轨道交通特大桥铺轨线形设计及其工程实践

段桂平 刘加华

(上海申通地铁集团有限公司技术中心， 201103， 上海∥第一作者， 高级工程师)

轨道交通桥梁主体结构施工完成后，受二期恒载(轨道、触网及立柱、声屏障、电缆沟槽、线缆及支架等)和车辆活载等影响会产生一定的变形，相应地会带动固结其上的轨道结构一起变形。对于一般简支梁或跨度较小的连续梁，上述变形较小，不足以引起大的轨道不平顺，铺轨时一般不予考虑；但对于变形较大的大跨度或其他特殊桥梁，轨道铺轨时必须考虑其影响，否则将引起较大的轨道几何不平顺。本文详述了上海轨道交通5号线南延伸项目闵浦二桥段铺轨线形的设计思路、施工实施过程及后续监测情况，供同类工程参考。

1 工程概况

1.1 桥梁

上海闵浦二桥位于黄浦江老闵行奉贤西渡区段，是连接老闵行和奉贤的地方客运专用通道。主桥全长436.65 m，上层为公路双向4车道，下层为双线轨道交通，设计活载为公路-I级荷载和两车道轨道交通荷载。大桥双层桥梁主体结构同步施工完成，上层公路于2010年5月建成通车；下层预留轨道交通5号线南延伸，除桥梁主体结构外其他均未实施。2014年6月，上海地铁5号线南延伸工程开工建设。

大桥主桥采用独塔双索面连续钢桁梁斜拉桥，主桥跨度布置为38.25 m+147 m+251.4 m(见图1)。主梁除边跨为N型桁架外，主跨及次边跨均为三角桁架，上、下层桥面为正交异性钢桥面，桥面宽23.04 m(见图2)。

图1 闵浦二桥总体布置图

1.2 轨道

闵浦二桥下层5号线南延伸预留设计时，轨道结构按如下方案考虑：60 kg/m钢轨，WJ-2扣件，无缝线路，支承块承轨台整体道床，主桥两端大梁缝处设置钢轨伸缩调节器，设计轨道结构高度500 mm。

尺寸单位：mm

5号线南延伸实施时即施工图阶段，闵浦二桥主桥段轨道设计方案为：60 kg/m钢轨，无缝线路，主桥两端除大梁缝外采用钢弹簧浮置板整体道床配套WJ-2A扣件，中部采用减振扣件配套支承块承轨台整体道床，大梁缝处采用梁端伸缩装置和钢轨伸缩调节器。

2 桥梁预拱度设置与实测梁面标高

2.1 桥梁设计变形及预拱度

根据闵浦二桥桥梁设计计算资料，大桥主跨(跨度251.4 m)在二期恒载(轨道结构、接触网立柱、电缆槽、声屏障等晚于桥梁施工的构筑物)作用下最大竖向变形为123 mm，活载(运行的车辆)作用下最大变形为104 mm(见表1)，桥梁结构施工时主桥梁面设置了活载预拱度，即梁面标高按照设计梁面标高叠加活载预拱度进行实施。

表1 桥梁局部地段变形数据表 单位：m

2.2 闵浦二桥梁面标高测量情况

一般桥梁地段设计轨面线与设计梁面线应为平行关系，两者之间存在一个固定的高差即设计轨道结构高度，实测梁面线在设计梁面线上下小幅摆动。对于设置预拱度的桥梁，设计轨面线叠加预拱度后与考虑预拱度后的设计梁面线平行，并应基本与实测梁面线平行。

将实测闵浦二桥下层轨道交通梁面标高与原设计轨面标高、原设计理论梁面标高和叠加预拱度值的理论梁面标高数据进行了对照，如图3所示。闵浦二桥主桥实测梁面线与前期设计标高相差甚远：① 根据前期设计资料，主桥实测梁面标高应在叠加预拱度的设计梁面标高线附近摆动，但实际却偏离较大，其中最大偏差达到了247 mm。② 实测梁面至设计理论轨面的最小高度仅为149 mm，设计理论轨面叠加预拱度后轨面至梁面最小高度仅为252 mm，与设计轨道结构高度500 mm偏离较大。

图3 设计轨面线与实际梁面线关系图

2.3 轨面线形设计的必要性及需求

一般情况下，轨道交通结构工程施工完成后、轨道铺设前会进行调线调坡工作[1]。根据实测资料，对结构施工偏差较大地段调整线路平面和纵断面去适应已实施完成的结构，以满足限界、轨道等相关专业要求。

从上文可知，闵浦二桥段工况复杂：① 施工完成的梁面实测标高与原设计考虑活载预拱度的梁面标高偏差较大，按现状，轨道结构高度远远偏离标准要求，轨面必须进行调整；② 主桥恒载、活载作用下变形均较大，铺轨时的轨面线形必须考虑其影响。此时线路纵断面的调整不仅仅要满足调线调坡的要求，还必须适应桥梁变形的需求，可以称之为特大桥梁轨道铺轨线形设计。

常规连续梁铺轨时轨面标高一般按照设计轨面线叠加桥梁设置的预拱度考虑，桥梁变形时带动轨道结构同步变形逐步将预拱度抵消[2]，但闵浦二桥主桥段不能如此简单操作。这主要是由于桥梁施工时设置的预拱度仅为活载预拱度，未考虑二期恒载下的变形，并且活载预拱度实测数据与原设计理论值偏离较大。

铺轨线形的设计应满足如下条件：① 初始状态满足平顺性要求，即使桥梁未按设计理论发生二期恒载作用后的变形，但仍能确保轨面的平顺性；② 轨道、触网立柱、声屏障等恒载作用下轨面随桥梁变形实际发生后，轨道几何状态仍满足平顺性要求；③ 活载作用下的轨道几何状态满足平顺性要求；④ 最小轨道结构高度满足设计要求。

3 纵断面铺轨线形设计

3.1 原始线路纵断面

原设计纵断面基本以江中心为最高点向两侧设双面人字坡，坡度3.1‰，坡长均为244 m，竖曲线半径为5 000 m。覆盖闵浦二桥主桥部分，初始线路纵断面设计未考虑桥梁变形趋势，如图4所示。

尺寸单位：mm

3.2 线形设计原则及思路

1) 为确保预留值尽可能接近实际变形值，与桥梁专业人员共同研究后决定，将恒载作用下的理论变形值折减10%作为线形设计时实际考虑的恒载变形值；活载变形设计理论值为1/2(公路-I级荷载+轨交荷载)竖向位移，将公路-I级荷载调整为1车道时的荷载，即将1/2(公路-I(1车道)+轻轨)竖向位移作为线形设计时考虑的活载变形值。

2) 按第1条原则，根据桥梁计算资料，主桥第一跨、第二跨(见图1)二期恒载作用下的变形均小于10 mm，铺轨线形设计时不予考虑。

3) 将变坡点设置在主跨桥梁最大变形处，调整后的线形尽量适应现有桥面线形，确保初始状态轨面和桥面发生最大变形时轨面均满足平顺性要求。

4) 为满足较不利地段轨道结构高度的要求，因部分轨道高度会较高，需请桥梁专业人员对纵坡调整后的最大轨道荷载进行确认。

3.3 设计方案

基于前述主要原则和思路，对主桥段纵断面进行重新调整设计，提出了两个方案。两个方案均将原设计3.1‰的两个坡段调整为3个坡段，在主桥主跨中间增设新变坡点(见图5)。具体如下：

方案一：新调整的3个坡的坡度和坡长分别为：3.5‰和141.0 m、1.5‰和193.0 m、7.0‰和157.5 m，新的坡长和坡度均满足规范要求[3]。调整后，浮置板范围最大轨道结构高度为768 mm，最小轨道结构高度为579 mm；承轨台区域最大轨道结构高度为662 mm，最小轨道结构高度为472 mm。

方案二：新调整的3个坡的坡度和坡长分别为：3.3‰和181.0 m、1.5‰和153.0 m、6.86‰和157.5 m，新的坡长和坡度均满足规范要求[3]。调整后，浮置板范围最大轨道结构高度为767 mm，最小轨道结构高度为561 mm；承轨台区域最大轨道结构高度为692 mm，最小轨道结构高度为520 mm。

图5 线形设计方案

两个纵断面布置方案差别不大，其主要区别在于方案二中里程为K2+650的变坡点更靠近主塔。

3.4 方案校核

为确保方案的可靠性，在理论上对两个方案进行校核。将两个方案的初始轨面线形、桥梁恒载作用变形后轨面线形、桥梁恒载活载共同作用后轨面线形进行对照(见图6和图7)。图中：曲线1为初始轨面标高数据绘制，根据桥梁专业人员提供的不同里程处桥梁变形值，利用三次抛物线模拟桥梁变形曲线，得到任意位置处桥梁变形值；将初始轨面线数据减掉恒载作用下桥梁变形得到曲线2；初始轨面线数据减掉恒载和活载引起的总变形后的轨面线为曲线3。

图6 方案一校核

图7 方案二校核

从图中可以看出，两个方案的初始线形和变形后的线形均比较平缓，也即两个方案在理论上均适用于本工况。

4 方案实施及后续跟踪

4.1 方案实施

设计单位选择前述两铺轨线形方案中的方案一，维持变坡点位置不变，微调纵坡坡度后形成最终调线调坡设计图纸，供现场铺轨使用。

为方便过程中轨面标高测量和控制，施工前请测量单位在桥上布设控制点，并特别在主桥主塔位置加设控制点，以方便施工过程中的标高控制和变形监测[4]。

实际轨道施工时按由主桥两端向中间的顺序进行施工。由于过程中轨道荷载逐渐增加，桥面变形也逐步发生，无法采用控制轨面绝对标高的方法进行铺轨施工，所以采用相对标高控制法进行施工。即施工前，根据测量的梁面标高和调坡后的轨面标高计算控制点的实际轨道高度；施工过程中，按控制点位的轨道结构高度为基准进行轨面标高的控制，混凝土道床浇筑完成后进行精调[5]。

4.2 后续跟踪

4.2.1 施工过程中跟踪

2017年12月底，现场反馈桥梁最大变形发生位置与设计位置出现偏移，经过对现场情况的比对分析，发现原因为：闵浦二桥主跨长254 m，其中主跨小里程侧169 m为承轨台整体道床，现场已架轨但未浇筑混凝土；接着为69 m浮置板，板已铺，但未顶升；之后为抬枕和调节器地段，已架轨，道床未浇筑。由于靠近大里程侧浮置板道床大部分荷载已就位，承轨台整体道床地段仅架设了钢轨和轨枕，而且浮置板道床的荷载较承轨台道床重，故而出现最大变形点位置侧偏移的现象。

根据桥上预留精测网控制点点位复测结果，控制点垂向变形均小于桥梁专业最初提供的桥梁变形值(见表2)。由于轨道荷载并未完全施加，认为桥梁变形在可控范围，要求后续施工仍按轨面与梁面高差即轨道结构高度不变进行控制。

4.2.2 施工完成后跟踪

为跟踪了解实际桥梁在二期恒载作用下的变形情况，2018年4月3日利用铺轨前在主塔位置处预留的控制点，对轨道铺设完成后的梁面标高进行了实测，并与前期梁面标高进行对照，计算了桥梁变形量(见表3)。桥梁变形趋势符合前期理论趋势，最大变形量为78 mm，小于前期二期恒载作用下的最大理论变形值，符合预期，理论上可确保轨面平顺。经对实际轨面标高进行测量后，确认几何状态良好。

表3 闵浦二桥轨面变形监测部分数据

上海轨道交通5号线南延伸于2018年12月30日通车试运营，至今闵浦二桥段轨道状态良好。

5 结语

本文详述了上海轨道交通5号线南延伸闵浦二桥主桥段铺轨线形设计、铺轨工程实施方案和后续实施情况。通过本工程案例的经验，对采用特大跨度桥梁的轨道交通建设提出如下建议：① 轨道交通特大跨度桥梁，由于在二期恒载和活载作用下的变形较大，线路纵断面应考虑桥梁变形趋势结合桥跨布置进行设计。② 大跨度桥梁轨道铺设前应对梁面标高进行测量，并根据实测梁面标高、桥梁设计变形、桥面预拱度等参数进行铺轨线形设计，确保桥梁在二期恒载和活载作用下变形后轨面的平顺性。③ 铺轨施工过程中，轨面标高应按轨面与梁面的相对高程进行控制，并应实时监测过程中高程变化情况，发生异常及时协调处理解决。