济阳黄河公铁两用特大桥桥位及桥式方案比选

冯亚成，陈应陶，张小坤，吴文华，刘红绪，赵会平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

济南至滨州高速铁路项目位于山东半岛城市群北部,是山东半岛城市群城际铁路网的重要组成部分,线路西起济南市,于济南东站引出,向北经济南市历城区、高新区、章丘区,上跨黄河经济南市济阳区、商河县,向东经滨州市惠民县、滨城区,接入滨洲站,正线长约145 km。

本线全线技术标准稍有不同,济南东至济阳(不含)速度目标值250 km/h,济阳至滨州速度目标值350 km/h。济阳黄河公铁两用特大桥是济滨铁路的重点控制性工程,位于章丘区与济阳区之间,速度目标值按250 km/h设计。

2 建设条件

2.1 地形地貌

黄河特大桥位于黄河下游冲积平原区,地貌属黄河一级阶地,地形平坦,地势开阔,黄河河谷平坦,河谷北侧为黄河大堤,南侧以农田为主,地面高程19.7～33.6 m,相对高差约13.9 m。桥址区有省道、河堤路等,交通便利。

2.2 河流、水文

黄河为常年流水,黄河河道在该河段主河槽形态及位置相对比较稳定,河道断面形态为复式,主槽一般呈U形断面。由于黄河泥沙的不断淤积,造成同流量下洪水位不断抬高,致使黄河下游成为地上悬河。

拟建桥梁跨越黄河位置属于黄河的艾山—利津河道,该河段现基本成为人工控制的弯曲性河段,两岸由险工、控导工程控制河势,河弯受限,中水时河槽相对稳定。拟建桥位堤距约700 m,河床平均纵比降0.1‰。两岸堤防标准为Ⅰ级,堤顶宽度设计标准均为12 m,设计高度超过2000年设计洪水位2.1 m,临、背河坡均为1∶3,淤背区宽度100 m,高度与2000年设计水位平,河道平面变化较小。

桥梁设计防洪标准为100年一遇,按300年一遇检算。桥位河段大堤防洪流量为11 000 m3/s(又称“设防流量”),设计流量采用11 000 m3/s。

2.3 气象条件

工程处于我国干旱和湿润气候的过渡带,来自东南沿海的暖湿气流是造成鲁北平原降水的主要因素,降水特点是年际年内变化大,丰枯周期性交替。本区降水的季节性变化较大,1—5月份降水量占全年降水量的15%左右,6—9月(汛期)份占 70%～80%,10—12月份占10%左右。暴雨多集中在5—10月份,尤以7月上旬至8月中旬最为集中。济南市济阳区年均气温13.5 ℃,年平均降水量592 mm,年平均蒸发量1 579.1 mm,历年平均风速2.1 m/s,主导风向为ENE,最大冻结深度43 cm。年最大瞬时风速为23.6 m/s。

2.4 防洪及通航[1]

该河段黄河桥梁主桥跨径需满足黄委会(黄建管[2007] 48号)《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准(试行)》及相关管理规定:即桥梁容许间距为6 km,主河槽内孔跨≮180 m;同时需满足与大堤距离要求不得小于5 m,大堤堤顶立交净空≮4.5 m的要求。

本项目所在河段目前尚未通航,桥位处深槽宽约190 m。航道规划为Ⅳ级双向航道,航道最小水深1.9 m,本桥设计时按照Ⅳ级双向航道设计。按相关标准及通航评审意见,黄河大桥的通航孔双向通航净宽应≮132 m,通航净高≮8 m。

2.5 工程地质

根据调查和勘探揭示,工点地层岩性主要为第四系全新统人工填筑土,冲积粉质黏土、粉土、粉砂、细砂及中砂等,第四系上更新统冲积粉质黏土、粉土、粉砂、细砂。

3 桥位方案

3.1 桥位主要制约因素

(1)站位

黄河特大桥在遥墙机场站及济阳站之间上跨黄河,遥墙机场站站位及济阳站站位确定了黄河桥两端的接线关系。根据前期工作,遥墙机场站已确定。根据济阳县总体规划及地方政府意见,本工程济阳站需设置于济阳县城西南侧,方便客流吸引和疏解,以符合济阳县城总体规划和城市发展。

(2)沿河既有桥梁分布

本线拟跨越河段目前既有2座公路桥梁及2座浮桥,拟建1座公路桥梁。

(3)遥墙机场净空限制

本工程距遥墙机场较近,部分区域机场对桥梁高度有限高要求,高程不得超过89.7～96.5 m(锥形面,不同位置限高值不等)。

(4)高压铁塔

在沟杨浮桥下游约750 m处,有110 kV高压线跨越黄河,紧邻东侧大堤设有1座高压铁塔,黄河桥位需避开高压铁塔1倍塔高(约100 m)。

3.2 桥位方案选择[2-6]

结合本工程线路总体走向及上跨黄河建桥主要控制因素,结合黄河两岸地形、地貌、地质、河道水文特点及防洪防凌要求、桥梁与城市及村镇关系、两岸水利设施建设等情况,并征询防洪评价单位及山东黄河河务局意见,提出3个桥位方案,即济阳黄河大桥上游2 km、与规划G308国道共桥位的桥位Ⅰ方案,济阳黄河大桥上游并置桥位的桥位Ⅱ方案以及济阳黄河大桥下游6.7 km的桥位Ⅲ方案,具体位置见图1。

图1 济阳黄河公铁两用桥桥位比选平面示意

综合分析可知,3个桥位方案均有各自的优缺点,详细比较如表1所示。

表1 济阳黄河公铁两用桥桥位方案比选

桥位Ⅰ优点是济阳站位条件好,符合城市规划,同时跨黄河处规划有国道G308桥位,可以考虑共通道建设,以节省桥位资源;其次桥位跨越处河道较窄,且桥梁轴线与主流夹角小,主桥长度短,水文条件好。缺点是距离机场较近,线路条件稍差,主桥两端需限速运行,桥梁结构高度受机场净空限制, 同时与下游既有公路桥距离仅2 km,不满足间距要求。

桥位Ⅱ优点是满足济阳设站条件,主桥两端线路条件较好,与既有公路桥并行设置,能有效利用通道;缺点是线路方案从城市规划区通过,拆迁量较大,对城市发展影响较大。

桥位Ⅲ优点是满足桥梁间距的要求,线路条件好,不受机场净空影响;缺点是桥位与主流夹角达35°,对河道行洪、行凌影响大,跨越处主河槽较宽,两岸堤距达2 110 m,主桥工程造价高,且济阳设站条件差。

综合比选,本工程上跨黄河推荐采用桥位Ⅰ方案。由于桥位Ⅰ不满足桥梁6 km间距要求,经与相关部门沟通,桥梁孔跨设置时需加大孔跨,满足防洪和通航相关技术要求。通过铁路、公路、防洪、通航等部门多次进行踏勘、沟通及专题论证,结合该河段复杂的控制因素,均同意桥位I方案作为济滨铁路上跨黄河的推荐方案。

4 桥式方案

桥位处防洪评价要求主河槽内跨度≮180 m,通航要求≮132 m,防洪要求较通航要求更为控制桥梁跨度设置。根据险工处及主河槽常流水区不允许设墩的要求,同时桥墩承台距离堤角要求≮5 m,则跨越险工及主河槽常流水区跨度需要约300 m,剩余约460 m宽的主河槽浅滩处,跨度≮180 m,只能设置2孔,综合分析后主河槽孔跨定为(228+240+300) m不等跨布置。

结合防洪、通航、机场等部门及外界边界控制条件,着重对以下3种桥型进行比选分析。

4.1 钢桁梁矮塔斜拉桥方案[7-9]

该方案采用(72+144+228+240+300+132+84) m钢桁梁矮塔斜拉桥跨越黄河主槽及两岸大堤,主桥长1 202 m。

结构体系采用塔、梁分离,塔、墩固结体系。立面布置如图2所示。

图2 钢桁梁矮塔斜拉桥方案立面布置(单位:m)

桥塔采用钢筋混凝土桥塔,为适应航空限高要求,4个桥塔采用不等高设计。斜拉索采用空间双索面,扇形布置。主梁采用钢桁梁, N形桁式,桁高15 m,节间长度选用12 m。

横断面采用带副桁的梯形截面布置,上弦横向宽41 m,下弦横向宽16 m。主桥钢梁分上、下两层,上层为G308国道(双向6车道+硬路肩及非机动车道),下层为双线济滨铁路。上、下层均采用正交异性板整体钢桥面。该断面兼顾了公路、铁路两种断面的宽度需求,截面效率较高。横断面布置如图3所示。施工可采用悬拼架设或顶推法施工。

图3 钢桁梁矮塔斜拉桥方案主梁横断面(单位:m)

4.2 上加劲连续钢桁梁桥方案[10-16]

该方案采用(72+144+228+240+300+132+84) m上加劲连续钢桁梁跨越黄河主槽及东西岸黄河大堤,本方案主桥长1 202 m。

连续钢桁梁可采用上加劲或下加劲的方式,考虑大桥位于平原地区,桥面高程受黄河淤积50年后大堤顶高程控制,采用上加劲的方式,既能满足受力需要,同时可不抬高公路桥面,节省投资。考虑景观需求,最终采用上弦曲线变高的立面桁式。立面布置如图4所示。

图4 上加劲连续钢桁梁桥方案立面布置(单位:m)

本桥从济南侧往滨州侧4个主墩中支点处桁高分别渐变至42.5,45.5,46.5,49.5 m。中跨跨中和边跨端部梁段桁高16.5 m,主桁采用N形桁式,桁高16.5 m,节间长度选用12 m。主桥钢梁分上、下两层,上层为G308国道(双向6车道+硬路肩及非机动车道),下层为双线济滨铁路。

由于本桥为上加劲连续钢桁梁,为传力直接,钢梁截面采用上、下同宽的布置形式,主桁结构宽35 m,上、下层均采用正交异性板整体钢桥面。横断面布置如图5所示。施工可采用悬拼架设或顶推法。

图5 上加劲连续钢桁梁桥方案主梁横断面(单位:m)

4.3 钢箱梁矮塔斜拉桥方案[17-20]

在前两种公铁分层布置的基础上,考虑公铁同层布置的可能,因此,本方案采用(72+144+228+240+300+132+84) m钢箱梁矮塔斜拉桥方案跨越黄河主槽及东西岸黄河大堤,主桥长1 202 m。立面布置如图6所示。

图6 钢箱梁矮塔斜拉桥方案立面布置(单位:m)

采用公铁平层方案,相比公路在上、铁路在下的合建方案,可以有效降低公路、人行道及非机动车的桥面高程,减小公路引桥的高程,一定程度上可节省公路桥投资。

结构体系采用塔梁固结、塔墩分离的形式,主梁采用变高度钢箱梁截面。中支点处梁高9 m,跨中及边支点处梁高6 m。高铁布置在桥面系中央位置,两侧依次是机动车道、非机动车道及人行道,由于公路铁路同层设置,计入桥塔及缓冲带、防护墙等桥面宽度达到64.5 m。横断面布置如图7所示。

图7 公铁同层桥梁横断面布置形式(单位:m)

施工方面,由于钢箱梁体积较大,本桥位处黄河不通航,只能通过公路运输,现场焊接工作量巨大,主梁架设采用顶推施工较为合理。

通过线路疏解发现,由于受线路条件所限,公铁出主桥后需尽快分离,一侧公路需以小半径曲线下穿铁路与另一侧会合,公铁平层虽可以降低公路路线高程,但恶化了公路平面线形。

4.4 主桥桥型方案比选[21]

从结构受力、工程造价、与两岸的接线关系等方面综合比较3种桥式方案的优缺点,见表2。

表2 济阳黄河公铁两用桥桥式方案综合比较

由表2技术层面可以看出,3个方案均能实现铁路与公路跨越黄河的功能需求。进一步分析可以看出,对于公铁合建桥梁,公铁分层相对于公铁平层,结构刚度大,该公铁布置方案可以将横断面分层布置中结构构造上的高度需求与铁路行车对大跨结构的大刚度需求很好地结合起来;同时,公铁相互干扰少,安全行车有保障,功能更加明确,技术也更为成熟可靠,且桥墩横向宽度小,有利于行洪,目前国内在建的大多公铁合建桥梁采用公铁分层的桥梁也居多。而公铁平层方案优点是不抬高公路路面高程,但公路平面线形较差,且用钢量较多(方案3多于方案1)。因此,对于本项目采用公铁合建桥。整体来看,公铁分层方案优于公铁平层方案,即方案1、2优于方案3。

对于同是公铁分层布置的方案1和方案2,两者的主要区别在于主梁的加劲形式不同,方案1采用斜拉索对钢桁梁进行加劲,相比采用主桁设置上加劲弦加劲,同样效果下,用钢量大大减少,能够显著降低工程造价,同时拉索给人的通透感强,桥梁结构的整体美学景观好;方案2采用变高度连续钢桁梁,结构杆件类型多,施工难度大,且全桥用钢量较大,公路桥面上加劲杆件较为粗壮,美学效果较差。因此,推荐方案1双索面钢桁梁矮塔斜拉桥(公铁合建桥梁,公铁分层)。

5 结语

黄河河段桥位资源十分紧张,且本项目受防洪、通航、机场净空等多个因素影响,桥位及桥式方案选择非常复杂。结合济滨铁路项目黄河桥的桥位、桥式方案选择所做的前期研究工作,得出以下主要结论。

(1)桥位资源有限的情况下,有条件时应尽量考虑与附近规划桥梁合并设置。对于长江、黄河及主要内河通航河流,河道周边控制因素多,桥位资源更是十分宝贵,目前公路与铁路、公路与城市轨道等合建桥梁也越来越多,虽然协调工作量大,但可以充分利用通道资源,节省投资,从长远来看是有利的。

(2)提出的(228+240+300) m主跨不等跨布置的总体布置方案,与边界条件适应较好,满足了各方的需求。

(3)公铁分层桥梁结构刚度大、公铁干扰相对较小、安全运营维护相对简单,一定条件下公路引桥接线条件好,相对公铁平层桥梁优势较为明显。

(4)桥式方案的选择不仅要考虑桥梁本身的受力及经济性,还要考虑公路、铁路两端的接线条件,充分考虑结构所用建筑材料、施工方法、交通运输等因素。在没有大吨位船舶运输的情况下,施工方法有时甚至对结构的选择具有决定性影响。