预留轨道交通通道的桥梁设计研究

刘帮俊 乔云强

(林同棪国际工程咨询(中国)有限公司 重庆401121)

1 研究背景

中国人口众多，大城市交通拥堵现象十分突出，为了缓解持续增长的交通压力，大力发展轨道交通是一种非常有效的手段。轨道交通规划涉及线网规划、用地规划、征地拆迁等诸多方面，前期论证周期长，建设实施滞后。为了减少用地矛盾，降低协调难度和建设成本，节省用地资源，选择在市政道路上预留轨道交通通道很有必要。市政道路上的桥梁结构是预留轨道交通通道的重要控制节点。桥梁结构设计要考虑轨道交通的特殊要求，如荷载、结构控制指标(如刚度、振动)、净空、建设时序等。若设计考虑不周，可能会带来严重问题。如某跨江桥，由于设计年代较早，预留轨道交通通道时仅考虑了荷载和净空，对于轨道交通的特殊要求(如列车走行性、安全性、梁端转角、局部承载力、构件疲劳等问题)未做深入研究。桥梁建成若干年后，再次进行轨道交通通行研究时，发现不能满足要求，需对原桥进行改造或新建复线桥。由于改造方案存在投资多、风险高、交通影响大等因素，最终选择了新建复线桥方案，为此付出了很大代价。因此，处理好先建桥梁与后建轨道交通通道的关系在设计阶段极为重要［1-3］。

针对公轨共建和公轨分建两种轨道交通预留模式，笔者以泸州市沱江四桥及连接线高架桥和重庆市溉澜溪大桥工程为例，分别提出了结构设计策略。以满足分期实施、经济性、结构合理性、景观协调性等多种要求，旨在为同类项目提供参考。

2 公轨共建桥案例

2.1 工程概况

泸州市沱江四桥及连接线工程位于泸州城市环线快速路上，为南北向主通道，承担城北、城西、城南3个片区的交通联系。中期规划轨道交通线路在本通道上经过，连接火车南站、城北中心站和机场。该工程设计线路全长3.815 km，为城市快速路，沱江四桥在西南医疗康健城处跨越沱江。

根据轨道交通系统客流需求分析，2030年在沱江四桥通道处高峰时段单向公交客流约1万人次/h，就交通量而言，宜采用中、低运量轨道交通形式。结合全球轨道交通系统发展情况，从技术成熟、运用范围及我国运营经验的角度出发，我国中低运量轨道交通系统主要包括:跨座式单轨、轻轨、现代有轨电车等几种形式。针对泸州人口增长实际情况及片区开发进度情况，将预留的轨道交通通道用作BRT(快速公交系统)通道也是一种不错的选择。

由于泸州市轨道交通线网规划及建设规划等前期研究深度有限，存在一定的不确定性;而轨道交通通道又必须提前预留，因此既要具有通用性，又要具有针对性是该通道预留的基本原则。具体而言，通道预留的荷载和净空应满足所有适宜的轨道交通要求。

通过综合分析，净空宽度采用11 m宽(含防撞等附属设施空间)、轨道设计控制荷载采用地铁B型车6辆编组及跨座式单轨包络设计，能满足跨座式单轨、轻轨、现代有轨电车等中低运量轨道交通制式的所有要求。

根据泸州市专家委会、规划委会等会议要求，近期应利用预留的轨道交通通道空间，将道路断面设置为双向8车道，远期改成双向6车道+轨道交通通道［4］。

2.2 跨江桥设计

综合考虑公轨共建的功能需求及体现泸州“酒城”文化的景观需求，跨江主桥采用独塔双索面斜拉桥结构形式，跨径布置为(55+200+58+50)m(见图1)，主桥夜景效果见图2。为了减轻结构自重，200 m主跨采用了带悬臂的流线型扁平钢箱梁，为了限制梁端转角，满足轨道交通运行要求，与主跨相邻的55 m跨与主跨结构连续，也采用钢箱梁。由于主桥边跨(58+50)m位于岸边，施工方便，采用了钢管柱支架现浇的混凝土梁，以节省工程造价。在距离桥塔中心线8.5 m处设置钢-砼接头，实现了梁体连续，整座主桥形成钢-砼混合梁结构体系。桥塔处塔、梁固结，对结构受力和抗震有利。

图1 桥梁总体布置

图2 主桥效果图

由于路幅较宽，为了限制轨道的扭转位移，满足轨道交通运行要求，并利于结构受力，采用双索面斜拉桥［5］。结合轨道与公路交通同层运营需要隔离的要求，在横断面上，将索面布置在公、轨通道两者之间，既实现了公、轨隔离，又巧妙地利用了隔离空间设置桥塔和索面，压缩了索面张开幅度，实现桥梁景观上的协调。主桥标准横断面布置分近期和远期两种，见图3。

人字型桥塔具有较好的稳定性，上塔肢采用钢与混凝土组合，以提高桥塔整体刚度。由于桥面较宽，钢箱梁采用左右幅分离式双箱，在拉索、塔、墩处的双箱之间设置横隔梁。钢箱梁顶、底板上U肋和横隔板(梁)垂直交叉，构成正交异性板结构体系，主梁中心线处梁高为3.5 m，横隔板间距3.0 m，主梁具有较强的刚度，可满足轨道交通对主梁刚度的需求。

混凝土主梁采用外轮廓与钢箱梁一致的形状，为流线型扁平分离式双箱截面。两箱顶板连通，并在塔梁结合段、辅助墩和交接墩位置处设置横梁;在拉索锚固对应位置处设置横隔板。这样的结构体系既能使全桥梁体外形统一协调，又改善了宽桥的结构受力性能。

图3 桥梁横断面布置

主桥钢箱梁采用岸上拼装后整体顶推施工，保证了钢结构的施工质量。综合考虑49 m宽混凝土梁施工期的抗裂性能及混凝土的工作性能，采用了横向分幅、纵向分段的支架施工方案。即在桥梁中线处的桥面板和横梁上设置宽100 cm的混凝土后浇带，纵向分4个浇筑节段逐段施工。

2.3 高架桥设计

该工程高架段较长，因道路断面近期设置为双向8车道，远期改成双向6车道+轨道交通通道，如何有效实现远近期结合，是高架桥设计需要重点关注的问题。跨江桥由于景观及桥型因素，采用整体式上部结构比较合适。主线道路上的一般高架桥与跨江桥不同，要综合考虑经济性、功能分配、结构受力等综合因素，需另行制定能有效适应远近期路幅分配的结构设计方案。

2.3.1 横桥向分幅设计

由于路幅较宽，横向收缩变形较大;中间部位远期行走轨道交通，路幅上需要隔离;轨道交通与公路交通桥结构刚度不同，横桥向桥梁结构变形有差异。鉴于以上3方面的原因，将桥梁横断面设置成左、中、右三幅分离式桥，近期通过桥面板湿接缝连接实现桥面连续(见图4)。施工时，三幅桥单独施工，在主梁混凝土、预应力张拉、灌浆及支架拆除施工完成后，才浇筑桥面板湿接缝，避免因混凝土收缩徐变、主梁变形差异等原因出现裂缝。远期路幅改建时，将湿接缝切开，三幅桥很容易就能实现结构分离。

图4 一般高架桥横断面布置

这种设计方式能有效避免结构裂缝，远近期结合的适应性好;远期路幅改造时，对公路交通影响相对较小，改造施工容易;同时公路和轨道交通桥梁能分别按各自的刚度需求进行设计，对控制造价有利。

2.3.2 纵桥向模数化布跨

在可能采用的轨道交通形式中，跨座式单轨对桥跨布置要求比较严格，对其余几种则不严，因此以满足跨座式单轨要求作为桥跨布置的基本原则。根据重庆市单轨交通实施的经验，并结合未来发展的趋势，采用30 m跨径能满足跨座式单轨的布跨要求。从地形和线路设计标高来看，采用30 m跨比较合理。因此，一般高架桥总体布跨原则为:以30 m跨为主，其余零星跨径的布置以满足单轨交通桥跨模数(20、22、24m等)要求为准［6］。

桥梁分联长度控制在150 m内，该长度内轨道交通桥梁不需要设置伸缩调节器，以节省工程造价。

2.3.3 按不同刚度需求设计

中幅桥通行轨道交通，对刚度要求较高;左右幅桥通行公路交通，对刚度要求较小。从节省造价角度出发，三幅桥分别按各自规范要求进行设计。以30 m跨连续梁为例:

左、右幅主梁桥宽15.5 m，采用斜腹式单箱三室等截面箱梁，梁高1.6 m。主梁顶板宽15.4 m，底板宽10.6 m，两侧翼缘各外挑1.9 m。跨中箱梁顶板厚25 cm，底板厚22 cm，腹板厚50 cm。中幅主梁桥宽10.0 m(含湿接缝)，采用斜腹式单箱单室等截面箱梁，梁高1.8 m。主梁顶板宽10.0 m，底板宽5.2 m，两侧翼缘各外挑1.9 m。跨中箱梁顶板厚28 cm，底板厚22 cm，腹板厚60 cm。

左、右幅桥下部结构采用钢筋混凝土桥墩，桥墩下面接单桩基础。中幅桥下部结构采用钢筋混凝土T形桥墩，桥墩基础为承台加群桩基础。

3 公轨分建桥案例分析

3.1 工程概况

溉澜溪大桥工程是重庆江北区溉北路的重要组成部分，处于江北嘴中央商务区的拓展区。溉北路为城市主干道Ⅰ级，设计时速为50 km/h，长度为1 130 m。规划轨道交通9号线路与溉北路重叠，位于市政道路中央，采用地铁B2型车的标准，最高设计速度为100 km/h，采用6辆车编组。考虑地铁B2型车限界要求、分期实施对交通影响、结构防撞安全影响及基础间距要求等，预留通道净宽需大于11 m，从节约用地方面考虑，通道净宽控制为不小于12 m。因此，溉北路横断面布置为3 m(人行道)+11.5 m(车行道)+0.5 m(防撞护栏)+12 m(中央分隔带兼轨道交通9号线一期工程高架桥预留通道)+0.5 m(防撞护栏)+11.5 m(车行道)+3 m(人行道)［7］。

轨道交通9号线一期沿溉北路布置段，由地下线在溉澜溪大桥小桩号桥台处出隧道后转为高架线，跨越溉澜溪后在溉澜溪大桥大桩号桥台后侧设溉北路高架站。溉澜溪大桥设计时仅有轨道交通9号线工程预可研成果，针对跨溉澜溪段轨道高架桥仅有简单的桥跨布置方案，无确定的工程方案。为避免将来轨道交通9号线施工对道路桥梁的影响，溉澜溪大桥小桩号桥台处靠近轨道交通9号线两侧应设置挡墙进行支护，挡墙之间的净距不得小于12 m，同时挡墙基底设计标高不得大于203 m。由于轨道交通9号线处于可研阶段，高架桥长和布跨均不确定，溉澜溪大桥布跨应考虑后期轨道桥的适应性，保证其景观协调。

3.2 桥梁设计

3.2.1 考虑轨道桥易协调的桥跨布置与结构构造

溉澜溪大桥受两侧接线标高限制，桥面标高较高，距离地面约30 m。小桩号桥台受道路交叉口位置限制及大桩号桥台受轨道高架车站及公交车港限制，桥台位置及桥长基本确定。所跨溉澜溪为长江小型支流，无通航要求，目前建设为城市景观河道，宽度约25 m。基于以上边界条件，最适宜桥型为连续刚构，不再做其他桥型比选。桥长及桥型确定后，主要根据跨河道条件及后期轨道布跨的易协调性来布置桥梁跨度。尽管河道弯曲与路线交角较大，但考虑经济性及边跨布置条件后认为跨河主跨不宜过大。由于河道边坡可立墩，故选择55 m中跨跨河，且与40 m边跨较协调。经多轮方案比选，最终经重庆规划局及轨道交通建设办公室确定的方案为:溉澜溪大桥两幅桥均采用第一联4×40 m等截面连续刚构加第二联(40+55+55+40)m变截面连续刚构。A0桥台处设轨道交通9号线一期工程预留走廊支挡结构物。大桥右幅立面布置图见图5。

图5 溉澜溪大桥立面布置

考虑到轨道桥建成后，三幅桥共宽42 m，如果主梁选用宽箱室结构，梁体会显得厚重，同时需要较宽的桥墩，会造成桥下空间视线拥堵。为保证梁体美观、轻巧且便于后期轨道交通高架桥与之协调，采用大悬臂斜腹板单箱双室箱形截面。第一联等截面段梁高2.1 m，箱梁顶宽14.8 m，底宽8 m，两侧翼缘各外挑2.9 m;第二联变截面段跨中截面同等截面段，墩顶处梁高3.5 m，底宽由跨中8 m变化至根部7 m，腹板斜率同跨中截面。

高桥墩设计为满足桥下景观要求，在满足受力条件下应尽量减小截面尺寸［8］。考虑轨道桥常用的墩身截面，选择了带挖槽的八边形截面。墩身截面尺寸分为两种:P1～P3墩为3.5 m×1.8 m，P4～P7墩为3.5 m×2.2 m，矩形截面四角对应切除70 cm×50 cm倒角。为使较窄墩身与较宽的梁底过渡自然和传力顺畅，设置倒棱台体墩梁过渡段。图6为大桥施工完成后的效果。

图6 溉澜溪大桥建成后效果

3.2.2 A0桥台及支挡结构物的创新形式

A0桥台处即轨道交通桥入地处地质条件较差，上覆厚度为20～28 m的素填土和粉质黏土。A0桥台的设计既不能与轨道交通预留通道冲突，又要考虑后期轨道交通施工不能对其产生影响，因此要与轨道交通支挡结构物一同考虑。对于轨道交通支挡结构物，在保证轨道交通可实施性的同时，又要考虑与A0桥台的连接及支挡台后、台侧的厚填土。受轨道交通桥入地处标高及支护范围的控制，单侧支挡结构尺寸长30 m，宽14.8 m，高度至少为24 m。对于如此之大的支挡结构，选择合理的结构形式尤为重要。由于可作为基础持力层的中风化岩层埋深较大，采用扩大基础将进一步加高结构尺寸，因此选用群桩基础。支挡结构物如选用常规的重力式或是扶壁式结构，较高的支挡高度将导致工程量巨大，且群桩基础无法支撑巨大的结构物和填土的重量，因此传统的支挡结构设计思路已经不再适用。从受力合理、结构安全、造价经济及减小后期轨道交通桥施工对其影响的角度出发，经多方案比选最终选择A0桥台及支挡结构为整体考虑，采用箱型结构+桩基形式，结构高20.128～23.87 m，长30.4 m，宽14.8 m。承台基底标高202.364 m。由于两侧土压力较大，在左、右两幅桥台及支挡结构之间设5层横撑联系。为平衡台后土压力，在后侧箱室内填碎石压重，利于桩基础受力均匀。支挡结构物布置见图7。

因轨道交通桥标高不确定，为满足后期不同标高下的净空要求，为轨道9号线施工预留条件，5层横撑联系梁考虑冗余设计。即后期轨道交通9号线施工时允许拆除两道，结构物仍然满足受力要求，但只能按以下4种工况中的一种进行拆除:①拆除1#、2#横撑;②拆除2#、3#横撑;③拆除3#、4#横撑;④拆除4#、5#横撑。当施工只需拆除一道横撑时，任何位置均可。施工完成的A0桥台及支挡结构地表部分见图8。

图7 支挡结构布置 单位:m

图8 A0桥台及支挡结构地表部分

4 结语

公轨共建的泸州市沱江四桥及接线高架桥工程充分研究了远、近期功能分配，既保证了远期任何轨道交通形式的可实施性，又为近期提供了充足的市政车道，实现了投资利益的最大化。在轨道交通前期研究不成熟的情况下，该桥确定预留轨道交通通道的原则和结构设计的思路可为类似工程提供参考。

公轨分建的溉澜溪大桥工程结合轨道交通的建设要求，提出了合理的桥跨布置和结构造型方案。首次将经济性较好的箱型结构应用在大型轨道交通支挡结构上。尽管该支挡结构增加投入2 600万元，但为后期轨道交通9号线一期工程创造了良好的设计和施工条件。

通过以上2个桥梁案例，说明轨道交通预留工程设计是以轨道交通的前期论证，尤其是轨道交通线位、制式等专题研究为基础的，否则盲目决策将给后期建设带来风险。同时，设计阶段应贯彻可持续发展的设计理念，充分考虑轨道交通空间预留带来的相关问题，以保证后期轨道交通的最优化实施。

［1］邱丽丽，张学军，路璐.城市轨道交通预留工程风险分析及对策［J］.城市轨道交通研究，2013，16(2):1-5.

［2］仲建华.城市轨道交通桥梁创新设计及策略［J］.都市快轨交通，2011，24(2):14-18.

［3］蒋忠贵.重庆轨道交通环线鹅公岩段过江桥方案研究［J］.城市道桥与防洪，2011，(8):42-47.

［4］林同棪国际工程咨询(中国)有限公司.泸州市沱江四桥及连接线工程施工设计图［Z］.重庆，2014.

［5］邵长宇，卢永成，黄少文.长大公轨合建桥梁设计技术［J］.世界桥梁，2009，37(S1):10-13.

［6］李来龙，马佳.重庆市跨座式单轨交通的连续轨道梁设计［J］.城市轨道交通研究，2007，10(6):46-49.

［7］林同棪国际工程咨询(中国)有限公司.溉北路、鲁溉路市政道路及综合管网工程施工设计图［Z］.重庆，2011.

［8］曹玉忠，柳发.城市轨道交通高架桥特点与设计对策［J］.铁道标准设计，2007，51(8):60-63.