节段预制桥梁技术在广州地铁的应用及发展研究

阳发金，孙峻岭

（瀚阳国际工程咨询有限公司 广东省交通核心基础设施绿色建设工程技术研究中心广东省院士专家企业工作站，广州 510220）

1945年，法国工程师E. Freyssinet最先运用节段预制技术在马恩河上建造了Luzancy桥。随后节段预制桥梁技术在欧洲飞速发展，20世纪五、六十年代传至美洲、澳洲和亚洲[1-2]。

中国从20世纪60年代开始使用节段预制桥梁技术。该施工方法安全、质量好、施工速度快、对周围环境影响小，在中国公路、市政等桥梁中得到了较为广泛的应用，但在地铁中应用较少。

自2003年开始，广州地铁先后在4号线、6号线、14号线和21号线[3-6]采用了节段预制桥梁技术。多年以来，经历了从开始应用阶段的节段预制简支梁，逐渐发展为双肢墩连续刚构、单肢墩连续刚构，桥梁结构体系上进一步优化。形成了适用于地铁建设的节段预制桥梁设计、预制和架设施工等成套节段预制桥梁技术。依托于项目实践经验，瀚阳国际工程咨询有限公司和广州地铁设计研究院股份有限公司作为主编单位编写了《城市轨道交通预应力混凝土节段预制桥梁技术标准》(CJJ/T293-2019)[7]，自2019年11月1日起实施。

现依据“广州地铁新一轮线网预制拼装工法专题研究”项目对节段预制桥梁技术在广州地铁的应用和发展进行总结，并提出技术提升建议。

1 工程概况

2007年建成通车的广州地铁4号线开始应用节段预制简支桥梁技术，是中国首次在地铁桥梁中使用节段预制桥梁技术。随后，该技术在广州地铁中得到发展，2013年建成通车的广州地铁6号线在中国首次使用节段预制无支座双肢墩连续刚构桥梁技术，2018年建成通车的广州地铁14号线、21号线在中国首次使用节段预制无支座单肢墩连续刚构桥梁技术。

1.1 应用阶段

2007年建成通车的广州地铁4号线工程，是节段预制桥梁技术在广州地铁的开始应用阶段。采用节段预制简支桥梁技术，总长约14 km。广州地铁4号线简支梁如图1所示。

图1 广州地铁4号线简支梁Figure 1 Simply supported beam of Guangzhou Metro Line 4

1.2 发展阶段

随后，该技术在广州地铁中得到进一步发展。将节段预制箱梁与连续刚构体系相结合，相比简支梁，更加轻巧、景观效果更好，大大减少支座数量、减少运营阶段维护工作量。以2013年建成通车的广州地铁6号线和2018年建成通车的广州地铁14号线、21号线为代表。

广州地铁6号线在中国首次将节段预制箱梁与双肢墩连续刚构体系相结合，并且在主跨150 m拱桥上使用节段预制技术，总长约3 km。广州地铁6号线双肢墩连续刚构如图2所示。

图2 广州地铁6号线双肢墩连续刚构Figure 2 Double-leg continuous rigid frame of Guangzhou Metro Line 6

广州地铁14号线、21号线在中国首次将节段预制箱梁与单肢墩连续刚构体系相结合，相比双肢桥墩，此结构更加简洁、轻巧，景观效果更好，总长约38 km。广州地铁14号线单肢墩连续刚构如图3所示，广州地铁21号线单肢墩连续刚构如图4所示。

图3 广州地铁14号线单肢墩连续刚构Figure 3 Single-leg continuous rigid frame of Guangzhou Metro Line 14

图4 广州地铁21号线单肢墩连续刚构Figure 4 Single-leg continuous rigid frame of Guangzhou Metro Line 21

2 技术方案

笔者拟从标准段桥梁结构体系、桥跨布置、主梁构造、节段划分、永久预应力、接缝、剪力键、临时预应力、下部构造、施工方法等方面进行阐述。

2.1 4 号线

1) 结构体系；采用简支梁体系。

2) 桥跨布置。标准跨度以30、25 m为主，32.5、27.5、22.5 m为辅，个别较大路口采用41.9、40 m。

3) 主梁构造。主梁采用C50预应力混凝土结构。采用单箱室斜腹板截面，腹板斜度为1/4，梁高1.7 m，桥面宽9.3 m，底板宽4 m。箱梁顶板厚0.25 m，悬臂板厚0.12～0.50 m，标准节段腹板厚0.30 m，底板厚0.25 m；过渡节段腹板厚0.40 m，底板厚0.35 m；端节段D1腹板和底板厚0.50 m；端节段D2腹板和底板厚 0.55 m。箱梁纵向按全预应力混凝土结构设计、横向按钢筋混凝土结构设计。主梁主要截面如图5所示。

图5 主梁截面图Figure 5 Section of main girder

4) 节段划分。跨度30 m主梁纵向分为12个节段，分别为6个标准节段、2个过渡节段、2个端节段D1、2个端节段D2。标准节段和过渡节段长2.5 m、两个端节段长2.45 m。标准节段重30 t，端节段D2重42 t。共有约5 800个节段。

5) 永久预应力。仅设置纵向预应力，采用后张法体内预应力。

6) 接缝。预制节段之间采用环氧树脂接缝。

7) 剪力键。为减少应力集中而设计为多键式剪力键，均匀布置。腹板全高范围密布剪力键，顶板均匀布置5个剪力键、底板均匀布置4个剪力键。

8) 临时预应力：采用精轧螺纹钢。主梁节段拼装过程中，在相邻两节段上张拉临时预应力束，使接缝压应力不小于0.3 MPa。顶板临时预应力设置钢台座、通过临时锚栓与顶板结合，底板临时预应力设置钢筋混凝土台座、与底板结合为一体。

9) 下部构造：采用花瓶式桥墩。

10) 施工方法：节段梁采用短线法制造、架桥机逐孔拼装架设。

2.2 6 号线

1) 结构体系。采用双肢墩连续刚构体系。

2) 桥跨布置。标准段，最大跨度 40 m、最小跨度30 m，一般三跨一联，少数四跨或者两跨一联。全线共计17联，两跨一联共3联，三跨一联共7联，四跨一联共7联。与路基段相邻一联桥梁、桥墩高度小于7 m，采用两跨一联、跨度30 m，长度占标准段桥梁总长约为3%；跨度≥38 m共9联，其余跨度为33～38 m、共7联。后续类似项目应重视桥跨布置优化工作，尽可能使绝大多数标准段桥梁跨度接近标准跨度，在保证其他指标均满足要求的前提下，最大限度地提高桥梁经济指标。

跨路口采用Y型刚构、跨度组合为(40+60+40) m，跨珠江大跨度节点桥采用连续刚构拱桥、跨度组合为(40+40+150+40+40) m，主梁梁高及截面形式与标准段桥梁相同。后续类似项目，如遇到标准段连续刚构与大跨度节点桥相接，可参照本项目处理；标准段桥梁与多线桥梁相接，多线桥梁可以采用与标准段桥梁接近的跨度、两者梁高相同，多线桥梁桥面可以采用渐变变宽处理、与标准段桥梁匀顺过渡，多线桥梁采用现浇施工方法。

3) 主梁构造。主梁采用C60预应力混凝土结构。采用单箱室斜腹板截面，腹板倾斜角为 42.36°，梁高2.0 m，标准段顶宽 9. 3 m、加宽段顶宽 9. 3～11. 2 m，加宽部分采用悬臂加宽形式，悬臂宽 1. 75～2. 7 m，底板宽 2. 4 m。顶板厚 0. 25 m；标准节段腹板和底板厚0.3 m；过渡节段Gb腹板和底板厚0.4 m；过渡节段Ga、端头节段腹板和底板厚0.5 m。主梁纵、横向按全预应力混凝土结构设计。主梁各截面如图6和图7所示。

图6 主梁截面图1Figure 6 Section of main girder 1

图7 主梁截面图2Figure 7 Section of main girder 2

4) 节段划分。中墩顶梁段为现浇段，其余均为预制节段。预制节段分为标准节段、过渡节段Gb、过渡节段 Ga和端头节段。标准节段长 2.6 m，过渡节段Gb长2.6 m，过渡节段Ga长2.5 m，端头节段长1.85 m。最大节段重42.4 t。共有约1 000 个节段。

5) 永久预应力。设置纵、横向预应力，采用后张法体内预应力。

6) 接缝。预制节段之间采用环氧树脂接缝。预制节段与现浇段间设置0.30 m后浇段相连，中跨设置两道湿接缝、边跨设置一道湿接缝。

7) 剪力键。为减少应力集中而设计为多键式剪力键，均匀布置。腹板全高范围密布剪力键，顶板均匀布置7个剪力键、底板布置1个剪力键。

8) 临时预应力：采用精轧螺纹钢。主梁节段拼装过程中，在相邻两节段上张拉临时预应力束，使接缝压应力不小于0.3 MPa[8]。顶板设置钢台座、底板设置钢筋混凝土台座。

9) 下部构造。桥墩高 6.0～16.0 m，中墩为双肢墩，墩中心间距1.9 m。单个边墩采用单肢墩，相邻两联边墩构造及墩间距与中墩相同、成“双肢墩”造型，共用同一基础。桥墩高度H>10 m时，壁厚h采用0.7 m；H≤10 m时，壁厚h采用0.6 m。墩顶尺寸为2.4 m×0.7(0.6)m，在墩顶下4 m处按1/20坡度收缩成2 m×0.7(0.6)m，且坡度壁厚保持不变，长度方向按1/30坡度放大，横向呈“瘦腰”造型。桥墩截面形状近似为矩形，长边采用半径为15 m的内收圆弧，短边采用半径为0.6 m的内收圆弧，四周采用直线导角。承台尺寸为6.5 m×6 m×2 m。桩基采用4根ϕ1.5 m钻孔灌注桩。桥墩构造如图8和图9所示。

图8 中墩构造图Figure 8 Structural drawing of middle pier

图9 边墩构造图Figure 9 Structural drawing of side pier

10) 施工方法。节段梁采用短线法制造，由施工单位在番禺区新建预制场。节段梁采用架桥机逐孔拼装架设，整孔架设完毕后、临时支承于钢立柱、形成简支梁；然后施工中墩墩旁湿接缝、张拉永久钢束、形成刚构连续梁；最后浇筑边墩顶固结后浇带，形成连续刚构。一孔梁架设时间大约3～4 d。

2.3 14号线、21号线

14号线和21号线情况基本相同，本节以21号线为例进行阐述。

1) 结构体系。采用单肢墩连续刚构体系。

2) 桥跨布置。标准段，最大跨度 40 m、最小跨度36 m，四跨一联，少数三跨或者两跨一联。

3) 主梁构造。主梁采用C60预应力混凝土结构。采用单箱室斜腹板截面，腹板倾斜角为 42.36°，梁高2.0 m。标准段顶宽10.0 m、悬臂宽2.1 m，加宽段顶宽10.0～10.8 m，加宽部分采用悬臂加宽形式，悬臂宽2.1～2.5 m，底板宽 2.4 m。各节段腹板和底板、标准节段顶板厚度与6号线相同，过渡节段1顶板厚0.35 m、过渡节段2和端头节段顶板厚 0.45 m。主梁纵、横向按全预应力混凝土结构设计。主梁各截面图与图6和图7基本类似，不再示意。

4) 节段划分。与6号线相同，中墩顶梁段为现浇段，其余为预制节段。预制节段分为标准节段、过渡节段1、过渡节段2和端头节段。标准节段长2.6 m、重36.5 t，过渡节段1长2.6 m、重43.8 t，过渡节段2长2.4 m、重44.8 t，端头节段长2.35 m、重49.8 t。共有约2 100 个节段。

5) 永久预应力。设置纵、横向预应力，采用后张法体内预应力。

6) 接缝。预制节段之间采用环氧树脂接缝。预制节段与中墩顶现浇段间设置0.20 m后浇段相连，湿接缝采用 C60 高强补偿收缩混凝土。

7) 剪力键。为减少应力集中而设计为多键式剪力键，均匀布置。

8) 临时预应力：采用精轧螺纹钢。顶板设置钢台座、底板设置钢筋混凝土台座。

9) 下部构造。桥墩高10.0～15.5 m。边、中墩均为单肢墩，两联边墩构造相同，并共用同一基础。桥墩高度范围保持墩厚h不变，墩顶以下一定长度范围(H-H1)内横向等宽、为 2.4 m，然后宽度方向按 1/30坡度向下放大，同一墩高区段桥墩宽度变化范围高度相同、为表1中H1。桥墩截面形状近似为矩形，四周采用0.3 m×0.3 m直线导角。联与联间梁缝间距0.1 m，为利于施工过程中脱模，墩间距由0.1 m斜向扩大至0.2 m。中墩整个墩高范围沿纵桥向中间设有总宽0.2 m的梯形凹槽形成类似于相邻边墩的效果。相对于6号线桥墩横向“瘦腰”造型、宽度在墩高范围变化2次，桥墩外形更为简洁、模板施工更为方便。

桩基均采用4根ϕ1.5 m钻孔灌注桩(两联边墩共用同一基础)。承台尺寸为 6.0 m(顺桥向)×6.0 m(横桥向)×2.0 m(厚)。确保位于道路中央绿化带的承台埋深0.7 m以上，以保证道路恢复的路面摊铺与压实厚度。桥墩构造如图10和图11所示。桥墩尺寸见表1。

表1 桥墩尺寸Table 1 Pier dimension m

图10 中墩构造图Figure 10 Structural drawing of middle pier

图11 边墩构造图Figure 11 Structural drawing of side pier

10) 施工方法。节段梁采用短线法制造，由施工单位在广汕公路旁新建预制场，配套混凝土搅拌站，占地约 60 亩(1亩=666.67 m2)，共2 条生产线、10 套模具，1片节段梁生产时间约 2.5 d。节段梁采用架桥机逐孔拼装架设，与6号线基本相同。

3 对比分析

从以上节段预制桥梁技术在广州地铁 4号线、6号线、14号线和21号线的应用、发展可知，有以下共同点和不同点。

3.1 共同点

1) 主梁均采用预应力混凝土结构，采用单箱室斜腹板截面。

2) 主梁均采用短线法工厂预制，预制节段长度基本接近，标准节段长2.5～2.6 m，过渡节段长2.4～2.6 m。

3) 主梁永久预应力采用后张法体内预应力。

4) 预制节段之间采用环氧树脂接缝。

5) 均采用多键式剪力键，均匀布置。

6) 临时预应力采用精轧螺纹钢，主梁顶板设置钢台座、底板设置钢筋混凝土台座。

7) 节段梁均采用架桥机逐孔拼装架设。

3.2 不同点

1) 4号线采用简支梁结构体系，受力简单、但结构体量较大；而6号线、14号线和21号线采用连续刚构体系，上下部整体受力、受力更合理，结构轻柔简洁。

2) 6号线、14号线和21号线采用连续刚构体系，一般情况跨度为36～40 m、以40 m为主，跨度大，结构效率高，通透性更好。

3) 6号线、14号线和21号线采用连续刚构体系，跨度以40 m为主，主梁梁高2.0 m，高跨比为1/20、小于4号线的1/17.65，主梁底宽2.4 m，小于4号线的4.0 m。

4) 4号线采用花瓶墩，而6号线、14号线和21号线采用板式墩，外形更为简洁、相对更为经济。

5) 4号线采用简支梁节段预制拼装，拼装架设施工难度小，而6号线、14号线和21号线采用连续刚构节段预制拼装，施工过程需先简支、后连续，现场浇筑中墩墩顶现浇段、墩旁湿接缝和边墩固结后较段，施工工序相对复杂，施工难度相对较大，施工措施费用相对较多。节段预制拼装简支梁、连续刚构造价对比见表2。

表2 节段预制拼装简支梁、连续刚构造价对比Table 2 Cost comparison of segmental precast simply supported beam and continuous rigid frame bridge 万元/m

节段预制拼装简支梁、连续刚构造价分别约为6.03、5.87 万元/m，连续刚构略低；相对于简支梁，连续刚构下部结构造价约低 0.27 万元/m，主梁材料费用约高 0.07 万元/m，主梁预制、存放、运输、架设费用约高0.18 万元/m，支座费用约低0.14 万元/m，附属工程费用基本相同。

6) 6号线、14号线和21号线采用无支座连续刚构体系，可以节省运营过程支座维养费用、减少运维开支。

4 提升建议

节段预制连续刚构桥梁结构体系上进一步优化，相对于节段预制简支梁，可以节省总造价约2.7%，可以节省支座维养费用。后续可以进一步优化连续刚构桥梁布跨、预应力钢束布置和施工方案，提高综合经济效益。该技术在广州地铁及中国气候条件、地震参数等建设条件类似的地区会有更好的前景。

为了更好地推动节段预制连续刚构桥梁技术发展，建议作以下技术提升。

1) 推广上、下部结构全桥预制。最近几年，桥墩预制已经开始在中国公路、市政新建桥梁中应用，与桥墩现浇相比，具有质量优、施工快、能耗低、干扰小、劳动力成本节省等优点[9]。可以进一步研究和推广上、下部结构全桥预制在地铁桥梁中的应用，同时应重视其经济合理性。

2) 中墩0号块由现浇调整为预制施工，增加了主梁预制线形控制难度，但提高了主梁预制率，减少现场施工时间、提高施工效率。

3) 采用体内、体外预应力混合配束。相对全体内配束节段预制桥梁，采用体内、体外预应力混合配束体内束更少、施工阶段混凝土质量更容易保证，运营阶段体外束检修、补张拉和更换相对方便。目前体外预应力束在铁路桥梁中一般用于既有桥梁加固，但体内、体外预应力混合配束已经开始在中国公路、市政新建桥梁中应用[10]。可以进一步研究和推广体内、体外预应力混合配束在地铁桥梁中的应用，应重点关注体内、体外预应力配束比例和主梁构造尺寸优化、受力性能、经济合理性等。

4) 推行无支架施工。中墩、边墩0号块均统一为工厂预制，取消施工过程所有落地支架，减少占地、节约成本、提高施工效率。

5) 底板临时预应力张拉台座由传统混凝土结构调整为钢结构台座，大大减少材料一次性消耗、节约成本。传统混凝土台座所需钢筋和混凝土均为一次性损耗，而钢台座可以重复周转利用。还可以进一步研究采用其他可重复利用的混凝土台座[11]、更进一步降低临时结构造价。