苏虞张市域（郊）铁路高架区间标准桥梁初步研究

王勇 贺英阁 姜海君 种博肖 廖凯 郭向荣

1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 桥梁设计院， 北京 102600； 2.中南大学 土木工程学院， 长沙 410083

市域（郊）铁路是一种新型轨道交通系统，国务院办公厅《关于推动都市圈市域（郊）铁路加快发展的意见》（国办函〔2020〕116号）明确鼓励有条件的地区建设市域（郊）铁路，市域（郊）铁路发展前景广阔。

TB 10624—2020《市域（郊）铁路设计规范》［1］于2021年初实施，该类交通系统的建设尚处于起步阶段，已建或在建项目多为一事一议，工程建设标准化低。该类型铁路多走行于城市及郊区，桥梁占比大，为推动其标准化建设，有必要对标准桥梁进行研究［2］。

本文以苏虞张市域（郊）铁路（简称苏虞张线）为例，通过工程类比、分项详细分析等方法对其标准桥梁跨径、桥墩及基础进行研究，旨在提出更加经济合理、安全适用、景观协调的桥梁方案。

1 工程背景

苏虞张线为待建铁路，于2023年10月取得可行性研究批复，目前正在开展初步设计。该线自苏州北站引出，蜿蜒向北西方向经常熟至张家港，终点止于金港镇，线路全长89.3 km，全线设6座桥梁，总长57.97 km；设12座地下站、1座岛式高架站和9座侧式高架站。该线可以推动苏州市域一体化发展，落实长三角多层次轨道交通规划、构建高效的综合交通体系［3］。

主要技术标准：双线时速160 km无砟轨道；最大纵坡25‰、困难条件30‰；平面曲线半径1 400 m、困难条件1 300 m；采用ZS设计活载。

沿线为太湖水网平原，地势平坦，水系与道路交织成网，经济发达，人口稠密。工程场址地表被第四系地层覆盖，主要为人工填土、黏性土、淤泥质土、粉砂土；基本地震动峰值加速度0.05g～0.10g，特征周期0.35～0.40 s。

2 结构体系选择

轨道交通及市域（郊）铁路高架桥，主要采用简支梁、连续梁和连续刚构梁式体系［4］。对温州S1和S2线、台州S1线、郑许市域铁路等国内46个轨道交通及市域（郊）铁路项目进行统计分析，发现采用简支梁体系的项目有33个，占比71.7%；连续梁体系10个，占比21.7%；余下3个项目均为广州地铁，采用了连续刚构体系［5］，占比仅6.5%。不同体系桥梁综合对比见表1。

表1 简支梁、连续梁和连续刚构体系综合对比

标准桥跨的跨度不宜过大，刚度大、整体性好的连续梁和连续刚构在小跨结构中优势不明显。与之相比，简支梁体系受力明确、工程造价低、施工周期短且简洁美观。结合该线地质条件差、沿线城镇化程度高、施工工期紧等特点，推荐简支梁体系作为该线标准段桥梁结构体系。

3 上部结构

3.1 梁型

市域（郊）铁路桥梁常用跨度简支梁可选用箱梁、T梁、Π梁、板梁、U形梁、组合梁等结构形式［1］。

1）已建及在建项目梁型统计分析

调研的46个项目显示：采用单箱单室大箱梁的项目有33个，占比71.7%；单线并置组合U形梁8个，占比17.4%；组合小箱梁4个，占比8.7%；I型组合梁1个，占比2.2%；T梁未见采用。

2）不同梁型经济性分析

以常用跨度30 m为例，对不同梁型进行经济性分析，见表2。可知，四种梁型中T梁造价最低，其他依次为大箱梁、组合小箱梁和U形梁。

表2 跨度30 m不同梁型经济性对比

3）梁型综合比选

梁型除应满足使用功能和受力需要外，还应力求经济、简洁美观并方便施工。不同梁型综合对比见表3。

综合调研结果和表3可知：国内尚未有类似项目采用T梁，兼之其横向连接薄弱、整体刚度差，与城市景观的协调性差，尽管其投资少，本项目不采用该梁型；U形梁除结构高度低、可少量降低桥高外，并非理想的受力结构，且国内较少应用，因此，该线亦不采用该梁型；组合小箱梁与大箱梁优缺点相当，除投资较高、桥墩墩顶横向尺寸较大外，对线间距的适应性较好，尤其适用于岛式车站较多的项目，但苏虞张线90%以上的高架站为侧式站，站内双线线间距与区间一致，因此，本项目亦不采用该梁型；大箱梁整体性好，施工工序少，施工速度快，桥墩顶帽尺寸小，我国高速铁路、大部分城市轨道交通和市域（郊）铁路桥梁均采用双线大箱梁，大量案例证明了双线大箱梁较其他梁型优势大，因此，该线优先采用双线大箱梁。

3.2 跨径比选

1）不同交通制式的习惯性跨径

国铁制式桥梁常用跨度为4、8 m的倍数，如24、32 m；公路、市政和城市轨道交通制式的常用跨径为5 m的倍数，如25、30、35 m。苏虞张线为市域（郊）铁路，市域规范的部分技术指标以16、24、32 m为基准，标准桥跨参考国铁制式有一定的合理性。该线的建设和运管单位均为地方轨交集团，项目建设和运维仍需按城轨项目的习惯执行。因此，苏虞张线的标准梁跨径采用5 m的倍数。

2）行业常用跨径统计分析

调研的46个项目中，跨径25、30、35、40 m的项目分别有8个、31个、4个和3个，占比分别为17.4%、67.4%、8.7%和6.5%。25 m梁主要在2006年以前采用，后续项目多采用30 m梁；近年来，无锡、台州、温州等深厚软土和低烈度地震区采用35 m梁；广州地铁的连续刚构桥采用40 m梁，其他项目未见采用。

3）经济性分析

选取该线平均墩高10 m的桥梁工点，分别对跨径30、35、40 m的方案进行对比，见表4。可知，桥梁投资随跨径增加而递减。以35 m梁为基准，30 m梁造价高出4.29%，40 m梁低1.14%。

表4 平均墩高10 m时不同跨径桥梁经济性对比

4）对预制架设法的适应性分析

除较短的泗港特大桥（桥长650 m）外，苏虞张线设5座较长特大桥，其余为地下区间，除常熟市区段外，其余各区段的简支桥孔数均超过250孔，具备设置梁场的条件，采用梁场预制、架桥机架设施工。

通过调研可知，国内各运架设备厂商均具备制造35 m梁运架设备或将现有30 m梁设备改造为35 m梁设备的能力；对于城市轨道交通或市域（郊）铁路40 m梁，目前国内还没有相关的运架梁设备，需要重新研制。

5）景观分析

当城市桥梁墩高与跨度比例在1∶2.4 ～ 1∶4.0时［6］，桥梁景观较好，符合人们的视觉审美习惯。桥梁跨径为20 ～ 35 m在合理美学范围。

苏虞张线位于太湖水网平原区，沿线软土深厚，且全线地震烈度较低，应优先采用跨径大的桥梁；从经济性而言，跨径越大经济性越优，40 m梁具有优势，但其难以适应现有预制架设设备，可实施性较差；从景观方面考虑，40 m梁跨径偏大，不能给人美的视感。

综上，35 m梁的经济性以及对预制架设工法的适应性和景观效果均较好，因此，推荐35 m作为苏虞张线桥梁标准跨径。

3.3 简支梁结构设计

1）桥面布置

苏虞张线采用城市轨道交通制式，桥上疏散通道设于线间，桥两侧设接触网立柱和防护墙。线间疏散通道宽1.2 m，综合考虑限界要求双线线间距取4.6 m，梁顶宽11 m，见图1。

图1 标准双线桥桥面布置（单位：mm）

2）结构尺寸拟定思路

①梁高。根据现行城市轨道交通桥梁高、跨度增幅和梁高加高值的关系综合拟定。现行城轨30 m梁高1.8 m，因市域（郊）铁路活载增加，该线暂定30 m梁高1.85 m。高速铁路桥梁跨度每增加8 m梁高增加0.4 m；公路小箱梁跨度每增加5 m梁高增加0.2 m，综合两种梁的变化趋势，苏虞张线按跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m。35 m梁梁高初步取2.05 m，并分别采用2.00、2.10 m进行比选。

②腹板预应力钢束。采用大型号单排钢束，除梁端局部区域外，腹板厚度360 mm［7］。

3）力学性能分析及梁高比选结果

双线35 m梁不同梁高时的梁部应力、强度和变形结果分别见表5、表6。可知，三种梁高的35 m简支梁，强度、应力及变形结果均满足规范［8］要求，且梁高越高，各指标越富余。

表5 35 m梁不同梁高梁部应力计算结果

表6 35 m梁不同梁高时梁部强度、抗裂和变形计算结果

不同梁高时的梁部主要尺寸和工程数量对比见表7。可知，梁高越高，预应力筋用量越小；2.05 m梁高混凝土用量最小。经综合比较，35 m简支箱梁梁高推荐取2.05 m。

表7 35 m梁不同梁高梁部主要结构尺寸及工程数量

4）结构构造

根据前述研究分析，苏虞张线双线标准跨径35 m梁梁高2.05 m，顶板厚250 ～ 500 mm，底板厚280 ～700 mm，腹板厚360 ～ 950 mm，梁顶、底和腹板厚度均按折线变化，见图2。

图2 35 m箱梁截面（单位：mm）

4 下部结构

4.1 墩型选择

轨道交通和铁路大线桥梁墩型主要有矩形花瓶墩、中空式花瓶墩、圆端形花瓶墩、T形墩和双柱墩［9］，其中，圆端形墩主要应用于铁路大线桥梁，城市轨道交通或市域（郊）铁路桥应用较少。与其余墩型相比，矩形花瓶墩造型简洁，模板简单，施工方便；与双柱墩相比，矩形花瓶墩占地少，且与道路斜交时处理更为简单。因此，推荐苏虞张线采用矩形花瓶墩。

4.2 桥墩设计

1）部分已建和在建项目墩身尺寸

统计温州S1线、滁宁城际铁路等6个项目的最高桥墩尺寸，见表8。可知，墩身纵横向坡率大多采用直坡，尺寸均按墩高分级，一般分为3 ～ 11 m、11 ～ 14 m、14 ～ 20 m三档，各档最高墩墩底纵向尺寸分别约1.8、2.0、2.6 m，横向尺寸分别为2.9、3.1、3.5 m。

表8 墩身尺寸m

2）桥墩设计控制因素

桥墩尺寸主要受墩顶构造、材料强度和墩顶综合线刚度控制，且往往由刚度控制墩身纵向尺寸［10］。已建项目的桥墩刚度均执行城市轨道交通桥梁的要求，而市域规范与其他国铁大线、城市轨道交通规范有较大区别，市域（郊）铁路、城际铁路、城市轨道交通、客货共线铁路、重载铁路对应的桥墩墩顶纵向水平线刚度限值，分别为190、265、320、350、400 kN/cm。由此可知，不同轨道交通系统对墩顶刚度限值的要求差别较大，市域铁路最小，重载铁路最大。与城际铁路、城市轨道交通、客货共线铁路和重载铁路相比，市域铁路刚度限值分别小28.3%、40.6%、45.7%和52.5%，刚度限值降低，理论上墩身尺寸存在一定的优化空间。

3）桥墩尺寸

根据苏虞张线墩高和沿线地质特点，结合基础对墩身尺寸进行了技术和经济比选，最终确定三档墩高，分别为3 ～ 10 m、10.5 ～ 13.0 m、13.5 ～ 20.0 m。不考虑基础作用时，各档墩最高墩的墩顶纵向水平线刚度分别为461、506、465 kN/cm。墩身构造尺寸见图3。

图3 墩身构造尺寸（单位：cm）

4）动力性能

选用平均墩高10 m（墩高范围5 ～ 18 m）、38孔35 m简支梁桥进行车桥耦合动力仿真分析。38孔梁中，4跨位于半径为750 m的圆曲线上，8跨位于缓和曲线上，其余均位于直线段。主要动力分析结果见表9。

表9 35 m梁桥主要动力分析结果

35 m简支梁桥墩梁纵漂、主梁横弯和主梁竖弯对应的最小自振频率分别为0.930、1.757、2.767 Hz，竖向自振频率小于限值2.934 Hz［11］；列车通过时的最大动力系数为1.3，未出现明显共振现象；市域（郊）铁路CRH6型车以速度120 ～ 160 km/h通过时，桥梁的振动性能均在限值以内，车辆各项安全性、舒适性指标亦均在限值以内，说明列车运行的安全性、舒适性得到保障。35 m简支梁及配套桥墩具有足够的竖向和横向刚度，能够满足市域（郊）列车CRH6以速度120 ～160 km/h运行时的安全性和舒适性要求。

4.3 基础方案

1）常用桩基类型及优缺点

苏虞张线桥梁均采用桩基础。公路、市政、轨道交通桥梁及常规铁路桥梁可选用的桩基主要有钻孔灌注桩、打入预应力管桩（简称打入桩）、预钻根植桩、后压浆钻孔灌注桩等。不同类型桩基综合对比见表10。可知，钻孔灌注桩工艺简单、成熟，施工质量、成桩承载力可靠，应用最广；打入桩为装配式结构，无泥浆，基本无现场浇筑混凝土作业，节能环保，符合当今建筑潮流及政策鼓励方向，主要受地质及周边场址环境约束，有条件时推荐应用；预钻根植桩为一种新型桩基形式［12］，为装配式结构，现场无现浇混凝土作业，仅需处置沉桩所挤出的少量泥浆，比较节能环保，目前虽有建设标准化协会标准、地方标准及铁道学会标准，但没有铁路行业标准，鲜有铁路桥梁应用案例，应慎重使用；后压浆钻孔灌注桩［13］与常规钻孔桩相似，由于桩底、桩侧土体注浆加固，桩长变短，经济效益明显，目前有公路行业标准及铁道学会标准，但没有铁路行业标准，仅有个别铁路桥梁墩台试验性应用，亦应慎重使用。

表10 不同类型桩基综合对比

2）不同类型桩基经济性比选

以长1 400 m、墩高10 m、跨径35 m的梁桥为例，不同类型桩基经济性比选见表11。可知，与常规钻孔桩相比，打入桩最经济，节约投资19.2%；两种新型桩基（后压浆桩、根植桩）也具有一定的经济优势，节约投资分别为7.6%、2.8%，但不明显。

表11 不同类型桩基经济性比选

苏虞张线走行地区多为黏土、粉砂类土，沿线经济发达，城市、村镇密布，既有构（建）筑物多，综合不同桩基特点和经济分析，该线原则上仍以常规钻孔灌注桩为主。当桥梁位于农田、水塘等远离周边既有构筑物的区段时，选用打入桩；对于后压浆桩、根植桩，有条件时可少量试验性应用。

5 结论

1）苏虞张线标准桥梁宜采用梁场整孔预制、架桥机架设施工的35 m跨径双线简支大箱梁。

2）市域（郊）铁路桥梁的优选跨径需结合行业习惯、经济性、对预制架设工法的适应性和景观等因素综合确定，当其产权或运维归属城市轨道交通模式时，跨径35 m为最优跨径。

3）当35 m梁的腹板采用单排大型号预应力钢束和大吨位锚具时，其结构尺寸较优。

4）桥墩设计采用了最新市域（郊）铁路规范的要求，墩顶综合线刚度降低较多，墩身纵向尺寸优化明显，高度10 m及以下桥墩，墩身纵向可取1.2 m，桥梁动力性能满足要求，结构更加轻盈，投资也更低。

5）打入桩是最经济的桩基形式，但因振动问题而受限；预钻根植桩和后压浆桩实质均为压浆桩，虽然在经济、环保等方面具有一定的优势，但压浆质量目前尚难以检测或缺乏有效的判据，该桩型可以少量试验应用；常规钻孔灌注桩仍是市域郊铁路主要采用的桩基形式。

本研究已顺利通过苏虞张线可行性研究评审，研究成果可为该项目后续建设起到积极推进作用。