山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)幾個(gè)問(wèn)題探討

1、山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)幾個(gè)問(wèn)題探討摘要:未來(lái)10年,我國(guó)將大量修建山區(qū)高速鐵路。山區(qū)高速鐵路橋梁應(yīng)選擇最小橋高的線路方案,慎重研究不良地質(zhì)地段及上跨既有水利、道路、管線等設(shè)施橋址選擇。簡(jiǎn)支組合箱梁、組合T梁采用較少,隨著運(yùn)架一體機(jī)的應(yīng)用,保證了橋隧相連地段盡可能多地采用預(yù)制整孔箱梁。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁是山區(qū)高速鐵路首選特殊橋梁結(jié)構(gòu)形式。圓端形墩和矩形墩各有優(yōu)勢(shì),主要是外部條件決定墩形,地震區(qū)一般采用圓端形墩。建議墩高30m以下采用流線形圓端形墩。矮墩應(yīng)比較采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ),鉆孔灌注樁基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)不同覆土厚度、不同樁徑、不同基巖實(shí)際情況、不同成孔方法等實(shí)際情況確定按柱樁或摩擦樁計(jì)算。關(guān)鍵詞:山區(qū)高速

2、鐵路; T形梁;箱形梁;橋墩;設(shè)計(jì)1概述根據(jù)2008年國(guó)務(wù)院調(diào)整的中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃,到2020年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12萬(wàn)km以上,建設(shè)客運(yùn)專(zhuān)線16萬(wàn)km以上。2010年底全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到91萬(wàn)km,我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路8 358 km。因此,可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)10年我國(guó)高速鐵路建設(shè)任務(wù)重大、高速鐵路營(yíng)業(yè)里程日新月異。山區(qū)約占我國(guó)國(guó)土面積的2/3,已建成高速鐵路不論是時(shí)速350 km的鄭西、武廣等客運(yùn)專(zhuān)線,還是時(shí)速250 km的褔廈、石太等客運(yùn)專(zhuān)線,線路都有大段經(jīng)過(guò)山區(qū)。西南地區(qū)已開(kāi)建的貴廣、滬昆、云貴等高速鐵路和將開(kāi)建的西成、成渝、成貴、遂渝、渝黔等高速鐵路無(wú)不翻山越嶺。由于山區(qū)在地形、地

3、貌、地質(zhì)等方面不同于平原和盆地,決定了山區(qū)高速鐵路橋梁在橋址選擇、上下部結(jié)構(gòu)形式及附屬工程設(shè)計(jì)等方面特點(diǎn)。本文參照有關(guān)文獻(xiàn)及筆者參加鄭西、西成、蘭新、合福客運(yùn)專(zhuān)線等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、咨詢體會(huì),探討山區(qū)高速鐵路橋梁橋址選擇、橋式方案、墩臺(tái)形式、基礎(chǔ)類(lèi)型等。2山區(qū)高速鐵路橋址選擇山區(qū)高速鐵路橋址選擇是在已定線路總方向的情況下,以水文、地形、地貌、地質(zhì)、河道演變、水利設(shè)施既有道路、城市規(guī)劃、施工、養(yǎng)護(hù)、維修、通航、行洪、工程投資、特殊政治軍事等要求為條件,對(duì)滿足各種條件的線路、橋址方案進(jìn)行分析比較和選擇。橋址選擇時(shí)應(yīng)遵循以下原則:盡量選擇最小橋高的線路方案,做好不良地質(zhì)地段橋址選擇,慎重研究上跨水利、道路

4、、管線等設(shè)施橋位。21選擇最小橋高的線路方案高速鐵路橋梁橋高愈小,對(duì)高速鐵路要求的高平順性、高舒適性及高安全性等愈有好處,亦能減小橋梁投資。在鐵路選線時(shí),應(yīng)對(duì)高橋線路方案附近地形、地貌大范圍研究,尋找最小橋高的線路方案,盡可能降低線路高程。鄭西客運(yùn)專(zhuān)線中山大橋橋址選擇如圖1所示?？梢钥闯霾捎镁€路方案經(jīng)過(guò)沖溝上游,橋高僅382 m,原線路方案經(jīng)過(guò)沖溝下游,橋高達(dá)748m。22不良地質(zhì)地段橋址選擇鐵路修建與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象有:滑坡、錯(cuò)落、危巖、落石、崩塌、巖堆、泥石流、風(fēng)沙、巖溶、人為坑洞、水庫(kù)坍岸、地震區(qū)、放射性和有害氣體等。由不良地質(zhì)作用引發(fā)的,危及人身、財(cái)產(chǎn)、工程或環(huán)境安全的事件

5、,稱為地質(zhì)災(zāi)害。由于選線不當(dāng)、工程處理措施不到位,地質(zhì)災(zāi)害常導(dǎo)致鐵路建筑物破壞,中斷行車(chē),甚至造成重大事故,使旅客人身安全與行車(chē)安全不能得到保障。因此,山區(qū)不良地質(zhì)地段往往控制鐵路線路走向,選線時(shí)應(yīng)深入調(diào)查研究,收集足夠的氣象、水文、地質(zhì)與水文地質(zhì)資料,查明不良地質(zhì)分布范圍、類(lèi)型、規(guī)模、發(fā)生與發(fā)展原因、規(guī)律性及其對(duì)鐵路的危害程度,整治的難易等,50鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAYSTANDARDDESIGN2011 (2 )白琦成山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)幾個(gè)問(wèn)題探討橋梁提出可行的繞避或整治方案,通過(guò)方案比選確定線路位置。一般對(duì)正在活動(dòng)的、發(fā)展的、規(guī)模較大且難于整治、嚴(yán)重危及施工與行車(chē)安全的不良地質(zhì)地段,

6、或已趨穩(wěn)定、規(guī)模不大、繞避不致大量增加投資的不良地質(zhì)地段,應(yīng)予以繞避;對(duì)基本穩(wěn)定、規(guī)模不大、易于整治、危害不嚴(yán)重的不良地質(zhì)地段,宜選擇有利部位通過(guò)。山區(qū)高速鐵路運(yùn)營(yíng)期間高速高安全性要求,橋址選擇方面與傳統(tǒng)山區(qū)普速鐵路有很大的不同,比如線路通過(guò)一面陡坡地段,有隧、橋路、全橋三個(gè)方案,以前普速鐵路往往會(huì)采用清理加固坡面、在坡面范圍內(nèi)橋路或全橋方案,但是高速鐵路則選擇隧道方案或遠(yuǎn)離坡面的其他線路方案。23上跨水利、道路、管線等設(shè)施橋址選擇水利設(shè)施包括水庫(kù)、取水口、灌溉管網(wǎng)、灌溉渠等。水庫(kù)區(qū)橋址選擇應(yīng)注意: (1)與水庫(kù)相關(guān)單位協(xié)商大壩上游線路與大壩的最小距離; (2)盡量減小深水施工難度; (3)選

7、擇水庫(kù)坍岸影響較小地段設(shè)橋;(4)大壩下游橋址宜選擇在大壩下游集中沖刷范圍以外。生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定“取水點(diǎn)上游1 000m至下游100 m的水域不得排入工業(yè)廢水和生活污水,不得從事有可能污染該段水與水質(zhì)的活動(dòng)”,因此,取水口附近橋位應(yīng)改移線路或遷改取水口,以保證橋位與取水口距離要求。線路一般宜繞避灌溉管網(wǎng)密布地區(qū),以避免施工期間對(duì)管網(wǎng)的破壞及運(yùn)營(yíng)期間管網(wǎng)漏水引起墩臺(tái)沉降。大型灌溉渠內(nèi)不宜設(shè)置橋墩。高速鐵路上跨道路主要有鐵路、高速公路、國(guó)道、省道、縣道、鄉(xiāng)村道路等。由于山區(qū)地形限制,既有道路往往已占據(jù)有利位置,改移既有道路增加大量投資不劃算,另為減小施工期間對(duì)既有道路的破壞和運(yùn)營(yíng)干擾,因此

8、,要求高速鐵路橋址選擇便于在既有道路兩側(cè)開(kāi)挖基坑且不致破壞既有道路及施工對(duì)運(yùn)營(yíng)干擾較小的地段通過(guò)。確定跨越灌溉渠、道路、管線橋位及跨度都需要與其相關(guān)業(yè)主單位了解落實(shí)灌溉渠、道路現(xiàn)狀及規(guī)劃,管線實(shí)際位置及避讓距離要求,并簽訂協(xié)議。宜盡量減小線路與灌溉渠、道路、管線斜交角度以減小橋梁跨度。宜最大限度合并排洪、灌溉渠、立交涵洞,減小涵洞密度。3山區(qū)高速鐵路橋梁常用橋式方案31簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)形式311組合T梁日本和西班牙高速鐵路有的采用了組合T梁,如日本北陸新干線設(shè)計(jì)時(shí)速260 km,跨度242、292、342m采用4片式組合T梁,跨度392、442m采用6片式組合T梁?，F(xiàn)行通用圖有時(shí)速250 km有砟軌

9、道12、16、24m跨徑4片式組合T梁,時(shí)速350 km無(wú)砟軌道16m跨徑4片式組合T梁。有研究認(rèn)為,對(duì)于32 m跨徑, 5片式組合T梁較4片式組合T梁有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),車(chē)橋耦合分析表明, 32 m跨度組合T梁可以滿足250 km/h高速鐵路安全性和舒適性要求。組合式T梁體量較小,架設(shè)方便,在山區(qū)高速鐵路橋隧相連地段適應(yīng)性好,綜合經(jīng)濟(jì)性好。但是組合式T梁連接結(jié)構(gòu)及支座甚多,較箱梁發(fā)生問(wèn)題的概率大,運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)維修存在較多問(wèn)題。312組合箱梁高速鐵路組合箱梁通用圖有時(shí)速250 km客運(yùn)專(zhuān)線有砟軌道跨徑24、32m組合箱梁,時(shí)速250 km城際客運(yùn)專(zhuān)線有砟軌道跨徑20、24、32 m組合箱梁,時(shí)速350 k

10、m客運(yùn)專(zhuān)線無(wú)砟軌道跨徑24、32m組合箱梁。組合箱梁主要用于橋隧相連地段。時(shí)速250 km的石太、合武等客運(yùn)專(zhuān)線采用了組合箱梁。目前時(shí)速350 km客運(yùn)專(zhuān)線尚無(wú)采用組合箱梁實(shí)例。由于國(guó)內(nèi)公司研制的整孔箱梁運(yùn)架一體機(jī)已可實(shí)現(xiàn)在山區(qū)穿越隧道口架橋,無(wú)需拆解任何部件、實(shí)現(xiàn)橋隧相連的隧道口零距離架橋。組合箱梁對(duì)預(yù)制工期有嚴(yán)格要求,為保證組合箱梁兩片箱梁變形協(xié)調(diào)橫向連接位置的準(zhǔn)確,要求同一孔兩片箱梁齡期相差不超過(guò)6 d。組合箱梁架設(shè)后需現(xiàn)澆橋面板和端隔墻,工序煩瑣。組合箱梁整體性、橫向剛度、經(jīng)濟(jì)性均遜色于整孔箱梁。因此,高速鐵路應(yīng)盡量少采用組合箱梁。313整孔箱梁高速鐵路預(yù)制整孔箱梁通用圖有時(shí)速250

11、km的有砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線20、24、32m跨徑先張法或后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線單箱單室箱梁,時(shí)速250 km的有砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線20、24、32m跨徑后張法預(yù)應(yīng)力混凝土單線單箱單室箱梁,時(shí)速250 km有砟軌道線間距46m城際客運(yùn)專(zhuān)線20、24、32m跨徑后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線單箱單室箱梁,時(shí)速250 km有砟軌道線間距4650m城際客運(yùn)專(zhuān)線20、24、32m跨徑后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線單箱雙室箱梁,時(shí)速350 km有砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線24、32m跨徑后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線單箱單室箱梁,時(shí)速350 km無(wú)砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線20、24、32m跨徑后張法預(yù)應(yīng)力混凝土雙線單箱單室箱梁等。高速鐵路現(xiàn)澆整孔箱梁通用圖有

12、時(shí)速250 km有砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線32m跨徑現(xiàn)澆箱梁,時(shí)速350 km無(wú)砟軌道客運(yùn)專(zhuān)線24、32m跨徑現(xiàn)澆箱梁等。由于受當(dāng)時(shí)梁寬為134m、架運(yùn)設(shè)備需拆解通過(guò)隧道、工期緊等因素限制,鄭西客運(yùn)專(zhuān)線澠池至靈寶51鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAYSTANDARDDESIGN2011 (2 )橋梁白琦成山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)幾個(gè)問(wèn)題探討段、武廣客運(yùn)專(zhuān)線韶關(guān)至花都段橋隧相連地段整孔箱梁施工采用了運(yùn)架后澆翼緣板、支架現(xiàn)澆、移動(dòng)模架現(xiàn)澆等方案,詳見(jiàn)表1,可以看出主要以移動(dòng)模架現(xiàn)澆為主。隨著整孔箱梁運(yùn)架一體機(jī)的廣泛應(yīng)用,在山區(qū)運(yùn)架梁不穿越3 km長(zhǎng)以上隧道,均可考慮采用運(yùn)架預(yù)制整孔箱梁。由于受長(zhǎng)3 km以上隧道施工工期

13、影響,若運(yùn)架梁要穿越長(zhǎng)3 km以上一般考慮現(xiàn)澆簡(jiǎn)支整孔箱梁或其他橋式方案。32預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為山區(qū)高速鐵路首選特殊橋梁結(jié)構(gòu)形式高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁通用圖有時(shí)速250km有砟軌道224m、324m、232m、332m、240m、(24+32+24) m、(32+40+32) m、(32+48+32)m、(60+100+60)m現(xiàn)澆連續(xù)梁,時(shí)速250 km有砟軌道(40+56+40)m、(40+64+40) m、(48+80+48)m懸灌施工連續(xù)梁,時(shí)速350 km有砟軌道(32+48+32)m現(xiàn)澆連續(xù)梁,時(shí)速350 km無(wú)砟軌道224m、324m、232m、332m、240m、(32+

14、48+32)m現(xiàn)澆連續(xù)梁,時(shí)速350 km無(wú)砟軌道(40+56+40) m、(40+64+40)m、(48+80+48)m懸灌施工連續(xù)梁。由于224m、324m、232m、332m、(24+32+24)m連續(xù)梁可以采用相同跨度簡(jiǎn)支梁替換,現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁模板可利用率高,現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁工序簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性較好,因此這幾種跨度連續(xù)梁較少采用各設(shè)計(jì)院根據(jù)各線工點(diǎn)具體情況編制了主跨100m以下其他跨度連續(xù)梁設(shè)計(jì)圖。如京滬高速鐵路采用了(24+40+24) m、(32+40+32) m、(37+60+37)m、(44+68+44)m、(40+72+40) m、(55+80+55)m等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,中鐵二院各

15、線采用了(36+56+36)m、(36+64+36) m、(44+80+44) m、(56+96+56)m等跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。值得指出的是,對(duì)同樣設(shè)計(jì)時(shí)速相近跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁比較分析后發(fā)現(xiàn),頂板、底板、腹板厚度及預(yù)應(yīng)力筋等方面有一些不同,如(56+96+56) m與(60+100+60)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁比較見(jiàn)表2。因此,建議有關(guān)主管單位對(duì)常用主跨100m及以下預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁統(tǒng)一制定尺寸等參考標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路主跨超過(guò)100m大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁已比較常見(jiàn)。國(guó)內(nèi)已建成有砟軌道高速鐵路連續(xù)梁最大跨度達(dá)144m,已建成無(wú)砟軌道高速鐵路連續(xù)梁最大跨度達(dá)128m。由于需要適應(yīng)軌道及

16、不設(shè)軌縫伸縮調(diào)節(jié)器要求,連續(xù)梁跨度宜控制在150m以內(nèi)。西成線嘉陵江特大橋采用了(76+144+76)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,梁體為單箱單室變高度變截面箱梁,梁體全長(zhǎng)2978m,主跨跨中10m梁段和邊跨端部10m梁段為66m等高梁段,中支點(diǎn)附近9m處梁高為12m,其余梁段梁底下緣按二次拋物線Y=66+X2/7 2338變化。主跨支點(diǎn)及跨中截面見(jiàn)圖2。梁體采用C55混凝土,封錨采用C55無(wú)收縮補(bǔ)償混凝土。梁體按三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)。(1)縱向頂板、腹板、邊跨底板鋼束采用17-152高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,OVM15-17群錨, YCW350B千斤頂張拉,內(nèi)徑90 mm外徑103 mm塑料波紋管成孔。中跨底板

17、鋼束采用19-152高強(qiáng)度低松弛鋼絞線, OVM15-19群錨,YCW400B千斤頂張拉,內(nèi)徑100mm外徑113 mm塑料波紋管成孔。采用真空灌漿技術(shù)。頂板118束(含備用束4束),腹板40束,底板59束(含備用束3束),全橋共設(shè)217束。(2)橫向采用4-152鋼絞線,內(nèi)寬72mm、高22mm塑料波紋管成孔,真空灌漿,單端張拉,張拉端采用OVBM15-4扁形錨具錨固,固定端采用OVBM15P-4型錨具錨固。(3)豎向采用公稱直徑32mm的PSB830預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋,YCW60B穿心式單作用千斤頂張拉, JLM-32型錨具錨固,45mm(=05 mm)塑料波紋管成孔,在腹板內(nèi)單排布置

18、。(4)普通鋼筋:箱梁環(huán)框受力鋼筋、縱向分布鋼筋采用未經(jīng)高壓穿水處理的HRB335鋼筋,聯(lián)系鋼筋采用HPB235鋼筋。連續(xù)梁采用輕型掛籃分段懸臂灌注施工,分別在主跨兩墩頂立模灌注0號(hào)梁段,待混凝土達(dá)到90%強(qiáng)度并滿足5 d齡期時(shí)張拉0號(hào)梁段預(yù)應(yīng)力。然后在0號(hào)梁段安裝掛籃,分別在掛籃上對(duì)稱向兩側(cè)順序灌注各梁段,完成2個(gè)T構(gòu);兩邊跨端梁段利用支架澆筑,同時(shí)合龍兩邊跨,最后合龍主跨,形成連續(xù)梁體系。經(jīng)過(guò)軌道專(zhuān)業(yè)計(jì)算,橋梁所在線路一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)無(wú)砟軌道采用小阻力扣件后,可以不設(shè)置軌縫伸縮調(diào)節(jié)器。由于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁具有整體性好、剛度大、設(shè)計(jì)施工技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)地形無(wú)特殊要求、山區(qū)地質(zhì)滿足其要求

19、相對(duì)地基條件較好等優(yōu)點(diǎn),預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁已成為西南山區(qū)各線首選特殊結(jié)構(gòu)形式。33高速鐵路其他特殊橋梁結(jié)構(gòu)形式概述京津城際跨北京四環(huán)主橋采用了(60+128+60)m連續(xù)梁拱橋6,京滬高速鐵路鎮(zhèn)江跨京杭運(yùn)河主橋采用了(90+180+90)m連續(xù)梁拱橋。高速鐵路高墩大跨橋梁常選用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,國(guó)內(nèi)已建成襄渝增建二線普速鐵路牛角坪特大橋主橋采用(100+192+100)m連續(xù)剛構(gòu),廣珠城際容桂水道特大橋主橋采用(108+2185+115)m連續(xù)剛構(gòu)。山區(qū)高速鐵路針對(duì)峽谷陡壁特殊地形選用T構(gòu),普速鐵路宜萬(wàn)線馬水河大橋采用(116+116) m T構(gòu),日本上越新干線吾妻川大橋采用(110+1

20、10) m T構(gòu),國(guó)內(nèi)高速鐵路合福、西成等線設(shè)計(jì)擬采用的T構(gòu)跨度在70m左右。西南山區(qū)各線設(shè)計(jì)擬采用其他特殊大跨代表橋梁有: (1)云貴線丘北南盤(pán)江特大橋主橋采用416 m勁性骨架鋼筋混凝土拱; (2)滬昆線北盤(pán)江特大橋主橋采用430m鋼筋混凝土拱; (3)成貴線金沙江大橋主橋采用(96+108+360+108+96)m連續(xù)鋼桁拱; (4)大瑞線怒江特大橋主橋采用490m上承式鋼桁拱; (5)渝利線韓家沱長(zhǎng)江特大橋主橋采用(81+135+432+135+81)m鋼桁斜拉橋; (6)南廣線郁江特大橋主橋采用(36+96+228+96+36) m鋼桁斜拉橋; (7)滬昆線姚官屯特大橋主橋采用(42

21、+128+42)m系桿拱等。為保證橋梁縱橫向剛度滿足高速行車(chē)要求,橋愈高,下部結(jié)構(gòu)需做大做強(qiáng);大跨度橋梁梁端伸縮量及轉(zhuǎn)角相對(duì)較大,易造成軌道不平順,對(duì)高速行車(chē)不利;高橋高速行車(chē)安全隱患是必須考慮的問(wèn)題。因此,應(yīng)進(jìn)行多方面技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后慎重選擇高墩大跨橋梁線路方案。4山區(qū)高速鐵路橋墩形式比較41圓端形墩與矩形墩比較圓端形與矩形橋墩是山區(qū)高速鐵路常用橋墩形式。本文以7度地震區(qū)墩高40m為例進(jìn)行圓端形空心墩與矩形空心墩身工程數(shù)量及剛度比較,見(jiàn)表3。圓端形空心墩構(gòu)造如圖3所示,矩形空心墩構(gòu)造如圖4所示。表3顯示,墩高40m按圖3、圖4墩身尺寸,矩形空心墩不論是混凝土還是鋼筋數(shù)量均小于圓端形空心墩,但矩形空心墩墩身縱橫向線剛度均小于圓端形空心墩。矩形空心墩與圓端形墩各有優(yōu)勢(shì),選用以外部條件決定。經(jīng)過(guò)汶川大地震后,有觀