跨越高速公路互通橋梁方案設(shè)計研究

彭 磊，劉會芳，王 瑩，肖昌仁

（1.湖北省城建設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051；

2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

隨著城市快速發(fā)展，城市范圍不斷擴大，已建成鄰近城區(qū)的高速公路成為了城市發(fā)展空間上的屏障。如何跨越高速公路，將城市多個區(qū)域連接起來成為城市交通發(fā)展的難題。目前，國內(nèi)跨越高速公路修建橋梁，宜多選擇在普通路段，盡量避開樞紐和互通、服務(wù)區(qū)、停車區(qū)、加減速車道、爬坡車道、緊急停車帶等[1]。城市道路如何跨越高速公路互通、收費站等樞紐，成為一個道路建設(shè)者需要關(guān)注、解決的問題。本文以潛江市東荊新區(qū)紫光大道跨越漢宜高速公路潛江互通為例，通過對現(xiàn)狀環(huán)境及高速公路建設(shè)影響因素進行分析，研究了跨越高速公路互通橋梁方案設(shè)計，為類似項目設(shè)計研究提供指導(dǎo)。

1 項目概況

潛江市東荊新區(qū)紫光大道是連接?xùn)|荊新區(qū)紫月湖片區(qū)和楊市總口片區(qū)，是東荊新區(qū)“四縱九橫”主干路網(wǎng)中一條重要縱向主干道，道路區(qū)位見圖1所示。道路總體走向由北向南，現(xiàn)狀紫月路以北，興業(yè)路以南道路已經(jīng)建成，僅剩紫月路、興業(yè)路之間跨越漢宜高速公路和滬蓉高速鐵路段未建設(shè)，成為潛江市南北縱向主干道的一個瓶頸，嚴重限制了潛江市向南擴張。紫光大道（以下簡稱“本項目”）采用50 km/h城市主干道標準，道路紅線寬度為45 m[2]。

圖1 項目區(qū)位圖

漢宜高速是滬渝高速公路湖北省內(nèi)武漢至宜昌的一段，雙向四車道高速公路標準，設(shè)計速度100 km/h，路基寬23.5 m，中分帶寬度為1.5 m。項目經(jīng)過區(qū)域為4 m高填方路基段，相交處緊鄰潛江互通、收費站，現(xiàn)狀為高速加、減速車道變寬段，現(xiàn)狀高速公路路基寬度為31.5 m；漢宜高速已經(jīng)啟動雙向四車道擴寬為雙向八車道研究工作，初步確定雙向八車道路基寬度為49.5 m（含變速車道），見圖2、圖 3。

圖2 現(xiàn)狀高速公路橫斷面圖（單位：cm）

圖3 改擴建后高速公路橫斷面圖（單位：cm）

2 路線設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

根據(jù)東荊新區(qū)道路網(wǎng)規(guī)劃，紫光大道北延道路起于現(xiàn)狀紫月路，順接紫光大道中段，終點在興業(yè)路與已建成紫光大道順接。

結(jié)合規(guī)劃及相關(guān)規(guī)范要求[3]，“匯流鼻前，匝道與主線間應(yīng)具有通視三角區(qū)?！北卷椖柯肪€在互通三角區(qū)內(nèi)不能跨越。結(jié)合規(guī)范規(guī)定[4]，“主線分流鼻之前應(yīng)保證判斷出口所需的識別視距；條件受限制時，識別視距應(yīng)大于1.25倍的主線停車視距。”在漢宜高速改擴建成八車道后，從西向東方向，距離匝道大鼻端200 m范圍內(nèi)不能設(shè)置影響視距的構(gòu)造物。結(jié)合規(guī)劃路線方案，綜合互通區(qū)視線及停車視距要求，設(shè)計了三個路線方案，分別為規(guī)劃路線、方案一、方案二，見圖4。

圖4 路線方案示意圖

規(guī)劃方案：路線與鐵路保持6°夾角，從63#墩下穿過，與高速公路出口匝道識別視距為275 m，夾角為83°；占用大量廠房用地后，順接已建成紫光大道。路線設(shè)置四段平曲線，半徑分別為940 m、400 m、800 m，630 m，在高速公路相交段位于曲線上。

方案一：路線與鐵路保持6°夾角，從63#墩下穿過，與高速公路出口匝道識別視距為230 m，夾角為88°；從廠房圍墻邊穿過后，順接已建成紫光大道。路線設(shè)置三段平曲線，半徑分別為900 m、450 m、600 m，在高速公路相交段位于450 m圓曲線和緩和曲線上。

方案二：路線采用分離式路基與鐵路垂直相交，從鐵路64#墩兩側(cè)下穿，與高速公路出口匝道識別視距為230 m，夾角為88°；從占用部分廠房用地后，在興業(yè)路口與已建成紫光大道順接。路線設(shè)計四段平曲線，半徑分別為500 m、500 m、700 m、750 m，與高速公路相交位于直線段上。

2.2 方案比選

結(jié)合規(guī)劃要求，滿足高速鐵路和高速公路運營要求，對三個方案進行比選見表1。

表1 路線方案比選表

通過比選，規(guī)劃方案和方案一能滿足出口匝道識別視距要求，與高速公路相交在曲線段，不便于構(gòu)造物施工，同時這兩個方案與西氣東輸管道在管道分叉處相交，不利于跨越橋涵設(shè)計與施工；方案二對高速鐵路、天然氣、高速公路、廠房影響最小。綜合分析，確定跨越漢宜高速公路潛江互通路線方案采用方案二。

3 橋梁方案設(shè)計

3.1 跨越方式分析

我國城市道路與既有高速公路的立交形式主要有2種：一是下穿橋涵通道方式，二是上跨橋梁方式；具體可分為：頂推框架橋、逆做法路改橋、高速改線路改橋、上跨高架橋幾種。

本項目經(jīng)過高速公路區(qū)域為4 m高填方路基段，難以滿足下穿橋涵通道凈空要求，同時施工難度及風(fēng)險較高，排水困難，需設(shè)置排水泵房，后期管養(yǎng)麻煩，維護成本較高。由于項目位于潛江互通、收費站范圍內(nèi)，逆做法路改橋、高速繞線路改橋兩種施工方式難以解決高速公路施工保通要求。綜合比選，確定本項目跨越高速公路采用上跨高架橋形式。

根據(jù)湖北省交通運輸廳高速公路管理局《關(guān)于進一步規(guī)范全省高速公路涉路工程建設(shè)管理的通知》要求[5]：“上跨高速公路的橋梁基礎(chǔ)及施工開挖斷面應(yīng)在高速公路規(guī)劃用地范圍外，不宜在中央分隔帶設(shè)置中墩，若須在中央分隔帶設(shè)置中墩時，中墩兩側(cè)應(yīng)設(shè)防撞設(shè)施。”同時根據(jù)規(guī)范[6]規(guī)定：“高速公路和作為干線的一級公路，整體式斷面中間帶寬度小于或等于12 m，或者12 m寬度范圍內(nèi)有障礙物時，必須設(shè)置中央分隔帶護欄?！北卷椖咳粼谥醒敕指魩гO(shè)置中墩，需要在中墩兩側(cè)設(shè)置防撞設(shè)施和防撞護欄；而現(xiàn)狀高速公路中央分隔帶僅為1.5 m（含防撞護欄寬度），受高速公路建筑限界限制，無條件設(shè)置防撞設(shè)施和防撞護欄。因此，本項目為滿足現(xiàn)狀運營和遠期高速公路發(fā)展要求，需選擇一跨跨越的橋型方案。

3.2跨徑組合研究

根據(jù)路線設(shè)計方案，方案二與漢宜高速夾角為88°路線相交處漢宜高速后期擴建至雙向八車道路基寬度為49.5 m?？紤]高速公路擴寬后路基防護形式，確定了自然放坡和擋墻支護兩種類型，可確定橫斷面布置有：

標準橫斷面一：1 m（邊溝距用地界碑距離）+1.8 m（邊溝寬度）+2 m（護坡道寬度）+6 m（邊坡放坡寬度）+49.5 m（擴建后路基寬度）+6 m（邊坡放坡寬度）+2 m（護坡道寬度）+1.8 m（邊溝寬度）+1 m（邊溝距用地界碑距離）=71.1 m，見圖5。

圖5交叉處漢宜高速橫斷面一布置圖（單位：m）

標準橫斷面二：1 m（邊溝距用地界碑距離）+1.8 m（邊溝寬度）+1 m（護坡道寬度）+1 m（擋土墻放坡寬度）+49.5 m（擴建后路基寬度）+1 m（擋土墻放坡寬度）+1 m（護坡道寬度）+1.8 m（邊溝寬度）+1 m（邊溝距用地界碑距離）=59.1 m，見圖6。

圖6交叉處漢宜高速橫斷面二布置圖（單位：m）

紫光大道采用一跨上跨高速公路橋型方案，結(jié)合橫斷面布置形式，綜合考慮斜交角度、橋墩寬度、高速公路改擴建、施工便利性等因素，確定了如下橋跨組合方案：

根據(jù)標準斷面一，設(shè)計了方案一：主橋采用45 m+80 m+45 m（見圖 7）。

圖7方案一上跨漢宜高速橋橋型布置圖（單位：cm）

本方案橋墩全位于高速公路擴建成八車道后的紅線外，不影響高速公路改擴建；但本方案跨徑大、主梁高度高，上跨橋梁造價高、景觀差。

根據(jù)標準斷面二，設(shè)計了如下三個方案：

方案二：主橋采用40 m+70 m+40 m（見圖8）。

圖8方案二上跨漢宜高速橋橋型布置圖

本方案橋梁的主墩承臺不侵入漢宜高速擴建后的用地邊界，考慮主墩的承臺寬度為8.5 m，且充分預(yù)留了高速擴建時邊溝及擋墻的施工空間，高速公路改擴建時僅需在橋墩范圍內(nèi)設(shè)置4 m高仰斜式擋墻。

方案三：主橋采用36 m+65 m+36 m（見圖9）。

圖9方案三上跨漢宜高速橋橋型布置圖

本方案中橋梁的承臺部分侵入漢宜高速擴建后的用地邊界，用地邊界與橋梁主墩中心線的間距為2.95 m，上跨橋梁設(shè)計需要將承臺埋置在漢宜高速擴建后邊溝下方，埋置深度淺；對高速公路改擴建存在一定影響。

方案四：主橋采用34 m+60 m+34 m（見圖10）。

圖10方案四上跨漢宜高速橋橋型布置圖

本方案中橋梁的承臺部分侵入漢宜高速擴建后的用地邊界，用地邊界緊貼橋梁主墩中心線，上跨橋梁設(shè)計需要將承臺埋置在漢宜高速擴建后邊溝和擋墻下方，埋置深度大；漢宜高速公路改擴建擋墻施工空間受限。

對四個方案進行比選見表2。

表2 方案比選表

經(jīng)綜合比較，方案三工程規(guī)模相對較小，造價較低，橋梁的承臺埋置在漢宜高速擴建后邊溝下方，漢宜高速擴建后用地邊界與橋梁主墩中心線的間距為2.95 m，距離較為富余，能滿足漢宜高速四改八擴建要求，且梁高較低，對擴建后高速視覺影響較小，總體優(yōu)勢較明顯。因此，采用方案三：主橋采用36 m+65 m+36 m的橋型上跨漢宜高速公路。

3.3 橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)（36+65+36）m橋跨組合，結(jié)合紫光大道雙向六車道斷面布設(shè)需要，設(shè)置35.5 m標準橫斷面布置形式為：2.5 m（人行道）+4 m（非機動車道）+22.5 m（機動車道）+4 m（非機動車道）+2.5 m（人行道），設(shè)計了兩種橋型方案如下：

方案一：預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋

上部結(jié)構(gòu)采用三跨變高混凝土連續(xù)箱梁，單幅上構(gòu)箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，箱梁根部高度4.0 m，跨中高度1.9 m，主墩與過渡墩均采用矩形實心墩，橋墩采用樁基礎(chǔ)。本方案需要采用掛籃懸澆筑法施工，為防止上跨橋施工過程中物體跌落影響交通安全，掛籃懸臂澆筑法施工，須在高速公路全寬范圍內(nèi)搭設(shè)防護棚架；防護棚架的支墩可設(shè)置在高速公路中央分隔帶和路肩上，防護棚架和支墩應(yīng)驗算強度、剛度和穩(wěn)定性；防護棚下的凈高應(yīng)不小于5 m[7]。

方案二：連續(xù)變高鋼箱梁橋

上部結(jié)構(gòu)采用三跨變高連續(xù)鋼箱梁，單幅上構(gòu)鋼箱梁為單箱雙室結(jié)構(gòu)，箱梁主墩頂高度3.1 m，跨中高度2.0 m，主墩與過渡墩均采用矩形實心墩，橋墩采用樁基礎(chǔ)。本方案可以采用工程集中預(yù)制，通過專用設(shè)備運輸至現(xiàn)場，運用大型機械吊裝；吊裝期間需要中段交通5 h，結(jié)構(gòu)吊裝穩(wěn)定后焊接固定。

主橋兩個方案對比見表3。

表3 主橋方案比選表

方案二便于工廠機械化制造，施工周期短，并且材質(zhì)均勻，強度高，重量輕，但總造價較高，并且在運營期間耐腐蝕性較差，需定期進行養(yǎng)護，維護成本高，鋼橋通車運營時間較久后不可避免的會發(fā)生疲勞問題，后期維護加固較難。方案一施工工藝成熟，結(jié)構(gòu)整體性好，主梁剛度大，通車運營期間行車舒適，行車噪聲小，造價低。根據(jù)安全、適用、經(jīng)濟、美觀的設(shè)計原則，綜合比較確定本次主橋結(jié)構(gòu)形式為方案一，即36 m+65 m+36 m為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋。

根據(jù)橋跨組合及橋梁方案比選，最終確定本橋分為五聯(lián)，其跨徑布置為4×30 m+5×30 m+（36+65+36）m+4×30 m+3×30 m，其中 36 m+65 m+36 m為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁主橋，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計；其余30 m跨為先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)小箱梁，按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計。橋梁結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)計算軟件計算，橋梁上部結(jié)構(gòu)承載能力及應(yīng)力指標均滿足規(guī)范[8]要求。

4 結(jié) 語

（1）根據(jù)高速公路互通匝道識別視距，結(jié)合城市主干道規(guī)劃要求，確定采用方案二跨越高速公路互通。

（2）根據(jù)現(xiàn)狀工程環(huán)境，結(jié)合高速公路管理部門對跨域高速公路的要求，確定了采用一跨跨越的高架橋方案跨越高速公路。

（3）結(jié)合路線方案，預(yù)留高速公路擴建雙向八車道要求，通過對四個方案比選，確定了采用36 m+65 m+36 m的橋型上跨高速公路。

（4）從安全、適用、經(jīng)濟、美觀、施工影響等幾個方面，綜合比選確定了主橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋。