水曹铁路接轨迁曹铁路立交复杂区域桥涵选型与布设

刘 春，田 杨，尹兴权，李 昊

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

0 引言

随着社会经济的发展,铁路、公路、市政、管道、电力等交通运输、能源体系日益复杂。各交通运输、能源工程线路之间产生主动(客运枢纽、管道综合)、被动的相互影响也不断增加。各部门对施工安全、运营安全的要求也越来越规范化、详细化,穿(跨)越立体交叉工程的桥涵布设的重要性也更加突显出来。立交桥涵的布设直接、间接地影响工程投资,乃至线路方案的可行性。对于立交穿(跨)越的研究,以大跨度结构、转体施工[1]等方面研究较多,而对于小跨度结构、异形框架结合孔跨布置完成立交穿跨越方面的研究相对较少。采用大跨度结构完成立交跨越在安全性、功能性方面有其优越性,但在经济性、适用性、可持续性方面也有一定的局限性。桥梁跨度越大则下部基础也越大,同时桥梁建筑高度也增高,在增加工程投资的同时,高大、雄伟的立交跨越桥梁及引线工程,给后期其他工程建设的立交跨越也增加了难度,可谓“桥梁高高高上天、跨来跨去何时了”;此外,当主体工程的功能要求与外部的控制因素,以及现场条件形成复杂的立交环境时,大跨度桥梁结构有时也难以胜任,通常会选择对既有的次要结构进行改建,往往代价巨大。

本文结合水曹铁路接轨既有迁曹铁路工程中两支新建单线铁路在分别穿越既有铁路后、小角度交叉、又紧坡降低高程、并行穿越既有桥,在下穿既有铁路的同时跨越不规则布设的两条石油、液化天然气管道的复杂立交环境,以工程实例阐述双单线桥梁错孔布置、异形框构桥式、小跨度板梁与框架墩结合的立交跨越桥式等“非大跨度”桥梁的立体交叉设计,作为一定条件下设计方向的一隅,为铁路工程及涉铁工程解决立交跨越问题提供一些思路及参考。

1 工程概况

水曹铁路位于河北省唐山地区,是一条北起迁安水厂矿区、南至曹妃甸港区的双线电气化集疏港铁路,铁路等级参照国铁Ⅰ级。根据线路的功能要求,水曹铁路近期与迁曹铁路接轨。在接轨方案研究阶段,对比了左、右线外包迁曹及水曹右线中穿迁曹等方案,经主管单位审查后按中穿方案实施。接轨区域内新建、改建铁路总长6.67 km(折算单线),既有铁路、管线、道路的复杂立交关系及主要技术标准,工程地质概况,立交桥涵概况说明如下。

1.1 区域内既有铁路、管线、道路相互关系说明

接轨区域内既有铁路、管线平面关系如图1所示。既有迁曹铁路(双线)与既有曹西左、右线下穿唐曹左线(图1中A交叉点)后,曹西左、右线上坡分别跨越迁曹铁路及唐曹右线;既有唐曹左、右线区域内呈外包形式,走行于迁曹铁路两侧。

区域内共有城镇热力管道1条,输油、LNG(液化天然气)长输管道2条。热力管道基本垂直穿越各条铁路线;输油管道穿越既有曹西左线后折向南偏西,至LNG管道处折向南偏东并行LNG管道走行约180 m后跨越LNG管道后再次与之并行前行;LNG管道局部范围内呈Z字型走行,从西向东直线穿过唐曹右线、曹西右线后,折向穿越迁曹双线、曹西左线后,再次折向平行于原方向,与输油管道并行斜交穿越唐曹左线曲线段后,走行于唐曹左线外侧30 m外。

需要说明的是,图1中西南方向唐曹右线外侧为24 m宽的公路,也是线路方案研究的控制因素;曹西左线的左侧、曹西右线的右侧规划预留曹西三、四线;唐曹左线的左侧也需预留增建单线的条件。水曹铁路线路走向、桥梁结构要考虑预留铁路的建设条件。

从立面关系来看,既有铁路及管线由低到高大致为:LNG管道-输油管道(燃气管道)-迁曹双线(唐曹右线)-曹西左、右线-唐曹左线。

1.2 区域内铁路、管线的主要技术标准

区域内铁路的主要技术标准如表1所示,穿(跨)越时主要考虑其净宽(单线铁路4.88 m)、净高(建限-1净高6.55 m、双层集装箱净高7.96 m)的要求[2],以及接触网高压电安全距离要求(安全距离2 m,5 m范围内金属构造物设置接地)。陕京LNG管道、曹津输油管道为有压金属长输管道,管径分别为1 016 mm,813 mm。铁路桥梁跨越管道,桥梁底面至自然地面的净空高度不应小于2.0 m;管道与铁路桥梁墩台基础边缘水平净距不宜小于3 m[3]。

表1 区域内铁路的主要技术标准

1.3 工程地质概况

桥区从上至下依次为:人工填土、80 kPa淤泥质粉质黏土、100 kPa黏性土、100 kPa砂类土。土壤最大冻结深度采用0.8 m。地震动峰值加速度为0.15g,地震基本烈度为7度。地震动反应谱特征周期值0.65 s。

1.4 区域内立体交叉设计概况

水曹铁路接轨迁曹铁路区域内铁路、道路、管线之间的立体交叉设计概况如表2所示。6.67 km线路范围内立体交叉18次(不含与规划线路交叉),平均2.7次/km;最小交叉角度30°,立交情况颇为复杂。

表2 立体交叉设计概况表

2 区域内立交桥涵选型及设计要点

普速铁路常规桥型为32 m,24 m,20 m,16 m跨度预应力混凝土简支T梁,其中32 m跨为一般地区,也是水曹铁路桥梁设计的经济跨度。但接轨工程有着区域有限(直线距离2 km左右)、地形平坦、既有构筑物交织、地质松软、地下水位浅等环境特点。根据这些特点,增加了10 m钢筋混凝土板梁桥型及配套的桥墩、框架墩,以及异形框构、小跨度连续刚构桥型以满足立交要求。选取有代表的桥型方案比选及设计要点阐述如下。

2.1 采用双单线错孔布置简支T梁跨越道路

水曹铁路跨越在建十里海南路(城市道路),交叉角度约43°,如采用大跨度连续梁或者简支钢桁梁一跨跨越,主跨约64 m(如采用48 m跨度,桥墩占据非机动车道及人行步道)。交叉点位于车站附近,铁路轨面高程受限;地下水位较高(见图2),道路不宜下挖,道路高程受限(如下挖则需采用U形槽防水、需设泵房进行立交排水)。因此需选用建筑高度较小的桥梁结构,即采用64 m双线钢桁梁,但钢桁梁投资较高。如采用分幅跨越,可选用8 m+12 m+12 m+8 m门式刚构桥,但斜交角度大于45°,结构整体受力较差,且投资相对较高。结合十里海南路尚未完工情况,提出采用24 m简支T梁分为双单线错孔布置的桥跨形式,单线桥墩错位设于道路的隔离带内(见图3),大大降低了工程投资与施工难度。需要指出的是即使双单线错孔布置,常规的单线桥墩的顶帽及接触网立柱基础都将侵入道路限界,需对桥墩顶帽及接触网立柱进行局部改造。

把双线桥调整为双单线错孔布置,将桥墩设于道路隔离带内(必要时铁路下部结构采用预制拼装结构),是一种较为经济的、值得推广的桥跨布置方式。

2.2 采用异形框构完成两条新建铁路交叉

水曹铁路右线与曹西左线交叉后,需与改建迁曹左线交叉方可中穿接入迁曹线,而至接轨点附近又必须下穿既有曹西左线。受既有线平面控制,有两种立交方案选择:一是水曹右线先跨越曹西左线以及改建迁曹左线后再下穿曹西左线;二是水曹右线穿越曹西左线、改建迁曹左线后再下穿曹西左线。受接轨高程控制,水曹右线上跨方案线路坡度将超过限值,因此只能选择水曹右线下穿方案。受既有线平面关系及铁路最小曲线半径的限制,水曹右线与改建迁曹左线的交叉角度较小(图1中B区),如采用门式墩跨越,水曹右线将下挖较多,将加大U形槽规模及穿越曹西左线的施工难度。综合考虑提出了水曹右线从框架内通过、改建迁曹左线从框架顶通过的异形框构方案。框架内两端与U形槽顺接,框架顶两端与简支T梁结构顺接(见图4,图5)。

以两线交叉角为参数来看,交角为90°时,这种异形框构转换为正常的正交框构;交角为0°时,这种异形框构转换为上下层受力的长筒状结构。二者的主要区别在于其受力不同、上下共同受力的频遇也不同。异形框构的结构长度取决于交叉角度。当上下两线均为新建线路,且立交净空受限时异形框构相比框架墩跨越有一定的优势。异形框构从断面上看由中间单箱三室框构及两端的单箱双室不对称框构组成,结构划分要尽量使受力明确,具体设计时注意与相关结构物(如简支梁桥墩、U形槽)接口的空间关系。

2.3 采用小跨度连续刚构穿越既有桥

受接轨平面线形及周边既有曹津管道、陕京LNG管道走行所限,改建迁曹左线及新建水曹右线需并行从既有曹西左线53号—53号墩之间32 m桥下小角度斜交穿越。桥区为滨海软土地基,如采用路基形式穿越,难免对既有桥墩造成偏压;如采用双线U形槽通过,U形槽结构与既有桥墩承台有所冲突;如采用常规路基桩板结构,受跨度所限,桩基施工与既有桩基间距偏小,容易对既有结构造成影响。因此以桥代路穿越既有桥。

受接轨高程控制,桥梁结构不宜采用太大跨度(跨度大则建筑结构高,梁底置于既有地面以下较多时,需考虑地表水、地下水位的影响以及结构防腐)。新建桩基与既有桩基间距按不小于6倍桩径控制[4]。考虑梁体与桩基刚度的匹配,经结构试算后采用16 m+16 m+16 m刚构双单线错孔布置的形式完成穿越。结构平面布置如图6所示。

2.4 采用框架墩与小跨度板梁跨越长输管道

区域内两次采用“框架墩+10 m跨度混凝土板梁”跨越长输管道(图1中C区、D区),其中C区受穿越曹西左线控制,D区受接轨高程控制,跨越管道净空都比较低。加之跨越处,输油、LNG管道并行或相互跨越,且与新建铁路的交叉角度较小,综合考虑后采用跨距13 m的框架墩配合10 m跨度小板梁完成跨越,尽量统一桥型、减少特殊设计。

以D区为例,平面布置如图7所示。如采用32 m简支梁跨越(在两管道中间设置桥墩),在承台边缘距离管道最小边距5 m要求的限制下无法跨越;如采用大跨度桥梁一跨跨越,则建筑高度高会导致管道顶净高不满足要求,且梁底低于自然地面较多(如图8所示),不利于区域内排洪。

本线13 m跨距的框架墩横梁为了尽量降低建筑高度,按预应力混凝土结构设计[5],梁高1.1 m。由于框架墩墩高仅0.5 m(见图8),基础相对刚度大,横梁如按两端刚结后再进行张拉,则大多数预应力效应由下部结构抵抗,很难在横梁中发挥出来,因此横梁一侧需先张拉、后浇筑墩身(完成刚结)。这是低墩高框架墩值得注意的设计细节。10 m跨度板梁采用钢筋混凝土结构设计,梁端采用了整条橡胶简易支座,降低了整体建筑高度,需要指出的是对于多孔结构在采用简易支座时应设置梁体的纵、横向限位装置来满足无缝线路铺设的刚度要求。框架墩横梁、10 m板梁均采用预制吊装施工,降低跨越管道的施工风险[6-7]。

3 主要结论与建议

3.1 主要结论

采用双单线错孔布置的桥式方案既解决了“铁路不便抬高、道路不宜降低”的冲突问题,又大幅降低了工程投资、减少了后期钢梁桥的养护投资,可谓双方受益、一举多得;异形框构是充分抓住“立交双方是同步建设”这一特点而提出的“低建筑高度”的经济桥型;小跨度连续刚构错孔布置是结合路基“桩+板结构”与桥梁结构的优点与现场实际结合而提出的较为经济的桥型;小跨度板梁与框架墩结合则是基于对“跨度越大、建筑高度越大、基础也越庞大”的认识,结合具体情况而提出的适用桥型[8-9]。

由此可见,新建工程采用一种或多种中小跨度结构、异形结构,经合理布置、结构计算后跨越既有结构物的立体交叉设计,在一定条件下不失为一种既经济又有效的设计思路。

立体交叉设计一般要进行多方案比较后,方能得到适用、经济、合理的穿(跨)越方案。具体设计时,经结构专业、线路等专业协同研究、多次优化参数后,先考虑功能性、再考虑经济性,一般可得到较优的立交方案。

3.2 建议

立体交叉设计过程中,要在深入理解相关行业规范要求的基础上,客观地考虑双方权益单位在运营、维护、施工、规划等方面的需求。当对方提出较为严格的要求时,不要简单理解为“刁难”,要认真对待、科学评价、分清利弊,通过协商确定总体经济、适用、安全、双赢的立交方案[10]。

当立体交叉设计采用非常规的结构时,在构造方面除要考虑桥梁本专业结构的协调外,尚应考虑与路基、轨道、接触网、电磁防护等专业的接口关系;在结构计算方面要予以重视,适当保守设计。