从泥盆系至第四系地层均有，受强烈的地质构造的影响，区域内基岩节理发育，岩性破碎；部分地段下伏基岩岩溶异常发育。河流冲积阶地与谷地地段大部分为第四系地层覆盖，其中邵阳至衡阳河流一级阶地分布有软土，该段覆盖层深厚，地基软弱。

1.2 桥梁概述

(1)正线大中桥190座-73.462 km，框架小桥26座-0.355 km，涵洞388座11 398延米；公路桥15座12316.5顶平米。本线工程地质复杂，不良地质及特殊地质主要有：采空区、岩溶、软土等。位于岩溶区的桥梁123座-47.78 km，占全线桥梁长度的65%。本线最长桥梁为跨京港澳高速公路(复线)特大桥，桥长2.784 km；最高桥墩桥梁为双江水库2号特大桥，墩高57.5 m。

(2)邵阳至邵东四线并行地段大中桥23座-14.316 km，涵洞44座2 003.27延米，公路桥2座2 540顶平米。

(3)怀邵衡铁路联络线大中桥15座5.309 km，框架小桥2座0.028 km，涵洞37座1 976.73延米，公路桥1座580.4顶平米。

1.3 主要技术标准

技术标准：(1)铁路等级为客货共线、双线、有砟轨道铁路；(2)设计旅客列车行车速度为200 km/h；(3)设计荷载为中—活载；(4)桥梁洪水频率1/100，涵洞1/100；(5)涵洞顶至轨底最小填方高度不小于1.2 m。

2 桥式方案

2.1 桥式方案设计原则[1-2]

桥式方案主要有以下两个方面内容：一是桥梁设置的长度，二是桥梁的孔跨布置。设计原则如下。

(1)沉降不易控制的地段由路基专业提出，设桥通过。软土地基、松软土地基考虑到沉降控制困难，桥路分界高度原则上为6 m。

(2)当跨越公(道)路、通航河流，或者遇有深水基础、高墩深谷，采用常用梁跨无法跨越时，视情况选用大跨度连续梁或其他特殊桥梁结构，有条件时应尽可能地预留发展条件，避免新建工程与既有工程的相互干扰。特殊桥梁跨度尽量采用标准跨径，如(32+48+32) m、(40+56+40) m、(40+64+40) m、(48+80+48) m。

(3)桥跨应满足水文条件及各部门的要求(水利、航道、交通、城建、管线等)，不压缩既有公路、河道宽度等方面的要求，避免由于侵占河堤、河道、道路而引起的较大的附属工程及赔偿费用。

(4)一般桥梁结合跨越道路、小河流、河沟、地形地貌、地下管线等优先布设32 m简支T梁，用24 m简支T梁进行必要的调跨。桥跨一般尽量按等跨布置，尽量减少变跨情况。当跨越高等级公路、城市道路以及跨越大江大河或结构与河流斜交角度太大时，采用常用梁跨无法跨越时，视情况选用大跨度连续梁或其他特殊结构桥梁跨越。

2.2 桥梁墩台

简支T梁桥墩一般采用混凝土圆端形实体墩及圆端形空心墩，根据列车时速、单双线情况，分别采用通桥(2012)4103-Ⅰ、 通桥(2012)4104-Ⅰ参考图及我院编制的空心墩参考图。大跨度连续梁桥墩、其他特殊结构桥梁桥墩特别设计，一般采用圆端形实体墩。

简支T梁桥台采用我院编制的T型桥台，台长设为定长，不随高度变化，方便施工及模板的定制，台后填土高度4.5～13.0 m，级差0.5 m。

2.3 桥面系

排水系统采用两侧排水方式，一般桥梁不设纵向排水管，直排地面；环境敏感区桥梁，跨越铁路、高等级公路设纵向排水管。伸缩缝采用耐候钢。栏杆采用钢栏杆。防水体系采用中标防水体系，L类防水卷材及聚氨酯防水涂料。

2.4 接口

桥梁主要接口有轨道、路基、环保、通信、信号、电力、牵引供电、综合接地等8个方面。

2.5 桥梁梁部施工方法

本线简支梁为简支T梁[3]，主要采用预制架设[4]，预制架设可以工厂化生产，既能保证T梁制造质量，又提高了施工进度和工效。高架站内简支箱梁由于量少，采用预制架设需要设置梁场，不经济，采用支架现浇更为合理。

常用跨度连续梁采用悬臂浇筑，少量小跨度连续梁根据现场情况采用支架现浇。部分连续梁因跨既有线、高速公路净空限制，采用悬臂浇筑、转体合龙的施工方法。

2.6 涵洞设计原则

涵洞一般采用整体性能好的钢筋混凝土框架涵，对填土较高及位于山区陡坡不能使用框架涵者，可采用盖板涵。涵洞顶填土厚≥1.2 m。沉降缝采用适应变形和止水的材料，保证耐久性要求的使用寿命，涵洞基础地基处理采取与相邻路基一致的处理原则。

2.7 边坡防护

本线部分桥梁穿越中、低山区，部分墩台不可避免位于陡坡地段，边坡开挖后，容易受到溜塌、塌滑等变形破坏，隐患较大，需要对桥梁墩台进行边坡处理。根据不同的地质条件、地形条件，采取植草、骨架护坡、预应力锚索、挡墙、桩板墙等工程措施对边坡进行加固。

3 桥梁基础

3.1 一般地段基础设计[5]

怀邵衡铁路桥梁基础主要采用钻孔灌注桩、明挖扩大基础。考虑到沿线岩溶发育等情况，常用跨度简支T梁桥墩一般采用φ1.00 m钻孔桩，桩数不超过10根，当桩长超过50 m时，考虑施工难度，适当加大桩基。复杂地质、地形条件如岩溶发育区、高墩桩基一般采用φ1.25 m、φ1.50 m桩径，尽量减少桩根数，方便施工。

3.2 岩溶地区桥梁桩长设计原则[6]

岩溶地区桥梁桩基础按嵌岩柱桩进行设计，嵌岩柱桩桩底应置于下伏完整基岩中。其中，当桩位发育有溶洞时，桩底原则上应置于溶洞以下的完整基岩中；当周围相邻桩位或相邻地质钻孔位置发育有溶洞时，桩底宜设置在相邻桩位或相邻地质钻孔位置发育的溶洞底以下；当在一个墩(或台)桩基础平面范围内，各桩桩位岩溶发育呈水平向或斜向贯通趋势时，应将该墩(或台)各桩桩底或大部分桩的桩底置于水平向或斜向贯通溶洞洞底以下的完整基岩中，以杜绝该墩(或台)在桩基础承载后发生墩(或台)及附近地表整体沉陷、坍塌、倾斜等工程质量事故。

4 大跨度桥梁

4.1 概述

怀邵衡铁路沿线跨越多处大江大河及高等级公路，受通航、防洪、立交净空等因素控制，需要以大跨度桥梁跨越，全线大跨度桥梁见表1。

4.2 沅江特大桥(90+180+90) m矮塔斜拉加劲连续梁[7-8]

沅江特大桥在怀化市安江镇跨越沅江，主桥结构高度、跨度主要受沅江百年水位、通航、防洪以及安江车站填土高控制，初步设计阶段主跨采用了(68+3×136+68) m连续梁拱方案，(102+2×180+102) m连续钢桁梁，(90+180+90) m矮塔斜拉加劲连续梁组合结构3个方案进行对比。因铁路与河道斜交角度大于5°，航道主管部门要求主跨一跨跨越通航全部水域；而《湖南省涉河桥梁水利技术规定》中要求涉河桥墩阻水率应控制在4%～5%，这就要求尽量减少水中桥墩；综合通航、防洪以及经济性要求，施工图主跨最终采用(90+180+90) m矮塔斜拉加劲连续梁组合结构，具体见图1。其中主梁采用悬臂浇筑法施工，先合龙边跨，再合龙中跨。

表1 特殊结构跨度汇总

图1 怀邵衡铁路沅江特大桥主桥立面布置(单位:cm)

沅江特大桥主桥全长361.6 m，桥面宽13.6 m，线路中心线距离挡砟墙内侧2.23 m。主梁采用单箱单室、直腹板箱形截面预应力混凝土梁结构，中支点处梁高9.6 m；边支点及中跨中处梁高5.0 m；中跨中等高度梁平段长38.0 m，中间69 m长度变高度梁梁底曲线采用二次抛物线。桥面以上桥塔高28 m，双柱式桥塔形式、矩形实体截面，顺桥向宽4.8 m，横桥向宽2.4 m，中间设置宽度120 cm、深20 cm挖槽。主桥斜拉索采用单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，外套HDPE，空间双索面体系。

主桥采用Midas2006计算软件进行施工阶段和运营阶段结构静力分析，采用BSAS软件进行了校核，主梁纵向计算结果见表2。

表2 主梁应力、强度检算结果

主跨中跨最大静活载挠度为143.6 mm，为主跨的1/1 253.5，梁端转角为1.51‰；主梁在摇摆力+横向风力作用下的横向水平挠度24.1 mm，挠跨比为1/11 935.4；后期徐变边跨上拱2.38 mm，中跨上拱20.8 mm。

斜拉索最大活载应力幅为74.6 MPa，为中跨边索。索拉索在主力工况下最大拉应力为824.8 MPa、最小安全系数为2.25；在主+附工况下最大拉应力为845 MPa，最小安全系数为2.20。

桥塔混凝土主力最大压应力为5.73 MPa、钢筋应力56.82 MPa；主+附最大压应力为6.13 MPa、钢筋应力68.82 MPa。

主桥在C80货车以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3动车组以速度140～300 km/h通过时，车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，列车的竖、横向加速度值均小于规范限值，列车安全性满足要求；主桥在CRH2、CRH3动车组以速度140～275 km/h通过时，动力、拖车的竖向、横向运行平稳性均达到“优”，C80货车以速度60～120 km/h通过时，重车和空车的竖向和横向运行平稳性均达到“优”。

4.3 大跨度预应力混凝土连续梁[9]

全线主跨100 m以上大跨度连续梁6座，分别为跨度(60+100+60) m连续梁2座、(78+130+78) m连续梁2座，(72+3×130+72) m双线连续梁1座，(72+4×130+72) m双线连续梁1座，具体见表3。

表3 大跨度预应力混凝土连续梁主要构造参数

对于大跨度连续梁而言，工后徐变[10-11]的控制非常重要。设计过程中首先选取较大的高跨比、加大梁体竖向刚度；其次，尽量控制箱梁上下缘恒载应力差(宜控制在2 MPa左右)；最后控制二期恒载上桥时间等多种方式来减少主跨的工后徐变。

怀邵衡铁路湘江特大桥主跨(72+4×130+72) m连续梁，资江特大桥(72+3×130+72) m连续梁，沅江特大桥(90+180+90) m矮塔斜拉加劲连续梁组合结构主跨温度跨均大于200 m，根据轨道专业要求，均设置温度调节器。

4.4 湘江特大桥(72+4×130+72) m双线连续梁

湘江特大桥在衡阳市石鼓区跨越湘江，考虑到防洪、通航要求，主桥采用(72+4×130+72) m双线连续梁，主桥全长665.5 m，桥面宽11.9 m。

对于一般铁路连续梁，中支点梁高为跨度的1/14～1/16，跨中梁高为跨度的1/25～1/30。为提高本桥主梁刚度，主梁中支点梁高取9.6 m，为主跨的1/13.5；跨中梁高取5.5 m，为主跨的1/23.6。设计过程中，通过调整预应力索的布置及张拉顺序，尽量减少主梁上、下缘应力差，以便控制后期徐变。

主桥采BSAS计算软件进行施工阶段和运营阶段结构静力分析，纵向计算结果见表4。主桥最大静活载挠度为-66.6 mm，为跨度的1/1 952；二期恒载上桥时间按张拉最后一批预应力索后60 d考虑，理论计算工后徐变跨中上拱2.0 mm。

表4 主梁应力、强度检算结果

主桥在C80货车以速度60～120 km/h及CRH2、CRH3动车组以140～300 km/h通过时，车辆的脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力等安全性指标均在限值以内，列车的竖、横向加速度值均小于规范限值，列车安全性满足要求；主桥在CRH2、CRH3动车组以速度140～300 km/h通过时，动力、拖车的竖向、横向运行平稳性均达到“优”，C80货车以速度60～120 km/h范围通过时，重车和空车的竖向和横向运行平稳性均达到“优”。

5 岩溶地区桩基础岩溶处理[12-13]

本线岩溶特别发育，部分桥梁穿越岩溶地区，桥梁基础安全合理地选择持力层和基底位置，并根据实际地质钻探资料采取必要的钻孔成桩工程措施非常重要。为避免岩溶地区桥墩位置地面的后期沉陷，避免岩溶地区桥梁钻孔桩基础混凝土灌注方量大量流失，改善承台及桩基础的受力条件、避免承台及桩身侧压过大，并解决施工不成桩等相关问题，需对岩溶地区桩基础应进行岩溶处理。结合我院在湖南地区近几十年铁路设计经验，制定以下具体处理措施。

(1)桥梁桩基础岩溶处理原则上采用人工造壁进行处理，即采用抛填片石、袋装黏土、袋装水泥形成人工造壁，抛填的片石、袋装黏土、袋装水泥比例按3∶3∶1考虑；当溶洞为空洞，且空洞高度≥10 m、空洞底距离地面深度≥30 m时，人工造壁采用抛填片石、袋装黏土、袋装水泥、外加废旧枕木(或长条形方木)形成人工造壁，此时，抛填片石、袋装黏土、袋装水泥、废旧枕木(或长条形方木)比例按3∶3∶1∶1考虑。

(2)当溶洞为空洞，且空洞高度≥10 m、空洞底距离地面深度<30 m时，可根据溶洞发育情况及桥梁墩台具体情况采用人工造壁或钢护筒进行跟进。

(3)对浅表性岩溶发育、且顶层溶洞顶板很薄时，采取对顶层溶洞(距地面第一层溶洞)进行注浆处理或要求施工单位在本桩位不得摆放钻孔机具设备。顶层溶洞注浆处理方法为：在钻孔桩桩位事先钻注浆小孔、灌中粗砂，然后低压或无压注浆。

(4)对位于既有线路肩边缘或位于既有线边坡范围、且设计采用大直径桩径的桥墩，对顶层溶洞(距地面第一层溶洞)进行微压或无压注浆处理(注浆处理方法同上)，以确保既有线行车安全。

(5)对位于既有线路肩边缘、边坡范围的桥墩，当溶洞为空洞、且空洞底距离地面深度<20～25 m时，采用钢护筒跟进，以避免可能出现的坍孔而危及既有线安全。

目前怀邵衡铁路桥梁线下工程已接近尾声，施工采用设计提供的岩溶处理措施，未发生桥墩位置地面的后期沉陷，岩溶地区钻孔桩基础混凝土灌注方量大量流失，施工不成桩等相关问题。从施工过程来看，本线桩基础岩溶处理措施较为安全、合理。

6 结语

怀邵衡铁路桥梁设计针对本线实际情况，结合我国高速铁路、客货共线铁路前期研究成果，对大跨度桥梁、大跨度预应力混凝土梁徐变控制、岩溶桩基础岩溶处理等方面进行了深入研究，其工程实践为客货共线铁路建设积累了宝贵经验。

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General Design of Bridges on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway

YIN Shu-jun

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

This paper describes the general design of the bridges on Huaihua-Shaoyang-Hengyang Railway. In order to solve the design difficulties caused by the complex geographical， geological and environmental conditions， simply supported beam bridge is normally proposed and large span bridge is additionally suggested. In the more developed Karst area， safe stress holding layer is recommended for bridge foundation and foundation position is defined. Furthermore， the artificial drilled pile is employed fundamentally as the actual situation requires. The construction results justify the applicability of the bridge design．

Railway bridge; Continuous beam; Karst treatment; Design

2016-03-24；

2016-04-12

尹书军(1978—)，男，高级工程师，2002年毕业于西南交通大学土木工程学院，工学学士；2008年毕业于武汉理工大学土木与建筑学院，工程硕士，E-mail：574549087@qq.com。

1004-2954(2016)11-0053-05

U442.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.013