海外新建铁路上跨交通主干道桥梁方案比选——以肯尼亚内罗毕至马拉巴新建标轨铁路跨B3公路大桥为例

□陈巍 牟开 赵景坤

肯尼亚内罗毕至马拉巴新建标轨铁路（简称“内马铁路”）项目起点位于肯尼亚首都内罗毕，终点为马拉巴，是肯尼亚蒙巴萨至内罗毕新建标轨铁路（简称“蒙内铁路”）向肯尼亚腹地和邻国乌干达的延伸线。内马铁路还将逐步与坦桑尼亚、卢旺达、布隆迪、南苏丹等国家的铁路实现联网，极大地降低了跨境物流运输成本，对东非次区域互联互通和一体化进程起到进一步推动作用。内马铁路全长为487.5公里，分三期实施，第一期内罗毕至纳瓦沙段线路全长120.4公里。内马铁路一期由中国交通建设股份有限公司（简称“中国交建”）负责设计、施工、采购，采用中国国铁一级标准设计，单线，设计时速为120公里/小时。内马铁路一期除穿越世界上唯一位于国家首都的野生动物园——内罗毕国家公园，还将经过地质条件复杂的东非大裂谷断裂带，并与多条肯尼亚境内的交通干道相交。

B3公路是肯尼亚首都内罗毕通往纳洛克郡（Narok）的唯一快速通道。该公路往西南继续延伸将到达世界著名的马赛马拉野生动物保护区。笔者对肯尼亚铁路建设现场情况、施工条件进行具体分析，以解决铁路跨线桥梁结构比选问题。

一、桥梁方案比选原则及解读

20世纪80年代，美国普林斯顿大学的大卫·比林顿教授提出了“结构艺术”（StructuralArt），构建出桥梁设计的3E原则，即功能（Efficiency）原则、经济（Economy）原则和优美（Elegance）原则，已成为国外桥梁设计方案遵循的准则。肯尼亚曾长期遭受英国殖民统治，交通基础设施落后，铁路桥梁设计无本国的规范和标准，国内既有铁路设计建造主要依据欧美的技术规范。作为中国铁路标准走向世界的标志性项目，必须兼顾当地情况和社会公众的感受。3E原则和我国当前铁路桥梁设计遵循“安全、适用、经济、美观、耐久、环保”原则是一致的。

1.安全性

铁路桥梁结构的安全性，要求结构本身在强度、刚度和稳定性方面有足够的力学性能和安全储备。从安全性的角度看，桥梁的安全性体现在施工阶段和使用阶段。施工阶段的安全性与桥位建设条件、桥型及施工方法密切相关；使用阶段的安全性不仅要求承载能力满足要求，还要从列车行驶舒适性方面考虑。

对于桥梁上部结构设计而言，除建立杆系单元进行结构设计计算外，还要建立实体单元研究空间效应、日照及温度梯度、车桥耦合效应等因素影响，给出合理的桥梁施工方案。必要时，还应考虑桥梁抵御交通工具撞击、火灾等人为灾害以及其他偶发和极端下遭受破坏的能力。

2.适用性

适用性指桥梁结构在正常使用条件下能满足桥面交通、桥下通行或通航限界等基本功能的要求。在铁路跨线桥设计时，孔跨必须满足桥下通行道路或铁路净空和净宽的要求；有预留要求的还要在此基础上进一步调整孔跨。上部结构断面也要满足铁路限界对尺寸的要求。

3.经济性

经济性指桥梁结构在全生命周期内的成本最合理。全生命周期内的成本既包括建设成本，也应综合考虑将来的维护养护和维修费用。对于肯尼亚铁路项目，不能受国内一般情况的思维限制进行桥涵设计，应结合当地实际情况，综合建设成本、肯尼亚当地施工条件和工人技术水平、质量控制及工期等多种因素对桥涵形式进行选择。

4.美观性

美观性包含两个层次，一是桥梁结构自身符合美学要求，主要从结构造型和体量角度来满足；二是桥梁与环境的协调美，应通过结构线性、比例与周边环境协调程度来把握。作为海外铁路项目的重要组成部分，桥梁结构不仅是一个单体工程项目，很多桥梁建成后，往往成为当地的标志性建筑。例如，肯尼亚蒙内铁路已建成并投入运营的蒙巴萨特大桥、察沃特大桥、阿西河特大桥等，均已成为沿线的标志景观。

5.耐久性

桥梁耐久性指桥梁结构投入使用后在正常使用和维护条件下，随时间的延续仍能满足桥梁既有性能的能力。在肯尼亚实地调查发现，肯尼亚既有交通基础设施的病害主要是混凝土碳化，造成混凝土保护层脱落，钢筋裸漏。导致肯尼亚既有交通基础设施混凝土碳化的因素有很多，结合现场情况，赤道附近强烈的光照应该是重要因素。相关研究表明光照能够加快混凝土内部干湿交替，促进离子交换；加快混凝土表面升温和二氧化碳扩散，进而加剧碳化反应。设计中，要充分考虑该因素，采取相应措施，提高混凝土抗碳化、抗氯离子侵蚀性能。

6.环保性

环保性体现在桥梁设计中就是材料用量节省，施工方案能尽可能减少对环境的扰动和破坏。在肯尼亚，野生动物种群和数量多，动物保护和生态环境保护组织对政府政策干预力度强，环保性就显得尤为重要。

二、桥梁方案比选

1.桥位建设条件

新建铁路在 DK92+817处与既有B3公路相交，相交角度为45度；新建铁路大里程方向还有一条水渠，宽约15米，与新建内马铁路线路交角约45度，水渠与既有B3公路沿新建铁路线位相距约30米。依据肯尼亚高速公路管理局相关文件，新建桥梁必须保证B3公路25米净宽、6.0米净空，并且桥墩边缘和B3公路路肩最短距离不小于3米。

2.桥梁跨度的设定

因新建桥位处铁路与公路交叉角度较小（45度），且肯尼亚高速公路管理局并未明确拓宽路面的位置。同时考虑到公路行车视距要求，适当提高跨径，保证公路行车安全性，拟采用64米跨径跨越B3公路。

3.桥梁上部结构比选

在进行桥梁选型时，对以下3种形式进行了比选：（40+64+40）米变截面连续箱梁、64米简支系杆拱桥、（40+64+40）米连续槽形梁（见表1所列）。

设计人员曾倾向于（40+64+40）米连续箱梁，因中国交建承建的肯尼亚蒙内铁路蒙巴萨特大桥和马泽拉斯特大桥均有（40+64+40）米变截面连续箱梁，施工工艺成熟，变截面桥梁曲线较美观，桥梁后期养护维修较简单，施工机械设备能够重新利用，节省设备设施成本。利用64米中跨跨越B3公路，大里程的边跨跨越水渠。在满足B3公路净空要求后，桥梁孔跨形式为10－32米简支T梁+1－（40+64+40）米连续箱梁+22－32米简支T梁。该方案虽然解决了跨越交通主干道的问题，但连续箱梁结构相对较高，线路纵断面为此需要抬升，造成新建桥梁规模大，综合造价高，同时依照肯尼亚现场的T梁生产水平，按照合同工期完工的可行性降低。

64米简支系杆拱桥在国内技术日益成熟，可采用满堂支架先梁后拱的施工方式。系杆拱钢筋及管道密集，施工振捣和吊杆安装精度要求较高，在施工过程中还需进行可靠的检测和监控。吊杆与系杆系统需要考虑若干年后更换，相关规范规定吊杆设计使用年限为20年，国内平均使用寿命一般为15年。综合肯尼亚施工及后期运营维护条件，实施该方案难度较大。

表1 桥梁上部结构比选

由于肯尼亚施工条件和施工机械设备限制了桥梁形式和孔跨的选择，综合技术、经济及工期等方面因素，设计人员最终选择用（40+64+40）米连续槽型梁方案。槽型梁建筑高度低，腹板具有防抛网的功能，也可防止列车脱轨，人行道板下可以布置各类通讯、电力设备；利用底板支承轨道和列车，有效降低轨面高度，在满足桥下净空要求的前提下可明显降低桥梁高度，减少了桥梁长度，降低造价。虽然槽型梁结构属开口截面，但空间效应明显，施工控制要求较高，通过设计和施工措施进行加强，保证结构安全和使用功能。采用（40+64+40）米连续槽型梁方案，桥梁孔跨形式压缩为1－32米简支T梁+1－（40+64+40）米连续槽型梁+1－32米简支T梁。跨B3公路大桥立面布置如图1所示。

图1 跨B3公路大桥立面布置（厘米）

4.桥梁施工方案

肯尼亚高速公路管理局要求，上跨B3铁路桥施工期间必须保障B3正常通行。鉴于该桥工程量大、工期短、桩基较多，选用了对地基影响小、经济性好、周转快的钢管柱——贝雷梁少支架法施工。

三、结语

桥梁设计原则在比选中的重要性，应结合工程所在地的具体情况进行分析。就具体工程项目而言，在满足安全性的前提下，综合造价的高低成为方案选定的关键。2019年10月，内马铁路正式建成通车，该桥运营状态良好。