山区单线客货共线铁路混凝土简支梁选择

刘远长 桑 原

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055; 2.中铁城建集团北京工程有限公司,北京 100024)

1 概述

目前,适用于客货共线铁路的常用跨度简支梁有简支T梁和简支箱梁两种形式。根据“铁总建设[2019]78号关于发布客货共线铁路常用跨度简支箱梁通用参考图的通知”,初步设计未批复的客货共线铁路建设项目,应积极采用箱梁通用参考图;经全寿命周期技术经济比选后,当T梁较箱梁具有优势时,也可选用现行T梁通用参考图。如何进行梁型比选,确定适合的梁型直接影响工程的投资和施工组织,是设计工作的前提条件。

已有许多学者进行相关研究,班新林等以沪通铁路为例,对比分析简支T梁方案和简支箱梁方案的工程概算,认为客货共线铁路使用简支箱梁可节省工程建设投资并缩减工期[1];麻文娟结合黔张常铁路的桥梁设计,探讨客货共线铁路简支梁梁型的选择问题,并分析不同梁型的优缺点及其适用条件[2];曹政国等结合贵广铁路贵贺段设计的实际情况,对简支箱梁的梁型及施工方法的比选进行阐述,并总结山区高速铁路简支箱梁施工方法及比选原则[3];杨鹏健对比简支T梁和简支箱梁的主要工程用量、工程造价、运维成本[4];侯建军等给出客货共线铁路简支箱梁优化设计的方向[5]。以往研究取得了一定的成果,但多针对时速200km客货共线双线铁路[6-10],对于单线为主的山区铁路缺乏对比分析。以下结合工程实例对山区单线铁路进行的比较分析。

2 分析对象

2.1 简支T梁

采用“通桥(2017)2101”时速160公里客货共线铁路预制后张法简支T梁,设声屏障段采用“通桥(2012)2109(设声屏障)”时速160公里客货共线铁路预制后张法简支T梁。单线无声屏障T梁桥面布置见图1,单线设声屏障T梁桥面布置见图2。

图1 单线无声屏障T梁桥面布置(单位:mm)

图2 单线设声屏障T梁桥面布置(单位:mm)

单线T梁由2片梁组成,双线由4片梁组成。多片梁通过桥面板及横隔板连接的措施构成整体,在隔板处施加横向预应力。每片梁可单独预制、架设。T梁体积小,不需要大吨位运架设备,且便于运梁通过隧道,梁体存放和施工组织都较为方便。

无声屏障的T梁梁体架设完成后,需现场浇筑湿接缝,安装人行道结构,张拉横隔板的横向预应力;有声屏障的T梁人行道采用整体桥面形式,桥面板设置横向预应力,需在梁体架设完成后需现场浇筑湿接缝,张拉横隔板及桥面板的横向预应力,后浇部分施工难度大,质量不易控制。

2.2 简支箱梁

采用“通桥2019(2131)”时速160公里客货共线铁路预制有砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁,单线箱梁桥面布置见图3[10]。

图3 单线箱梁桥面布置(单位:mm)

箱梁整体性较好,整体桥面有利于保证防水效果,便于安装栏杆、声屏障、电缆槽等附属构造,挡砟墙具备脱轨防护功能和取消桥面护轨的能力;箱梁可采取预制架设或现场浇筑的方法施工。由于箱梁的宽度大于单线隧道,预制箱梁通过隧道时需采取特殊措施[11-12]。

2.3 结构比较

一般情况下,无声屏障时,T梁工程数量小于箱梁;设声屏障时,单线T梁工程数量大于箱梁,双线T梁与箱梁数量较为接近,工程数量对比见表1。

表1 梁部主要工程数量对比

3 建设成本对比分析

3.1 工程概况

某西南山区铁路扩能改造工程位于四川省东南部。线路自既有成渝铁路引出,改建后线路全长137.630km,其中新建线路长116.308km,设计速度为160km/h。

3.2 地形地貌

本线位于四川盆地南部低山丘陵区,沿线所经地貌单元主要为剥蚀丘陵地貌,局部为低中山区。剥蚀丘陵区海拔高程300～500m,相对高差20～150m,丘坡被开垦为耕地或林地,沟谷大多开辟为水田。低中山区海拔高程500～1000m,相对高差100～200m,山脉和沟谷纵横,其延伸方向与构造线基本一致,北段多成北东-南西向,南段近东西向,自然坡度一般为10°～30°,局部形成陡崖,植被较发育。

3.3 工程地质

沿线地层从新生界至中生界均有分布。上部以第四系全新统松散覆盖层为主,岩性为冲洪积砂卵砾石层,坡残积层,坡洪积黏性土,崩坡积碎石土、块石土,局部分布有人工填土,广泛分布在沿线沟谷、河流漫滩、阶地段及丘坡表层。其下以泥岩、砂质泥岩与砂岩互层为主。

3.4 桥隧分布

全线新建桥梁75座/28.123km,新建隧道20座/36.244km,新建桥隧总长64.367km,占新建线路的55.34%。个别段落桥梁集中,梁孔数较多;绝大多数区段桥隧间隔分布,隧道间桥梁少。两隧道间桥梁孔数由多到少分别为256孔、135孔、94孔、62孔,其余均小于20孔。

3.5 下部结构

(1)桥墩

简支T梁桥墩,墩高30m以下采用“通桥(2017)4103”时速160km、200km客货共线铁路单线圆端型实体桥墩;其余采用设计图纸。

根据本线可行性研究估算造价,桥墩混凝土造价为799.87元/m3;桥墩钢筋造价为5477.78元/t。单线桥墩工程数量及造价对比见表2,双线桥墩工程数量及造价对比见表3。

表2 单线桥墩工程数量及造价对比

表3 双线桥墩工程数量及造价对比

(2)基础

选取直线地段桥墩进行试算,以桩底承载力用足为原则。直径1m的桩主力情况下,单桩轴向力控制值按4500kN控制,直径1.25m的桩按7000kN控制,“主+附”情况下乘1.2。简支梁墩顶纵向水平线刚度限值:单线220kN/cm,双线350kN/cm。单桩轴向力富余而墩顶纵向水平线刚度不足时,优先采用加大桩间距的方法增加纵向刚度[13-15]。

根据本线可行性研究报告,直径1m的桩造价为2383.8元/m,直径1.25m的桩造价为3394.5元/m,承台单价1100.5元/m3。单线桩基础工程数量及造价对比见表4,双线桩基础工程数量及造价对比见表5,价差中包含了因桩间距不同导致的承台混凝土数量的差异。

表4 单线桩基础工程数量及造价对比

表5 双线桩基础工程数量及造价对比

3.6 接触网设置

(1)简支T梁

接触网支柱设置在桥墩上,支柱采用大限界框架安装腕臂系统,接触网支柱采用热浸镀锌格构式直腿桥钢柱。

(2)简支箱梁

接触网支柱设置在桥面上,支柱采用预留孔方式安装腕臂系统。接触网支柱采用H形钢柱。

3.7 梁场设置

若采用简支T梁,全线共需设置1处梁场;若采用简支箱梁,需根据隧道间的梁孔数确定梁场设置。全线共有776孔梁,两隧道间梁孔数大于300孔的1处,大于100孔的3处,大于60孔的4处。

单线隧道二衬施工完成后,洞内最宽处为6.67 m,单线箱梁梁宽7.1m,隧道无法满足箱梁正常通过(见图4)。为满足施工,可采用预制与现浇结合及现浇翼缘板箱梁两种方式。

图4 单线箱梁过隧道示意(单位:mm)

(1)预制与现浇结合

在两隧道间梁孔数较多的区域,设置箱梁预制场,其余采用现浇施工。

①大于60孔的区段设置梁场,全线共设4处梁预制场。造价对比见表6。

表6 设4处梁场方案造价对比

②大于100孔的区段设置梁场,全线共设3处梁预制场,造价对比见表7。

表7 设3处梁场方案造价对比

③大于300孔的区段设置梁场,全线共设1处梁预制场。造价对比见表8。

表8 设1处梁场方案造价对比

(2)现浇翼缘板箱梁

对箱梁进行特殊处理,以满足过隧条件。在翼缘板预制时每侧缩短1.3m,并预埋连接钢筋,调整后梁宽为4.5m。

箱梁通过隧道后,现浇悬臂板,挡砟墙、电缆槽竖墙、接触网基础等预埋钢筋均需同步施工。现浇翼缘板工程数量见表9。

表9 现浇翼缘板工程数量

箱梁通过隧道后再进行后浇段施工,会严重影响梁体的架设进度,而且后浇悬臂板需现场张拉横向预应力,风险大,质量不易控制,费用也增加较多,造价对比见表10。

图5 现浇翼缘板箱梁过隧道示意(单位:mm)

表10 现浇翼缘板箱梁造价对比

根据上述情况,现浇翼缘板箱梁后续现场施工步骤多,难度大,进度慢;而设置1处梁场供梁范围过大,架设进度缓慢;设置4处梁场造价偏高。故设置3处梁场较为合理。

3.8 造价分析

全线平均墩高为18.7m。桥墩造价按平均墩高计算。桥梁造价见表11。

表11 全线桥梁造价对比

3.9 工期比较

若采用T梁方案,铺轨和架梁采用铺架一体轨道式架桥机,边铺边架施工,铺架工期为10个月,即在隧道完成后3.5个月内完成;若采用箱梁方案,架梁和铺轨分开实施,箱梁架设在隧道二衬施工完成后即可进行,工期易于保证。

3.10 梁型选择结论

(1)本线为既有线改造工程,采用T梁可与既有线梁型保持一致。另外,本线走行于丘陵低山区,对景观要求不高,而且梁场选址较为困难,采用T梁可减少临时用地。

(2)线路位于山区,跨越河流较多,墩高差别较大,箱梁不易采用支架现浇法施工。而采用移动模架法施工需要多次装拆架桥机,施工成本增加较多;且由于山路难行,施工便道条件较差,架桥机转运也相对困难。

综合以上分析,本线推荐采用简支T梁作为一般跨度标准梁型。

4 运营维护成本对比分析

目前,国内尚无铁路线达到100年运营周期,没有实际的数据可供参考。根据北京、上海铁路局工务部门提供的数据,1孔双线32m角钢支架简支T梁桥100年寿命周期内的养护维修费用为71.4万元(北京局)、78.4万元(上海局)。根据现阶段高速铁路整孔箱梁维护情况,1孔双线32m简支箱梁桥100年寿命周期内的养护维修费用为19.6万元。

T梁养护维修工作主要是钢横梁人行道的除锈涂装、护轮轨养护更换和支座的养护更换。相较于双线T梁,单线T梁支座个数减半,护轮轨数量减半,钢横梁人行道数量不变,所以单线T梁养护维修费用要低于双线T梁。而对于箱梁来说,单双线梁养护维修内容差别不大。

5 结论

(1)设声屏障的T梁造价高,施工复杂,质量难以控制,设声屏障区段较多的铁路宜选用箱梁。

(2)山区的单线铁路,桥梁不集中,且箱梁过隧困难,声屏障设置段落少,景观要求低。如果设置较多梁场,梁场规模小,成本高。如果采用较多的现浇梁,则模板设备装拆倒运难度大,工期和质量不易保证;如果采用现浇翼缘板箱梁,虽然能够运梁过隧,但现场施工复杂,质量难以保证。而T梁由于体积小,运输架设方便,具有一定优势。

(3)当两隧道间小于1km时,若需采用无砟轨道,则宜采用整体桥面的箱梁。

(4)山区铁路应综合考虑地理环境,施工方法、工期、经济指标等因素进行梁型比选,以确定合适的梁型。