基于大莱龙铁路扩能改造工程浅谈既有线桥涵设计

王康

摘 要：对大莱龙铁路扩能改造工程的桥涵设计进行概述，主要介绍大莱龙铁路扩能改造工程中桥涵设计的一般原则及设计的重点、难点。既有线改造桥涵设计不同于新建铁路桥涵设计，设计相对复杂，控制因素多，更加需要设计单位各专业间分工明确，相互协作。通过对既有桥涵的调查分析，结合既有桥涵普查报告及工务台账，提出了相应的既有桥涵改造方案，期望为类似铁路工程建设提供参考。

关键词：既有线;扩能改造;电气化;桥涵;设计

1 概述

大莱龙铁路位于山东半岛环渤海湾，是山东省沿海铁路通道的组成部分，西端从德大线大家洼站引出，途经潍坊滨市属海经济技术开发区、寒亭区、昌邑市，青岛市属平度市，烟台市属莱州市、招远市、龙口市引入龙烟线龙口西站。大莱龙扩能改造工程正线全长175.761 km（其中利用既有益羊铁路9.807 km），全线维持既有平、纵断面，进行提速、电气化改造;改建既有站10个，新开中间站1个、会让站1个;站场到发线有限长度延长至1 050 m;全线铺设60 kg/m跨区间无缝线路;路基、桥涵病害同步进行整治。改造完成后由货运变为以货运为主，兼顾客运的客货共线铁路（Ⅰ级铁路）。

1.1 既有线概况

既有益羊铁路，铁路等级为Ⅲ级地方铁路支线，单线，货物列车最高运营速度60 km/h，内燃机牵引，桥涵设计荷载采用“中-22级”，一般桥涵设计洪水频率为50年一遇，弥河分洪河特大桥设计洪水频率为100年一遇。益羊铁路1984年5月动工，1988年2月临管运营。

既有大莱龙铁路，铁路等级为Ⅰ级地方铁路，单线，货物列车最高运营速度60 km/h，内燃机牵引，桥涵设计荷载采用“中-活载”，桥梁设计洪水频率为100年一遇、涵洞设计洪水频率为50年一遇。大莱龙铁路1999年5月动工，2005年6月通车试运营。

1.2 既有桥涵概况

本线共有简支梁桥63座，其中特大桥5座，大桥12座，中桥35座，小桥11座，梁式桥总长度10 160.8 m;框架中橋10座，框架小桥4座;各类型涵洞732座，平均每公里路基涵洞4.4座;既有道路上跨桥13座;平交道口88处。

梁类型主要有钢筋混凝土普高度梁、低高度梁;预应力混凝土普高度梁、低高度梁、超低高度梁;明桥面下承式栓焊简支钢桁梁。除跨越重要河流的桥梁采用重力式桥墩外，其它桥梁下部结构均采用轻型桥墩（单圆柱墩、板式墩）;桥台采用T型桥台及耳墙式桥台。

涵洞类型主要有盖板涵、斜交盖板涵、框架涵、圆涵、倒虹吸等。

2 既有桥涵存在的主要问题

本线设计标准为地方铁路，既有桥涵设计标准低，而货运量较大，运营单位桥涵养护维修不及时，桥涵设备不断老化，不能满足提速至120 km/h的需要，需对既有桥涵进行加固改造。

根据现场调查情况，既有圬工桥梁体裂缝、露筋、横隔板剥落露筋、人行道板老化、泄水孔锈蚀严重，板式橡胶支座变形老化，盆式橡胶支座及摇轴钢支座转角超限，连接杆、螺栓缺失，墩台裂缝、露筋、吊栏、围栏缺失等较普遍;个别河道中桥墩受侵蚀较严重。此外，个别梁桥因河道过度挖沙致基础裸露;3处钢桁梁梁体均有被汽车撞击历史，对行车安全有一定的影响。

既有盖板涵防水层失效漏水、露筋、混凝土剥落较普遍，框架涵顶板底横向裂缝较普遍，部分涵洞被路基土掩埋失去原有功能，部分下穿铁路的交通涵，由于道路下挖，雨季积水严重，交通不便，部分桥涵两侧道路扩宽发展，通行净高、净宽与城市发展不相适应。

3 扩能改造的主要技术标准

（1）铁路等级：Ⅰ级。

（2）设计洪水频率：

桥梁设计洪水频率：1/100;

线路过去无大的水害发生时涵洞利用既有：1/50。

（3）设计速度目标值：

旅客列车120 km/h，货物列车80 km/h;

既有3处明桥面钢桁梁桥限速80 km/h。

（4）设计活载：

铁路桥涵：中-活载;

公路荷载：按相应公路荷载等级的1.3倍或相关协议办理。

（5）建筑限界：

按照电气化铁路国家标准限界“建限—1”执行。

4 扩能改造桥涵设计的依据及一般原则

首先，扩能改造桥梁设计应根据桥涵结构工作状况分析考虑，建设单位应组织对本线重点桥梁进行综合检定分析，选取有代表性的桥梁进行静、动载及提速试验，掌握桥梁结构在荷载作用下的工作性能、承载能力、整体刚度等。设计单位根据现状工况，提出对应强化措施。

其次，多年来铁路建设标准，设计规范等均进行了重新修订，铁路设计理念也有了较大转变，而既有铁路的建成时间普遍久远，其设计理念及采用的标准、设计规范虽然能满足当时条件下的铁路建设要求，但较难与当前铁路运输发展要求相适应。因此，既有线的扩能改造，必将出现许多新的问题。例如，速度目标值调整后，线路曲线半径的取值，缓和曲线长度的取值，路基横向宽度的取值，桥上道砟厚度的取值，涵洞顶最小填土高度的取值等。再比如，内燃机牵引改造为电力牵引桥上增设接触网支柱，需对既有结构进行检算等。

本文结合大莱龙铁路扩能改造工程，重点介绍单线铁路扩能改造所涉及的桥涵设计原则及桥涵设计的重点、难点。

4.1 桥涵改造主要设计依据

本工程新建桥涵按《铁路桥涵设计规范》（TB 10002-2017）执行。既有桥涵病害整治，改造加固后各项指标应满足《铁路桥梁检定规范》（铁运函[2004]120号）和《既有线提速技术条件（试行）》（铁科技〔2002〕76号）的规定要求;既有桥涵病害整治应按《普速铁路桥隧建筑物修理规则》（TG/GW103-2018）和《铁路混凝土结构耐久性修补及防护》（Q/CR 410-2020）的执行。

4.2 既有桥涵利用、加固、改建主要原则

充分利用既有桥涵，避免大拆大建是既有线改造的指导思想，桥涵主体结构无病害或存在一定的病害，对其病害进行整治、加固利用;拆除重建、扩孔、废弃、新增桥涵需有充分的依据。本工程主要根据项目总体设计方案，并结合桥涵工点的实际情况，统筹分析，各专业设计接口按照分工明确，相互协作为原则确定桥涵改造内容。主要有以下几点：

（1）平面、纵断面不改动或改动在规定的允许范围内（平面改动小于70 mm）且无病害时，维持既有利用，若线路拨移大于7 cm，则需同时移梁。对于移梁距离20 cm以内时，仅考虑帮宽墩台身，基础原位利用。对于移梁距离20 cm～100 cm时，需检算基础受力，并对基础、墩台身进行帮宽加固处理。

（2）平面、纵断面改动较大时，既有桥废弃并新建桥梁。

（3）为了满足列车对桥梁的竖向动力作用，桥上道床必须具有足够的厚度，根据本线速度目标值的要求，桥梁道砟厚度一般设置25 cm为宜，由于既有桥梁墩台不均匀沉降影响，困难条件下道砟厚度不应小于20 cm，且不应大于30 cm。

（4）跨度20 m及以下采用板式橡胶支座及弧形支座的桥梁，梁端增设横向限位装置。

（5）新建或接长桥涵应结合现场实际情况对既有线采用挖孔桩、架设D型钢便梁等线路加固措施防护既有线路。为保证既有线运营不中断，小桥涵接建优先选用挖孔桩防护既有线。

（6）既有无病害的涵洞原则上利用（或接长），对于有水（病）害的涵洞，根据具体情况，原则上采取改建、修复、加固。涵洞填土高度受既有线控制的，通过线路抬道的方式，尽量满足正线涵洞填土高度不小于0.8 m，站线涵洞填土高度不小于下0.6 m。对于填土高度在0.6 m～1.2 m之间的涵洞，可采用铺设弹性轨枕等措施来降低列车荷载对涵洞顶板的冲击作用。

4.3 桥涵改造设计重点、难点

（1）梁体加固。桥梁的振动是列车在桥梁上行驶时引起的外部激励振动，振动响应的大小与外部激励的大小以及桥梁抵抗自身变形的能力和桥梁自身刚度有关。车桥系统横向振动在桥梁上的直接响应是梁的横向振幅和振动频率。根据车桥系统振动理论，列车、梁体和墩台是相互作用和相互约束的关系，通过大量实测数据表明，采用重力式墩台的振动对桥梁的振动影响很小，而采用轻型墩台的振动对桥梁的振动影响较大。桥梁加固目的就是增加桥梁的整体刚度，即通过增加梁体横向联结、梁端设置横向限位装置，轻型桥墩帮宽、补桩等措施提高桥梁整体刚度。

本线梁体采用1996年以前的标准设计（见表1），数量大，种类多，传统的铁路混凝土双片式简支梁两片T梁纵向分开，通过横隔板焊接连接，且数量较少，不能完全保证两片T梁相互连成整体，共同抵抗横向弯曲的作用。经过长期运营，一些梁的横隔板断裂、混凝土剥落，横向整体刚度差，在列车通过时跨中横向振幅过大。项目可研阶段建设单位委托中国铁路设计集团有限公司选取5座有代表性桥梁进行了静、动载及提速试验，笔者根据检定报告并选取有代表性的梁型，采用大型有限元软件按实际尺寸建立有限元模型进行分析。通过理论计算、分析，增加既有梁体的横向刚度及桥墩的横向刚度能有效解决桥梁振动超限问题。

通过理论分析并借鉴已经成熟的加固方案，确定加固方案如下：

1）跨度12 m及以下的钢筋混凝土梁，采用化学植筋法在梁端及跨中增设横向联结将两片梁连成整体，跨中横隔板厚度采用1 m，梁端横隔板采用0.9 m。

2）跨度12 m及以上的预应力混凝土梁，跨度16 m、20 m的钢筋混凝土梁，在梁端、跨中及腹板变厚处增设横向联结（加厚横隔板及增设水平横隔板），并施加横向预应力将两片梁连成整体。

3）对于存在裂缝的钢筋混凝土梁，先对裂缝进行注浆灌封处理，然后纵向按跨度分别在梁底跨中4 m（10 m、12 m梁）、9 m（16 m、20 m梁）范围内粘贴钢板加固。建设过程中，为避免化学螺栓钻孔过程中破坏既有梁体纵向受力钢筋，经综合比选，改为粘贴碳纤维板代替钢板加固。

（2）橋墩加固。上世纪80年代中期至90年代末期，因设计理念的不同，我国铁路建设采用了大量的轻型桥墩，如钢筋混凝土单圆柱墩、钢筋混凝土板式桥墩等，根据以往提速改造经验及静、动载试验表明，轻型桥墩横向刚度偏弱，试验列车运行速度60 km/h通过时横向振幅均超限。为确保列车以规定的速度通过时，桥梁结构不出现激烈振动，防止车轮脱轨，以及保证客车过桥的舒适性，全线轻型桥墩均进行了帮宽加固处理。

本线共有29座桥梁下部结构采用轻型桥墩，其中20座桥梁采用单圆柱墩，合计60个墩;9座桥梁采用板式桥墩，合计62个墩。轻型桥墩加固主要方法：

1）单圆柱墩在墩柱周围外包钢筋混凝土，纵桥向墩身前后各加厚0.3 m，横桥向加宽至3.2 m～3.7 m，形成圆端形截面。

2）板式桥墩在墩柱周围外包钢筋混凝土，横桥向墩身左右各加宽0.2 m，纵桥向加宽至1.45 m～2.5 m，加固后桥墩仍为圆端形。

3）相应桥墩基础经计算后亦需根据需要进行加固：

①既有基础采用扩大基础的，当承载力不满足要求时将扩大基础进行横向分层加宽。

②既有基础采用桩基的，当承载力不满足要求时，横向每侧增加1个与既有桥相同直径的桩基。

（3）桥梁板式支座，弧形钢支座补设横向限位装置，2001年以前使用的铁路标准跨度20 m以内的简支T梁多采用板式橡胶支座（无上、下支座板，不区分固定、活动支座），部分采用弧形钢支座，以上两种支座对梁体横向震动限制过弱，借鉴我国铁路6次大提速的经验，列车过桥速度超过120 km/h时，桥梁横向振幅就会超限，需对桥梁补设横向限位装置。

（4）涵洞出入口斜盖板处理。既有大莱龙铁路采用了

大量斜盖板出入口，当站改增加股道时，原本不承受列车活载的梯形节斜盖板承受了新增股道引起的活载和土压力，使梯形节斜盖板无法满足受力要求。经计算孔径≤3.0 m梯形节斜盖板可直接利用，或直接进行接建。孔径>3.0 m

梯形节斜盖板可采取以下几种方式处理：

1）在跨中及端部通过植筋方式各增加一道竖墙，经计算加固后梯形节斜盖板满足受力要求，原位利用。

2）在既有梯形节盖板内套接框架涵，使梯形节与框架涵共同受力，不再进行拆除。

3）受交通、排洪因素影响，不能满足以上条件的，拆除梯形节斜盖板后接建。

（5）桥上接触网支柱选型及安装方式。既有铁路桥墩采用的定型图年度跨度大，从20世纪70年代至90年代均有，数量多，类型复杂，有重力式圆端形桥墩，重力式圆形桥墩，钢筋混凝土单圆柱墩，钢筋混凝土板式桥墩等。新增接触网支架一般设在桥墩横向中心线上，当

有避车台时应偏置一侧设置，同时要求要尽可能在没有避车台的桥墩上安装。桥上接触网选型一般原则如下：

1）跨度20 m及以上桥梁，桥墩顶帽定型图尺寸足够大，一般可直接或增设钢横梁支架后，安装直腿钢柱或斜腿钢柱。

2）跨度16 m及以下桥梁，桥墩顶帽定型图尺寸较小，一般在桥墩侧面托盘及墩身增加钢托架后，安装直腿钢柱。

3）经计算，既有桥墩增加接触网支架后不能满足桥墩受力要求的，应采用独立基础单独设置接触网支架，尤其是高墩、转换柱、中心锚节柱、下锚柱时应特别注意检算。

4）接触网钢柱距电缆槽或避车台边缘的距离不小于10 cm，还应保证锚栓距桥墩顶帽边缘距离不小于22 cm。

（6）强侵蚀环境下明显侵蚀受损桥墩补强。大莱龙铁路所经潍坊地区距离海岸线较近，受海水潮汐作用影响，处于水位变动区桥墩在氯盐环境的长期作用下，混凝土大面积出现蜂窝、麻面现象。

桥墩补强一般采用贴钢板，混凝土帮宽增加截面等方式，本线考虑到以上方式对既有线运营影响较大，受侵蚀桥墩采用水下玻璃纤维套筒进行加固，防止桥墩混凝土结构被进一步侵蚀。且相比传统方式，水下玻璃纤维套筒防腐防侵蚀性能效果更优越。

（7）钢桁梁防腐涂装。既有铁路电化改造后，钢桁梁维护涂装需接触网停电后才能进行，并且点内作业时间有限，钢梁重新涂装对铁路运营影响较大，故电化改造前应对钢梁重新进行长效涂装。本线钢桁梁设计于2001年，按照《铁路钢桥保护涂装》（TB1527-1995）的体系Ⅳ涂装，即特制环氧富锌底漆（2道）+环氧云铁中间层（1道）+灰铝粉石墨醇酸面漆（3道），设计寿命10～15年，目前钢梁服役已近20年，虽涂膜劣化等级未达到重新涂装标准，笔者认为即使施工难度再大也应在电化改造前，按《铁路桥梁钢结构及构件涂装及涂料 第1部分：钢梁》（Q/CR 749.1-2020）涂装体系重新涂装，不应降低涂装标准。

（8）有条件改造的平交道口工程，本项目全线平交道口共88处，其中平交改立交42处，维持平交道口39处，封闭7处。平交改立交道口应尽量采用顶进式下穿框架桥（涵），本线35处改为下穿立交，7处改为上跨立交。

1）顶进桥涵的施工质量与施工进度直接影响到既有线行车安全及施工工期，本线顶进桥涵工点多，安全风险大，设计中结合工点的地质、地形、铁路运营条件等具体情况合理选择线路加固方案。一般情况下采用单孔或多孔16 m、20 m、24 m D型钢便梁架空线路;站场多股道线路情况复杂时采用纵挑横台梁加固线路;丘陵岩石路基处小孔径框架桥，为避免设置D梁支点桩，采用32 mD型钢便梁架空线路。

2）根据铁路相关文件要求平交改立交道口应尽量采用顶进式下穿框架桥（涵），同时可考虑在连接框架桥（涵）两侧引道上设雨棚，避免夏季暴雨时，排水不及时，路面积水。

3）在既有线上开展双层集装箱运输将受到诸多因素制约。如果既有线位于国家规划双层集装箱运输通道上，那么结合扩能改造工程的实施，应努力为既有线上开行双层集装箱运输创造条件，如果由于既有线建成年代大多比较久远，设计标准比较低，若一味强调开行双层集装箱运输，则改建工程量巨大。本线设计过程中多次与铁路产权单位沟通，最終确定平改立上跨铁路立交桥按不开行双层集装箱考虑，在投资增加不大的前提下，可预留通行双层集装箱通行条件。

5 结束语

目前本项目正在建设当中，桥梁加固完成后，竣工通车前还应进行动载试验，对加固前后的检测数据进行对比，以确保加固措施安全可靠，满足运营的使用要求。

既有线改造桥涵设计不同于新建铁路桥涵设计，制约因素较多，必须确保铁路运营的安全、减少对铁路运输的影响，又要保证改造桥涵工程的质量，需要设计单位各专业间分工明确，相互协作，结合现场实际情况，有目的性的进行合理设计。大莱龙铁路扩能改造工程在建设过程中，针对铁路桥涵设计中梁体加固、轻型桥墩加固、基坑防护、线路加固、既有线移梁、斜盖板涵出入口处理等技术进行探索，达到降低桥涵施工难度，减少桥涵施工对既有线路影响，确保铁路线路的安全运行的目。以上是笔者对大莱龙铁路扩能改造工程设计及施工过程中的一些经验总结，希望在今后类似工程的设计工作起到一定的借鉴作用。

参考文献：

[1]TB 10002-2017，铁路桥涵设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2017.

[2]铁运函[2004]120号，铁路桥梁检定规范[S].北京：中国铁道出版社，2004.

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