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利用已建橋梁下部結構改擴建公鐵兩用橋工程實踐
2019-11-18  作者:嚴愛國 劉振標 張杰

  廣州南沙港鐵路工程跨越雞鴉水道,為節約橋位資源,利用了在建廣中江高速公路跨越雞鴉水道橋位。原廣中江高速公路跨越雞鴉水道,為主跨175m的預應力混凝土連續剛構橋,主墩墩身及基礎已施工。為充分利用已建工程、減少廢棄,提出了(102+175+102)m公鐵合建平行弦連續鋼桁梁橋改造方案。通過選擇合理的橋式、優化公路及鐵路橋面系,盡可能地減輕上部結構重量,直接利用已建的公路橋基礎及墩身,僅對墩帽做少量適應性改造。目前,該橋已合龍,正在進行橋面系施工。

  公鐵結合南沙港鐵路

  南沙港鐵路是珠三角西部貨運通道的重要組成部分,通過廣珠鐵路,向北連接京廣鐵路,輻射中南地區;向西溝通南廣、柳肇鐵路,輻射西南地區;向東銜接廣深鐵路。該項目主要承擔中南、西南地區外貿集裝箱、能源及重要原材料運輸任務。在路網規劃中,該線為中南、西南地區重要的鐵水聯運通道,是優化廣州樞紐貨運布局、完善區域路網結構的重要線路。

  圖1 南沙港鐵路路線圖

  如圖1所示,線路自廣珠鐵路鶴山南新建車站引出,往東南方向經鶴山與江門交界處,經順德均安,中山小欖、東鳳、南頭、黃圃、廣州萬頃沙至南沙港,全長87.8公里。2016年開工,計劃2020年建成。

  南沙港鐵路主要技術標準如下——

  ◆鐵路等級:雙線,Ⅰ級電氣化鐵路;

  ◆設計速度:貨車最高運行速度120km/h,兼顧客運;

  ◆設計活載:中—活載;

  ◆建筑限界:滿足開行雙層集裝箱列車運輸要求。

  廣中江高速公路

  廣中江高速公路穿越廣州、佛山、中山、江門4地,由江門至廣州南沙高速公路、佛江高速公路江門段這兩部分組成。按照建設計劃,廣中江高速工程具體分三期進行建設,一期范圍為蓬江區荷塘鎮至江海區龍溪路段,二期范圍包括蓬江區荷塘鎮至鶴山雅瑤鎮赤草村,三期范圍包括蓬江荷塘鎮至南沙。其中,廣中江高速一期、二期均已建成通車,三期預計2019年底建成通車。本項目為廣中江高速三期控制性工程。

  原在建廣中江高速跨越雞鴉水道橋址,位于中山市南頭鎮的雞鴉水道河段,該河段為內河Ⅲ級航道。橋址區域屬感潮河段,河段順直,由西北向東南流入南海,河面寬約300m,右側邊灘寬約30m,上游500m左右為桂州水道的分流口。橋址處河道順直,橋軸法線與河流夾角為11°。

  圖2 廣中江高速公路跨越雞鴉水道橋位

  公路主要技術標準如下——

  ◆道路等級:高速公路,雙向六車道,橋面全寬33.5m。

  ◆設計速度:100km/h。

  ◆汽車荷載:公路—Ⅰ級。

  公鐵合建優勢

  廣州南沙港鐵路跨越雞鴉水道工程位于中山市東鳳鎮和南頭鎮之間,于雞鴉水道與桂洲水道分汊口下游約540m處跨越雞鴉水道,與廣中江高速雞鴉水道特大橋線位重合。

  圖3 公鐵合建方案示意圖

  橋位區域城鎮化程度高,土地資源稀缺,基礎設施發達,工礦企業、房屋建筑、電力線路密集,該區域公路、鐵路與500kV高壓線共通道,通道具有唯一性。公鐵分建方案需搬拆民安小學、民安幼兒園、汲水育苗幼兒園、南頭消防中隊等環境敏感建筑物,拆遷量大,引起的二次拆遷和高壓走廊遷改,尤其是社會穩定風險較大。而公鐵合建,可減少占地73.3畝,減少拆遷16.1萬平米,避免了敏感建筑物的拆遷。

  從減少占地拆遷、節約工程投資的角度出發,經多方協商,確定采用公鐵合建的方案,跨越雞鴉水道。

  建設條件適宜

  原廣中江高速雞鴉水道大橋設計情況

  如圖4、圖5所示,原廣中江高速雞鴉水道大橋為三跨連續剛構橋,通航孔設置單孔雙向通航,通航孔凈寬為161.5m(垂直航道投影的凈寬為156m),凈高10m,最高通航水位4.997m、最低通航水位0.064m。橋址上游約270m有2座浮標。由于公路線位與河流存在11°的斜交角度,公路橋分左、右幅修建并錯孔布置,左幅孔跨為(102.5+175+102.5)m連續剛構,右幅孔跨為(102.5+175+106)m連續剛構。

  圖4 原公路連續剛構橋平面布置圖(單位:m)

  圖5 原公路連續剛構橋橋型立面圖(單位:m)

  如圖6所示,墩柱下半部分采用空心墩,上半部分采用雙肢薄壁墩,具有良好的抗推及防撞性能。基礎采用大直徑(Φ2.5m)嵌巖樁,承載力較大,為公鐵合建改造創造了條件。兩幅橋的基礎沿水流方向,錯孔布置,采用7Φ2.5m鉆孔灌注樁、分離式承臺結構形式。

  圖6 原公路連續剛構橋墩柱和基礎結構圖(單位:cm)

  新型組合結構是相對于傳統的組合結構,如組合鋼板梁、組合鋼箱梁、組合鋼桁梁等而言的。基于工業化建造技術,組合結構的各個組成部分均可以優化。以一種新型組合結構為實例來分析其設計、建造技術。

  原廣中江高速雞鴉水道大橋施工情況

  圖7 廣中江高速雞鴉水道橋已施工主墩現場圖

  截至2016年5月,原廣中江高速公路雞鴉水道橋左右兩幅橋完成了樁基、承臺和墩身的施工,右幅橋0#塊已施工。兩岸引橋受500kV高壓走廊及拆遷影響,未施工。

  河道通航論證

  橋址水深良好,河床基本穩定,橋軸線法線與水流流向的交角11°。原公路橋設計采用設置單孔雙向通航方案,通航孔跨徑為175m,通航孔凈寬161.5m(垂直航道投影的凈寬156m),凈高不小于10m,設計通航凈空尺度能夠滿足橋址河段航道通航要求。

  公鐵合建方案未改變已建公路橋涉水部分工程結構,無須再進行通航論證,為工程順利推進提供了良好的條件。

  改造方案設計

  改造方案要求充分利用已建工程,減少廢棄。改造方案控制性因素如下:

  ① 由于下部基礎已施工完畢,樁基承載力有限,需盡可能減輕上部結構恒載重。

  ② 受通航凈空限制,梁部建筑結構高度需相對較低。

  如圖8所示,改造方案采用平行弦鋼桁連續梁橋式,孔跨布置為(102+175+102)m。鋼桁梁采用華倫式桁架,桁高16.4m,主桁節間長度邊跨12.5m,中跨12.75m,全橋由30個節間組成。

  圖8 整幅公鐵合建橋式方案立面布置(單位:m)

  主梁橫斷面設計

  如圖9所示,公路與鐵路分兩層布置,上層橋面布置為6車道高速公路,公路橋面總寬34.2m;下層橋面布置為鐵路,采用雙線無砟軌道明橋面形式,線間距4.0m。鋼桁梁采用兩片豎直主桁,桁間距15.0m,桁高16.4m;副桁上弦桁間距為33.5m,公路橋面橫向采用大輔桁,鋼桁梁橫斷面呈倒梯形。

  圖9 整幅公鐵合建橋式方案橫斷面布置

  為最大限度減輕上部結構恒載重,鐵路采用縱橫梁明橋面。在兩片鋼桁下弦節點處設置橫梁,橫梁間通過四根縱梁相連,縱梁在橫橋向間距2m,縱梁間通過系桿相連。縱梁每隔兩個節間設置縱向活動鉸,活動縱梁有效地釋放了橋面縱向荷載。兩片主桁的下弦節點間通過X下平聯相連。縱梁頂緣采用集壓力焊、熔化焊和擴散焊三位一體的不銹鋼復合板,提高耐久性。

  圖10 鐵路橋面系結構示意圖

  軌道結構重量作為鐵路橋梁主要的二期恒載,直接影響到橋梁的荷載設計和用鋼量。降低軌道結構重量可有效降低上部結構恒載重量。該橋采用的輕型混凝土板式軌道無砟橋面二恒約65kN/m,與常規軌道結構相比降低二恒約51.9%。

  圖11 輕型混凝土板式軌道無砟橋面

  如圖12所示,輕型混凝土板式軌道結構由鋼軌、扣件、預應力混凝土軌枕板、連接螺栓、限位件和混凝土墊層等組成。扣件采用K型分開式扣件,滿足縱梁斷開處節間快速伸縮的特性。軌枕板與鋼桁梁翼緣板之間調整墊層采用高聚物混凝土,墊層厚度為120mm。軌枕板與橋梁縱梁之間通過高強螺栓進行固定。限位件外壁沿線路縱、橫向位置允許偏差為±8mm。

  圖12 混凝土板式軌道結構示意圖(單位:cm)

  公路橋面系

  為了減輕重量,并解決傳統正交異性鋼橋面系疲勞性能差的問題,該橋采用縱肋倒置的鋼-混凝土組合橋面結構。公路橋面系將縱肋置于上部,并將格子通過鋼板密封,進而直接在格子梁上澆筑混凝土;縱肋倒置,并在縱肋上穿插鋼筋,通過剪力釘與鋼筋的共同作用,使混凝土板與格子梁的連接效果更好,減小了混凝土板厚,減輕了上部結構的重量。從下至上依次為:底部采用8mm橋面封底耐候鋼板、20cm厚C60混凝土板、防水層、11cm改性瀝青混凝土。

  圖13 公路橋面系結構示意圖

  關鍵施工技術

  已建橋墩改造技術

  原廣中江高速雞鴉水道大橋左、右幅均已完成樁基、承臺和墩身施工,右幅剛構0#塊已施工完成。在此基礎上改擴建成公鐵兩用橋,由此產生的技術問題以及相應的解決方案如下:

  1.既有公路橋0#塊及部分墩身拆除難度大

  為保證接頭鋼筋可靠性,提高剝除效率,提出了先采用繩鋸分塊切割,分塊拆除廢除部分,在既有墩身鋼筋利用段,采用微爆破加人工風鎬剝離混凝土的工藝。

  2.新舊混凝土結合性能

  既有橋墩于一年前澆筑完成,為預防新舊混凝土結合面因齡期差異而導致裂紋問題,采用增加界面劑及二次振搗工藝(2h內再振搗)。

 

  主梁架設關鍵技術

  為保證航道通暢,航道內不能設置臨時支墩,只能采取懸拼或頂推施工方案。經綜合比選,主梁架設采用邊跨鋼梁在臨時支墩上拼裝,跨中鋼梁采用梁上吊機懸拼的施工方案。該橋跨度大(主跨175m)、自重大(懸臂端重3380t)、合龍接口多(上弦5個接口,下弦3個),懸臂拼裝線形控制及跨中合龍難度大。

  為保證成橋線形、鋼梁精確合龍,采取了以下措施:

  1.采用起落梁調整法,根據現場的線形監控數據調整鋼梁的狀態,保證合攏桿件兩側的鋼梁縱橫向位置在2mm內,豎向轉角垂直;

  2.平縱面及轉角位置調整完成后,連續測量觀測7天合攏段長度,在合攏時間內確定合攏桿件的實際長度留下的誤差,由合龍段的下料長度來消除,所以四根主桁的下料長度會有所不同。最后選擇后半夜23℃條件下的桿件長度;

  3.按照合龍段尺寸放樣加工桿件;

  4.采用溫差調整法,利用溫度變化引起的鋼梁自身熱脹冷縮,先合龍下弦,后合龍上弦。

  橋面系施工技術

  因鐵路橋面系二恒占比較小,影響少,鐵路線形要求高,故先施工公路橋面系后,再施工鐵路橋面系,對軌道鋪設更有利。

  為解決中墩負彎矩區橋面板抗裂問題,結合該橋特點采用了以下控制措施:

  1.優化混凝土配合比,減少混凝土早期收縮;

  2.先澆筑正彎矩區,后澆筑負彎矩區,減少負彎矩區的混凝土拉應力;

  3.“跳倉法”澆筑混凝土,減小混凝土收縮應力。

  實施效果顯著

  南沙港鐵路跨雞鴉水道大橋采用公鐵兩用平行弦連續鋼桁梁,基于已施工的原廣中江高速公路連續剛構橋的墩身和基礎改造而成。通過結構優化,鐵路采用板式軌道無砟橋面、公路采用縱肋倒置的鋼-混凝土組合橋面,公鐵合建改造方案較原公路連續剛構橋設計方案,減少上部結構恒載重約250kN/m。改造方案充分利用了已建工程,最大限度減少廢棄工程且減少占地節約投資。公鐵合建改造方案較公鐵分建方案減少占地73.3畝、拆遷16.1萬平米,避開了多處環境敏感點。另外,公鐵合建改造方案,未改變已建公路橋涉水部分工程結構,保證了同通道公路、鐵路合建順利實施。

  本文刊載 /《橋梁》雜志 2019年 第5期 總第91期

  作者 / 嚴愛國 劉振標 張杰

  作者單位 / 中鐵第四勘察設計院集團有限公司、中鐵建大橋設計研究院



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