? 跨越既有铁路桥梁方案设计研究刘彦明 (中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043) 摘 要：随着铁路建设的快速发展,与既有铁路线交叉的情况越来越多,同时对既有线的运营安全重视程度日益增加,因此跨越既有线时的设计方案逐渐成为关注重点,结合兰州—中川铁路设计情况,对跨越既有铁路线的桥梁方案进行研究,除采用传统的预应力混凝土盖梁门式墩、钢盖梁门式墩等设计方案外,根据实际情况首次提出预制拼装组合新型门式墩方案、倒L形墩方案、转体V形T构桥墩方案等一些新的设计思路,不仅节约工程投资、保证施工工期,同时又大大减少新线施工对既有线运营影响及后期的养护维修工作,经济和社会效益显著。 关键词：既有铁路；铁路桥梁；转体施工；倒L形墩；门式墩；V形墩 近年来，我国交通基础工程设施发展迅猛，特别是以城际铁路、客运专线为代表的高速铁路发展尤为突出，新建线路与既有繁忙铁路干线立体交叉情况越来越多，同时运营单位对既有线运营安全要求日益提高[1]，如何减少新线建设对既有铁路的运营干扰成为桥梁方案考虑的重点，也是设计方案能否获得运营部门批准的关键。新建兰州—中川城际铁路起自兰州西站，经兰州市区终至中川机场，线路通过兰州西站、石岗站两个站场，上跨西固城货场专用线、兰化302牵出线、兰化货场专用线、石岗站西咽喉区及兰新铁路等多条既有铁路，仅黄河特大桥中交叉点就达11处之多[2]，因此跨越既有铁路的桥梁设计方案需要认真分析研究。 跨越既有铁路的桥梁方案大致分为两类：一是以大跨桥梁方式跨越[3-4]；另一种是在交叉点附近布置桥墩以较小跨度跨越。哪种方案更为合理需要考虑两线夹角、净空高度、既有线运营繁忙程度、既有线条数等因素根据具体交叉情况确定，寻找相对工程经济同时对既有线运营影响较小的设计方案。新建兰州—中川城际铁路根据不同的交叉跨越情况研究了不同设计方案，除采用传统的现浇预应力混凝土盖梁门式墩、钢盖梁门式墩、连续梁转体施工等设计方案外，根据实际情况首次提出预制拼装组合新型门式墩方案、倒L形墩方案、转体V形T构桥墩方案等一些新的设计思路。 1 传统门式墩方案当两铁路线夹角较小时，门式墩成为一种经济合理的选择，它能够大大减小跨越既有线桥梁的跨度，节省工程投资，其经济效益非常明显，在实际工程中得到大量应用。 传统门式墩方案是指应用较多的支架现浇预应力混凝土盖梁门式墩[5-8]、钢盖梁门式墩[9-11]，支架现浇预应力混凝土盖梁门式墩设计施工简单，工程造价低，但施工时对既有线运营干扰较大，用在行车密度较小的专用线、车站牵出线等较为合理，黄河特大桥中跨越西固城货场专用线的83号-84号墩、兰化302牵出线的106号-107号、石岗站西咽喉区的111号墩均采用此方案。另一种钢盖梁门式墩，由于使用钢结构盖梁工程造价高，后期检查养护工作量大，但吊装质量小，施工对既有线运营干扰较小，施工工期短，一般用在结构跨度大、线路行车密度高、工期紧张的情况，黄河特大桥中的跨越石岗站西咽喉区的111号-112号墩采用了钢盖梁方案，上部荷载为(24+32) m双线简支梁，下面跨越3条既有铁路线，112号墩盖梁跨度达到25.8 m。其立面构造见图1。  图1 112号墩立面构造(单位：cm) 2 连续梁转体施工方案兰州—中川铁路周家庄立交特大桥左线上跨既有兰武双线铁路，两线夹角约为30°，采用常规32 m简支梁无法跨越，为保证既有线运营安全，减少施工过程中对既有线运营干扰，设计采用一联(40+64+40) m单线预应力混凝土连续梁转体施工设计方案，转体前在连续梁两主墩处平行于既有兰武线采用挂篮悬浇施工，待达到最大悬臂状态后，结合既有铁路运营、施工及天气等因素，择机实施转体施工，将连续梁梁体逆时针旋转30°，转体到位后再进行合龙段浇筑施工，合龙段位于连续梁跨中既有线上方。其与既有兰新线平面关系见图2。  图2 周家庄特大桥(40+64+40) m连续梁 该方案在跨越既有线时应用较多[3-4]，根据跨越具体情况略有区别，如既有线为运输繁忙干线，申请天窗时间特别困难，可考虑进一步增大跨度—采用T构转体施工方案[12]，只在转体时向运营单位申请天窗时间，转体到位后T构现浇段、合龙段施工均在既有线安全距离之外(图3)，对既有线影响最小，运营部门最易接受，T构转体施工方案比连续梁转体方案跨度会加大，工程造价略贵。  图3 T构现浇转体平面示意 转体方案中也有一些措施可进一步保证既有线安全或减小工程造价，如连续梁合龙段采用外包钢箱，转体到位后，合龙段施工均在钢箱之内进行，在集包线第二双线霸王河特大桥中得到应用[4]，获得较好效果；再有转体球铰选择，通常采用工厂制作钢球铰，重量较轻、质量较好，但体积较大、造价较高。RPC球铰是最新研发的一种新型转体球铰，能够充分利用RPC混凝土的抗压性能，减小球铰的构造尺寸。RPC球铰与普通钢球铰相比，具有用钢量较小，刚度大、承载能力高、转动力矩小等诸多优点，RPC球铰可以大幅度地减少机加工的工序和加工难度，可以有效降低球铰的生产成本，已应用于西安北—机场线跨货北环铁路特大桥[12]。 3 预制拼装组合新型门式墩方案传统门式墩设计方案中现浇混凝土盖梁需要在既有铁路上方搭设支架、浇筑混凝土，其工期较长并对既有线运营影响较大，特别是跨越既有繁忙干线铁路时，其方案甚至有时不能得到既有线管理方的认可；另一种钢盖梁门式墩方案，工程成本高，后期养护工作量大，而且由于钢盖梁位于高压接触网上方存在检查维修困难等诸多缺点。能否寻找一种既经济又施工简单对既有线运营影响较小的设计方案呢？ 兰州—中川铁路黄河特大桥左线跨越既有兰新线时两线夹角只有9°，如采用大跨结构一跨跨越，其桥梁跨度将达到180 m左右，不仅会抬高新建线路高程，而且结构物体量巨大，工程投资大幅增加，且位于线路左右线分开段，实施非常困难。既有兰新线为双线繁忙干线铁路，如采用常规门式墩方案，无论是现浇混凝土盖梁或钢盖梁方案均存在上述问题，因此经多次分析研究提出交叉点附近的21号、22号墩采用一种预制拼装组合新型门式墩方案，该方案盖梁采用两片并置的预应力混凝土箱形截面，在不采用钢盖梁结构的前提下降低盖梁自重和工程成本。22号墩预制拼装组合型门式墩立面见图4。  图4 22号墩立面构造(单位：cm) 门式墩盖梁采用预制吊装施工方法，两片预应力混凝土空心箱梁在既有线旁进行预制，待门式墩墩柱施工后，在承台近铁路侧设置临时支撑支架，把两片预制箱梁吊装于临时支架之上，利用墩柱顶盖梁现浇段连接为整体并张拉预应力束，最后拆除临时支撑支架。21号墩盖梁跨度为22 m，22号墩盖梁跨度达到25 m，最大起吊质量为169.5 t。 采用混凝土结构形式，预制拼装施工方案，形成组合新型门式墩。该门式墩比现浇混凝土盖梁门式墩方案有诸多优点。 (1)采用预制吊装方案，可以与墩柱平行施工，盖梁质量更易保证，同时大大节省在既有道路上方施工工期，对既有线运营干扰大大减少； (2)取消了既有线上方的现浇混凝土支架及防护棚架，能够减小建筑高度，有效降低线路的高程，节约工程投资明显； (3)盖梁在地面预制场预制，采用空心箱形截面形式，比常规门式墩采用的矩形实体截面减少圬工30%左右。 由于采用混凝土结构，设计施工简单方便，可节约工期，最为明显的是能够大大节约工程投资，该门式墩盖梁工程造价只有钢盖梁的1/8左右，同时又大大减少后期的养护维修工作及难度，更为经济合理。 4 倒L形墩方案跨越既有线时孔跨大小、桥墩形式需要具体分析灵活考虑，当线路中心线与可布置桥墩中心线较近时，可采用施工简单、造价经济的倒L形桥墩方案。倒L形桥墩在城市轨道交通及高架桥应用较多[13]，在国铁设计中未见报道。  图5 倒L形桥墩立面(单位：cm) 黄河特大桥24号墩处线路中心线临近既有兰新线，与桥墩中心线偏差198.7 cm，上部荷载为(32+32) m单线T梁，墩身采用纵桥向3.0 m，横桥向3.4 m，为平衡恒活载长期弯矩作用，在桥墩受拉侧布置4束7-7φ5的钢绞线，其桥墩立面见图5。普速场动车走行线土门墩特大桥27号墩上跨兰新第二双线铁路，两线夹角为29°，线路中心与墩中心线偏差达260 cm，上部荷载为(32+32) m单线T梁，也采用倒L形墩，墩身采用纵桥向3.0 m、横桥向4.0 m的矩形截面。 因倒L形墩长期承受恒活载的偏载作用，设计时需要根据线路等级、行车速度等因素对桥墩横向变形、支点处竖向刚度、钢轨间竖向位移差进行计算分析，以满足轨道专业的有关变形要求。在上述桥墩设计时，两钢轨竖向位移差控制在2 mm以内。 5 转体V形T构桥墩方案黄河特大桥23号墩位于线路左右线分开段，原设计左线跨越既有兰新线采用预制拼装组合新型门式墩、右线为单独的圆端墩方案，施工过程中由于23号墩位于城区，既有兰新线侧房屋密集拆迁十分困难，既有道路狭窄施工机具无法进入，成为制约工期的关键点，根据具体线、墩位情况，经认真研究后提出左线23号墩兼顾右线21号墩，设计成V形T构桥墩，为减小对既有兰新线运营干扰，采用转体施工方案。23号墩处平面见图6。  图6 黄河特大桥23号墩处平面 转体V形T构墩方案在桥墩下部布置的下转盘、转动球铰及上转盘的转动系统，之上为钢筋混凝土V形墩臂和预应力悬臂式盖梁。V形墩臂在下部连成一体并与上转盘固结，在上部分开与盖梁两侧固结；各部分的连接均设置有圆弧倒角，两墩臂与盖梁中间形成“心”形。V形T构桥墩立面见图7，各断面见图8。  图7 V形T构桥墩立面(单位：cm)  图8 V形T构桥墩断面(单位：cm) 该方案具有以下优点： (1)采用转体方案，墩臂盖梁可以在平行既有线侧施工，大大节省在既有铁路上方施工工期，对既有铁路运营干扰减少到最低； (2)只需在既有线一侧施工，减少另一侧的道路及施工场地的需求，对城区既有线侧房屋密集，拆迁困难情况将十分有利，大大节省拆迁费用，工期有保证； (3)取消了既有铁路上方的防护棚架，能够减小建筑高度，有效降低线路的高程，节约工程投资明显； (4)桥墩整体呈现V形流线形，中间围成“心”状，景观效果比门形墩更佳，更适合在城区建设。 转体V形T构墩方案在满足跨越功能需要前提下，不仅能够大大节约工程投资，保证施工工期，同时又大大减少新线施工时对既有线运营影响及后期的养护维修工作，景观效果更佳，具有显著的经济效益和社会效益。 6 结语传统支架现浇预应力混凝土盖梁门式墩施工简单，工程造价低，应用在行车密度较小的专用线或牵出线等较为合理；对结构跨度大、既有线行车密度高、工期紧张的情况，可考虑采用钢盖梁门式墩方案；如孔跨布置、场地条件适宜的条件下，可优先采用倒L形墩、预制拼装组合门式墩或转体V形T构桥墩方案，更为经济合理；当一跨跨越既有铁路其桥梁跨度可接受的情况下，选择转体T构或转体连续梁方案，更易获得运营单位的认可。 跨越既有线的情况多种多样，其设计方案应根据实际情况具体分析，综合考虑，详细比较后才能找出工程经济性较好，养护维修方便，同时施工过程中对既有线营运影响最小且经济合理的桥梁设计方案。 参考文献： [1] 中华人民共和国铁道部.铁运[2012]280号铁路营业线施工安全管理办法[S].北京：中华人民共和国铁道部，2012. 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Research on Design Schemes of Bridges Crossing Existing RailwayLIU Yan-ming(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China) Abstract： With rapid development of railway construction, crossing existing railway gets more frequent and the operation of existing railway runs risk of safety. Thus, the design for successful crossing of existing railway is becoming the focus. With reference to the design of Lanzhou-zhongchuan railway, the bridge schemes for crossing existing railway are studied in this paper. In addition to the traditional prestressed concrete coping portal pier and the steel coping portal pier, some new design concepts are first proposed according to the actual situation, such as the schemes of precast concrete portal pier, inverted“L” pier and rotation construction V-shaped T-frame bridge pier. These schemes not only save engineering investment, guarantee construction progress, but also greatly reduce the impact of new line construction and the post maintenance works on the existing railway operation with good economic and social benefits. Key words： Existing railway; Railway bridge; Rotation construction; Inverted“L” pier; Portal pier; V-shaped pier 中图分类号：U442.5+4 文献标识码：A DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.012 文章编号：1004-2954(2016)02-0057-05 作者简介：刘彦明(1969—)，男，教授级高级工程师，1991年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，E-mail:clzlym@163.com。 收稿日期：2015-06-17； 修回日期：2015-07-01 |
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