西安市东二环上跨陇海铁路大桥方案研究

王文涛

中铁二院工程集团有限责任公司 四川 成都 610000

桥型的选择不仅对局部节点本身的经济性、美观性、施工方案产生影响，而且间接影响到整个工程的造价、施工周期以及城市景观的要求。选用合理的结构型式对全线景观效果、降低整体工程造价、提高施工速度及便捷性、减少对既有地面交通以及其他控制性构筑物的干扰等有着重要意义。因此西安二环路上跨陇海铁路大桥受二环路主线位置的制约，桥位选择空间不大，本项目的关键点在于桥型方案的选择以及转体施工上[1]。

1 工程概况

东二环主线高架上跨陇海铁路大桥节点位于长缨东路与含元路之间，现状为下穿西安东站的金花隧道，原有东二环四车道主线与四车道辅道共用六车道的下穿隧道，因此该处长期成为东二环的通行瓶颈。现计划将拓宽为双向六车道后的东二环主线与辅道分离，新建一座跨西安东站的大跨径桥梁作为东二环主线，既有下穿隧道作为辅道。

2 建设条件分析

2.1 地形地貌

大桥拟建场地地势平坦，铁路北地段地面标高介于4 0 3.6 7～4 0 5.5 9 m 之间，铁路南地段地面标高介于4 0 6.32～4 07.74m之间。西安东站内股道轨面标高介于406.339～407.347m之间。总体地形较平坦，西安东站两侧标高相差不大，地形条件较好。

2.2 地质条件

根据勘探揭露，场地地层自上而下依次为：第四系全新统人工填筑土 (Q4ml)、第四系全新统冲洪积黏质黄土(Q4alpl)、第四系晚更新统风积黏质黄土(Q32eol)、第四系晚更新统风积黏质黄土(Q31eol)、第四系晚更新统残积古土壤(Q3el)、第四系晚更新统冲积黏质黄土(Q3al)。

场区抗震设防烈度为Ⅷ度，设计地震加速度为0.20g。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)之附录B，场区地震动反应谱特征周期为0.35s。

根据《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ24-6-88)的规定，拟建工程不受f3地裂缝的影响。此外，未发现其它不良地质现象。

综上，桥位处工程地质状况一般，抗震设计以及超长桩基是后续设计的重点。

2.3 主要交叉构造物

东二环上跨陇海铁路大桥与多处既有构造物交叉，包括陇海铁路上、下行正线、车辆整备所、华清东路高架桥及西安地铁三号线等，其下方场地条件复杂，铁路管线和设施众多。因此，跨越陇海铁路干线宜尽量考虑工期短，对铁路运营干扰小的施工方案[2]。跨越车辆整备所由于股道多，且该部分股道主要是用于客车进出检修之用，可考虑搭设防护棚的施工方案。

3 桥位选择

3.1 桥位选择原则及控制

⑴符合道路功能和路线总体走向的要求。

⑵桥位区无影响桥梁建设的地质病害或地质病害较少。

⑶桥位地形地质条件有利于墩台布设，并降低桥梁规模。

⑷本桥的桥位方案与两侧接线工程方案紧密关联，需要两侧互通立交的接线的工程方案进行综合研究。

3.2 主要制约因素

根据前文中描述的地形、地质条件，本项目桥位可选空间有限，主要制约因素有：

图2 桥位平面示意图（图片来源：作者自绘）

(1)金花隧道：金花隧道作为地面辅道保留其使用功能，因此桥位只能布置在金花隧道两侧。

(2)地铁三号线：目前已经在通车运营，桥梁下部桩基外侧应尽量保持安全距离，避免施工扰动影响地铁运营安全。

(3)西安高架快速干道立交：北侧与西安高架快速干道交叉，设置互通式立交。立交匝道的布置影响主线的走向，目前匝道出入口加宽段已进入主桥范围。

(4)楼房建筑：桥位处的西南象限、东南象限、东北象限均存在高层建筑，因此线位的布置只能利用既有华清路立交环形匝道内的空间。

(5)铁路设施：主要包括位于两侧的陇海铁路上、下行正线、机走线以及车辆整备所的21条整备股道。

3.3 桥位选择结论

依据以上制约因素，桥位选定东线方案和西线方案。其中西线方案受地铁三号线影响，主桥跨度需设置在320m以上。东线方案南侧利用华清路高架与陇海铁路正线之间的空间设置桥墩，北侧不受控制，主桥跨径在270m。无论是采用转体施工还是顶推施工，随着跨径的增加，施工难度几何性增加。因此经过综合比选，仅选取东线方案开展桥型方案研究[3]。

4 桥型选择

4.1 桥型方案设计原则

根据本项目工程特点，在桥梁设计过程中除认真执行“安全、耐久、适用、环保、经济、美观”的技术方针外，还应遵守以下原则：

⑴因地制宜，统筹兼顾，走可持续发展道路。

⑵重视结构耐久性，可到达，可检查、可养护、可维修、可更换。

⑶充分利成熟技术，推动桥梁技术进步。

⑷注重景观，将桥梁结构与城市环境景观融合。

⑸重视环保、节约，创优质工程。

4.2 跨径选择

一般来说，铁路范围内用地均有规划需求，相关铁路设施迁改困难。铁路内设置永久性桥墩条件困难，且施工场地如在铁路内部，施工设备进场和施工材料运输的难度也很大，因此采用主跨一跨跨越陇海铁路干线和车辆整备所的桥型方案应更为适宜。

图3 跨径选择示意图（单位：m）

考虑主墩基坑施工安全的要求，东二环上跨陇海铁路大桥主桥一跨跨越陇海铁路和车辆整备所的跨度约为270m左右。此时南侧华清路高架桥与陇海铁路下行线之间的空间恰好可以用用作转体施工之前的现浇施工场地。

边跨跨径的选择主要是利用南侧环形匝道内的空间设置辅助墩、交界墩，边跨跨径108m，边中跨比0.4。北侧考虑与南侧边跨对称布置，最终选定（108+270+180）m的跨径组合。

4.3 桥型方案

适合此跨径的桥梁形式有矮塔斜拉桥、斜拉桥、下承式系杆拱桥以及悬索桥。若采用常规悬索桥方案需设置重力式锚碇，锚碇设置困难，影响城市景观且不经济；270m主跨的自锚式悬索桥跨径较大，设计和实施难度很大，同时由于自锚式悬索桥需先梁后索，主梁施工对铁路干扰大，因此首先将其排除。矮塔斜拉桥由于结构高度太高（经估算270m跨度的矮塔斜拉桥根部梁高将达到8m左右），路线纵坡难以满足要求桥下净空要求，因此也不再考虑。下承式系杆拱桥也是跨越铁路是常用的桥型选择，不过采用铁路部门允许的转体施工无足够的施工空间，铁路场站内无法搭设临时支承墩又否定了顶推施工方案。因此本项目考虑施工方案也不再对拱桥进行研究[4]。

斜拉桥主跨梁体结构高度较低，能够满足桥下净空要求，同时，施工上可考虑采用转体或顶推施工，对铁路的影响相对较小，方案具有可实施性，因此对（108+270+108）m跨径组合的双索面斜拉桥和单索面斜拉桥方案进行进一步的重点比较和分析。

5 桥梁结构设计

5.1 方案一：双塔三跨双索面混凝土斜拉桥方案

5.1.1 总体布置

由于东二环跨越铁路桥梁主桥主跨能够一跨跨越陇海铁路及车辆整备所，采用混凝土梁后期维护保养工作少，对运营铁路干扰少，并且边跨经过配重能以经济跨径跨越地方市政道路及地铁，因此经过分析比选后推荐采用（108+270+108）m的双塔三跨双索面斜拉桥方案。南侧边跨跨径组合为（40+68）m，北侧边跨跨径组合为（68+40）m。主梁采用预应力混凝土箱梁，索塔采用宝石型索塔，桥墩采用矩形实心墩，群桩基础。

图4 方案一斜拉桥桥型总体布置（单位：m）

该桥型方案气势宏伟，结构造型独特，既较好地适应了路线平面线形和结构受力的需要，又体现了变化的美学韵律，主塔造型美观新颖.本方案城市景观效果较好，能够体现结构造型与周边环境融合的结合美，建成后必将成为该地的标志性建筑之一[5]。

5.1.2 结构体系

本方案采用半飘浮体系，索塔处设竖向支座及横向抗风支座，主梁纵向漂浮；辅助墩和过渡墩处设一个单向活动支座和一个双向活动支座，横向设挡块；索塔和主梁交界位置全桥设置八套粘滞阻尼器。

5.1.3 主梁设计

考虑到桥梁下方有电气化铁路接触网，主桥结构宜采用混凝土而非钢梁，以减少对铁路的干扰和影响。1995年Svensson曾对200～1000m跨径斜拉桥选用不同材料主梁的经济性作过研究，认为跨径在200～400m时，采用混凝土主梁是最经济的。因此本桥从涉铁需求和经济性上考虑，主梁选用预应力混凝土结构。

适合双索面斜拉桥的混凝土主梁的主要结构形式有实体式板梁、π型梁、双边箱梁以及P-K梁等。实体式板梁、π型梁无论是构造还是施工，都是比较简单，但适用条件比较受限，如实体式板梁一般适用于桥宽不大的情况。因此综合考虑本桥的宽度、结构需求、施工、景观等因素后，选择采用了分离式的双边箱梁截面作为主梁的结构形式。双边箱梁具有抗扭、抗弯刚度大，能适应多种斜拉索布置形式以及施工方式的特点。设计桥面全宽36.5m，梁高3.0m，具体截面如图5所示。

图5 方案一主梁跨中断面图（单位：cm）

5.1.4 索塔及基础

图6 方案一索塔构造图（单位：cm）

虽然斜拉索的直线线形与基本等高、纤细的梁体形成的结构体现了斜拉桥的结构美感，但索塔结构形式的选择才是斜拉桥景观设计的重中之重，在美学上起到决定性的作用。本桥索塔选择了变形的宝石型塔，考虑尽量减小转体施工上转盘的尺寸，将双肢塔墩尽量收窄。正面看如同汉语的“合”字，其成为2021“一带一路”年度候选汉字，正寓意西安市作为古丝绸之路的起点和“一带一路”的重要节点城市的地位。

桥面以上塔高70m，塔墩高15m，采用矩形空心结构。主墩承台合修，主墩每个承台下接18根直径φ2.5m的钻孔灌注桩。

5.1.5 斜拉索

斜拉索采用空间索面扇形布置，全桥共有84对斜拉索。中跨标准段拉索纵向间距6m，边跨索距结合其跨度适当调整。

斜拉索目前主要有两种类型，即平行钢丝束和平行钢绞线斜拉索，钢绞线斜拉索较平行高强钢丝斜拉索强度高，能减少斜拉索用量，自重轻，垂度小，可提高斜拉索刚度，钢绞线斜拉索安装简单、易于操作。但是钢绞线斜拉索直径较同等面积的平行钢丝束斜拉索略粗，截面面积略大，斜拉索所受静风荷载相对较大。综合考虑，本方案拟采用平行钢丝斜拉索。

梁上锚固形式采用混凝土锚固块，塔上锚固形式采用钢锚梁。

5.2 方案二：双塔三跨单索面混凝土斜拉桥方案

东二环上跨陇海铁路大桥方案二采用了跨径270m的双塔三跨对称单索面混凝土斜拉桥方案（边跨采用压重与中跨荷载平衡）。南侧边跨跨径组合为（40+68）m，北侧边跨跨径组合为（68+40）m。

方案二采用半飘浮体系，塔梁固结，设置竖向支座与主墩相连。主梁纵向漂浮；辅助墩和过渡墩处设一个单向活动支座和一个双向活动支座，横向设挡块。

设计桥面全宽为37m，主梁采用预应力混凝土箱梁，采用单箱五室斜腹板结构形式，根部梁高6m，跨中梁高3.5m。主桥墩为矩形花瓶状，主塔为实心H型钢筋混凝土结构，主墩每个承台下接18根直径φ2.5m的钻孔灌注桩。桥面以上塔高70m，中跨标准段拉索纵向间距8m。

图7 方案二主梁跨中断面图（单位：cm）

该桥型方案气势宏伟，结构造型独特，正面看如同宝剑刺入苍穹，气势恢弘。

6 施工方案

6.1 基础施工

由于承台开挖断面靠近既有铁路边缘，基础施工期间对既有铁路有一定的影响。承台开挖期间可采取一下防护措施：对主墩承台基坑靠铁路侧四壁，采取钻孔灌注桩加水平撑杆的支护形式，桩和桩之间采用网喷防护。同时施工期间对基坑靠铁路侧进行系统监测，观察支护桩顶水平位移、桩身侧向变形、地下水位等，并根据实际观察情况采取临时应急措施[6]。

6.2 施工防护棚

施工期间需对涉及到的铁路设施搭设防护棚，确保铁路设施的绝对安全。防护棚由跨越陇海铁路正线、车辆整备棚以及转提前顺陇海铁路方向搭设的两道防护棚共四个部分组成。

6.3 主梁施工

经过与铁路主管部门沟通，跨越陇海铁路正线需要采用顶推或转体施工，跨越整备线可采用挂啦施工，因此主梁施工采用“转体施工+悬臂挂篮”相结合的方式，即主桥跨越陇海铁路部分梁部采用转体施工，转体完成后跨越车辆整备所以及合龙部分采用全封闭挂篮施工，转体长度48m+48m，方案一转体重量约为15000t，方案二转体重量约14000t，转体角度均为逆时针旋转68°。边跨剩余主梁采用支架现浇施工。

图8 桥梁施工方式及转体示意图

7 结束语

对于城市道路建设中涉及到铁路的桥梁方案设计，涉铁施工的可行性以及与城市建设景观协调一致是两个重点。本文通过分析相应的建设条件，提出了两个切实可行的方案，并针对方案各部位结构形式的选择提出了设计原则，可为其他类似项目提供参考。