城市轨道交通上跨铁路特大桥方案研究

吴 亮，王伦文，赵胤儒

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉430010）

0 引言

随着国家经济的发展和新型城镇化的快速推进，我国交通基础设施建设发展迅猛，新建线路与既有铁路立体交叉的情况越来越多。如何减少新线建设对既有铁路影响成为桥梁方案考虑的重点，也是设计方案能否获得铁路部门批准的关键。跨越既有铁路的桥梁方案主要分为两类，一是在交叉点附近布置桥墩以较小跨度跨越，梁部施工前在铁路影响范围内搭设防护棚架；二是采用大跨度桥梁跨越，采用顶推或转体施工工艺。随着铁路运营单位对既有线运营安全要求日益提高，目前主要采用大跨度桥梁转体方案。

公路和城市道路上跨既有铁路已有较多的工程案例和研究[1-4]，但城市轨道桥特别是大跨度桥上跨既有铁路的研究较少。本文以武汉轨道交通7号线北延线跨线桥为背景，研究跨越多股繁忙铁路干线的桥梁方案，供类似工程参考。

1 工程概况

武汉轨道交通7号线北延线（前川线）工程起于黄陂前川，止于7号线一期工程园博园北站。线路全长36.2 km，设站11座（含预留站1座）。前川线在武汉北编组站七场以北1 km处上跨既有铁路区域。区域内目前存在既有铁路共5股道，分别是京广下行货车线、麻武下行联络线、麻武上行联络线、京广上行货车线和武汉北上行环发线。后续武汉北编组扩能改造规划在该区域增设3股道。此处铁路路基均为路堑形式，前川线在该段采用桥梁上跨既有铁路，桥位区铁路线路见图1。主桥采用（86+2×156+86）m连续梁桥，其跨度为国内城市轨道交通同类型桥梁之最。采用转体施工方案，转体吨位达到15 000 t，居国内城市轨道交通转体桥梁前列。

图1 平面布置图（单位：m）

2 控制性因素与桥型选择

影响主桥方案的主要控制性因素如下：

（1）为了绕避军事用地，前川线线路在前期已进行了充分论证，线路方案已经确定，无法进行调整。目前，前川线与京广上行货运线斜交角42.1°。

（2）桥位区存在两处铁路区域。第一处区域既有铁路4股，规划铁路2股。该处铁路路堑边坡坡顶沿桥轴线方向距离172 m，坡脚间距123 m。第二处区域既有铁路1股，规划铁路1股。该处铁路路堑边坡坡顶沿桥轴线方向距离56 m。两处铁路区域间坡顶平台沿桥轴线方向宽92 m。

（3）桥位区地面高程约50 m，铁路轨面高程为40.79～48.30 m。由于本桥大桩号侧跨高速公路相关要求，本桥位处设计轨顶高程在71.0～73.5 m。

（4）天河机场与桥位区域直线距离约8.7 km。桥梁区域位于航空障碍物限值面内，该处限高90 m。为了尽量减小对铁路的影响，避免开挖铁路路堑边坡，将桥墩设置在铁路边坡以外，第一处铁路区域桥跨应大于210 m。在该跨径范围内主要适用的桥型有连续刚构桥、矮塔斜拉桥和拱桥。由于桥墩高度仅10 m左右，显然连续刚构桥不合适。如果是矮塔斜拉桥，综合考虑第二处跨越需要，可采用（145+250+145）m跨径布置，轨道交通桥桥塔高跨比一般为1/8～1/10，则最小塔高25 m，塔顶高程超过天河机场障碍物限制面。拱桥施工较复杂，对铁路运营影响很大，且只能采用中承式或下承式拱桥，拱圈顶部高程也超过90 m，方案不可行。以上研究表明，将桥墩完全放置在铁路边坡以外无合适的实施方案，可考虑将桥墩设置在边坡上以减小桥梁跨度。

综合考虑桥位区各控制性条件、施工方法、工程投资、施工工期和合龙段位置等因素，经铁路局同意，主桥采用（86+2×156+86）m连续梁桥方案。为减小对既有铁路影响，主梁采用悬臂浇筑然后转体施工方法[5-6]。转体前主梁边缘至邻近铁路中心最小距离13.3 m，承台边缘至邻近铁路中心最小距离12.8 m，跨中合龙段至邻近铁路中心最小距离9.1 m，桥下铁路最小净空高度19.7 m。因此，桥梁各部位的施工和运营阶段均不会侵入铁路的建筑界限以内，且距离铁路平面和立面上均有足够的安全空间。桥型立面布置见图2。

图2 立面布置图（单位：m）

3 主梁结构设计

3.1 主梁构造

主梁采用变高度单箱单室预应力混凝土箱梁。中支点截面梁高11.5 m（高跨比1/13.57），中跨跨中合龙段、边跨现浇段、边跨合龙段梁高6.0 m（高跨比1/26）。梁体下缘除中跨跨中18 m梁段、中墩6 m梁段、边跨端部8 m梁段为等高直线段外，其余梁底下按1.8次抛物线变化。

箱梁顶宽9.6 m，底宽6 m，翼缘板端部厚20 cm，翼缘板根部厚80 cm。箱梁顶板厚50 cm，次边跨边支点处局部加厚到85 cm，中支点处局部加厚到100 cm；中跨和次边跨腹板厚度为50～110 cm，中支点处局部加厚至135 cm，边跨腹板局部加厚至70 cm。底板厚由中跨和次边跨直线段的50 cm按1.8次抛物线变化至120 cm，中支点再加厚至200 cm。梁部截面见图3、图4。

图3 中支点截面图（单位：cm）

图4 边支点、跨中截面图（单位：cm）

主梁0号块长12 m，一般悬臂浇筑梁端为3.0 m、3.5 m、4.0 m，合龙段长2.0m，边跨现浇段（含牛腿）长8.1 m。主梁采用C55混凝土。

连续梁共设5道横隔梁和6道横隔板。中支点处横隔梁厚5.0 m，边中支点处横隔梁厚2.0 m。在悬臂浇筑19#节段设置0.5 m厚的横隔板。横隔梁、横隔板处均设有孔洞供检查人员通过。

纵向预应力采用标准强度为fpk=1 860 MPa的17、19-φs15.2高强度低松弛钢绞线，钢束均采用两端张拉，预应力管道采用金属波纹管成孔。竖向预应力采用标准强度为fpk=1 860 MPa的3-φs15.2高强度低松弛钢绞线，钢束采用一端张拉，张拉端位于箱梁顶板处，采用二次张拉工艺。

3.2 主要荷载与计算参数

（1）主梁采用C55混凝土，容重取26 kN/m3。

（2）二期恒载考虑线路设备重、接触轨、疏散平台、预制挡板、各种管线及其支承设备、声屏障、防水层、保护层等，本连续梁二期恒载为101.1 kN/m。

（3）混凝土收缩和徐变按《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092－2017）办理。

（4）活载：A型车6辆编组，预留8A条件。

（5）桥墩不均匀沉降取2 cm。

（6）结构整体升降温按±25℃计，箱梁顶板非线性升降温按±10℃计

（7）挂篮重按1 000 kN考虑。

3.3 主梁主要静力计算结果

采用桥梁博士V4.2进行施工阶段和运营阶段主梁静力分析。主梁平行于铁路方向悬臂现浇施工，待最大悬臂状态后转体施工，然后合龙边跨，再合龙中跨。主梁计算结果如下：

（1）运营阶段主梁强度和应力计算结果见表1。

表1 运营阶段主梁强度及应力计算结果

（2）梁体竖向挠度计算结果见表2。

表2 主梁竖向挠度计算结果

（3）在列车静活载作用下，梁端单端转角为0.41‰，小于3‰规范限值。轨道铺设完成后，梁体中跨跨中10 a徐变上拱值为6.1 mm，小于20 mm规范限值。

（4）经检算，由恒载（含预加力）和静活载引起的竖向挠度大于15 mm，主梁应设置预拱度，其拱度曲线与恒载加1/2竖向静活载所产生的挠度曲线基本相同，但方向相反，按余弦曲线设置。本桥预拱度中跨反拱最大值41.8 mm，边跨反拱值最大值31.3 mm。

3.4 主梁设计特点

（1）合理设计减少梁体残余徐变变形

主梁截面长期处于偏心受压状态，必然出现徐变上拱或下挠，并随截面上下缘应力差值的增大而增加。设计中加大了跨中截面高度，以提高梁竖向刚度，改善梁下缘应力。同时，跨中设置18 m等截面段，在加大跨中梁高的同时，基本不增加工程量。在设计中合理布置顶底板预应力钢束，使梁体在铺轨后截面上下缘应力基本相等，从而使梁体跨中残余徐变变形大大减小[7-8]。本桥主梁铺轨后中跨跨中截面上缘压应力为6.95 MPa，截面下缘压应力为8.15 MPa。

（2）采用二次张拉竖向钢绞线预应力体系改善腹板抗裂性能

箱梁腹板竖向预应力的设置主要是为了增强抗剪能力，抑制腹板开裂。竖向预应力一般均为短束，传统的精轧螺纹钢竖向预应力体系回缩大、预应力损失大，且存在易拉断、施工质量难以控制等问题，有效预应力难以保证。设计中采用二次张拉竖向钢绞线预应力体系，其回缩量小，有效预应力保证率高，大大改善了腹板抗裂性能。

4 转体系统

4.1 转体系统设计

转体系统主要由转动系统、牵引系统和平衡系统构成[9-10]。转动系统由上转盘、下转盘和转动球铰构成。其中，转动球铰是转体系统的关键。牵引系统提供结构转动的能力，主要由牵引设备、助推千斤顶支座、牵引反力座构成。平衡系统主要由球铰、撑脚、助推千斤顶支座等构成，主要作用是确保转体结构的平稳和安全。转体系统立面图见图5，转体系统平面图见图6。

图5 转体系统立面图（单位:cm）

图6 转体系统平面图（单位:cm）

主墩基础均为16根φ1.8 m钻孔桩基础，阶梯式双层钢筋混凝土承台。上承台（上转盘）厚2.7 m，下承台厚3.5 m，上承台、下承台中间设0.8 m的平转空间。承台采用C40混凝土，转盘采用C50混凝土，封铰采用C50微膨胀混凝土。

球铰由上球铰、下球铰、球铰间四氟乙烯板、固定上下球铰的钢销、下球铰钢骨架组成。设计竖向承载力150 000 kN，为中心承重转体，球体半径8 m，球面投影直径3.9m。上转盘沿直径10 m的圆周上设置8对撑脚，每对撑脚为φ800 mm×24 mm的双钢管柱，撑脚内灌注C50微膨胀混凝土。在撑脚的下方设有环形滑道，滑道宽度90 cm，转体前在滑道面铺装5 mm厚不锈钢板和5 mm厚聚四氟乙烯板，安装撑脚时确保撑脚与下滑道的间隙为15 mm。

4.2 转体施工

主梁平行于铁路方向挂篮悬臂浇筑，浇筑完成20#节段、张拉预应力后形成最大悬臂状态。砂箱在转体前拆除，使上部荷载集中于球铰之上，形成转动体系。为了保证转体过程中体系平稳转动，要求预先调整体系的质量分布，使其质量处于平衡状态。为此，将对转体梁横向不平衡力矩测试、转体梁纵向不平衡力矩测试、摩阻系数测试、转体姿态分析、转体梁平衡配重。到达设计位置、精确测量并临时限位后，锁定转体球铰，浇筑封铰混凝土、封固转盘。

149#、150#及151#墩处T构转体角度分别为顺时针旋转43.9°、41.0°及66.6°。转体角速度取0.01 rad/min，悬臂端最大线速度不超过1.5 m/min，单个T构转体用时约120 min。

5 减小对既有铁路影响措施

（1）桥墩承台基坑采用隔离桩和放坡锚喷支护方式[11]。基坑邻近铁路一侧采用隔离桩进行支护，隔离桩采用φ1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩，桩底嵌入中风化泥质粉砂岩中1.0 m以上。基坑其余部位采用放坡锚喷支护，其中149#桥墩承台基坑深10.9 m，根据地质情况按不同坡比分两级开挖，两级边坡间设置2.0 m宽马道平台。150#、151#号桥墩承台基坑深度分别7.3 m、5.5 m，采用一级放坡。各级边坡均采用喷锚防护，锚杆采用全长黏结水泥砂浆锚杆，间距2.0×2.0 m。在坡顶距坡口不小于5 m处设置截水沟，以降低水流对边坡的冲刷。经计算，基坑开挖和桥梁施工各阶段既有铁路路基附加沉降均满足规范要求。

（2）为最大限度地减少中跨合龙段施工对既有铁路运营的影响，149#、150#号墩间跨中合龙段设置外模钢结构，并在合龙吊篮下方设置二次兜底措施，防止跨中合龙施工时材料和设备掉入铁路中。

（3）桩基施工过程中钻机设置地锚防止倾覆影响铁路运营。

（4）在铁路上方一定区域设置2 m高防抛网，避免坠物影响铁路运营。

（5）连续梁排水采用桥面排水方式，防止外挂排水管漏水或老化脱落影响铁路运营。在主墩位置主梁设置挡水块和竖向排水管，将桥面排水引入铁路边沟内。

6 结 语

（1）受桥位区地形地貌、既有铁路布置和天河机场限高等因素影响，武汉轨道交通前川线上跨京广上行货运线区域采用（86+2×156+86）m连续梁桥方案，其跨度为国内城市轨道交通同类型桥梁之最。经计算分析，满足规范要求。

（2）采用转体施工方法，减小施工过程对既有铁路运营的干扰。转体吨位达到15 000 t，居国内城市轨道交通转体桥梁前列。

（3）桥墩承台基坑采用隔离桩和放坡锚喷支护方式。经计算，基坑开挖和桥梁施工各阶段既有铁路路基附加沉降均满足规范要求。