廊坊光明道立交上跨高铁桥梁方案研究与设计

2020-07-16庞元志

国防交通工程与技术 2020年4期

庞元志

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

我国已成为目前世界领先的大跨度桥梁设计和建设国家，国内学者针对大跨度桥梁设计的研究主要集中在以下两类：

一类是大跨度桥梁的设计要点和优化策略。林元培[1]总结分析了9种桥型设计，并从材料、结构、施工工艺以及大跨度的推进和美学等方面对其发展方向进行了探讨；詹建辉等[2]为优化大跨度组合梁斜拉桥的结构性能，从主梁的断面型式、主梁参数、桥塔高度等角度进行了对比分析；任征[3]以福厦高铁乌龙江特大桥为例(国内首次设计高速铁路大跨度四线铁路高低塔混合梁斜拉桥)，总结了超大跨度斜拉桥设计应考虑的因素，并对其设计思路、方法等进行了总结，提出了大跨度桥梁在桥塔塔形、刚度、塔高匹配等方面的优化策略。

另一类是大跨度桥梁施工的关键技术。周勇政等[4]立足我国高速铁路桥梁建设，分析大跨度混凝土梁式桥的设计参数以及大跨度上承式拱桥的结构形式、施工方法等关键技术；宋子威[5]在总结分析已建斜拉桥基础上，结合福平铁路乌龙江特大桥主桥部分，对支承体系、斜拉索加劲效果、合理边中跨比等关键技术进行了分析研究；赵会东[6]提出了连续梁(刚构)—拱桥、部分斜拉桥的理论极限跨径，并给出工程实用极限跨径的建议值；刘彦明[7]以国内首次采用新型拱桥结构的哈尔滨—大连高速铁路跨越长春市富民大街设计为背景，对其关键技术实体圆钢吊杆的连接，以及拱脚的合理构造和局部应力、车桥耦合动力效应等进行了分析研究；钟继卫等[8]对大跨度桥的结构受力性能进行了实时监测，建立了施工过程基础数据采集和监测系统，实现实时在线的桥梁施工监测，并验证了监测系统的有效性及实用性；单德山等[9]以泸州泰安长江大桥为例，提出了大跨度斜拉桥人工管养和健康监测系统相融合的新型管养方式。

1 工程概况

光明道为廊坊市城区东西向中轴线，由于京沪铁路及京沪高铁对城区的划分，使整个廊坊市区一分为二，光明道也被分割为光明西道和光明东道两部分。

光明道与京沪高铁和既有京沪铁路斜交，斜交角度分别为32.9°和31.4°。京沪高铁四股道，路基段，交点处位于京沪铁路廊坊站站台；既有京沪铁路六股道，路基段，电气化铁路(均为硬横梁)，钢筋混凝土枕，60 kg/m钢轨。

此外，在工程建设条件方面，工程区地层岩性主要为第四系人工堆积层填筑土，第四系全新统新近沉积层淤泥质粉质黏土、粉质黏土及粉土，第四系全新统冲积层粉质黏土、粉土、粉砂，第四系上更新统冲积层粉质黏土、粉土、粉砂、细砂。

同时，根据场区内地层岩性组合及地下水赋存条件，地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水，主要含水层为粉土、粉砂，水量受季节影响大，主要受大气降水的补给，水量丰富，渗透性较好。勘察期间水位埋深约1.8～3.7 m，水位高程约8.38～10.51 m，水位年变化幅度1～3 m。

2 桥梁设计关键技术

2.1 结构形式的选取

廊坊光明道立交桥跨越铁路股道数多(含规划有14条)，且与铁路斜交角度小，仅为31.4°。由于铁路线间距较小，线间无法设置桥墩，跨越铁路最小主跨为248 m。考虑采用大跨桥梁结构，可以选取的桥型有悬索桥、斜拉桥、拱桥、连续钢桁梁[10,11]，桥型方案如图1所示。

图1 桥型方案

(1)对于斜拉及悬索方案，因均需设置桥塔及拉索结构，桥塔施工时靠近京沪高铁，施工高度高，施工及后期维修养护对高铁运营存在较大的安全风险，桥墩距离京沪高速铁路最小距离22 m。根据北京铁路局京铁师[2016]408号文《营业线施工安全管理实施细则》第五十五条，桥塔施工需要B类施工，而京沪高铁列车行车密度大，白天列车间隔时间很短，白天B类施工无法实施，只能夜间施工，工期无形加长1 a之久，无法满足建设单位需求。同时，斜拉桥方案转体单墩重量达4万t，对京沪高铁沉降影响远超过2 mm，不能够满足高铁工务段及规范的相关要求。

(2)考虑到桥下铁路列车运营的安全，道路在上跨铁路时，不宜采用长时间中断铁路行车的施工方案，故该段不宜采用挂篮或满堂支架现浇施工，采用对铁路干扰较少的转体法、顶推法较为可行。采用顶推施工，线间需设置临时墩，且顶进距离长，向铁路要点时间多；若采用转体施工，线间不需设置临时墩，且转体角度小，向铁路要点时间少。考虑桥下京沪高铁运营安全的重要性，主桥采用对高铁运营影响最小的转体法施工。

(3)对于拱桥方案，由于距桥址700 m处的“银河大桥”采用拱桥形式，从景观性上考虑，应尽量避免在同一地点采用相同的桥型；另该桥式很难采用对铁路运营影响较小的转体施工，因此本次研究未考虑拱桥方案。

(4)钢结构梁式桥重量轻，转体重量仅1.6万t，对高铁沉降影响小，上加劲弦体系更有利于长悬臂转体施工。成桥后，梁底距离京沪高铁接触网杆顶3.3 m，满足接触网最小3 m的养护维修空间要求。

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结合施工方法，并综合考虑转体重量、结构刚度、桥面高度、对京沪高铁的影响等因素，本桥推荐采用钢桁梁方案，如图2所示。

图2 桥型布置(单位：m)

2.2 施工方案制定

主桥为跨越京沪高铁和京沪铁路桥梁，为了尽量少的影响铁路线正常运营，桥梁的施工方法成为本桥设计所必须注意的一个重点。结合桥位处现场实际情况及邻近铁路施工管理办法，本桥高铁侧拼梁位置向远离高铁侧预偏15 m，达到主桁拼装不需要B类施工的要求，拼装到位后，将高铁侧钢梁向主墩侧横推15 m，然后进行钢桁梁转体。桥梁转体系统由转体球铰及辅助支撑系统组成，转体球铰为桥梁转体中心，辅助支撑系统设置弧形轨道梁。转体球铰和辅助支撑系统同时承力，承担梁体的载荷[12-14]。

为了保证高铁安全，合龙段尽量避开高速铁路，本桥采用非对称转体方案，高铁侧和西牵出线侧的拼装长度分别为(118+138.5)m、(129.5+118)m。钢梁转体以及牵引系统位于主墩上承台底，转体过程在边跨侧距离主墩5个节间节点位置设转体辅助墩和辅助滑道系统。普铁侧钢桁梁逆时针转体29.0°至设计位置，转体吨位约16 000 t；高铁侧钢桁梁逆时针转体33.4°至设计位置，转体吨位约16 000 t。在跨中合龙前，调整桥梁线形，按照合龙方案进行跨中合龙，转体总时间约95 min。转体平面位置关系如图3所示。

图3 转体平面位置关系

2.3 临近高铁深基坑设计

基坑开挖深度约8.8 m，17号主墩(高铁侧)墩高16.5 m，桩长85 m。墩身边缘距既有京沪高铁四道线中心最小距离为22.4 m；承台边缘距京沪高铁用地界最小距离为6.5 m，距京沪高铁路基坡脚线最小距离为17.1 m；止水帷幕距京沪高铁四道线路中心线18.6 m。临近高铁基坑设计采用止水帷幕使基坑开挖时处于全封闭状态，四周地下水和基底地下水均无法进入基坑，排水范围只是局限在围堰内部地下水，严格保证京沪铁路和京沪高铁地下水位的稳定，确保不会因为施工给铁路运营带来影响。

2.4 铁路上方合龙设计

合龙段设置在京沪铁路上方，跨中钢桥面连续焊接时间要求较长，不具备要点施工条件。主桁弦杆合龙采用要点施工，桥面板合龙采用全封闭防护施工。转体到位、主梁调整至合龙状态后，先进行主桁合龙螺栓拼装，然后安装合龙防护小车轨道。采用全封闭防护小车进行2 m合龙段桥面板焊接施工。合龙段防护小车为合龙段的施工提供施工平台。施工平台采用悬挂式吊车方案，即驱动机构通过钢轮倒置于H型钢轨道上。施工平台主要由桁架[15]、行走机构和电气系统等组成。桁架主要承受自重、检修人员和维护检查器具物品等载荷。防护小车结构如图4所示，施工平台在桥梁合龙前，悬挂在轨道上，随桥梁一起旋转，待两段钢梁旋转到位后，施工人员首先通过吊笼将合龙段轨道连接好，然后施工平台自力运行到位，制动器自动制动，手动制动器制动，然后安装好施工平台安全锁固销轴、临时限位挡块，两侧爬梯与钢梁焊接。

图4 钢梁合龙用防护小车

3 高铁防护设计

3.1 高铁防异物侵限设计

按“关于印发《高速铁路防灾安全监控系统——公跨铁立交桥异物侵限监测方案》的通知”，为确保高速铁路行车安全，在桥梁两侧安装异物侵限装置，监测机动车、大型货物因故越过栏杆、护网而侵入铁路限界[16]；两侧异物侵限装置各设置91 m长范围，设计中考虑在此范围内按文件要求预留装置接口。防异物侵限系统包括铁路局中心系统、现场监测设备及系统网络等。异物侵限现场监测装置采用双电网传感器，设置于上跨铁路的道路桥梁两侧。

3.2 防抛网设计

《铁路工程设计防火规范》(TB 10063-2007)第6.4.3条对上跨铁路立交桥防抛网的规定：公路、道路上跨铁路的立交桥或人行天桥，应在桥梁外侧防撞墙栏杆上设置防护网。路堤地段防护网范围延至距最外铁路线路6.0 m以外。

与铁路贴邻的立交桥或人行天桥，应在桥梁的铁路侧设置防护网。铁路站场范围的天桥，防护网应延至桥下。防护网的高度不应小于2.2 m，网眼不应大于0.25 cm2。

3.3 桥梁防撞设计

根据《高速铁路设计规范》(TB 10621-2014)的规定，主桥采用两道防护，内侧为SX级防护栏，护栏高1.4 m，外侧为HA级防护栏，护栏高1.3 m，防护栏外侧设0.75 m检修通道以及0.25 m监测网[14],防撞设计如图5所示。

图5 跨越高铁防撞设计断面(单位:cm)

4 主桥施工及运营阶段对高铁路基变形的影响分析

根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》(铁运[2012]83号)规定，250(不含)～350 km/h线路轨道静态几何尺寸，高低和轨向偏差为10 m及以下弦测的最大矢度值为2 mm。如图6所示建立有限元模型，主桥施工过程中对京沪高铁路基变形的影响较小，路基竖向位移最大值为1.8 mm，水平位移最大值1.26 mm，京沪高铁沉降曲线如图7所示，满足规范要求。