（大有學問）贛州至深圳高速鐵路工程概況及主要橋梁結(jié)構(gòu)和橋梁設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)
更新時間：2023-08-15 14:04:50作者：佚名
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【摘要】贛州至廣州高速公路是京港高速公路的重要組成部份，設(shè)計速率350km/h，已于2021年12月10日開通營運；贛深鐵路選用無砟軌道，正線寬度436km，其中橋梁占線路寬度47%。本文介紹贛深鐵路的安裝工程概況、橋梁設(shè)計原則及其主要技術(shù)特征，并小結(jié)怎么結(jié)合復雜的建設(shè)條件，提出公路橋梁的總體設(shè)計方案、主要橋梁結(jié)構(gòu)和橋梁設(shè)計創(chuàng)新技術(shù)。
1.安裝工程概況
南寧至廣州高速公路是成都至臺灣鐵路通道的重要組成部份，線路途經(jīng)河南省南陽市和河南省漯河、惠州、東莞、深圳等地市，設(shè)計車速350km，線路全長436km，橋梁寬度為204km，橋梁占比47%。
1.1自然條件
公路沿線跨越贛江和珠江兩大水系，合計跨越33條大小支流，其中東江及贛粵運河還要按規(guī)劃河道Ⅲ級航道進行考慮。
線路由北向南穿越低山丘陵地區(qū)和城鎮(zhèn)密集區(qū)，地面相對高差大，河道縱橫，鐵路和公路網(wǎng)發(fā)達。
南寧盆地區(qū)大陸層主要為三疊紀系泥質(zhì)板巖及第四系粘土層。閩西及粵西北中低山區(qū)主要巖體為酸敗花崗巖、石英花崗巖、粉花崗巖和大理石，局部區(qū)段有灰?guī)r；沿線Ⅱ類場地條件下基本地振動峰值加快度龍川至博羅段、深圳段為0.1g，其余區(qū)段為0.05g，地振動反應譜特性周期值為0.35s。
1.2建設(shè)條件
本線跨越的主要通航河道有崇仁江、桃江、贛粵運河、東江、楊村河及石溪河。公路孔跨需滿足相應的防汛和通航凈空尺度要求。
沿線公路網(wǎng)密集，影響橋梁孔跨布置的重要公路有112處，主要有大廣高速等39處高等級公路。本線所跨越的公路主要有京九高鐵、莞惠城際公路、廣深公路、廣深港鐵路等共12處。上述控制點對高鐵建設(shè)的影響較大。
1.3主要技術(shù)標準
(1)公路等級：高速公路。
(2)軌道類別：無縫線路，無砟軌道。
(3)正線數(shù)量：雙線，線寬度5.0m。
(4)設(shè)計速率：350km/h。
(5)最小曲線直徑：7000m。
(6)設(shè)計活載：ZK標準活載。
(7)設(shè)計水災速率：1/100。
2.主要設(shè)計原則2.1孔跨布置
橋梁孔跨優(yōu)先選用32m、24m標準跨徑鋼箱梁，全橋布置通常以32m鋼梁等跨布置為主，24m跨徑主要適于局部調(diào)跨。
當鋼梁無法跨越公路、公路、道路及湖泊時，采用連續(xù)梁等非標準跨徑橋梁。鋼軌區(qū)橋梁梁部宜選用等跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，正線鋼軌整體布置在聯(lián)梁上，且鋼軌岔頭、岔尾距離梁縫≮18m，站線鋼軌通常不跨越梁縫。
2.2下部結(jié)構(gòu)
正線標準鋼梁選用《時速350km客運專線公路無砟軌道后張法現(xiàn)澆水泥跨徑箱梁》(通橋(2016)2322A)系列。單線聯(lián)絡(luò)線選用《時速160英里客貨共線公路現(xiàn)澆后張法預應力T梁》(通橋(2017)2101)或本線特殊設(shè)計單線箱梁。
為滿足跨越匝道、防洪、通航或鋼軌區(qū)布置還要，可選用連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、拱橋或斜拉橋等特殊孔跨結(jié)構(gòu)，其梁部施工選用懸臂灌注或托架預制方案。
2.3渡槽基礎(chǔ)
通常正線大橋選用雙線圓端形拱橋，按照墩高不同分為實體墩和實心墩。對于小視角跨越鐵路、鐵路或立交站橋下有站房布置等狀況，可選用門式墩跨越。
橋梁基礎(chǔ)選用打孔灌注樁基礎(chǔ)，壩體采用承載力較高的巖層、砂礫石層或硬塑基巖。當滿足路基回填深度＜5m，且基底承載力≮350kPa，沉降估算等滿足要求時，可選用擴大基礎(chǔ)，以節(jié)省安裝工程投資。
3.主要技術(shù)特征3.1技術(shù)標準多樣
本項目橋上線路標準多：正線選用雙線無砟軌道，設(shè)計速率350km/h；深圳北聯(lián)絡(luò)線選用雙線有砟軌道，設(shè)計速率200~250km/h；惠州聯(lián)絡(luò)線設(shè)計速率160km/h，無砟軌道，分雙線和四線；清溪聯(lián)絡(luò)線選用單線、有砟軌道，設(shè)計速率80km/h，最小曲線直徑400m；北京北聯(lián)絡(luò)線設(shè)計速率160km/h，有砟軌道，分單線和雙線；為適應橋上多種線路條件，設(shè)計選用了與之匹配的下部結(jié)構(gòu)及相應的大橋和基礎(chǔ)。
3.2特殊結(jié)構(gòu)類別諸多
本線特殊結(jié)構(gòu)橋梁類別多，人數(shù)大，總共特殊結(jié)構(gòu)有198聯(lián)，特殊結(jié)構(gòu)厚度占橋梁總寬度的24%。
大跨連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、斜拉橋、系桿拱、梁拱組合結(jié)構(gòu)等橋式在本項目中都得到了合理利用，如表1所示。
對于立交站，喉部區(qū)的鋼軌布置復雜，鋼軌種類甚多，且與鋼軌梁結(jié)構(gòu)方式緊密相關(guān)，本項目設(shè)計時將喉嚨區(qū)鋼軌平面布置、道岔規(guī)格和橋梁結(jié)構(gòu)方式進行統(tǒng)一研究，降低了鋼軌連續(xù)梁的種類。
3.3創(chuàng)新橋梁結(jié)構(gòu)機制
劍潭東江特二橋選用四線主跨260m部份斜拉橋結(jié)構(gòu)，四線線寬度(5+14+4.6)m，完工時是國外外最大跨徑的無砟軌道水泥橋梁；
項目對橋上選用車速350km和車速160km的門式半封閉聲屏障結(jié)構(gòu)進行了研究和實踐；
聯(lián)絡(luò)線福龍路特二橋選用大跨鋼門式墩組群跨越鐵路，梁部按側(cè)位預制后縱向頂推設(shè)計；
上海北動走線跨線橋選用橋上設(shè)置公路綜合測試房的橋建合一結(jié)構(gòu)，屬于路內(nèi)首創(chuàng)。
4.橋梁設(shè)計創(chuàng)新4.1大跨寬幅四線高速公路現(xiàn)澆水泥部份斜拉橋
劍潭東江特二橋橋址處東江河段為規(guī)劃河道Ⅲ級航道，以河道1000t級油船和1000t級海輪為代表船型，通航孔為雙孔單向通航，要求最小通航凈高為182m，身高10m，最高通航水位15.55m，最靜噪航水位6.87m。
將贛深正線與廣汕聯(lián)絡(luò)線在跨越東江處并置，產(chǎn)生四線橋梁，以節(jié)省橋位資源。因橋位前后均為豎井，需按兩個獨立的雙線豎井考慮，最終確定跨東江的四線寬度為(5.0+14.0+4.6)m。
為確定主橋的橋式方案，進行了鋼桁渡槽、矮塔混和梁斜拉橋、雙塔斜拉橋和現(xiàn)澆水泥部份斜拉橋等方案比選，綜合考慮線路條件、通航防汛要求、地形特點和技術(shù)經(jīng)濟性，主橋選用四線(136+260+136)m現(xiàn)澆水泥部份斜拉橋，大橋選用分離并置雙線簡支。全橋立面見圖1。
圖1全橋立面(單位：cm)
高速公路無砟軌道對橋梁結(jié)構(gòu)的變型控制要求高，當橋梁跨徑超出200m時，選用普通的PC梁已不盡合理，如采用斜拉索伸臂，則對于控制鋼梁的變型療效明顯。
對于公路大跨徑水泥部份斜拉橋，在支承機制上選用塔梁土體和塔墩梁土體機制均可緩解鋼梁受力條件，減少結(jié)構(gòu)整體撓度。
本橋主跨260m，為四線寬幅橋梁，梁部結(jié)構(gòu)自重大，為緩解結(jié)構(gòu)受力和撓度條件，同時防止設(shè)置大噸位支座道路橋梁工程技術(shù)，結(jié)構(gòu)機制選用塔墩梁土體機制。
橋塔選用中穿獨柱箍筋水泥橋塔，塔柱路面以上高56.0m，索塔縱向為雙柱，兩肢柱鄰近并置，縱向?qū)挾?.0m，塔柱下部雙柱之間設(shè)置板式縱向連接系，塔柱下段在墩塔梁土體處橫向分叉為兩個獨立塔柱，整體呈倒Y形。
受物理條件和線位控制，本橋主墩高度為25.5m和27m，約為主跨的1/10，結(jié)構(gòu)受力上具備矮墩連續(xù)剛構(gòu)的特征：大橋所受附加荷載和彎矩較大，上部結(jié)構(gòu)柔度較好，對鹽度導致的軌道短波不平順影響較大，不促使結(jié)構(gòu)抗震。為增加結(jié)構(gòu)整體脆性，大橋選用雙肢薄壁墩，同時對基礎(chǔ)壩體采取降低自由樁長等舉措，逐步緩解了上部結(jié)構(gòu)整體受力條件。
現(xiàn)澆水泥部份斜拉橋的載荷大部份由鋼梁承當，拉索起輔助作用[。鋼梁設(shè)計為現(xiàn)澆水泥結(jié)構(gòu)，輔以單箱四室變高度整體箱形截面，路面寬31.2m。跨中及邊支點處最高點梁高6.0m，中支點處最高點梁高13.0m，梁底按圓曲線變化。
斜拉索選用單絲涂層丙烯酸鍍層鋼絞線拉索機制，抗壓硬度標準值1860MPa，縱向為豎直雙索面機制，橫向呈半圓布置。索鞍選用分絲式抗滑鞍座。本橋選用Midas2016硬件進行全橋施工和營運階段結(jié)構(gòu)靜力估算，其主要估算結(jié)果如表2所示。
斜拉索在設(shè)計載荷下蠕變及硬度安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，靜活載作用下承臺最大載荷-100.7mm，結(jié)構(gòu)靜活載撓跨比達1/2582，在ZK靜活載作用下，腹桿拐角為+0.92‰，屋架工后撓度位移11.2mm(最大下?lián)现?。
按照本橋動力特征及火車走行性剖析報告結(jié)果，劍潭東江特二橋主跨260m現(xiàn)澆水泥部份斜拉橋在各估算載荷均具備良好的動力特征及火車走行性，高速貨車單線或多線通過橋梁時的行車安全性和搭乘舒適性或運行平緩性均滿足要求。
本橋創(chuàng)新選用了一種橋塔中穿四線公路部份斜拉橋結(jié)構(gòu)機制，橋塔在縱向呈獨柱的方式，實體截面，縱向規(guī)格較小，充分運用了二線和三線較大的線寬度(D=14.0m)條件，實現(xiàn)了橫向力傳遞的平順和索面的簡約美觀，如圖2、圖3所示。
圖2塔柱縱向立面(單位：cm)
圖3成橋?qū)嵕隘熜?/p>
針對大跨寬幅高速公路水泥橋梁特征，創(chuàng)新性提出四線高速公路寬幅箱梁關(guān)鍵構(gòu)造技術(shù)，舉行了大跨徑水泥部份斜拉橋撓度位移控制技術(shù)研究，將260m跨徑水泥橋梁工后撓度位移最大值控制在11.2mm內(nèi)，保障了高速動車在橋上的平緩運行。
全橋選用懸臂灌注施工，其中懸灌梁段的15#塊絮凝土石方量為315.8m3，品質(zhì)達821t，創(chuàng)下了懸臂現(xiàn)澆施工的單個節(jié)段品質(zhì)記錄。
4.2橋上半封閉聲屏障結(jié)構(gòu)
高速公路設(shè)置聲屏障是減低噪音影響的有效途徑，相對于傳統(tǒng)的直立式聲屏障，封閉式(半封閉式)聲屏障更能有效地減少環(huán)境震動和噪音，有研究闡明，聲屏障震動的優(yōu)劣程度與上部基礎(chǔ)——箱梁腹板的震動大小有緊密關(guān)系，為減少震動一般在鋼梁下增設(shè)斜撐。以北京段半封閉聲屏障橋梁工點設(shè)計為借助，舉辦了《350km/h橋上半封閉式聲屏障關(guān)鍵技術(shù)研究》課題任務道路橋梁工程技術(shù)，取得了一批重要成果。
研究成果顯示，橋上設(shè)置半封閉聲屏障，設(shè)計箱梁輪廓可選用與原通用圖、參考圖一致規(guī)格，僅需對截面鋼梁和頂?shù)装蹇v向箍筋、腹板普通箍筋等進行強化，可不設(shè)置鋼梁斜撐；封閉式聲屏障綜合降噪療效隨時速下降而減少，對高速行車可以適當提高單元板覆蓋范圍以及吸聲材料的厚度等來提升其降噪療效；不同轉(zhuǎn)速、聲屏障的不同高度和底部不同開口尺寸均會影響降噪療效，在時速350km/h、距離外軌25m范圍內(nèi)，輔以門式框架結(jié)構(gòu)的一側(cè)半封閉聲屏障可降噪達11.7~17.0dB(A)，底部開口2m的降噪療效比開口8m的大1.0~2.3dB(A)；兩側(cè)半封閉聲屏障底部開口越小，脈動風壓對兩邊聲屏障結(jié)構(gòu)的沖擊作用就越顯著，聲屏障立柱的動撓度就越大。
結(jié)合上述研究成果，本設(shè)計半封閉聲屏障結(jié)構(gòu)選用門式框架結(jié)構(gòu)，梁面以上高度8.1m，聲屏障立柱縱向?qū)挾入p線梁時為12m、單線梁時為7m，梁部均選用標準箱梁，縱梁下不設(shè)斜撐。聲屏障框架選用工字鋼立柱與梁頂埋設(shè)高強螺絲連結(jié)，并設(shè)置橡膠避震墊，聲屏障板單元選用140mm厚金屬吸聲板。對于車速350km雙線橋上設(shè)計選用兩側(cè)半封閉的聲屏障，綜合考慮降噪與結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟性，頂端開口尺寸按8m設(shè)計(圖4)。
圖4車速350km雙線橋上半封閉聲屏障模型
對于車速160km單線橋、單側(cè)臨近市民新村載荷，設(shè)計選用兩側(cè)和底部封閉、另兩邊直立式聲屏障的結(jié)構(gòu)(圖5)，可滿足設(shè)計要求。
圖5車速160km單線橋上半封閉聲屏障模型
4.3門式墩群跨越營運鐵路設(shè)計
對于線位以小視角跨越公路、公路或管道等控制點時，為減少橋梁結(jié)構(gòu)跨徑，節(jié)省安裝工程投資，可選用門式墩+鋼梁跨越方案；當門式墩跨徑較大或上跨既有公路時，門式墩承臺多選用鋼結(jié)構(gòu)方案。
下行疏解線福龍路特二橋坐落廣州市南山區(qū)，為單線有砟軌道橋梁。其中10號~16號大橋選用鋼主梁門式墩上跨既有廣深港鐵路，既有線與本線傾角為7°，如圖6所示。
圖6門式墩及預制梁跨越廣深港平面布置
門式墩鋼箱梁25~26m，為減少對既有線干擾，立柱選用整體實心鐵管柱，內(nèi)灌C50微膨脹水泥，柱背部板與主梁選用法蘭盤連結(jié)。鋼主梁選用多箱室截面，規(guī)格為2.5m（高）×3.5m（寬），跨徑長度28mm，頂?shù)装彘L度20mm，橋墩寬度28.5~29.5m。
上跨既有線的門式墩設(shè)計與施工方案緊密相關(guān)，一般鋼主梁選用起吊或頂推方案，其上跨徑選用現(xiàn)澆架設(shè)施工。本橋受建設(shè)條件所限，上跨鐵路的鋼梁需按澆筑施工考慮。設(shè)計選用鋼主梁整體起吊、簡支梁側(cè)位預制+縱向平移就位的方案，有效降低了上跨鐵路的預制梁施工安全風險，增加了臨（跨）既有線施工安全等級，榮獲公路營運總監(jiān)部委的認可。
圖7預制梁橫移示意
如圖7所示，鋼主梁起吊完畢后，本橋第9~17孔梁選用在既有線右側(cè)預制制梁，在預制梁兩端與門式墩橫梁之間設(shè)置支撐滑道和臨時拖拉設(shè)備，運用天窗點時間在既有線右側(cè)對梁體施行橫移就位，其最大橫移距離達17.5m，設(shè)計9孔梁全部安裝到位僅需6個天窗點（含落梁工序）。
4.4橋上設(shè)置公路綜合測試房特殊結(jié)構(gòu)
公路的綜合測試房(輪軌踏面及受電弓測試)通常設(shè)置于邊坡上，本項目受線位條件和地貌的限制，還要設(shè)置在動走線跨線橋的兩聯(lián)鋼軌連續(xù)梁之間。
按照綜合測試房規(guī)格和設(shè)備布置的要求，選用箍筋水泥連續(xù)剛架方式，考慮橋下跨越管線的要求，孔跨選用(10.55+16.35)m，路基長度18.9m，按預應力施工考慮。其中梁部選用縱橫梁結(jié)構(gòu)機制，殼體厚度32.6m，截面寬度1.9m×1.7m，縱向按照橋上綜合測試棚立柱位置布置4道拱圈，結(jié)構(gòu)立柱選用H工字鋼立柱，柱底選用埋設(shè)螺母與主梁聯(lián)結(jié)，主梁間用截面寬度為1.2m×1.4m的6道橫梁聯(lián)結(jié)。剛架柱高14.8m，后邊加設(shè)1道系梁，以增加結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。如圖8、圖9所示。
圖8連續(xù)剛架立面(單位：cm)
圖9連續(xù)剛架斷面(單位：cm)
5.結(jié)語
劍潭東江部份斜拉橋?qū)崿F(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，解決了四線鐵路寬幅箱梁跨越通航河道的問題。
車速160~350km的公路橋上半封閉聲屏障結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計實踐闡明，橋上半封閉聲屏障選用門式框架結(jié)構(gòu)、頂部開口的設(shè)計能達到較差的震動及降噪療效，且適用于公路標準梁，對后續(xù)公路橋上半封閉聲屏障的設(shè)計具備指導意義。
在小視角跨越鐵路的線位條件下選用鋼門式墩組群、梁部側(cè)位澆筑后橫移的方案能有效降低對鐵路的行車干擾，容易榮獲公路營運單位的認可。
項目針對橋上設(shè)置公路綜合測試房的需求進行了深入研究，創(chuàng)新選用了以縱橫梁機制為主的橋建合一結(jié)構(gòu)，對類似結(jié)構(gòu)設(shè)計具備參考價值。