跨越高速公路互通桥梁方案设计研究

彭 磊，刘会芳，王 莹，肖昌仁

（1.湖北省城建设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051；

2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司武汉分公司，湖北 武汉 430071）

0 引言

随着城市快速发展，城市范围不断扩大，已建成邻近城区的高速公路成为了城市发展空间上的屏障。如何跨越高速公路，将城市多个区域连接起来成为城市交通发展的难题。目前，国内跨越高速公路修建桥梁，宜多选择在普通路段，尽量避开枢纽和互通、服务区、停车区、加减速车道、爬坡车道、紧急停车带等[1]。城市道路如何跨越高速公路互通、收费站等枢纽，成为一个道路建设者需要关注、解决的问题。本文以潜江市东荆新区紫光大道跨越汉宜高速公路潜江互通为例，通过对现状环境及高速公路建设影响因素进行分析，研究了跨越高速公路互通桥梁方案设计，为类似项目设计研究提供指导。

1 项目概况

潜江市东荆新区紫光大道是连接东荆新区紫月湖片区和杨市总口片区，是东荆新区“四纵九横”主干路网中一条重要纵向主干道，道路区位见图1所示。道路总体走向由北向南，现状紫月路以北，兴业路以南道路已经建成，仅剩紫月路、兴业路之间跨越汉宜高速公路和沪蓉高速铁路段未建设，成为潜江市南北纵向主干道的一个瓶颈，严重限制了潜江市向南扩张。紫光大道（以下简称“本项目”）采用50 km/h城市主干道标准，道路红线宽度为45 m[2]。

图1 项目区位图

汉宜高速是沪渝高速公路湖北省内武汉至宜昌的一段，双向四车道高速公路标准，设计速度100 km/h，路基宽23.5 m，中分带宽度为1.5 m。项目经过区域为4 m高填方路基段，相交处紧邻潜江互通、收费站，现状为高速加、减速车道变宽段，现状高速公路路基宽度为31.5 m；汉宜高速已经启动双向四车道扩宽为双向八车道研究工作，初步确定双向八车道路基宽度为49.5 m（含变速车道），见图2、图 3。

图2 现状高速公路横断面图（单位：cm）

图3 改扩建后高速公路横断面图（单位：cm）

2 路线设计

2.1 方案设计

根据东荆新区道路网规划，紫光大道北延道路起于现状紫月路，顺接紫光大道中段，终点在兴业路与已建成紫光大道顺接。

结合规划及相关规范要求[3]，“汇流鼻前，匝道与主线间应具有通视三角区。”本项目路线在互通三角区内不能跨越。结合规范规定[4]，“主线分流鼻之前应保证判断出口所需的识别视距；条件受限制时，识别视距应大于1.25倍的主线停车视距。”在汉宜高速改扩建成八车道后，从西向东方向，距离匝道大鼻端200 m范围内不能设置影响视距的构造物。结合规划路线方案，综合互通区视线及停车视距要求，设计了三个路线方案，分别为规划路线、方案一、方案二，见图4。

图4 路线方案示意图

规划方案：路线与铁路保持6°夹角，从63#墩下穿过，与高速公路出口匝道识别视距为275 m，夹角为83°；占用大量厂房用地后，顺接已建成紫光大道。路线设置四段平曲线，半径分别为940 m、400 m、800 m，630 m，在高速公路相交段位于曲线上。

方案一：路线与铁路保持6°夹角，从63#墩下穿过，与高速公路出口匝道识别视距为230 m，夹角为88°；从厂房围墙边穿过后，顺接已建成紫光大道。路线设置三段平曲线，半径分别为900 m、450 m、600 m，在高速公路相交段位于450 m圆曲线和缓和曲线上。

方案二：路线采用分离式路基与铁路垂直相交，从铁路64#墩两侧下穿，与高速公路出口匝道识别视距为230 m，夹角为88°；从占用部分厂房用地后，在兴业路口与已建成紫光大道顺接。路线设计四段平曲线，半径分别为500 m、500 m、700 m、750 m，与高速公路相交位于直线段上。

2.2 方案比选

结合规划要求，满足高速铁路和高速公路运营要求，对三个方案进行比选见表1。

表1 路线方案比选表

通过比选，规划方案和方案一能满足出口匝道识别视距要求，与高速公路相交在曲线段，不便于构造物施工，同时这两个方案与西气东输管道在管道分叉处相交，不利于跨越桥涵设计与施工；方案二对高速铁路、天然气、高速公路、厂房影响最小。综合分析，确定跨越汉宜高速公路潜江互通路线方案采用方案二。

3 桥梁方案设计

3.1 跨越方式分析

我国城市道路与既有高速公路的立交形式主要有2种：一是下穿桥涵通道方式，二是上跨桥梁方式；具体可分为：顶推框架桥、逆做法路改桥、高速改线路改桥、上跨高架桥几种。

本项目经过高速公路区域为4 m高填方路基段，难以满足下穿桥涵通道净空要求，同时施工难度及风险较高，排水困难，需设置排水泵房，后期管养麻烦，维护成本较高。由于项目位于潜江互通、收费站范围内，逆做法路改桥、高速绕线路改桥两种施工方式难以解决高速公路施工保通要求。综合比选，确定本项目跨越高速公路采用上跨高架桥形式。

根据湖北省交通运输厅高速公路管理局《关于进一步规范全省高速公路涉路工程建设管理的通知》要求[5]：“上跨高速公路的桥梁基础及施工开挖断面应在高速公路规划用地范围外，不宜在中央分隔带设置中墩，若须在中央分隔带设置中墩时，中墩两侧应设防撞设施。”同时根据规范[6]规定：“高速公路和作为干线的一级公路，整体式断面中间带宽度小于或等于12 m，或者12 m宽度范围内有障碍物时，必须设置中央分隔带护栏。”本项目若在中央分隔带设置中墩，需要在中墩两侧设置防撞设施和防撞护栏；而现状高速公路中央分隔带仅为1.5 m（含防撞护栏宽度），受高速公路建筑限界限制，无条件设置防撞设施和防撞护栏。因此，本项目为满足现状运营和远期高速公路发展要求，需选择一跨跨越的桥型方案。

3.2跨径组合研究

根据路线设计方案，方案二与汉宜高速夹角为88°路线相交处汉宜高速后期扩建至双向八车道路基宽度为49.5 m。考虑高速公路扩宽后路基防护形式，确定了自然放坡和挡墙支护两种类型，可确定横断面布置有：

标准横断面一：1 m（边沟距用地界碑距离）+1.8 m（边沟宽度）+2 m（护坡道宽度）+6 m（边坡放坡宽度）+49.5 m（扩建后路基宽度）+6 m（边坡放坡宽度）+2 m（护坡道宽度）+1.8 m（边沟宽度）+1 m（边沟距用地界碑距离）=71.1 m，见图5。

图5交叉处汉宜高速横断面一布置图（单位：m）

标准横断面二：1 m（边沟距用地界碑距离）+1.8 m（边沟宽度）+1 m（护坡道宽度）+1 m（挡土墙放坡宽度）+49.5 m（扩建后路基宽度）+1 m（挡土墙放坡宽度）+1 m（护坡道宽度）+1.8 m（边沟宽度）+1 m（边沟距用地界碑距离）=59.1 m，见图6。

图6交叉处汉宜高速横断面二布置图（单位：m）

紫光大道采用一跨上跨高速公路桥型方案，结合横断面布置形式，综合考虑斜交角度、桥墩宽度、高速公路改扩建、施工便利性等因素，确定了如下桥跨组合方案：

根据标准断面一，设计了方案一：主桥采用45 m+80 m+45 m（见图 7）。

图7方案一上跨汉宜高速桥桥型布置图（单位：cm）

本方案桥墩全位于高速公路扩建成八车道后的红线外，不影响高速公路改扩建；但本方案跨径大、主梁高度高，上跨桥梁造价高、景观差。

根据标准断面二，设计了如下三个方案：

方案二：主桥采用40 m+70 m+40 m（见图8）。

图8方案二上跨汉宜高速桥桥型布置图

本方案桥梁的主墩承台不侵入汉宜高速扩建后的用地边界，考虑主墩的承台宽度为8.5 m，且充分预留了高速扩建时边沟及挡墙的施工空间，高速公路改扩建时仅需在桥墩范围内设置4 m高仰斜式挡墙。

方案三：主桥采用36 m+65 m+36 m（见图9）。

图9方案三上跨汉宜高速桥桥型布置图

本方案中桥梁的承台部分侵入汉宜高速扩建后的用地边界，用地边界与桥梁主墩中心线的间距为2.95 m，上跨桥梁设计需要将承台埋置在汉宜高速扩建后边沟下方，埋置深度浅；对高速公路改扩建存在一定影响。

方案四：主桥采用34 m+60 m+34 m（见图10）。

图10方案四上跨汉宜高速桥桥型布置图

本方案中桥梁的承台部分侵入汉宜高速扩建后的用地边界，用地边界紧贴桥梁主墩中心线，上跨桥梁设计需要将承台埋置在汉宜高速扩建后边沟和挡墙下方，埋置深度大；汉宜高速公路改扩建挡墙施工空间受限。

对四个方案进行比选见表2。

表2 方案比选表

经综合比较，方案三工程规模相对较小，造价较低，桥梁的承台埋置在汉宜高速扩建后边沟下方，汉宜高速扩建后用地边界与桥梁主墩中心线的间距为2.95 m，距离较为富余，能满足汉宜高速四改八扩建要求，且梁高较低，对扩建后高速视觉影响较小，总体优势较明显。因此，采用方案三：主桥采用36 m+65 m+36 m的桥型上跨汉宜高速公路。

3.3 桥型结构设计

根据（36+65+36）m桥跨组合，结合紫光大道双向六车道断面布设需要，设置35.5 m标准横断面布置形式为：2.5 m（人行道）+4 m（非机动车道）+22.5 m（机动车道）+4 m（非机动车道）+2.5 m（人行道），设计了两种桥型方案如下：

方案一：预应力混凝土变截面连续箱梁桥

上部结构采用三跨变高混凝土连续箱梁，单幅上构箱梁为单箱双室结构，箱梁根部高度4.0 m，跨中高度1.9 m，主墩与过渡墩均采用矩形实心墩，桥墩采用桩基础。本方案需要采用挂篮悬浇筑法施工，为防止上跨桥施工过程中物体跌落影响交通安全，挂篮悬臂浇筑法施工，须在高速公路全宽范围内搭设防护棚架；防护棚架的支墩可设置在高速公路中央分隔带和路肩上，防护棚架和支墩应验算强度、刚度和稳定性；防护棚下的净高应不小于5 m[7]。

方案二：连续变高钢箱梁桥

上部结构采用三跨变高连续钢箱梁，单幅上构钢箱梁为单箱双室结构，箱梁主墩顶高度3.1 m，跨中高度2.0 m，主墩与过渡墩均采用矩形实心墩，桥墩采用桩基础。本方案可以采用工程集中预制，通过专用设备运输至现场，运用大型机械吊装；吊装期间需要中段交通5 h，结构吊装稳定后焊接固定。

主桥两个方案对比见表3。

表3 主桥方案比选表

方案二便于工厂机械化制造，施工周期短，并且材质均匀，强度高，重量轻，但总造价较高，并且在运营期间耐腐蚀性较差，需定期进行养护，维护成本高，钢桥通车运营时间较久后不可避免的会发生疲劳问题，后期维护加固较难。方案一施工工艺成熟，结构整体性好，主梁刚度大，通车运营期间行车舒适，行车噪声小，造价低。根据安全、适用、经济、美观的设计原则，综合比较确定本次主桥结构形式为方案一，即36 m+65 m+36 m为预应力混凝土变截面连续箱梁桥。

根据桥跨组合及桥梁方案比选，最终确定本桥分为五联，其跨径布置为4×30 m+5×30 m+（36+65+36）m+4×30 m+3×30 m，其中 36 m+65 m+36 m为预应力混凝土变截面连续箱梁主桥，按全预应力构件设计；其余30 m跨为先简支后结构连续小箱梁，按部分预应力A类构件设计。桥梁结构采用平面杆系结构计算软件计算，桥梁上部结构承载能力及应力指标均满足规范[8]要求。

4 结 语

（1）根据高速公路互通匝道识别视距，结合城市主干道规划要求，确定采用方案二跨越高速公路互通。

（2）根据现状工程环境，结合高速公路管理部门对跨域高速公路的要求，确定了采用一跨跨越的高架桥方案跨越高速公路。

（3）结合路线方案，预留高速公路扩建双向八车道要求，通过对四个方案比选，确定了采用36 m+65 m+36 m的桥型上跨高速公路。

（4）从安全、适用、经济、美观、施工影响等几个方面，综合比选确定了主桥结构为预应力混凝土变截面连续箱梁桥。