哈大铁路客运专线沈哈段桥梁设计

刘 琛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道处，西安 710043)

1 工程概况

哈大铁路客运专线是我国“四纵四横”客运专线网规划中京哈客运专线的重要组成部分，是我国高纬度严寒地区［1］设计时速350 km的第一条高速铁路。南起大连，向北经营口、鞍山、辽阳，到达沈阳，再向北经铁岭、四平、长春，直抵哈尔滨，线路全长904 km。其中沈阳至哈尔滨段正线桥梁总长362.516 km，占该段线路长度的76.9%。

1.1 地质条件

沈阳至哈尔滨段地形平坦、开阔，舒缓波状起伏。经过地貌单元有:滨海平原、剥蚀丘陵、冲洪积平原。地表为黏性土、粉土、砂类土所覆盖，覆盖层厚10～80 m。丘陵区出露灰岩、泥岩、砂岩、花岗岩等。滨海平原及冲洪积平原区地下水埋藏最浅为0.6～5 m，剥蚀缓丘地带地下水埋藏最深为10～25 m。沿线地震动峰值加速度为 0.05g ～0.15g。

1.2 气象特征

该段属中温带亚湿润季风气候区，夏季凉爽短促，冬季寒冷漫长。年平均气温4.4～10.9℃，极端最高温度39.8℃，极端最低温度-39.9℃，沿线降雪期长达5～6个多月，土壤最大冻结深度在93～205 cm，每年从10月开始冻结，次年4～5月全部融化，经历时间长达5～6个月。

1.3 沿线主要河流水系

沿线以公主岭市的怀德镇至陶家屯一线为分水岭，南侧属辽河水系，主要河流有辽河及其支流凡河、马仲河、东辽河等;北侧为黑龙江流域的松花江水系，主要有第二松花江及其支流新开河、伊通河、干雾海河、饮马河、拉林河、运粮河等。

1.4 主要技术标准

(1)铁路等级:客运专线;

(2)正线数目:双线;

(3)速度目标值:350 km/h;初期运营速度300 km/h;

(4)最小曲线半径:7 000 m;

(5)最大坡度:一般地段20‰，困难地段25‰;

(6)正线线间距:5.0 m;

(7)设计活载:ZK活载。

2 桥梁工程

哈大客运专线沈哈段特大桥合计358.368 km/47座，大中桥4.149 km/17座。伊通河特大桥桥长57.378 km，为本段最长桥梁。新开河特大桥主跨1-138 m钢箱双叠拱桥为本段单跨最大。第二松花江特大桥主跨(48+5-80+48)m连续梁联长497.5 m，为本段联长最大。本段桥梁类型统计见表1。

表1 哈大客运专线沈哈段桥梁类型统计

梁部结构采用预应力混凝土简支箱梁，孔跨布置以32 m梁为主，24 m梁为辅。全桥梁跨统一，有利于预制架设、维修养护，同时桥梁建成后整体景观效果较好。当受河流、立交、管线等条件控制时，则采用大跨预应力混凝土连续梁，梁跨类型以(32+48+32)m、(40+56+40)m、(40+64+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m连续梁为主。

桥墩设计应结合桥下流水情况、全桥墩高分布情况，遵循墩型统一、相邻桥墩刚度相近、施工方便的原则，一般条件下同一座桥墩型尽量保持一致，应优先选用圆端形桥墩，带顶帽托盘，墩身较低时采用直坡实体墩，墩身较高时采用空心墩。桥台均采用矩形空心桥台。

根据工程地质与水文地质、最大冲刷深度等条件，选用明挖基础、挖井基础或桩基。墩台基础类型主要采用钻孔灌注桩基础(φ1.0 m、φ1.25 m、φ1.5 m、φ2.0 m钻孔桩为主)。一般墩台基础采用φ1.00 m桩径，跨越河流具有水流冲刷的采用φ1.25 m桩径。

桥面系工程部分除满足本专业要求外还应与轨道、通信、信号、电力、环保等专业紧密结合，满足各专业附属设施的使用需要和接口预留。

3 哈大客运专线沈哈段桥梁设计特点

3.1 世界上第一条投入运营的高纬度严寒地区高速铁路

哈大客运专线沈哈段位于北纬41°～47°，地处我国高纬度严寒地区，最低气温-39.9℃，土壤最大冻结深度205 cm，气候条件恶劣。为解决冻融剥蚀、冻胀耐久性等问题，达到免维修、少维护的目的，桥梁设计从结构、材料、工艺等方面采取了诸多措施。

(1)严寒地区由于受涵洞影响，涵底地基最大冻深远大于天然场地的最大冻深，通过现场监测数据分析，涵底冻结深度大致为天然冻结深度的2倍［2］。涵洞基础设计除应满足《铁路桥涵地基和基础设计规范》1.0.10条规定外，涵洞基础处理均参考相邻路基段处理方式，并在涵洞基底与路基桩基之间铺设50 cm厚碎石垫层。

(2)涵洞箱形桥外侧铺设高聚物改性沥青防水卷材，沉降缝中间加设橡胶止水带，沉降缝内侧外露部分设厚5 cm聚硫橡胶密封膏密封，避免涵洞漏水引起冻胀沉降变形。

(3)河中桥墩混凝土提高抗冻融等级，在水位变化区采用外包耐候性钢板，防止墩身混凝土冻融剥蚀。

(4)桥墩进行冰冻及溜冰撞击力检算，并设置破冰棱等措施。

(5)采取适当增加钢筋保护层厚度等构造措施。

(6)传统的电缆槽盖板均为钢筋混凝土结构，为方便运营阶段的养护维修，电缆槽盖板采用力学性能及耐久性好、自重轻、施工方便及更换方便的RPC混凝土板。

(7)桥涵排水系统设计中充分考虑气候严寒特点，尽量减短排水途径，在箱梁中间减少排水管设置。

(8)为满足严寒地区冬季架梁要求，需采用适应于-5℃和-10℃温度条件下的防冻型支座灌浆材料，开展《严寒地区铁路客运专线桥梁冬季施工关键技术研究》(2008G038)［3］。

(9)支座锚栓孔或防落梁支架等预留孔应排除杂物、积水后将孔口临时封闭，待架梁或安装支架前，打开预留孔冲洗干净后方可安装并及时灌注封闭。

(10)沈哈段地处严寒地区，冬季施工时长5个多月，冬季内土壤内水分冻结造成基坑开挖困难，承台基坑不宜在冬季施工;沈哈段地区降雨较多，雨季、汛期施工不可避免，而桥梁承台基坑宜在枯水或少雨季节开挖［4］。设计需统筹冬季施工和雨季施工特点，采取相应措施确保工程顺利进行。桥梁在跨越辽河、第二松花江、伊通河、拉林河等诸多河流的主河槽、河漫滩及一级阶地，且节点工期无法调整需要基坑开挖施工时，冬季施工应采取机械放坡开挖或套箱防护后开挖。雨季施工为节省时间防止涌砂、坍塌等问题出现，采取钢板桩围堰、工字钢+挡护钢板、草袋围堰等防护措施后开挖。

3.2 高桥梁比例及长桥设计

哈大客运专线沈阳至哈尔滨段正线桥梁总长362.516 km，占该段线路长度的 76.9%，其中桥长5 km到50 km之间桥梁为202.2 km/17座，桥长50 km以上桥梁113.8 km/2座。高桥梁比例及长桥设计的原则除线路沿线经济发达、人口稠密、节约用地外还存在以下特点。

(1)线路纵贯东北平原，沿线松软土广泛分布，由南到北逐渐增厚，黏性土最大厚度超过80 m，压缩变形大。选择以桥代路能够有效处理不良地质条件下路基工程难以处理的沉降等问题，能更好地满足高速铁路行车要求。

(2)桥梁工程相比路基工程有效施工周期长。沈哈段冬季施工工期为5个月，在此期间土壤所含的水分冻结造成冻土块坚硬不易压实，且解冻融化后易导致塌陷，路基的填筑和开挖不宜在冬季施工，而桥梁大多为集中预制的简支梁，将运架梁等机械化施工安排在冬季可以有效延长严寒地区的施工周期。

3.3 大跨度连续梁及道岔区桥梁众多

哈大客运专线沈哈段地处东北平原，沿线水系发达，河流众多，公路及铁路四通八达，地下管线星罗棋布，给本线桥梁布设增加了很多困难，桥梁工程还需满足高速铁路无砟轨道的技术要求，大跨度连续梁必然成为设计首选。

在四平站南北两侧有2处4个正线间的交叉渡线，均采用18号道岔，其3个渡线采用(32+3—48+32)m单箱单室预应力混凝土连续梁布置，一个渡线结合桥下的公路、铁路立交情况，布置为(40+3—64+40)m单箱单室预应力混凝土连续梁，整个渡线全部放置在连续梁上。在伊通河特大桥崔家营子线路所，站场平面布置有2条哈大客运专线正线、2条长春联络线及1条安全线，设计中采用小跨度变宽度钢筋混凝土连续梁满足无缝道岔的要求，孔跨布置为(18.98+2—20+18.98)m+(18.98+2—20+18.98)m双幅混凝土连续梁+(14.05+9—20+14.05)m单幅混凝土连续梁，崔家营子线路所42号道岔布置在无砟轨道上，其余道岔均铺设在有砟轨道上。

4 哈大客运专线沈哈段重点桥梁

4.1 新开河特大桥主跨1－138 m钢箱双叠拱桥

哈大客运专线跨越长春市区富民大街，该路为双向八车道，路宽80 m，与线路斜交59°，由于该路毗邻长春西站，建筑高度受立交净空和线路高度控制，设计采用1-138 m钢箱双叠拱桥。新开河特大桥的钢箱叠拱桥型及实体圆钢刚性吊杆形式在国内铁路桥梁中均为首次应用［5］，见图1。《钢箱拱桥实体圆钢吊杆》于2011年10月获得国家实用新型专利证书。

图1 新开河特大桥1－138 m钢箱双叠拱桥

主跨处地层主要为人工填土、第四系全新统粉质黏土、白垩系下统泥岩夹砂岩。地震动峰值加速度为 0.10g。

本桥拱轴线采用二次抛物线，上拱矢跨比采用1/4，下拱矢跨比采用1/4.82。吊杆间距为8 m。上下拱肋结构均采用等截面钢箱，箱宽2.0 m，箱高1.8 m。系梁采用等宽变高度钢箱截面，梁宽度为14.0 m，跨中梁高为3.4 m，距梁端17.25 m 范围梁高为4.5 m，在距梁端17.25～22.75 m范围内梁高由4.5 m变为3.4 m。在每线轨道下方附近各设置1道纵梁，全桥共4道，纵梁采用等高度工字钢梁，梁高为2.2 m，上、下翼板宽度为0.8 m，两纵梁之间的中心距离为2.0 m。中横梁采用等高度工字钢梁，梁高为3.4 m，上、下翼板宽度为0.8 m;相邻横梁之间的中心距离除辅助横梁间距为5.0 m外，其余均为8.0 m。端横梁采用等高度箱形钢箱，箱高4.5 m，箱宽6.5 m，为减少因梁端转角引起梁端竖向位移，端横梁内移1.95 m。横向两榀拱肋之间设3道“X”横撑，横撑纵向间距24 m。横撑采用等高度钢箱，箱高0.9 m，箱宽0.9 m。上、下拱肋之间连杆采用强度等级为460 MPa实心圆钢连接，直径为100 mm，间距2.667 m;拱肋与系梁间吊杆采用强度等级为460 MPa实心圆钢连接，直径为130 mm，间距8.0 m。为了尽量减少混凝土收缩的影响，桥面板采用无收缩混凝土，施工时强度等级为C50，厚度为32 cm，端横梁及中间设3道断缝以减小桥面板拉应力。拱肋、系梁、纵横梁、横撑、横隔板及上下拱肋联结板均采用Q370qE钢材。

4.2 伊通河特大桥

伊通河特大桥位于长春市近郊，全长57.378 km。孔跨布置以32 m及24 m简支箱梁为主，道路及河道孔跨布置受限时采用主跨48 m及56 m连续梁跨越。受线路走行方向、高度的控制，崔家营子线路所道岔区段落布置于桥上，42号高速无缝道岔首次应用于高纬度严寒地区客运专线，为满足道岔铺设及运营要求，采用小跨异型钢筋混凝土连续梁桥。

高速道岔设于桥上时，受道岔、轨道和桥梁相互作用的影响，对梁体刚度和变形要求较高，设计采用具有竖向刚度大，梁-轨相互作用小、施工周期短等特点的小跨钢筋混凝土连续梁结构。桥梁上线路布置如图2所示。

图2 崔家营子道岔区段桥面布置示意(单位:cm)

其中129～137号墩之间为2联(18.98+2—20+18.98)m连续梁，桥上共有5条铁路线，分别为2条哈大客运专线正线及2条长春联络线，左侧联络线外布设1条安全线。137～148号墩之间为1联(14.05+9—20+14.05)m连续梁，桥上共有4条铁路线，分别为2条哈大客运专线正线及2条长春联络线。客运专线正线采用无砟轨道结构，联络线及安全线为有砟轨道结构。

第一、二联(18.98+2—20+18.98)m 连续梁按双幅桥设计，纵向梁缝2 cm，其间上部5 cm高用聚硫建筑密封剂。左幅桥梁顶采用等宽1 580 cm，第一联右幅桥梁顶宽由1 350 cm渐变至1 175 cm，第二联右幅桥梁顶宽由1 175 cm渐变至1 010 cm。第三联(14.05+9×20+14.05)m 连续梁按单幅桥设计，梁顶宽由2 020 cm渐变至1 340 cm。三联连续梁跨中梁高 1.35 m，支座附近梁高2.05 m，单侧悬臂长1.70 m，悬臂端部厚20 cm，悬臂根部厚40 cm。支座采用3或2支座等间距布置，两侧支座距离底板边缘约130 cm。三联连续梁固定支座分别设于131号、135号、142号墩。

4.3 第二松花江特大桥

本桥主要为跨越第二松花江而设。为满足黑龙江水系Ⅳ级航道通航要求，主跨采用(48+5-80+48)m连续梁跨越。主跨联长达497.5 m，为严寒地区高速铁路联长最长的连续梁桥。见图3。

图3 第二松花江特大桥(48+5－80+48)m连续梁

该桥主桥采用单箱单室、变高度、变截面直腹板箱型截面，主墩墩顶5 m范围内梁高6.65 m，跨中及边跨现浇段梁高3.85 m;梁底曲线为二次抛物线形，箱梁顶宽 13.4 m，箱梁底宽 6.7 m，单侧悬臂长 3.35 m;悬臂厚度20～65 cm;箱梁腹板厚度48～90 cm;底板厚度40～90 cm;顶板厚40～80 cm。梁体设计为三向预应力体系，纵向按全预应力构件设计。墩身采用圆端型桥墩，墩身外包耐候钢板防止冻融破坏，基础均为桩基础。由于该桥温度跨度达288.75 m，梁轨相互作用明显，为保证轨道的安全性和稳定性，设置钢轨伸缩调节器。

4.4 运粮河特大桥

运粮河特大桥主跨(60+100+60)m连续梁为跨越既有哈大铁路而设。采用长节段支架现浇及平转100 m跨度连续梁施工工法为国内无砟轨道客运专线首次使用。

常规客运专线(60+100+60)m连续梁均采用悬灌法施工，节段长度为2～5 m，受混凝土养护龄期制约，每个节段的施工时间需7～15 d，而主跨100 m连续梁悬臂施工节段为13个，施工时间较长，同时需配置大量的腹板钢束以满足施工期间的结构受力。本桥采用了长节段支架上现浇施工，将T构划分为3个节段来现浇，最大节段长度为22 m，极大地节省了施工时间，T构节段划分见图4。因T构转体自重约61 050 kN，球铰选用725所设计生产的73 000 kN转体球铰，球铰平面直径D=3.0 m，设计最大静摩擦系数为0.1，最大动摩擦系数为0.06［6］，通过上下球铰与其之间的四氟乙烯滑片产生的摩擦来实现梁体的平转。

图4 运粮河(60+100+60)m连续梁T构节段划分示意(单位:cm)

5 结语

本文对哈大客运专线沈哈段桥梁工程及重点桥梁设计进行介绍，并对高纬度严寒地区高速铁路设计经验进行总结。作为我国高纬度严寒地区的首条高速铁路，哈大客运专线已开通运营，技术效益、经济效益、社会效益正在逐步体现。

［1］中华人民共和国铁道部.TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［2］中铁第一勘察设计院集团有限公司，等.寒区铁路客运专线路基及涵洞防冻胀技术研究［R］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

［3］赵世运，张先军，石刚强.严寒地区高速铁路关键施工技术综述［J］.铁道标准设计，2012(5):1-9.

［4］中华人民共和国铁道部.铁建设［2010］241号 高速铁路桥涵工程施工技术指南［S］.北京:中国铁道出版社，2010.

［5］刘彦明.大跨度钢箱叠拱桥实体圆钢吊杆疲劳试验研究［J］.兰州交通大学学报，2010(3):7-11.

［6］盖小红.哈大客运专线运粮河特大桥连续梁转体施工设计［J］.铁道标准设计，2012(5):89-91.

［7］中华人民共和国铁道部.铁建设［2007］47号 新建时速300～350公里客运专线铁路设计暂行规定(上、下)［S］.北京:中国铁道出版社，2007.

［8］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［9］中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［10］中华人民共和国铁道部.TB10020—2009 高速铁路设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［11］中华人民共和国铁道部.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［12］中华人民共和国铁道部.铁建函［2003］205号 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定［S］.北京:中国铁道出版社，2003.