转体法上跨高速铁路大跨度跨座式单轨组合桥总体设计

赵 博 张崇斌 焦亚萌

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

随着我国城市化进程的加速推进,节能、环保、低碳成为经济发展主题[1]。跨座式单轨交通系统采用“梁轨合一”结构[2],具有环保性能优异、景观效果好、地形地貌适应能力强、建设周期短、投资低等优点[3],特别适合中小城市和特大城市卫星城的轨道交通建设[4]。目前,国内已有多个城市正在建设或准备建设跨座式单轨交通项目[5],受地形和线路条件限制,跨座式单轨线路难以避免与既有营运铁路线交叉,属于高风险节点[6-7]。因此,选择合理的设计、施工方案及做好有效防护十分关键[8]。

1.1 工程概况

芜湖市轨道交通2 号线一期工程线路全长15.856 km,共设车站11 座。线路自东向西依次穿越宁安客专上下行线、宁芜铁路上下行线及牵出线、合杭高铁上下行线等7 条股道,交叉角度约为90°,为全线控制性工程,交叉点位置关系见图1。

图1 交叉点位置关系示意

1.2 建设条件

穿越点地处市政道路和铁路夹心地带,周边存在既有普速和高速铁路桥梁、在建高速铁路桥梁、芜湖站客车整备所房屋、市政泵站、小区高层住宅等多个构建筑物,建设环境复杂(见图2)。

图2 交叉点建设条件

1.3 主要技术标准

(1)系统制式:跨座式单轨,CMRⅡ型车。

(2)线路标准:双线,标准线间距4.6 m,设计最高速度80 km/h,线路纵坡5‰、直线。

(3)设计荷载:CMRⅡ型荷载,活载轴重为140 kN(超员)、123 kN(定员),车辆活载图示见图3。

图3 CMRⅡ车型活载图式(单位:mm)

(4)地震效应:地震动峰值加速度值0.075g,地震动反应谱特征周期0.40 s。

(5)主体结构设计使用年限:100 年。

1.4 工程地质和水文地质

交叉点处地层主要为第四系全新统填筑土、杂填土、粉质黏土;第四系上更新统粉质黏土;白垩系上统泥质砂岩,侏罗系上统凝灰岩。

地下水埋深1.1～3.2 m,主要为填土、粉质黏土中的上层滞水、第四系孔隙水及基岩裂隙水。

2 总体设计方案比选

2.1 地面下穿铁路(方案一)

采用1-10.0 m 框架桥下穿宁芜铁路,顶进长度33.5 m,对既有线路采用纵横梁扣轨加固后顶进施工。顶进完成后,在框架桥西侧现浇19 m 框架结构作为拟建合杭高铁实施条件,再往东侧延伸,以U 形槽下穿宁安客专后过渡至区间高架段,方案一平面和立面见图4、图5。下穿宁安客专处U 形槽结构外边缘距既有(32+48+32) m 连续梁中墩承台边缘为1.7 m,采用“钻孔灌注桩+旋喷桩+内支撑”方案进行防护,横断面布置见图6。

图4 方案一平面(单位:m)

图5 方案一立面(高程单位:m;其余:cm)

图6 方案一下穿宁安客专横断面(高程单位:m;其余:cm)

2.2 桥梁跨越铁路(方案二)

交叉点在多条铁路和市政道路的夹心地带,施工空间狭小,桥梁跨越方案中,对比顶推施工、悬浇施工、转体施工等多个方案,从施工周期、对铁路干扰、要点次数、经济性等方面进行比选[9],结合铁路运营管理部门相关规定,采用转体施工方案[10-11]。

采用(2×40) m T 构跨越宁安客专,转体长度为2×37.5 m,转体桥墩设置在宁安客专东侧,逆时针旋转92°,边墩设置在宁安客专西侧,桩基础距离宁安客专(32+48+32) m 连续梁主墩桩基础8.4 m;采用(34+60+34) m 连续梁跨越宁芜铁路和合杭高铁,西侧转体桥墩设置于合杭高铁西侧,承台距离铁路刚构桥边缘6 m,转体长度为2×26 m,东侧转体桥墩设置于宁芜铁路东侧,承台距离铁路框架桥边缘4 m,转体长度为2×32 m,均为逆时针旋转92°。转体前,平行于铁路悬臂浇筑达转体长度,于铁路维修天窗时段墩顶转体就位,合计3 个转体墩,方案二桥跨布置平面、立面见图7、图8。

图7 方案二桥跨布置平面(单位:m)

图8 方案二桥跨布置立面(单位:m)

2.3 桥梁跨越铁路(方案三)

采用(2×70)m T 构跨越3 条铁路,整幅转体长度2×69.9 m,顺时针旋转83°,不设置合龙段和边跨现浇段,转体桥墩设置在宁芜铁路东侧,承台距离铁路框架桥边缘8.3 m,东侧桥墩设置在宁安客专东侧,桩基础距离(32+48+32) m 连续梁主墩桩基础24.7 m,西侧桥墩设置在合杭高铁西侧,承台边缘距离铁路刚构桥边缘9.8 m。转体前平行于铁路悬臂浇筑达转体长度,于铁路维修天窗时段墩顶转体后在边墩起顶就位,设1 个转体墩,方案三桥跨布置平面、立面见图9、图10。

图9 方案三桥跨布置平面(单位:m)

图10 方案三桥跨布置立面(单位:m)

2.4 方案比选

如采用地面方案,需下穿既有铁路框架桥,U 形槽结构距离宁安客专承台距离较近,工程风险较大;同时需对既有市政道路进行拓宽,增加拆迁较多,结合两侧线路坡度还需增加较长的U 形槽段落,工程经济性差。故予以舍弃。

对于桥梁上跨方案,考虑该处桥墩较高,若采用墩底转体,则转体重量较大,转体系统所需基坑尺寸较大,直到转体完成前此基坑无法回填,施工风险较大[12-13]。从减少结构尺寸、降低转体重量、降低施工难度和风险的角度考虑,宜选择墩顶转体方案[14]。

方案二中,单个桥墩体量较小,下部结构施工时对铁路影响相对较小,但是3 个转体墩同时转体,施工风险相对较高,且在铁路上方有合龙段施工,不可控因素较多。在方案二基础上,方案三将3 个转体墩合并,虽然下部结构施工周期较长,但降低了施工难度,风险可控。同时取消边墩现浇段和合龙段,可减少邻近既有铁路的施工周期。采取在边墩处起顶就位的措施,抵消了梁体悬臂施工的下挠效应。由于桥墩个数减少,方案二和方案三综合造价相当。

经综合考虑,最终确定方案三为实施方案,即采用(2×70) m T 构一次转体跨越3 条铁路,不设置合龙段和边跨现浇段。

3 转体T 构单轨组合桥设计

3.1 桥面布置设计

为降低结构高度,将钢轨道梁和T 构混凝土主梁采用承轨台连接,形成组合桥,混凝土主梁承受主要恒载,钢轨道梁和混凝土主梁共同承受车辆荷载。

上跨铁路处两侧设置钢筋混凝土板式护栏,宽0.25 m,高1.2 m,护栏上设置高1.3 m 的防抛网。结合本线建筑限界,最终确定桥面宽度为9.6 m,为方便桥面排水,由桥面中间往两侧横向设置2%的排水坡,桥面布置见图11。

图11 桥面布置(单位:mm)

3.2 轨道梁设计

钢轨道梁截面总高1.5 m,外宽0.55 m,单箱单室截面。顶板厚24 mm,底板厚24 mm,腹板厚16 mm。为了保证箱梁抵抗畸变、翘曲的能力及结构的横向传力,每隔1.25 m 设置隔板,箱内隔板与箱梁顶板及腹板焊连。钢轨道梁通过承轨台和T 构主梁连接,承轨台截面为矩形截面,宽1.3 m,高0.35 m,单线轨道梁横断面见图12。

图12 轨道梁断面(单位:mm)

3.3 转体T 构主梁设计

T 构主梁采用变高度单箱单室直腹板预应力混凝土箱梁结构,梁高3.2～6.9 m,箱梁板顶宽9.6 m,底板宽5.6 m。顶板厚35～85 cm,底板厚35～180 cm,腹板厚分两次过渡(50～75～100 cm)。共划分为17 个梁段,0 号梁段长11.0 m,其余梁段最长为4 m,最大悬臂浇筑体积为69.2 m3,采用单向预应力体系,纵向预应力钢束采用17-φS15.2 mm 和19-φS15.2 mm 钢绞线,采用顶、腹、底板布束方式布置,均采用两端张拉,主梁典型断面见图13。主要工程数量指标为:每延米桥长C55 混凝土用量为14.2 m3,每方混凝土采用预应力钢绞线58.1 kg,每方混凝土普通钢筋用钢量为191.8 kg。

图13 主梁典型断面(单位:cm)

采用Midas Civil 分析软件建立T 构空间有限元模型进行分析,轨道梁、T 构主梁、桥墩均采用梁单元,有限元模型见图14。对T 构主梁控制截面在施工和运营阶段的强度、抗裂性、应力等进行检算,主要结果见表1,在主力工况作用下截面最小强度安全系数为2.56,“主力+附加力”工况下,截面最小强度安全系数为2.24;最小抗裂安全系数为1.51,混凝土最大剪应力为3.32 MPa,均满足规范要求[15-16]。

图14 主梁计算模型

表1 主要计算结果

3.4 转盘和下部结构设计

墩顶转盘采用边长4.503 m 正六边形结构,转盘厚2 m,下转盘上设有φ2.55 m 的下球铰及φ5.24 m的环形下滑道。球铰由上下两块钢质球面板及钢护筒组成,转体系统布置见图15。

图15 转体系统布置(单位:mm)

中墩由转盘底以圆曲线渐变至边长2.136 m 的正六边形结构,墩身曲线段高8 m,等截面段高15.3 m。边墩采用高低墩形式与T 构两侧简支梁相接,边墩盖梁和墩身纵向长均为2.8 m,盖梁顶横向宽6.7 m,T 构侧盖梁等宽段高1 m,从盖梁底以圆曲线过渡至墩身。为避让桥墩边缘的既有挡墙,中墩承台顺桥向长14.5 m,横桥向长10.5 m,厚3.8 m,采用12 根φ1.5 m钻孔摩擦桩;边墩承台顺桥向长6.5 m,横桥向长10.5 m,厚3.0 m,采用6 根φ1.5 m 钻孔摩擦桩,下部结构断面见图16。

图16 下部结构断面(单位:cm)

4 基坑支护设计

为控制基础施工对既有铁路桥梁的影响,均采用钻孔灌注桩防护,桩顶设置闭合冠梁,该处地下水位较高,结合基坑边缘到铁路结构边缘距离,对中墩采取“钢板桩+注浆”方式止水,对边墩采取旋喷桩止水。结合本桥实际情况,采用有限元软件Plaxis3D 对20 号、21 号、22 号墩施工过程对铁路的影响进行分析。建立桥墩及桩基础结构模型,梁体自重和上部荷载作用通过墩顶施加荷载来模拟[17],见图17。由于合杭高铁在本桥下部结构施工过程中尚未实施上部结构,此处仅列出受影响相对较大的宁安客专2 号墩和宁芜铁路框架桥相关计算结果(见表2)。

图17 基础结构模型

表2 既有铁路施工过程中位移计算结果 mm

由表2 可知,经计算,施工完成后,最终引起既有宁安客专2 号桥墩承台竖向沉降量为0.079 mm,横桥向位移为-0.195 mm,顺桥向位移为-0.113 mm,引起既有宁芜铁路牵出线道岔处的沉降为0.783 mm,水平变形为0.469 mm,计算结果均满足规范和铁路部门的相关要求[18]。

5 结语

芜湖市轨道交通2 号线一期上跨既有铁路单轨组合桥采用墩顶转体法,减轻转体重量,降低施工难度,可有效减少施工过程对既有铁路运营安全的影响。结合地质条件,针对不同基坑选择合适的支护及止水方式,确保施工过程中铁路行车安全。该桥于2019 年4 月开工,在桩基础、基坑、桥墩及上部结构施工过程中对既有高铁进行了全过程监测,采取相关措施后,沉降和变形控制满足铁路部门和设计要求。该桥已于2020 年10 月29 日精准转体就位,其工程实践可为同类跨座式单轨交通建设提供借鉴。