市域铁路桥梁总体设计研究

张宪国

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 引言

近年来，随着我国城镇化的发展，具有高速度、大运量、公交化等特点的市域铁路发展迅速。市域铁路用于连接城市内各组团，设计速度通常为100～160 km/h，线路长度通常为50～100 km，平均站间距约为3 km，其速度及线路长度介于地铁与高速铁路之间。

市域铁路线路含桥梁较多，桥梁长度占线路总长度的比例（以下简称“桥长占比”）较高，一般为50%～70%，因此有必要对其桥梁技术标准及总体设计原则进行专门研究和分析。为此，本文以台州市域铁路S1线一期工程项目为依托，阐述市域铁路桥梁总体设计需考虑的内容，以期为类似工程提供参考和借鉴。

2 工程概况

台州市域铁路S1线一期工程是连接台州市椒江区、路桥区及温岭市的重要轨道交通线路，起于台州中心站，止于温岭城南站。线路全长52.5 km，桥梁长度为28.5 km，桥长占比为54.3%。市区内水网、路网密集，线路多次在市区内完成桥隧转换。市区内管线密集，沿线跨越的管线有高压电缆、天然气管道、国防光缆、雨（污）水管、通信光缆等。

沿线区域为第四系地层覆盖，其土层以淤泥质黏土层、软～硬塑粉质黏土层为主，桥梁设计须着重考虑深厚软土上的结构沉降问题。

本线路为无砟轨道线路，区间正线采用双线，标准线间距为4.0 m，平面最小曲线半径为400 m，最大线路纵坡为30‰；设计活载采用ZS活载；车辆采用6辆编组市域D型车，列车的最高设计速度为140 km/h。

3 标准桥梁设计

由于市域铁路中桥长占比较高，因此选择经济合理、造型美观的桥梁结构形式至关重要[1]。市域铁路标准桥梁设计应在满足使用功能的前提下，尽量降低工程造价，并兼顾结构外形美观。

3.1 结构体系选择

简支梁体系和连续梁体系是目前国内城市轨道交通桥梁的主要受力体系，其中简支梁体系应用最广泛。连续梁体系的竖向刚度比简支梁体系大，但其对墩台基础不均匀沉降、混凝土收缩徐变、温度变化控制的要求较简支梁体系更高。而简支梁体系虽然刚度不及连续梁体系，但当桥梁跨度为16 ～40 m时，其刚度足以满足市域铁路的要求，可保证列车安全运行并使旅客有较舒适的乘坐体验[2]。考虑到台州市域铁路S1线一期工程高架区间大多位于深厚软土地区，而软土层承载力小、压缩性高的特点将导致墩台基础不均匀沉降控制的难度加大，因此其桥梁采用简支梁体系。

3.2 梁型选择

市域铁路桥梁可采用多种梁型，如单箱单室箱梁、并置双箱梁、U型梁等。下面从主要特点、受力性能、配套墩型、施工方法4方面对上述3种梁型进行对比分析，其结果见表1。

由表1可知，单箱单室箱梁及并置双箱梁均为闭合截面，具有良好的整体性，U形梁为开口截面，整体性较前2种梁型稍差；从受力性能看，单箱单室箱梁及并置双箱梁的抗扭刚度优于U型梁[3-5]；从配套墩形看，单箱单室箱梁对应的桥墩墩顶宽度最小，可减少桥墩混凝土方量，而且景观上较为通透；从施工方法看，3种梁型的施工方法均较为成熟，但单箱单室箱梁和U形梁的施工方法灵活性较并置双箱梁更高[6]。

表1 梁型对比

经上述对比，台州市域铁路S1线一期工程的标准桥梁采用单箱单室箱梁。

3.3 标准跨度选择

桥梁标准跨度的选择直接影响到项目的整体造价，应充分考虑项目的特殊性，结合城市景观、地质情况、全线平均墩高等因素进行比选，选择上下部结构总造价最经济的方案[7]。根据铁路和城市轨道交通建设经验，高架区间简支梁桥的经济跨度通常不大于40 m。本文根据本线的典型地质情况，对桥墩高度为12 m、跨度分别为30 m和35 m的桥梁工程项目造价进行对比分析，其结果见表2。

由表2可知，桥梁跨度为35 m时，每延米综合造价略低。综合考虑施工组织、工期安排、景观视觉等方面，本线的标准简支梁桥跨度采用35 m，局部区域采用30 m。

表2 30 m和35 m跨度桥梁工程项目造价对比 万元/m

3.4 桥墩墩型选择

本线路由于项目用地相对紧张，不适合采用占地较大的H形墩、双柱墩等桥墩墩型[6]，因此采用混凝土单柱墩。墩身与墩顶之间采用花瓣形曲线连接，使箱梁与桥墩间自上而下自然过渡，产生和谐之美，也可有效减轻建筑结构物的“视觉重量”[8]；同时，在墩柱内侧刻槽以增加墩柱立体感，与台州“和合文化”中“人与自然和谐”“人与人和谐”“人与自我和谐”的理念相契合，见图1。考虑到本线在市区内沿市政道路中央绿化带布置，在设计时力求使桥墩的横截面尺寸保持一致，尽量减少对既有道路路幅及绿化带的改造。

图1 单柱墩效果图

3.5 墩台基础设计

桥梁的墩台基础包括扩大基础和桩基础2种类型。如果基坑开挖深度小于5 m，基底承载力不小于350 kPa，且沉降计算结果满足要求，则可采用扩大基础。本线路由于沿线软土层较厚，平均桩长较长，若采用常用的1.25 m桩径钻孔灌注桩，施工难度较高，因此根据线路具体情况（高墩、大跨结构）采用1.5 m、1.8 m或2 m桩径的钻孔灌注桩，并尽量减少桩数量[9-10]。

此外，软土地区的桥梁墩台基础设计还需要对桥墩刚度、墩台基础沉降量、墩台稳定性等进行验算。

3.6 桥面附属设施设计

桥面附属设施为桥梁结构的重要组成部分，其设计会对桥梁梁部结构、墩台基础的设计产生直接影响，与桥跨结构的总体投资以及后期的使用耐久性、养护维修工作有着密切联系[11]。本线路的桥面附属设施设计具体如下[12-13]，其布置见图2、图3。

图2 无接触网立柱时桥面附属设施布置图（单位：cm）

图3 有接触网立柱时桥面附属设施布置图（单位：cm）

（1）桥面防排水设施。桥面防排水设施的设计原则是以排为主，以防为辅。设置桥面防水层及保护层，排水采用在梁顶面设置V型坡的形式，将雨水集中至梁端V型坡的最低点，并统一排走。

（2）防护墙。由于本线未设护轮轨，故为防止列车脱轨，设置防护墙，防护墙的高度与轨顶高度一致。

（3）桥面栏杆及声屏障。桥面栏杆采用通过热浸锌防腐处理的钢栏杆，在环境敏感地区设置声屏障。

（4）电缆槽。为满足通信、信号、电力等专业的需要，在防护墙外侧分别设置通信、信号电缆合槽和电力电缆槽，电缆槽也作为维修养护及应急疏散通道使用。电缆槽竖墙在梁体施工完成后进行现场浇筑，梁体施工时在防护墙及电缆槽竖墙对应位置预埋钢筋，以确保现场浇筑完成后防护墙及电缆槽竖墙与梁体连接为一体。

（5）接触网立柱。本线采用的接触网立柱类型有QJ-B和QJ-C 2种，是根据牵引供变电专业的技术要求确定的。桥梁施工时预留接触网立柱基础，设置于箱梁翼缘板上，梁部无需加宽。

4 特殊桥梁设计

4.1 净空受限处桥梁设计

本线路在市区内多次实现桥隧转换。由于台州市区水网、路网密集，隧道经常在下穿河道后立即采用极限坡度出地面，因此在桥隧转换时，难以采用常规结构的桥梁来跨越道路等既有建筑物，需采用钢管拱桥、槽型梁桥等，以便降低结构高度，顺利实现桥隧转换。

例如，马庄特大桥在距离桥台200 m处斜交上跨现代大道，是跨度为128 m的钢管混凝土系杆拱桥，梁长132 m，其桥式布置见图4。拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度为3.4 m。拱肋为钢管混凝土组合结构，钢管内填充C50自密实混凝土，钢管内设置16 mm厚的加劲箍，腹板间设对拉杆，增加稳定性。拱肋在横桥向内倾9°，形成提篮拱，拱顶处两拱肋中心距为6.148 m，拱脚处两拱肋中心距为14.5 m。梁部采用单箱三室预应力混凝土箱梁，桥面宽16.1 m，梁高2.5 m。系梁两端设进人洞，各箱室均设检查孔，便于在箱内对吊杆等进行检查与更换。

图4 马庄特大桥桥式布置示意图（单位：cm）

4.2 斜交连续梁桥设计

本线路跨越的洪家场浦河道宽90 m，与线路的夹角为45°，河道按Ⅶ 级航道设计。线路设置于2 幅公路桥之间（2幅公路桥间净宽11 m，跨度为（45 + 60 + 45）m）。为与公路桥梁孔跨相对应，本线路设置（45 + 60 + 45）m连续梁桥，桥墩顺河道方向布置，与梁部的夹角为45°，其桥式布置见图5。

图5 跨洪家场浦桥桥式布置图（单位：cm）

箱梁中支点设置3个横隔板，2个与线路正交，1 个沿桥墩方向，采用斜交正做的方式，支座设置于斜横隔板位置，这样处理可使梁部钢索在左右方向对称，外观自然衔接。斜交正做连续梁0号块结构布置见图6。

图6 斜交正做连续梁0号块结构布置图（单位：cm）

4.3 桥台后设框架桥接隧道 U 型槽

本线路桥隧转换频繁，且转换处大部分采用极限坡度，因此如果在桥隧之间设置路基段，则该路基段通常较短（≤50 m）。桥梁、隧道均为刚性结构，而路基为柔性结构，短距离内的结构刚柔转换会对线路的后期运营产生较大影响，尤其在软土地区这种影响更为突出。为解决上述问题，本线路采用在桥台后设置小跨度框架桥的方式连接隧道的U型槽。框架桥不设支座，且顶板尺寸较小，通过这种方式，既在满足水位对桥梁高度要求的同时降低了U型槽高度，又避免了在软土地区设置短路基，见图7。

图7 桥台后设框架桥接隧道U型槽示意图（单位：cm）

5 结语

本文以台州市域铁路S1线一期工程为依托，从标准桥梁和特殊桥梁设计2个方面阐述市域铁路桥梁总体设计需考虑的内容，包括标准桥梁结构体系、梁型、标准跨度、桥墩墩型、墩台基础、桥面附属设施的选择及设计，以及净空受限处桥梁、斜交连续梁桥、桥台后设置框架桥等特殊桥梁设计，可为我国东部沿海软土地区市域铁路桥梁设计提供借鉴和参考。