蘇虞張市域（郊）鐵路高架區間標準橋梁初步研究

王勇 賀英閣 姜海君 種博肖 廖凱 郭向榮

1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司 橋梁設計院， 北京 102600； 2.中南大學 土木工程學院， 長沙 410083

市域（郊）鐵路是一種新型軌道交通系統，國務院辦公廳《關于推動都市圈市域（郊）鐵路加快發展的意見》（國辦函〔2020〕116號）明確鼓勵有條件的地區建設市域（郊）鐵路，市域（郊）鐵路發展前景廣闊。

TB 10624—2020《市域（郊）鐵路設計規范》［1］于2021年初實施，該類交通系統的建設尚處于起步階段，已建或在建項目多為一事一議，工程建設標準化低。該類型鐵路多走行于城市及郊區，橋梁占比大，為推動其標準化建設，有必要對標準橋梁進行研究［2］。

本文以蘇虞張市域（郊）鐵路（簡稱蘇虞張線）為例，通過工程類比、分項詳細分析等方法對其標準橋梁跨徑、橋墩及基礎進行研究，旨在提出更加經濟合理、安全適用、景觀協調的橋梁方案。

1 工程背景

蘇虞張線為待建鐵路，于2023年10月取得可行性研究批復，目前正在開展初步設計。該線自蘇州北站引出，蜿蜒向北西方向經常熟至張家港，終點止于金港鎮，線路全長89.3 km，全線設6座橋梁，總長57.97 km；設12座地下站、1座島式高架站和9座側式高架站。該線可以推動蘇州市域一體化發展，落實長三角多層次軌道交通規劃、構建高效的綜合交通體系［3］。

主要技術標準：雙線時速160 km無砟軌道；最大縱坡25‰、困難條件30‰；平面曲線半徑1 400 m、困難條件1 300 m；采用ZS設計活載。

沿線為太湖水網平原，地勢平坦，水系與道路交織成網，經濟發達，人口稠密。工程場址地表被第四系地層覆蓋，主要為人工填土、黏性土、淤泥質土、粉砂土；基本地震動峰值加速度0.05g～0.10g，特征周期0.35～0.40 s。

2 結構體系選擇

軌道交通及市域（郊）鐵路高架橋，主要采用簡支梁、連續梁和連續剛構梁式體系［4］。對溫州S1和S2線、臺州S1線、鄭許市域鐵路等國內46個軌道交通及市域（郊）鐵路項目進行統計分析，發現采用簡支梁體系的項目有33個，占比71.7%；連續梁體系10個，占比21.7%；余下3個項目均為廣州地鐵，采用了連續剛構體系［5］，占比僅6.5%。不同體系橋梁綜合對比見表1。

表1 簡支梁、連續梁和連續剛構體系綜合對比

標準橋跨的跨度不宜過大，剛度大、整體性好的連續梁和連續剛構在小跨結構中優勢不明顯。與之相比，簡支梁體系受力明確、工程造價低、施工周期短且簡潔美觀。結合該線地質條件差、沿線城鎮化程度高、施工工期緊等特點，推薦簡支梁體系作為該線標準段橋梁結構體系。

3 上部結構

3.1 梁型

市域（郊）鐵路橋梁常用跨度簡支梁可選用箱梁、T梁、Π梁、板梁、U形梁、組合梁等結構形式［1］。

1）已建及在建項目梁型統計分析

調研的46個項目顯示：采用單箱單室大箱梁的項目有33個，占比71.7%；單線并置組合U形梁8個，占比17.4%；組合小箱梁4個，占比8.7%；I型組合梁1個，占比2.2%；T梁未見采用。

2）不同梁型經濟性分析

以常用跨度30 m為例，對不同梁型進行經濟性分析，見表2?？芍?，四種梁型中T梁造價最低，其他依次為大箱梁、組合小箱梁和U形梁。

表2 跨度30 m不同梁型經濟性對比

3）梁型綜合比選

梁型除應滿足使用功能和受力需要外，還應力求經濟、簡潔美觀并方便施工。不同梁型綜合對比見表3。

綜合調研結果和表3可知：國內尚未有類似項目采用T梁，兼之其橫向連接薄弱、整體剛度差，與城市景觀的協調性差，盡管其投資少，本項目不采用該梁型；U形梁除結構高度低、可少量降低橋高外，并非理想的受力結構，且國內較少應用，因此，該線亦不采用該梁型；組合小箱梁與大箱梁優缺點相當，除投資較高、橋墩墩頂橫向尺寸較大外，對線間距的適應性較好，尤其適用于島式車站較多的項目，但蘇虞張線90%以上的高架站為側式站，站內雙線線間距與區間一致，因此，本項目亦不采用該梁型；大箱梁整體性好，施工工序少，施工速度快，橋墩頂帽尺寸小，我國高速鐵路、大部分城市軌道交通和市域（郊）鐵路橋梁均采用雙線大箱梁，大量案例證明了雙線大箱梁較其他梁型優勢大，因此，該線優先采用雙線大箱梁。

3.2 跨徑比選

1）不同交通制式的習慣性跨徑

國鐵制式橋梁常用跨度為4、8 m的倍數，如24、32 m；公路、市政和城市軌道交通制式的常用跨徑為5 m的倍數，如25、30、35 m。蘇虞張線為市域（郊）鐵路，市域規范的部分技術指標以16、24、32 m為基準，標準橋跨參考國鐵制式有一定的合理性。該線的建設和運管單位均為地方軌交集團，項目建設和運維仍需按城軌項目的習慣執行。因此，蘇虞張線的標準梁跨徑采用5 m的倍數。

2）行業常用跨徑統計分析

調研的46個項目中，跨徑25、30、35、40 m的項目分別有8個、31個、4個和3個，占比分別為17.4%、67.4%、8.7%和6.5%。25 m梁主要在2006年以前采用，后續項目多采用30 m梁；近年來，無錫、臺州、溫州等深厚軟土和低烈度地震區采用35 m梁；廣州地鐵的連續剛構橋采用40 m梁，其他項目未見采用。

3）經濟性分析

選取該線平均墩高10 m的橋梁工點，分別對跨徑30、35、40 m的方案進行對比，見表4?？芍?，橋梁投資隨跨徑增加而遞減。以35 m梁為基準，30 m梁造價高出4.29%，40 m梁低1.14%。

表4 平均墩高10 m時不同跨徑橋梁經濟性對比

4）對預制架設法的適應性分析

除較短的泗港特大橋（橋長650 m）外，蘇虞張線設5座較長特大橋，其余為地下區間，除常熟市區段外，其余各區段的簡支橋孔數均超過250孔，具備設置梁場的條件，采用梁場預制、架橋機架設施工。

通過調研可知，國內各運架設備廠商均具備制造35 m梁運架設備或將現有30 m梁設備改造為35 m梁設備的能力；對于城市軌道交通或市域（郊）鐵路40 m梁，目前國內還沒有相關的運架梁設備，需要重新研制。

5）景觀分析

當城市橋梁墩高與跨度比例在1∶2.4 ～ 1∶4.0時［6］，橋梁景觀較好，符合人們的視覺審美習慣。橋梁跨徑為20 ～ 35 m在合理美學范圍。

蘇虞張線位于太湖水網平原區，沿線軟土深厚，且全線地震烈度較低，應優先采用跨徑大的橋梁；從經濟性而言，跨徑越大經濟性越優，40 m梁具有優勢，但其難以適應現有預制架設設備，可實施性較差；從景觀方面考慮，40 m梁跨徑偏大，不能給人美的視感。

綜上，35 m梁的經濟性以及對預制架設工法的適應性和景觀效果均較好，因此，推薦35 m作為蘇虞張線橋梁標準跨徑。

3.3 簡支梁結構設計

1）橋面布置

蘇虞張線采用城市軌道交通制式，橋上疏散通道設于線間，橋兩側設接觸網立柱和防護墻。線間疏散通道寬1.2 m，綜合考慮限界要求雙線線間距取4.6 m，梁頂寬11 m，見圖1。

圖1 標準雙線橋橋面布置（單位：mm）

2）結構尺寸擬定思路

①梁高。根據現行城市軌道交通橋梁高、跨度增幅和梁高加高值的關系綜合擬定?，F行城軌30 m梁高1.8 m，因市域（郊）鐵路活載增加，該線暫定30 m梁高1.85 m。高速鐵路橋梁跨度每增加8 m梁高增加0.4 m；公路小箱梁跨度每增加5 m梁高增加0.2 m，綜合兩種梁的變化趨勢，蘇虞張線按跨度每增加5 m，梁高增加0.2 m。35 m梁梁高初步取2.05 m，并分別采用2.00、2.10 m進行比選。

②腹板預應力鋼束。采用大型號單排鋼束，除梁端局部區域外，腹板厚度360 mm［7］。

3）力學性能分析及梁高比選結果

雙線35 m梁不同梁高時的梁部應力、強度和變形結果分別見表5、表6?？芍?，三種梁高的35 m簡支梁，強度、應力及變形結果均滿足規范［8］要求，且梁高越高，各指標越富余。

表5 35 m梁不同梁高梁部應力計算結果

表6 35 m梁不同梁高時梁部強度、抗裂和變形計算結果

不同梁高時的梁部主要尺寸和工程數量對比見表7?？芍?，梁高越高，預應力筋用量越??；2.05 m梁高混凝土用量最小。經綜合比較，35 m簡支箱梁梁高推薦取2.05 m。

表7 35 m梁不同梁高梁部主要結構尺寸及工程數量

4）結構構造

根據前述研究分析，蘇虞張線雙線標準跨徑35 m梁梁高2.05 m，頂板厚250 ～ 500 mm，底板厚280 ～700 mm，腹板厚360 ～ 950 mm，梁頂、底和腹板厚度均按折線變化，見圖2。

圖2 35 m箱梁截面（單位：mm）

4 下部結構

4.1 墩型選擇

軌道交通和鐵路大線橋梁墩型主要有矩形花瓶墩、中空式花瓶墩、圓端形花瓶墩、T形墩和雙柱墩［9］，其中，圓端形墩主要應用于鐵路大線橋梁，城市軌道交通或市域（郊）鐵路橋應用較少。與其余墩型相比，矩形花瓶墩造型簡潔，模板簡單，施工方便；與雙柱墩相比，矩形花瓶墩占地少，且與道路斜交時處理更為簡單。因此，推薦蘇虞張線采用矩形花瓶墩。

4.2 橋墩設計

1）部分已建和在建項目墩身尺寸

統計溫州S1線、滁寧城際鐵路等6個項目的最高橋墩尺寸，見表8?？芍?，墩身縱橫向坡率大多采用直坡，尺寸均按墩高分級，一般分為3 ～ 11 m、11 ～ 14 m、14 ～ 20 m三檔，各檔最高墩墩底縱向尺寸分別約1.8、2.0、2.6 m，橫向尺寸分別為2.9、3.1、3.5 m。

表8 墩身尺寸m

2）橋墩設計控制因素

橋墩尺寸主要受墩頂構造、材料強度和墩頂綜合線剛度控制，且往往由剛度控制墩身縱向尺寸［10］。已建項目的橋墩剛度均執行城市軌道交通橋梁的要求，而市域規范與其他國鐵大線、城市軌道交通規范有較大區別，市域（郊）鐵路、城際鐵路、城市軌道交通、客貨共線鐵路、重載鐵路對應的橋墩墩頂縱向水平線剛度限值，分別為190、265、320、350、400 kN/cm。由此可知，不同軌道交通系統對墩頂剛度限值的要求差別較大，市域鐵路最小，重載鐵路最大。與城際鐵路、城市軌道交通、客貨共線鐵路和重載鐵路相比，市域鐵路剛度限值分別小28.3%、40.6%、45.7%和52.5%，剛度限值降低，理論上墩身尺寸存在一定的優化空間。

3）橋墩尺寸

根據蘇虞張線墩高和沿線地質特點，結合基礎對墩身尺寸進行了技術和經濟比選，最終確定三檔墩高，分別為3 ～ 10 m、10.5 ～ 13.0 m、13.5 ～ 20.0 m。不考慮基礎作用時，各檔墩最高墩的墩頂縱向水平線剛度分別為461、506、465 kN/cm。墩身構造尺寸見圖3。

圖3 墩身構造尺寸（單位：cm）

4）動力性能

選用平均墩高10 m（墩高范圍5 ～ 18 m）、38孔35 m簡支梁橋進行車橋耦合動力仿真分析。38孔梁中，4跨位于半徑為750 m的圓曲線上，8跨位于緩和曲線上，其余均位于直線段。主要動力分析結果見表9。

表9 35 m梁橋主要動力分析結果

35 m簡支梁橋墩梁縱漂、主梁橫彎和主梁豎彎對應的最小自振頻率分別為0.930、1.757、2.767 Hz，豎向自振頻率小于限值2.934 Hz［11］；列車通過時的最大動力系數為1.3，未出現明顯共振現象；市域（郊）鐵路CRH6型車以速度120 ～ 160 km/h通過時，橋梁的振動性能均在限值以內，車輛各項安全性、舒適性指標亦均在限值以內，說明列車運行的安全性、舒適性得到保障。35 m簡支梁及配套橋墩具有足夠的豎向和橫向剛度，能夠滿足市域（郊）列車CRH6以速度120 ～160 km/h運行時的安全性和舒適性要求。

4.3 基礎方案

1）常用樁基類型及優缺點

蘇虞張線橋梁均采用樁基礎。公路、市政、軌道交通橋梁及常規鐵路橋梁可選用的樁基主要有鉆孔灌注樁、打入預應力管樁（簡稱打入樁）、預鉆根植樁、后壓漿鉆孔灌注樁等。不同類型樁基綜合對比見表10?？芍?，鉆孔灌注樁工藝簡單、成熟，施工質量、成樁承載力可靠，應用最廣；打入樁為裝配式結構，無泥漿，基本無現場澆筑混凝土作業，節能環保，符合當今建筑潮流及政策鼓勵方向，主要受地質及周邊場址環境約束，有條件時推薦應用；預鉆根植樁為一種新型樁基形式［12］，為裝配式結構，現場無現澆混凝土作業，僅需處置沉樁所擠出的少量泥漿，比較節能環保，目前雖有建設標準化協會標準、地方標準及鐵道學會標準，但沒有鐵路行業標準，鮮有鐵路橋梁應用案例，應慎重使用；后壓漿鉆孔灌注樁［13］與常規鉆孔樁相似，由于樁底、樁側土體注漿加固，樁長變短，經濟效益明顯，目前有公路行業標準及鐵道學會標準，但沒有鐵路行業標準，僅有個別鐵路橋梁墩臺試驗性應用，亦應慎重使用。

表10 不同類型樁基綜合對比

2）不同類型樁基經濟性比選

以長1 400 m、墩高10 m、跨徑35 m的梁橋為例，不同類型樁基經濟性比選見表11?？芍?，與常規鉆孔樁相比，打入樁最經濟，節約投資19.2%；兩種新型樁基（后壓漿樁、根植樁）也具有一定的經濟優勢，節約投資分別為7.6%、2.8%，但不明顯。

表11 不同類型樁基經濟性比選

蘇虞張線走行地區多為黏土、粉砂類土，沿線經濟發達，城市、村鎮密布，既有構（建）筑物多，綜合不同樁基特點和經濟分析，該線原則上仍以常規鉆孔灌注樁為主。當橋梁位于農田、水塘等遠離周邊既有構筑物的區段時，選用打入樁；對于后壓漿樁、根植樁，有條件時可少量試驗性應用。

5 結論

1）蘇虞張線標準橋梁宜采用梁場整孔預制、架橋機架設施工的35 m跨徑雙線簡支大箱梁。

2）市域（郊）鐵路橋梁的優選跨徑需結合行業習慣、經濟性、對預制架設工法的適應性和景觀等因素綜合確定，當其產權或運維歸屬城市軌道交通模式時，跨徑35 m為最優跨徑。

3）當35 m梁的腹板采用單排大型號預應力鋼束和大噸位錨具時，其結構尺寸較優。

4）橋墩設計采用了最新市域（郊）鐵路規范的要求，墩頂綜合線剛度降低較多，墩身縱向尺寸優化明顯，高度10 m及以下橋墩，墩身縱向可取1.2 m，橋梁動力性能滿足要求，結構更加輕盈，投資也更低。

5）打入樁是最經濟的樁基形式，但因振動問題而受限；預鉆根植樁和后壓漿樁實質均為壓漿樁，雖然在經濟、環保等方面具有一定的優勢，但壓漿質量目前尚難以檢測或缺乏有效的判據，該樁型可以少量試驗應用；常規鉆孔灌注樁仍是市域郊鐵路主要采用的樁基形式。

本研究已順利通過蘇虞張線可行性研究評審，研究成果可為該項目后續建設起到積極推進作用。