跨站场咽喉区桥梁改建方案设计及施工技术研究

李 静

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 黑龙江哈尔滨 151006)

1 引言

现有立交桥因为建设年代久远和桥面宽度较小，无法满足城市发展和交通量加大要求，限制了道路通过能力，急需对既有桥拓宽改造。既有桥改造时受城市规划限制一般采用原位改造，在方案设计上需对桥址处的地貌、周边环境、施工方案、施工周期进行综合考虑，以确保设计方案的可行性、合理性。本文以东直路跨铁路站场咽喉区立交桥改造为例，详细阐述跨站场咽喉区的城市钢箱梁桥的设计及施工技术，为类似工程设计提供借鉴。

2 工程概况

(1)项目环境

东直路为哈尔滨市主城区的城市主干路，承载着市区与哈东站间的来往交通车辆。去往宾县一些乡镇和天恒山风景旅游区、哈东一些乡镇的车辆均需经过此处。道路两侧商铺、居民楼云集，道路规划红线宽60 m。既有跨线桥建于1965年，位于哈尔滨市东直路东端，跨越哈东站咽喉区。

(2)既有路、桥概况

随着城市发展，东直路已扩建为双向六车道、路面全宽32 m的城市主干道。而既有东直路跨线桥仅为双向四车道，桥面宽16 m，桥梁结构为Lp＝9～16 m空心板梁桥。该跨线桥已严重限制了城市东部地区的交通发展，平时是小堵车，而早晚交通高峰就会出现严重堵车现象，急需进行拓宽改造。

(3)铁路概况

本桥跨越哈东站咽喉区共9条铁路线路，依次为摩托车线1、2线(工务线)，滨江上行线、5道(联络线)、滨江下行线、滨北下行线、滨北上行线、北迁线、水泥厂专用线。其中滨江上行线、滨江下行线、滨北下行线、滨北上行线4条线为正线电气化铁路，铁路运输十分繁忙。摩托车1线至北迁线的8条线的线间距为38.63 m，北迁线距水泥厂专用线的线间距为32.09 m。铁路线间距及铁路与相关既有桥墩位置关系见图1。

图1 铁路与既有桥墩位置关系(单位：m)

3 新建跨线桥设计方案

3.1 总体方案

依据城市规划，既有桥中心线即为东直路中心线，无利旧既有桥、增设单幅桥的条件，故改造总体方案为:

(1)封闭该段道路，拆除既有桥，原位建新桥。

(2)新建桥分左、右两幅建设，跨线桥全宽36 m，单幅宽18 m，双向六车道。

(3)站场咽喉区内，除水泥厂专用线与北迁线间距为32.09 m、有布置桥墩的条件外，其余各线间距为3.96～6.94 m，均无布设桥墩的条件，即主跨需一孔跨越8条铁路线。

3.2 施工方案

本桥位于站场咽喉区内，无铁路线封闭施工条件。为确保铁路运营安全并减少对铁路运输的干扰，可选用的施工工法有:转体施工、挂篮施工和顶推施工。本项目采用顶推施工，原因如下:

(1)本桥沿既有道路设置，桥址处道路两侧为8～9层的居民楼，道路红线宽为60 m，无法满足转体施工半径要求。

(2)站场咽喉区内的接触网采用的是软横跨形式，线路间距较小，无法设置防护棚架，无挂篮施工条件。

3.3 桥孔布置

本跨线桥分两孔分别上跨8条铁路线和水泥厂专用线。鉴于8条铁路线的线间距为38.63 m，考虑原位建桥需避让既有桥墩(铁路两侧的既有桥墩间距为51.04 m)，并为顶推临时支墩留出位置，主跨跨径选为65 m。为避让既有道路，同时考虑合理的边中跨比(0.6～0.8)，两边跨跨度采用52 m。即跨越铁路线部分的桥梁全长169 m，跨度布置为(52 m＋65 m＋52 m)，其中第三孔52 m跨跨越水泥厂专用线，第二孔65 m主跨跨越其余8条线。桥跨布置见图2。

图2 桥跨布置(单位：m)

3.4 梁型选择

为方便布设顶推和滑移设备，梁体设计采用等截面形式。顶推施工的梁型通常采用预应力混凝土梁或钢箱梁。

3.4.1 预应力混凝土梁

预应力混凝土梁具有结构受力性能好、变形小、后期养护维修量小、抗震能力强的特点。当预应力混凝土梁采用等截面梁时，为使边跨的正弯矩与中支点的负弯矩基本相当，梁的高跨比通常为1/15～1/20[1]，顶进施工时，为提高梁的刚度，梁高宜适当加大。

3.4.2 钢箱梁

钢箱梁重量轻、建筑高度小，有利于下部结构设计，工程总造价低；工厂化制作、现场拼装，提高施工效率，适合北方施工期短的特点；钢箱梁为闭合的箱体结构，抗弯、抗扭刚度大；结构新颖、外观简洁美观。高跨比一般为1/25～1/30[2－3]。

3.4.3 梁型比选

(1)建筑高度比较。本桥位于哈东站咽喉区，咽喉区内的8条铁路线中有4条为电气化铁路线，施工期间铁路仍营运。依据《铁路技术管理规程》，梁底距离电气化铁路接触网承力索的高度不得少于2 m。本桥上跨铁路的净空不少于8.6 m，为保证桥梁的起、终点在主要路口前与既有道路顺接，梁高将不得大于2.5 m。可见，从梁高上钢箱梁具有绝对优势。

(2)建设周期比较。本项目为既有桥改造工程，既有道路为城市主干道。因道路交通量大、施工场地狭小，施工期间对道路进行封闭，增加了周边道路的交通拥堵程度；同时，本桥位于站场咽喉区，施工期间势必对铁路运营产生影响，建设工期越短，对铁路的运营生产影响也就越小。可见，无论从城市交通还是铁路运输考虑，都应尽量缩短施工工期。钢箱梁可以工厂预制、现场吊装、拼接，较预应力混凝土梁在建设周期上亦具有优势。

(3)后期维护。与预应力混凝土梁相比，钢箱梁运营期的养护维修量和成本稍高，但随着钢梁涂装技术的发展，维修量已大为减少。

(4)研究结论。从施工方便性、施工周期、后期维护等方面综合比选，确定采用钢箱梁。

3.5 桥梁设计

(1)钢箱梁截面尺寸

单幅钢梁截面形式为单箱三室，箱室高2.5 m，顶宽11.70 m，两侧设3.15 m悬臂，箱室底宽为10.53 m，单幅桥面为单向1.5%横坡，梁底横向为平坡，纵向坡度为3.54%。钢箱梁单幅总重为2 023 t。钢箱梁顶板采用正交异性板，板厚为16 mm，加劲肋采用U型闭合肋，基本间距600 mm；底板厚24 mm，采用开口加劲肋，基本间距300 mm；腹板板厚16 mm，采用开口加劲肋；横隔板分普通横隔板、支点横隔板，横隔板间隔2.6 m，两横隔板间加设一道闭合加劲肋。单幅钢箱梁截面形式见图3(左右幅相同)。

图3 单幅钢箱梁截面(单位：mm)

(2)钢箱梁计算

钢箱梁结构计算主要有三体系法和空间板单元整体计算法。在计算结果上三体系法略大[4－5]，偏于安全，故本桥梁体计算采用三体系法。

基本荷载组合:恒载＋汽车活载＋温度荷载＋基础位移。计算结果见表1～表2[6－8]。

表1 钢箱梁应力计算结果汇总 MPa

表2 钢箱梁刚度检算

可见，计算结果均满足规范要求。

4 新建跨线桥施工方案

顶推施工因其作业场地限定在空中一定范围内、不中断桥下交通，且设备简单、施工平稳、噪声低，是桥梁跨越铁路、站场时常用的施工方法。

4.1 顶推工法比较

传统的顶推施工，多采用拖拉式多点连续顶推法。随着我国桥梁建设水平提高，从2010年开始，步履式多点连续顶推法得到应用，并快速发展。两种顶推法比较见表3[9]。

表3 拖拉式与步履式顶推法比较

4.2 顶推施工方案

通过对拖拉式和步履式顶推方法的对比，可以看出步履式顶推法从施工效率和风险管控上要明显优于传统的拖拉式顶推法，尤其适合于钢箱梁。出于对本桥上跨哈东站咽喉区的安全和对铁路运营影响考虑，本次施工采用步履式顶推法。

本项目采用的步履式多点顶推施工方法，单幅桥设6组临时墩(每组2个墩)、1个主控系统、6个分控系统、6个泵站。顶推过程中于每个临时墩上的钢梁外腹板下布置1台步履式千斤顶，全桥共计12台千斤顶，其中邻铁路两个临时墩上布设的千斤顶最大顶力为600 t，其余均为400 t。每个顶程的顶推距离为40 cm，历时5～6 min，顶进速度约4 m/h。

4.3 施工难点分析及解决措施

4.3.1 顶进跨度较大

作为等截面连续梁，因本桥顶推跨度较大，会导致顶推施工时梁的受力状态变化较大，施工应力状态与运营应力状态相差也较多。为确保施工期间梁体的安全，采取如下措施:

(1)加设临时墩来减少顶进跨度，进而减少主梁负弯矩。即在保证施工安全距离的前提下，于邻近铁路线处设置临时支墩，将顶进跨度由65 m减至55 m。

(2)为减小顶进过程中梁的前端悬臂负弯矩，设置钢导梁(0.6～0.8顶推跨度)。导梁采用工字钢梁，梁间设桁架横联，靠主梁侧的一节导梁设置转换梁，通过焊接将转换梁与主梁临时连接成整体。导梁全长36 m，重65 t[10]。

(3)按施工程序，将顶进过程分为13种工况，分别进行钢箱梁和钢导梁应力、挠度分析和检算。检算结果见表4。

表4 顶进期间钢箱梁与钢导梁检算

由计算结果可知，顶进过程中钢箱梁挠度和应力都远小于允许值，钢导梁挠度和应力均满足要求。

4.3.2 跨越电气化铁路对安全性要求高

(1)控制梁体挠度。全桥顶程144 m，计划历时60 d，仅在铁路天窗时间顶推时接触网断电，其余时间接触网均处于带电工作状态。为保证铁路运营安全，需保证梁底距离接触网承力索的高度不小于2 m。通过对顶推过程进行分析，导梁跨过铁路即将到达临时墩时为挠度最不利工况，挠度值为314.6 mm；4条电气化铁路中接触网承力索距离梁底高度最小的铁路为滨北下行线，其允许挠度为380 mm。可见，能保证安全作业的距离要求。

(2)布设接地电缆，防范风险。顶推施工前，在钢箱梁与前导梁相接位置进行接地设计，防止意外接电现象。

4.4 顶推监测

为施工中及时掌握钢箱梁、钢导梁及临时墩的结构受力情况，保证顶推过程中线形、位置精度，施工中需进行应力、位移、变形监测。对钢箱梁和钢导梁前端的挠度监测、钢箱梁轴线偏位监测、钢箱梁与导梁连接处应力监测、临时墩支架应力监测、临时墩支架墩顶位移监测、临时墩基础沉降监测等[11－13]。

5 结束语

市区内的既有桥改造受城市规划、既有建筑物限制，特别在跨越铁路站场时，还需考虑施工的特殊性，对中等跨度桥梁(40～70 m)，顶推施工优势明显。

为减小对城市交通的影响，缩短建设工期。在梁型上应优先选择可现场拼装施工、整体性较好的钢箱梁。

步履式顶推施工因各系统可同步运行，简化施工工序，提高工作效率，较好解决了顶推施工中纠偏难的问题，更适用于钢梁顶推。

顶推过程中，挠度控制工况为钢导梁到达铁路对侧临时支墩时；应力控制工况为钢导梁通过该临时支墩后12 m处。

桥梁改建中应结合具体条件，从结构合理、施工方便、契合规划和过程控制等方面细致研究，选择合理梁型和施工方案，为城市发展助力。