高邮至镇江特大桥总体设计及技术创新

陈 杰

(中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070)

1 概述

连镇高铁全线线路长304.5 km，正线桥梁275.5 km，占比90.5%，超过10 km的特大桥有8座，见表1[1]。高邮至镇江特大桥为全线最长桥梁，位居世界长桥前列[2-3]，见表2。本文以此桥为例，介绍高速铁路超长特大桥设计。

表1 连镇高铁桥长10 km以上特大桥

表2 部分世界长桥统计

1.1 建设条件

高邮至镇江特大桥起位于高邮市周山镇，平行于京沪高速公路向南设高邮高架站、邵伯线路所、扬州东高架站，终止于镇江市丹徒区高桥镇，见图1。

图1 高邮至镇江特大桥线路平面

沿线经过里下河冲湖积平原区、长江漫滩平原区，水系、湖泊、河渠纵横，公路、水路交通发达。跨越高水河、盐邵河等等级航道11条；夹江、金湾河等洪评河流67条；京沪高速高邮匝道、八桥匝道、扬溧高速公路等高速及国省干道10条；文昌东路、万福路等主要城市道路10余条；西气东输、江苏油田原油管等油气管线23条；既有宁启铁路、新建淮扬左线、淮泰右线铁路各1处。

地层主要为第四系全新统及上更新统冲积形成的黏性土、粉土、砂土等，抗震设防烈度为Ⅶ度(高邮段部分为Ⅵ度)。

1.2 主要技术标准

铁路等级:高速铁路；

设计速度:250 km/h；

正线数:双线，线间距4.6 m；

轨道类型:无缝线路，有砟轨道；

设计荷载:ZK活载[4]；

洪水频率:1/100。

1.3 主要设计原则

标准跨度32 m、24 m预制简支箱梁采用通桥(2016)2229[5-6]，采用大跨度连续梁、连续刚构等特殊结构跨通航、防洪河流、立交道路，位于高邮高架站、扬州东高架站、邵伯线路所等道岔区段上的桥梁采用道岔连续梁。全桥仅在跨夹江刚构连续梁设温度调节器。

标准墩采用通桥(2009)4201圆端型实体桥墩，与水流夹角较小时采用圆形实体桥墩。桥台采用矩形空心桥台。桩基以钻孔桩为主，环境及地质条件允许时采用预制管桩。

桥面附属设施参考通桥(2016)8388A执行。

2 桥梁技术特点

2.1 建设条件复杂

桥梁与河流、道路、管线交叉众多；穿越扬州江都区、生态科技新城，城镇区域环境敏感点多；高邮高架站、扬州东高架站、邵伯线路所桥群综合设计复杂[7]；跨越既有宁启铁路安全风险大。

超长特大桥相比一般特大桥还有以下特点:

(1)桥长特别长，需分段设计，统筹接口设计复杂。跨标段架梁、下部结构、桥面系、救援通道等细节设计需划分明确。

(2)施工标段多，分段推进，组织管理难度很大。高邮至镇江特大桥分为5个标段施工，5年施工期间有多处施工交叉需合理组合和衔接。

2.2 桥梁特殊结构多

高邮至镇江特大桥预制简支梁2 490孔，现浇简支梁163孔，连续梁等特殊结构达51联-9 008.2 m，特殊结构占桥梁总长度的10%，见表3。

表3 __高邮至镇江特大桥特殊结构

3 重点桥梁桥式方案比较

高邮至镇江特大桥跨越淮河入江水道主要泄洪通道夹江[8]，桥址处河宽约740 m，设计流量Q1%＝9 752 m3/s，设计流速V1%＝1.31 m/s。 平均水深19.2 m，最大水深24.77 m。设计采用了三个桥式方案进行比较，见图2及表4。

图2 高邮至镇江特大桥跨夹江桥式方案(单位:cm)

表4 高邮至镇江特大桥跨夹江主河槽段方案比较

综合比较分析，刚构连续梁方案深水桥墩少，施工工艺成熟，运营维修少。结合防洪评价审查批复意见，采用(60.75+4×100+60.75)m刚构连续梁跨越夹江。

4 设计技术创新

4.1 铁路桥梁大直径管桩应用

连镇高铁在高邮至镇江特大桥先期开工段X316号墩进行了跟钻法管桩试验[9]。跟钻法是在PHC管桩中空部插入专用钻头，边钻孔取土边将桩沉入土中的一种沉桩施工方法。在底部持力层注浆搅拌形成扩大球根，管桩插入球根内形成扩大头，以提高单桩承载力[10-11]。管桩静载试验工点地层情况见图3。

图3 X316号墩处跟钻法管桩试验地层情况

选取X316号墩处现场1根钻孔桩、1根跟钻法管桩，试验结果:

(1)直径0.8 m、桩长57 m跟钻法预制管桩，竖向抗压极限承载力8 926 kN；直径1.0 m、桩长58 m钻孔灌注桩，竖向抗压极限承载力9 000 kN，竖向极限承载力相当。

(2)桩顶水平位移达到10 mm时，1.0 m钻孔桩水平承载力为350 kN，0.8 m管桩水平承载力300 kN，管桩水平承载力能满足设计要求。

(3)在各级荷载下，桩身轴力沿桩身呈非线性递减分布，上部荷载越大，桩身轴力非线性分布越明显，随着荷载增加，桩身轴力的递减幅度增大，见图4、图5。

图4 X316号墩处钻孔桩静载试验桩身轴力-深度分布

图5 X316号墩处跟钻管桩静载试验桩身轴力-深度分布

(4)跟钻法扩底管桩桩端总阻力占比随荷载等级的增加逐渐增大，在9 000 kN极限荷载作用下，桩长57 m管桩的桩端总阻力占比达到43%，桩长58 m钻孔桩的桩端总阻力占比为18%。钻孔桩侧摩阻力的发挥程度远大于端阻力的发挥程度(在设计竖向荷载4 000 kN作用下，钻孔桩侧摩阻力占总阻力的95%)。

(5)跟钻法管桩适用于砂性土，预制管桩施工速度快、噪声小、无泥浆污染，与钻孔桩费用相近。新型管桩工法丰富了铁路桥梁桩基础施工方法。

高邮至镇江特大桥有4 km简支桥梁设计了锤击打入法PHC管桩。以693＃墩(双线32 m简支梁，桥墩高9 m)为例，经济性对比见表5。打入法管桩比钻孔桩每个桥墩约节省12万元，即每延米桥长节省3 670元，经济效益明显。

表5 693＃墩钻孔桩与打入法管桩经济性比较

4.2 简支梁调跨桥墩

连镇高铁位于平原水网化地区，水陆交通发达，桥梁长度长。针对标准预制32 m、24 m简支梁和连续梁难以满足孔跨布置和经济需要时，创新设计了简支梁调跨桥墩。在墩顶局部设2 m左右的调节段，调节段外轮廓与相邻两侧标准梁一致，当调跨范围在2～8 m时可通过1～3个调跨桥墩调节跨度，灵活有效地解决了超长多控制节点桥梁孔跨布置的难题。同时，考虑景观效果优化桥墩轮廓尺寸，较好地实现了非标桥墩与相邻桥墩和箱梁的衔接过渡。如图6所示，跨沿江公路、自来水管、污水管工点，原设计方案采用(32+48+32)m连续梁跨沿江公路，施工过程发现埋于地下的自来水管(直径1.6 m)及污水管(直径0.6 m)无法迁改，如连续梁加大跨度，主跨需90 m以上且要抬高线路纵断面，X73墩小里程侧桥墩基础已无法调整，如采用现浇非标准跨度简支梁由于地质较差支架地基处理费用偏高。因此，以沿江公路路中分隔带为中心，向小里程布置标准简支梁，在X73墩顶设置1.9 m的调节段解决前后桥墩位置限制问题。桥梁孔跨布置很好地错位避开了污水管和自来水管，并满足跨越沿江公路布置要求。多控制节点情况下，简支梁调跨桥墩配合标准梁预制架设施工，节省了投资和工期。

图6 高邮至镇江特大桥跨沿江公路及管线平立面(单位:cm)

4.3 桥面附属优化设计

设计调研了近年铁路运营养护经验，混凝土栏杆出现部分栏杆立柱歪斜、脱落、下托梁断裂等问题，连镇桥梁设计时采取栏片加高深入遮板取消托梁、用梁端单独栏片代替跨缝栏片进行优化，增强了栏杆的耐久性。结合京杭运河文化特点，以船帆和波浪为要素，桥梁栏杆采用点缀景观栏片+波形栏片(见图7)，形成一种千帆竞渡、乘风破浪的动感意象和美好寓意，推动建设精品桥梁工程。

图7 桥面栏杆立面

5 结束语

连镇高铁高邮至镇江特大桥是一座超长桥梁，沿线跨越众多河流、航道、道路、管线，穿越城镇，控制工点多，桥梁总体设计是工程设计的关键[12-14]。总体设计建议注意以下内容:(1)合理孔跨布置，应结合防洪评价、通航论证、立交安全评估、桥涵协议、现场情况及规划发展等因素综合考虑桥跨；(2)尽量标准化设计，常用跨度桥梁尽量采用预制架设简支梁，减少变跨，桥墩类型尽量归并，减少类型；(3)深入研究大跨桥梁、桥群、高架车站等复杂节点设计和比选；(4)加强专业接口和施工标段衔接设计。

针对高邮至镇江特大桥对桥梁桩基、桥墩、桥面附属等进行了创新设计研究，形成跟钻法新型管桩施工工艺、高铁简支梁调跨桥墩等研究成果，丰富了高铁桥梁设计方法和经验。连镇高铁于2015年9月全线开工建设，2020年12月通车运营。