莞惠城际轨道交通桥梁设计特点与技术创新

2021-02-25柳学发徐升桥任为东

铁道标准设计 2021年2期

柳学发,徐升桥,任为东,刘俊

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 工程概况

东莞至惠州城际轨道交通(以下简称“莞惠城际”)是一条走在发达城市群中时速200 km的新型城际轨道交通，正线全长99.841 km，其中高架段40.246 km。2008年8月开始勘察设计，2009年5月开始施工，2017年12月全线正式运营。2008年新型城际轨道交通建设刚刚起步，缺乏对应标准的设计规范和建设经验。莞惠城际采用小编组、高密度、公交化的运行模式[1-2]，以桥梁和地下工程为主，不同于以往的普速铁路、客运专线和地铁、轻轨、城市高架。针对莞惠城际面临的新标准、新制式、新模式，对新型城际轨道交通桥梁设计标准、景观设计、新型结构、大跨混凝土连续梁徐变控制、软土地基偏载作用桩基设计等进行了探索和创新，系统解决了软土河网地区城际轨道交通的桥梁设计所面临的技术课题[3]。

2 主要工程特点和难点

2.1 采用新标准、新制式、新模式，当时的设计规范有其不适应性

莞惠城际线路长，速度目标值为200 km/h，超出了当时GB50157—2003《地铁设计规范》[4]的适用范围。而如果直接套用当时速度目标值200 km/h的铁路设计规范[5]，则因其没有考虑无砟无缝线路、道岔桥等内容，且由于其考虑货车运行因素，设计活载标准偏高，也不完全适用。因此需要提出适合珠三角城际轨道交通的桥梁设计标准。

2.2 沿线经济发达，路网河网交错，广泛分布软土，建设环境复杂，特殊结构多

莞惠城际经东莞市南城、东城、松山湖，惠州市惠环、惠城等经济发达镇(区)。跨越京九铁路2次；跨越河流14次，其中东莞水道为Ⅲ航道，粤港供水渠为广东向香港供水国家重点工程；跨越高速公路3次，跨越各级道路、公路几十次。根据相关产权单位的要求，常用跨度30，25 m满足不了要求，采用了众多特殊结构，其中(80+150+150+80) m、(80+150+80) m混凝土连续梁，(100+180+100) m混凝土连续梁拱是当时同类型桥梁结构中的最大跨度[6]。

莞惠城际与东莞大道公路延长线(以下简称“延长线”)并行4.37 km，莞惠城际均为桥梁工程，延长线主要为路基工程，两个项目同时施工。并行段场地地貌属河流冲积平原，淤泥层厚度7.32～27.16 m。延长线地基加固处理方法有塑料排水板堆载预压、素混凝土桩+塑料排水板、素混凝土桩、水泥搅拌桩、换填等5种，塑料板排水+堆载预压复合地基处理方式占51.6%，堆载(偏载)最大高差达7.8 m。软土偏载作用涉及莞惠城际桥梁基础90多个，桩1000多根，分别位于延长线路基的路中、路肩以及路侧，而路基加固处理措施又多样，因此莞惠城际桥梁工程遇到的软土地基偏载作用下桩基设计问题比其他工程更复杂，难度更大。

由于沿线经济发达，路网、水网交错，且分布深厚的软土，需要解决软土、河网地区桥梁设计所面临的偏载作用、无砟轨道大跨度桥梁徐变控制等技术难题。

2.3 需将景观化设计理念引入铁路桥梁设计中，提出新的铁路桥梁结构形式

莞惠城际穿行于经济发达的珠三角城镇群中，对景观有很高的期待，需要结合岭南建筑文化特点和审美观念，将景观化设计理念引入到铁路桥梁设计中，提出新的铁路桥梁和桥墩结构形式。

3 主要技术创新

3.1 提出了适合珠三角城际轨道交通的新的设计标准

3.1.1 新的设计活载及相关技术参数

由于当时没有对应标准的设计规范[7]，在参考国内外既有规范的基础上，考虑到实际的列车荷载确定了相应的设计活载标准及对应的结构限值。

(1)设计活载

莞惠城际首次采用CRH6型城际动车组，六辆编组，不与国铁跨线运营。综合考虑可能上线的运架梁车、长钢轨运输车、救援车辆等荷载效应，以及结构的适用性和安全储备，研究提出了珠三角城际设计活载采用0.6UIC。

对跨度30 m双线梁而言，0.6UIC总效应与运梁车总效应相当(表1)，说明活载设计图示选择经济合理。运梁车荷载为施工临时荷载，安全系数可以降低，因此选择0.6UIC作为设计活载图示，运梁车不控制设计。根据分析，选择0.6UIC作为设计活载图示，特殊荷载的长钢轨运输车、救援车辆也不控制桥梁设计。

(2)动力系数

莞惠城际采用的动力系数如下，Φ1用于剪力，Φ2用于弯矩，略高于后来颁布的TB10623—2014《城际铁路设计规范》[8]、TB10002—2017《铁路桥涵设计规范》[9]值。

表1 荷载效应比较

(3)制动力或牵引力

莞惠城际制动力或牵引力按竖向静活载的15%计算，但当与离心力或动力作用同时计算时，制动力或牵引力应按竖向净活载的10%计算。双线桥采用一线的制动或牵引力，三线或三线以上的桥梁采用两线的制动力或牵引力，车站两侧与车站相邻100 m范围内的双线桥采用双线制动力。略高于TB10623—2014《城际铁路设计规范》。

(4)梁体竖向挠度限值

莞惠城际采用的梁体竖向挠度限值见表2，与TB10623—2014《城际铁路设计规范》相比，有的跨度(如<30 m)略高，有的跨度(如>90 m)略低。但对于城际铁路预应力混凝土梁，为徐变控制设计，一般地，梁体挠跨比需1/3 000左右，竖向挠度限值不控制设计。

表2 梁体竖向挠度限值

(5)墩顶水平位移

莞惠城际采用的墩顶水平位移限值如下，与TB10623—2014《城际铁路设计规范》表达形式不一样，但限值相当。

3.1.2 新的铁路桥面布置

莞惠城际提出了新的桥面布置形式，考虑强弱电缆通道、声屏障安装、接触网立柱安装、栏杆安装、承轨台的铺设、桥面防排水等功能，以及限界要求、脉动风对声屏障的影响，双线桥面宽取11.6 m，单线桥面宽取7.2 m[10]，较客运专线、高速铁路更小，可以通过隧道运梁，见图1。

图1 桥面布置与梁宽(单位：m)

3.1.3 新的铁路桥梁跨度系列

莞惠城际与道路(公路)并行距离长，多处需与道路(公路)桥对孔布置，而道路(公路)桥梁跨度以5 m为模数。铁路考虑与战备、应急抢修器材互换，跨度(支点距离)系列标准以8 m为模数，常用跨度以32，24 m为主。32，24 m相差8 m不便于频繁跨越管线、河流、道路的孔跨布置以及与道路(公路)桥对孔布置，因此莞惠城际提出了5 m为模数的铁路跨度系列，即常用跨度以30 m为主，25 m调跨，连续梁孔跨采用(30+40+30) m、(30+45+30) m、(40+60+40) m、(50+80+50) m、(60+100+60) m等。

3.2 提出了新的铁路桥梁结构形式

3.2.1 提出了新的铁路梁形及其构造，编制了珠三角城际轨道交通网通用图

轨道交通常用梁体截面有T形、箱形和槽形[11-12]。T形梁(图2)梁重小、吊装方便、受力明确、工艺成熟、预制方便，是常用的桥梁结构形式，目前时速200 km及以下的铁路桥梁仍采用T形梁，但多片T梁间需将横隔板及桥面联为整体甚至还要使用横向预应力，现场横向联接施工工作量大，工序多，施工时间长。从桥下及两侧看不如箱梁简洁，景观性较差；此外T形梁为传统桥梁结构形式，不够新颖，所以不能成为对景观要求高的莞惠城际梁型。槽形(U形)梁结构如图3所示，其优点是轨顶至梁底建筑高度小，且两侧的腹板可起到隔声作用，但混凝土主要位于受拉区，不能充分发挥材料性能，因此经济性差，此外梁体庞大，视觉效果不好。箱形梁是闭合截面结构，抗扭刚度大，整体受力性能好，动力稳定性好，外观简洁、优美，适用于直线、曲线及配线，是广泛采用的高架桥梁结构形式。综合对各种梁型比较分析，莞惠城际梁体采用箱形梁结构。

图2 T形梁

图3 槽形梁(U形梁)

箱形梁截面一般有单箱截面(图4)和并置双箱截面(图5)两种。单箱截面结构简洁，现场作业少；并置双箱截面梁重小，对吊装设备要求低，但需现浇桥面接缝混凝土，且景观性较差，所以莞惠城际采用单箱截面梁。

图4 单箱截面(单位：m)

图5 双箱截面

单箱截面梁腹板又可分直腹板、斜腹板、曲线腹板等形式。直腹板预应力钢束起弯方便，预应力损失小，但景观效果差。曲线腹板如鱼腹梁(图6)，结构新颖，景观效果好，但受力复杂，设计、施工要求高，造价较高，不宜大量使用。

图6 弧形梁

莞惠城际提出的新型桥梁结构为斜腹板单箱截面流线形箱梁 (图4)，腹板斜率采用1∶3.5，比常用的1:4更舒展；腹板与上翼缘转折处圆弧半径采用1 800 mm，比常用的750 mm更大气。流线形箱梁在满足结构受力的同时，线条转折处圆弧倒角，避免了折角，外形圆顺，符合岭南建筑文化审美观念，具有良好的景观效果[13]。

莞惠城际桥梁的跨度系列标准、桥面宽、梁高、梁重、外形等与以往普速铁路、客运专线铁路、城市轨道交通、轻轨、高架均不同。根据莞惠城际新的桥梁设计标准和梁形，编制了跨度30，25 m简支梁(预制、现浇)、支座及附属结构珠三角城际通用图，在珠三角城际轨道交通网中推广使用，为珠三角城际铁路标准化建设和工程质量控制奠定了基础，并节省了工程造价。珠三角城际梁部通用图主要技术指标见表3。

3.2.2 新的墩形及其构造

墩形选择除考虑强度、刚度、稳定性和车桥耦合动力性能，满足支座布置、更换支座、防落梁构造等要求外，还要考虑莞惠城际约1/3的桥墩位于道路绿化带中，对桥墩尺寸有限制，还要符合岭南人文建筑审美观念[14]。

墩形按柱子数量分主要有独柱墩和双柱墩，按截面形状分主要有圆形、圆端形、矩形、多边形等，按立面形状分主要有柱式墩、V形墩、T形墩以及艺术墩等，再辅以各种刻槽、倒角、凹凸处理。经多方案(图7)比选，莞惠城际选取了设凹槽的流线形桥墩(图8)。

图7 墩形方案

图8 流线形莲花头桥墩

流线形桥墩为莲花头矩形独柱墩，墩身立面设凹形装饰槽，墩顶段采用流线，与箱梁外形协调一致，酷似一株花杆支撑着盛开的莲花，结构合理，外形优美，满足了岭南文化建筑审美。排水管隐藏于墩身中，进一步改善了桥梁景观并减少了排水管维修养护工作。

3.2.3 新型支座及横向双固定支座布置原则

为了适应珠三角城际轨道交通的特点和对支座降噪、调高等要求，研发了新型调高盆式橡胶支座(图9)。该支座采用新持术，即利用双组份液态聚氨酯橡胶(CPU)可“液固”转化的原理，通过在支座下部结构的预留通道将双组份聚氨酯注入支座内部，实现支座无级调高和调平。

该支座的主要优点有：①噪声小，可满足经济发达镇区的环保需要；②无级调高和调平，可解决软土地区沉降难控制问题，满足无砟轨道对线路高平顺性要求；③耐久性好，适应珠三角地区多雨、气温高的气候；④具有测力的功能，提高了桥梁安全性。

图9 调高调平盆式橡胶支座示意

莞惠城际最长的一座桥达15.2 km，桥上线路平面具有S形。根据珠三角地区温差小、支座横向间距4 m较小的特点，研究提出了横向双固定的支座布置原则。横向双固定支座布置原则，方便了施工，避免了固定支座设于曲线内侧、外侧的争议。

3.3 提出了复杂工况软土地基偏载作用下桩基设计简化计算方法和原则

国内外对复杂工况软土地基偏载作用下桩身承受水平力的“被动桩”设计计算研究不多，有关计算方法主要有：弹性半无限体内的应力分布法，De Beer和Wallays法，德国建议法和规范计算方法等[15]。通过对以上4种方法优缺点、适用性的比较，以及与国际知名专业岩土工程三维有限元软件PLAXIS 3D Foundation计算对比分析，得出以下结论。

(1)三维有限元计算结果的分布趋势与弹性半无限体内的应力分布法(朗肯理论)相似，但三维有限元计算结果更小。

(2)工程设计中采用弹性半无限体内的应力分布法简化计算，可以保证工程安全。

(3)群桩受力控制工况为桥墩施工前状态，架梁后基础受力最小。

(4)无论是单桩还是群桩，无论φ125 cm、φ150 cm桩径，通过加强配筋，可承受不大于4.0 m的堆载作用。在堆载5.0 m时，则桩基配筋率超过3%，桩身钢筋布置困难。

(5)6-φ150 cm桩基与9-φ125 cm的桩基造价大致相同；但φ150 cm桩径抗剪能力更强，有利于抵抗水平力，宜采用6-φ150 cm桩径。

(6)对素混凝土桩、水泥搅拌桩加固的软土地基，当加固桩进入硬土层时，可忽略堆载产生的附加水平力。

通过研究，提出了软土地基偏载作用下桩基设计可采用简化方法，即弹性半无限体内的应力分布法计算，并提出了适当加强配筋、适当加大桩径的设计原则。

3.4 提出了无砟轨道大跨度混凝土连续梁徐变控制综合措施

大跨度预应力混凝土连续梁，轨道铺设完成后，受混凝土收缩徐变影响，桥梁会产生上拱或下挠的长期变形—残余徐变。无砟轨道对残余徐变要求十分严格[16]，莞惠城际按铺设轨道后桥梁残余徐变值不超过10 mm进行设计。徐变受梁体刚度、混凝土弹性模量、预应力张拉龄期、预应力大小、养护及环境条件等众多因素影响[17-19]，控制难度大，对最大跨度的150 m混凝土连续梁、180 m混凝土连续梁拱而言难度更大。

通过专题研究，发现梁高对徐变影响大，增大梁高是控制工后徐变的有效措施。铺轨时间对工后徐变影响较大，且铺轨时间早于60 d时徐变呈非线性增大，张拉龄期、合龙顺序对工后徐变影响不大，但预应力张拉龄期延长对工后徐变控制有利，先边跨后中跨合龙梁体线形更平顺。

根据专题研究成果，莞惠城际除采取控制弹性模量、加强养护等常规措施外，还提出和采取了以下徐变控制方法和措施。

(1)适当增加梁体跨中截面的高度。当梁高较小时，为满足承载力和应力等要求，往往需要配置较多的预应力。预应力越大，徐变就越大。较高的梁高可以减少预应力和梁体截面应力，从而有利于徐变控制。

(2)控制恒载状态下梁体截面上、下缘应力差[20]。上、下缘应力差较小，截面受力就较均衡，梁体趋于轴压受力状态，对减小徐变非常有利。在设计中，通过调整预应力布置，使梁体截面上、下缘应力差控制在4 MPa以内。

(3)选择合适的铺轨时间。预应力混凝土梁的工后徐变与铺轨时间是密切相关的，适当推迟铺轨时间，对保持轨道线形有利。综合考虑施工工期和施工组织等因素，铺轨时间宜在梁体合龙后3个月左右，并不宜早于2个月。

(4)适当延长张拉龄期。一般地，采用5 d龄期张拉预应力，考虑到跨度150，180 m为同类型桥梁最大跨度，增加张拉龄期有利于徐变控制，且能满足工期要求，莞惠城际采用7 d龄期张拉预应力。

3.5 其他技术创新

(1)采用钢筋混凝土理论设计铁路桥墩、承台

莞惠城际桥墩是经景观化设计的流线形实体独柱墩，为了少占地和便于布置于道路绿化带中，需要尽量缩小独柱墩尺寸。莞惠城际广泛分布软土，且很多承台位于路中，需要减少承台厚度，减小基坑开挖深度，从而减少支护工程量，减少施工风险。因此莞惠城际桥墩、承台没有像铁路工程一样采用素混凝土理论设计，而是按钢筋混凝土结构理论进行设计。

(2)取消竖向预应力

混凝土连续梁拱设计，一般地中跨梁体都设置竖向预应力，对大跨度桥梁更是如此。根据TB10092-2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》，满足条件:①设计荷载作用下，混凝土最大剪应力τc≤0.17fc；②主应力σtp≤fct/K2时，预应力受弯构件的箍筋可仅按构造布置。根据计算，(100+180+100) m连续梁拱中跨梁体，主力作用下中跨剪应力最大值2.0 MPa、主拉应力最大值0.6 MPa，主+附作用下中跨剪应力最大值2.0 MPa、主拉应力最大值0.7 MPa，满足上述两条件。且即使在预应力减少10%自重偏大6%的极端情况下，也满足前述条件。同时考虑连续梁拱吊杆的作用，因此(100+180+100) m连续梁拱中跨没有按常规设置竖向预应力筋，创新地取消了其竖向预应力筋，减少了竖向预应力管道制作、安装、张拉、压浆、封锚等工序，减少了竖向预应力管道对腹板的削弱，降低了工程造价，提高了工程进度。

(3)采用包络设计理念

有效预应力随着时间推移会降低，对特别重要的桥梁，应进行预应力敏感性分析，必要时可按某一指定的有效预应力不足比例进行补偿配束。

规范容许预应力有±6%的施工误差，结构尺寸有±5%的施工误差，因此设计时要考虑规范允许的施工误差对桥梁的不利影响。此外收缩徐变影响因素多，是十分复杂而难以精确计算的问题，对大跨度桥梁内力和变形影响大。

莞惠城际在主跨超过100 m混凝土连续梁设计时除顶板、底板预留一定量的备用束作为施工阶段应急措施外，还采用了体外预应力作为应急措施[21]，进一步提高了桥梁的应急和抗风险能力。