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          首页 > 工程设计 > 正文
          利用已建桥梁下部结构改扩建公铁两用桥工程实践
          2019-11-18  作者:严爱国 刘振标 张杰

            广州南沙港铁路工程跨越鸡鸦水道,为节约桥位资源,利用了在建广中江高速公路跨越鸡鸦水道桥位。原广中江高速公路跨越鸡鸦水道,为主跨175m的预应力混凝土连续刚构桥,主墩墩身及基础已施工。为充分利用已建工程、减少废弃,提出了(102+175+102)m公铁合建平行弦连续钢桁梁桥改造方案。通过选择合理的桥式、优化公路及铁路桥面系,尽可能地减轻上部结构重量,直接利用已建的公路桥基础及墩身,仅对墩帽做少量适应性改造。目前,该桥已合龙,正在进行桥面系施工。

            公铁结合南沙港铁路

            南沙港铁路是珠三角西部货运通道的重要组成部分,通过广珠铁路,向北连接京广铁路,辐射中南地区;向西沟通南广、柳肇铁路,辐射西南地区;向东衔接广深铁路。该项目主要承担中南、西南地区外贸集装箱、能源及重要原材料运输任务。在路网规划中,该线为中南、西南地区重要的铁水联运通道,是优化广州枢纽货运布局、完善区域路网结构的重要线路。

            图1 南沙港铁路路线图

            如图1所示,线路自广珠铁路鹤山南新建车站引出,往东南方向经鹤山与江门交界处,经顺德均安,中山小榄、东凤、南头、黄圃、广州万顷沙至南沙港,全长87.8公里。2016年开工,计划2020年建成。

            南沙港铁路主要技术标准如下——

            ◆铁路等级:双线,Ⅰ级电气化铁路;

            ◆设计速度:货车最高运行速度120km/h,兼顾客运;

            ◆设计活载:中—活载;

            ◆建筑限界:满足开行双层集装箱列车运输要求。

            广中江高速公路

            广中江高速公路穿越广州、佛山、中山、江门4地,由江门至广州南沙高速公路、佛江高速公路江门段这两部分组成。按照建设计划,广中江高速工程具体分三期进行建设,一期范围为蓬江区荷塘镇至江海区龙溪路段,二期范围包括蓬江区荷塘镇至鹤山雅瑶镇赤草村,三期范围包括蓬江荷塘镇至南沙。其中,广中江高速一期、二期均已建成通车,三期预计2019年底建成通车。本项目为广中江高速三期控制性工程。

            原在建广中江高速跨越鸡鸦水道桥址,位于中山市南头镇的鸡鸦水道河段,该河段为内河Ⅲ级航道。桥址区域属感潮河段,河段顺直,由西北向东南流入南海,河面宽约300m,右侧边滩宽约30m,上游500m左右为桂州水道的分流口。桥址处河道顺直,桥轴法线与河流夹角为11°。

            图2 广中江高速公路跨越鸡鸦水道桥位

            公路主要技术标准如下——

            ◆道路等级:高速公路,双向六车道,桥面全宽33.5m。

            ◆设计速度:100km/h。

            ◆汽车荷载:公路—Ⅰ级。

            公铁合建优势

            广州南沙港铁路跨越鸡鸦水道工程位于中山市东凤镇和南头镇之间,于鸡鸦水道与桂洲水道分汊口下游约540m处跨越鸡鸦水道,与广中江高速鸡鸦水道特大桥线位重合。

            图3 公铁合建方案示意图

            桥位区域城镇化程度高,土地资源稀缺,基础设施发达,工矿企业、房屋建筑、电力线路密集,该区域公路、铁路与500kV高压线共通道,通道具有唯一性。公铁分建方案需搬拆民安小学、民安幼儿园、汲水育苗幼儿园、南头消防中队等环境敏感建筑物,拆迁量大,引起的二次拆迁和高压走廊迁改,尤其是社会稳定风险较大。而公铁合建,可减少占地73.3亩,减少拆迁16.1万平米,避免了敏感建筑物的拆迁。

            从减少占地拆迁、节约工程投资的角度出发,经多方协商,确定采用公铁合建的方案,跨越鸡鸦水道。

            建设条件适宜

            原广中江高速鸡鸦水道大桥设计情况

            如图4、图5所示,原广中江高速鸡鸦水道大桥为三跨连续刚构桥,通航孔设置单孔双向通航,通航孔净宽为161.5m(垂直航道投影的净宽为156m),净高10m,最高通航水位4.997m、最低通航水位0.064m。桥址上游约270m有2座浮标。由于公路线位与河流存在11°的斜交角度,公路桥分左、右幅修建并错孔布置,左幅孔跨为(102.5+175+102.5)m连续刚构,右幅孔跨为(102.5+175+106)m连续刚构。

            图4 原公路连续刚构桥平面布置图(单位:m)

            图5 原公路连续刚构桥桥型立面图(单位:m)

            如图6所示,墩柱下半部分采用空心墩,上半部分采用双肢薄壁墩,具有良好的抗推及防撞性能。基础采用大直径(Φ2.5m)嵌岩桩,承载力较大,为公铁合建改造创造了条件。两幅桥的基础沿水流方向,错孔布置,采用7Φ2.5m钻孔灌注桩、分离式承台结构形式。

            图6 原公路连续刚构桥墩柱和基础结构图(单位:cm)

            新型组合结构是相对于传统的组合结构,如组合钢板梁、组合钢箱梁、组合钢桁梁等而言的。基于工业化建造技术,组合结构的各个组成部分均可以优化。以一种新型组合结构为实例来分析其设计、建造技术。

            原广中江高速鸡鸦水道大桥施工情况

            图7 广中江高速鸡鸦水道桥已施工主墩现场图

            截至2016年5月,原广中江高速公路鸡鸦水道桥左右两幅桥完成了桩基、承台和墩身的施工,右幅桥0#块已施工。两岸引桥受500kV高压走廊及拆迁影响,未施工。

            河道通航论证

            桥址水深良好,河床基本稳定,桥轴线法线与水流流向的交角11°。原公路桥设计采用设置单孔双向通航方案,通航孔跨径为175m,通航孔净宽161.5m(垂直航道投影的净宽156m),净高不小于10m,设计通航净空尺度能够满足桥址河段航道通航要求。

            公铁合建方案未改变已建公路桥涉水部分工程结构,无须再进行通航论证,为工程顺利推进提供了良好的条件。

            改造方案设计

            改造方案要求充分利用已建工程,减少废弃。改造方案控制性因素如下:

            ① 由于下部基础已施工完毕,桩基承载力有限,需尽可能减轻上部结构恒载重。

            ② 受通航净空限制,梁部建筑结构高度需相对较低。

            如图8所示,改造方案采用平行弦钢桁连续梁桥式,孔跨布置为(102+175+102)m。钢桁梁采用华伦式桁架,桁高16.4m,主桁节间长度边跨12.5m,中跨12.75m,全桥由30个节间组成。

            图8 整幅公铁合建桥式方案立面布置(单位:m)

            主梁横断面设计

            如图9所示,公路与铁路分两层布置,上层桥面布置为6车道高速公路,公路桥面总宽34.2m;下层桥面布置为铁路,采用双线无砟轨道明桥面形式,线间距4.0m。钢桁梁采用两片竖直主桁,桁间距15.0m,桁高16.4m;副桁上弦桁间距为33.5m,公路桥面横向采用大辅桁,钢桁梁横断面呈倒梯形。

            图9 整幅公铁合建桥式方案横断面布置

            为最大限度减轻上部结构恒载重,铁路采用纵横梁明桥面。在两片钢桁下弦节点处设置横梁,横梁间通过四根纵梁相连,纵梁在横桥向间距2m,纵梁间通过系杆相连。纵梁每隔两个节间设置纵向活动铰,活动纵梁有效地释放了桥面纵向荷载。两片主桁的下弦节点间通过X下平联相连。纵梁顶缘采用集压力焊、熔化焊和扩散焊三位一体的不锈钢复合板,提高耐久性。

            图10 铁路桥面系结构示意图

            轨道结构重量作为铁路桥梁主要的二期恒载,直接影响到桥梁的荷载设计和用钢量。降低轨道结构重量可有效降低上部结构恒载重量。该桥采用的轻型混凝土板式轨道无砟桥面二恒约65kN/m,与常规轨道结构相比降低二恒约51.9%。

            图11 轻型混凝土板式轨道无砟桥面

            如图12所示,轻型混凝土板式轨道结构由钢轨、扣件、预应力混凝土轨枕板、连接螺栓、限位件和混凝土垫层等组成。扣件采用K型分开式扣件,满足纵梁断开处节间快速伸缩的特性。轨枕板与钢桁梁翼缘板之间调整垫层采用高聚物混凝土,垫层厚度为120mm。轨枕板与桥梁纵梁之间通过高强螺栓进行固定。限位件外壁沿线路纵、横向位置允许偏差为±8mm。

            图12 混凝土板式轨道结构示意图(单位:cm)

            公路桥面系

            为了减轻重量,并解决传统正交异性钢桥面系疲劳性能差的问题,该桥采用纵肋倒置的钢-混凝土组合桥面结构。公路桥面系将纵肋置于上部,并将格子通过钢板密封,进而直接在格子梁上浇筑混凝土;纵肋倒置,并在纵肋上穿插钢筋,通过剪力钉与钢筋的共同作用,使混凝土板与格子梁的连接效果更好,减小了混凝土板厚,减轻了上部结构的重量。从下至上依次为:底部采用8mm桥面封底耐候钢板、20cm厚C60混凝土板、防水层、11cm改性沥青混凝土。

            图13 公路桥面系结构示意图

            关键施工技术

            已建桥墩改造技术

            原广中江高速鸡鸦水道大桥左、右幅均已完成桩基、承台和墩身施工,右幅刚构0#块已施工完成。在此基础上改扩建成公铁两用桥,由此产生的技术问题以及相应的解决方案如下:

            1.既有公路桥0#块及部分墩身拆除难度大

            为保证接头钢筋可靠性,提高剥除效率,提出了先采用绳锯分块切割,分块拆除废除部分,在既有墩身钢筋利用段,采用微爆破加人工风镐剥离混凝土的工艺。

            2.新旧混凝土结合性能

            既有桥墩于一年前浇筑完成,为预防新旧混凝土结合面因龄期差异而导致裂纹问题,采用增加界面剂及二次振捣工艺(2h内再振捣)。

           

            主梁架设关键技术

            为保证航道通畅,航道内不能设置临时支墩,只能采取悬拼或顶推施工方案。经综合比选,主梁架设采用边跨钢梁在临时支墩上拼装,跨中钢梁采用梁上吊机悬拼的施工方案。该桥跨度大(主跨175m)、自重大(悬臂端重3380t)、合龙接口多(上弦5个接口,下弦3个),悬臂拼装线形控制及跨中合龙难度大。

            为保证成桥线形、钢梁精确合龙,采取了以下措施:

            1.采用起落梁调整法,根据现场的线形监控数据调整钢梁的状态,保证合拢杆件两侧的钢梁纵横向位置在2mm内,竖向转角垂直;

            2.平纵面及转角位置调整完成后,连续测量观测7天合拢段长度,在合拢时间内确定合拢杆件的实际长度留下的误差,由合龙段的下料长度来消除,所以四根主桁的下料长度会有所不同。最后选择后半夜23℃条件下的杆件长度;

            3.按照合龙段尺寸放样加工杆件;

            4.采用温差调整法,利用温度变化引起的钢梁自身热胀冷缩,先合龙下弦,后合龙上弦。

            桥面系施工技术

            因铁路桥面系二恒占比较小,影响少,铁路线形要求高,故先施工公路桥面系后,再施工铁路桥面系,对轨道铺设更有利。

            为解决中墩负弯矩区桥面板抗裂问题,结合该桥特点采用了以下控制措施:

            1.优化混凝土配合比,减少混凝土早期收缩;

            2.先浇筑正弯矩区,后浇筑负弯矩区,减少负弯矩区的混凝土拉应力;

            3.“跳仓法”浇筑混凝土,减小混凝土收缩应力。

            实施效果显著

            南沙港铁路跨鸡鸦水道大桥采用公铁两用平行弦连续钢桁梁,基于已施工的原广中江高速公路连续刚构桥的墩身和基础改造而成。通过结构优化,铁路采用板式轨道无砟桥面、公路采用纵肋倒置的钢-混凝土组合桥面,公铁合建改造方案较原公路连续刚构桥设计方案,减少上部结构恒载重约250kN/m。改造方案充分利用了已建工程,最大限度减少废弃工程且减少占地节约投资。公铁合建改造方案较公铁分建方案减少占地73.3亩、拆迁16.1万平米,避开了多处环境敏感点。另外,公铁合建改造方案,未改变已建公路桥涉水部分工程结构,保证了同通道公路、铁路合建顺利实施。

            本文刊载 /《桥梁》杂志 2019年 第5期 总第91期

            作者 / 严爱国 刘振标 张杰

            作者单位 / 中铁第四勘察设计院集团有限公司、中铁建大桥设计研究院



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