軌道交通特大橋鋪軌線形設計及其工程實踐

段桂平 劉加華

(上海申通地鐵集團有限公司技術中心， 201103， 上?！蔚谝蛔髡?， 高級工程師)

軌道交通橋梁主體結構施工完成后，受二期恒載(軌道、觸網(wǎng)及立柱、聲屏障、電纜溝槽、線纜及支架等)和車輛活載等影響會產(chǎn)生一定的變形，相應地會帶動固結其上的軌道結構一起變形。對于一般簡支梁或跨度較小的連續(xù)梁，上述變形較小，不足以引起大的軌道不平順，鋪軌時一般不予考慮；但對于變形較大的大跨度或其他特殊橋梁，軌道鋪軌時必須考慮其影響，否則將引起較大的軌道幾何不平順。本文詳述了上海軌道交通5號線南延伸項目閔浦二橋段鋪軌線形的設計思路、施工實施過程及后續(xù)監(jiān)測情況，供同類工程參考。

1 工程概況

1.1 橋梁

上海閔浦二橋位于黃浦江老閔行奉賢西渡區(qū)段，是連接老閔行和奉賢的地方客運專用通道。主橋全長436.65 m，上層為公路雙向4車道，下層為雙線軌道交通，設計活載為公路-I級荷載和兩車道軌道交通荷載。大橋雙層橋梁主體結構同步施工完成，上層公路于2010年5月建成通車；下層預留軌道交通5號線南延伸，除橋梁主體結構外其他均未實施。2014年6月，上海地鐵5號線南延伸工程開工建設。

大橋主橋采用獨塔雙索面連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，主橋跨度布置為38.25 m+147 m+251.4 m(見圖1)。主梁除邊跨為N型桁架外，主跨及次邊跨均為三角桁架，上、下層橋面為正交異性鋼橋面，橋面寬23.04 m(見圖2)。

圖1 閔浦二橋總體布置圖

1.2 軌道

閔浦二橋下層5號線南延伸預留設計時，軌道結構按如下方案考慮：60 kg/m鋼軌，WJ-2扣件，無縫線路，支承塊承軌臺整體道床，主橋兩端大梁縫處設置鋼軌伸縮調節(jié)器，設計軌道結構高度500 mm。

尺寸單位：mm

5號線南延伸實施時即施工圖階段，閔浦二橋主橋段軌道設計方案為：60 kg/m鋼軌，無縫線路，主橋兩端除大梁縫外采用鋼彈簧浮置板整體道床配套WJ-2A扣件，中部采用減振扣件配套支承塊承軌臺整體道床，大梁縫處采用梁端伸縮裝置和鋼軌伸縮調節(jié)器。

2 橋梁預拱度設置與實測梁面標高

2.1 橋梁設計變形及預拱度

根據(jù)閔浦二橋橋梁設計計算資料，大橋主跨(跨度251.4 m)在二期恒載(軌道結構、接觸網(wǎng)立柱、電纜槽、聲屏障等晚于橋梁施工的構筑物)作用下最大豎向變形為123 mm，活載(運行的車輛)作用下最大變形為104 mm(見表1)，橋梁結構施工時主橋梁面設置了活載預拱度，即梁面標高按照設計梁面標高疊加活載預拱度進行實施。

表1 橋梁局部地段變形數(shù)據(jù)表 單位：m

2.2 閔浦二橋梁面標高測量情況

一般橋梁地段設計軌面線與設計梁面線應為平行關系，兩者之間存在一個固定的高差即設計軌道結構高度，實測梁面線在設計梁面線上下小幅擺動。對于設置預拱度的橋梁，設計軌面線疊加預拱度后與考慮預拱度后的設計梁面線平行，并應基本與實測梁面線平行。

將實測閔浦二橋下層軌道交通梁面標高與原設計軌面標高、原設計理論梁面標高和疊加預拱度值的理論梁面標高數(shù)據(jù)進行了對照，如圖3所示。閔浦二橋主橋實測梁面線與前期設計標高相差甚遠：① 根據(jù)前期設計資料，主橋實測梁面標高應在疊加預拱度的設計梁面標高線附近擺動，但實際卻偏離較大，其中最大偏差達到了247 mm。② 實測梁面至設計理論軌面的最小高度僅為149 mm，設計理論軌面疊加預拱度后軌面至梁面最小高度僅為252 mm，與設計軌道結構高度500 mm偏離較大。

圖3 設計軌面線與實際梁面線關系圖

2.3 軌面線形設計的必要性及需求

一般情況下，軌道交通結構工程施工完成后、軌道鋪設前會進行調線調坡工作[1]。根據(jù)實測資料，對結構施工偏差較大地段調整線路平面和縱斷面去適應已實施完成的結構，以滿足限界、軌道等相關專業(yè)要求。

從上文可知，閔浦二橋段工況復雜：① 施工完成的梁面實測標高與原設計考慮活載預拱度的梁面標高偏差較大，按現(xiàn)狀，軌道結構高度遠遠偏離標準要求，軌面必須進行調整；② 主橋恒載、活載作用下變形均較大，鋪軌時的軌面線形必須考慮其影響。此時線路縱斷面的調整不僅僅要滿足調線調坡的要求，還必須適應橋梁變形的需求，可以稱之為特大橋梁軌道鋪軌線形設計。

常規(guī)連續(xù)梁鋪軌時軌面標高一般按照設計軌面線疊加橋梁設置的預拱度考慮，橋梁變形時帶動軌道結構同步變形逐步將預拱度抵消[2]，但閔浦二橋主橋段不能如此簡單操作。這主要是由于橋梁施工時設置的預拱度僅為活載預拱度，未考慮二期恒載下的變形，并且活載預拱度實測數(shù)據(jù)與原設計理論值偏離較大。

鋪軌線形的設計應滿足如下條件：① 初始狀態(tài)滿足平順性要求，即使橋梁未按設計理論發(fā)生二期恒載作用后的變形，但仍能確保軌面的平順性；② 軌道、觸網(wǎng)立柱、聲屏障等恒載作用下軌面隨橋梁變形實際發(fā)生后，軌道幾何狀態(tài)仍滿足平順性要求；③ 活載作用下的軌道幾何狀態(tài)滿足平順性要求；④ 最小軌道結構高度滿足設計要求。

3 縱斷面鋪軌線形設計

3.1 原始線路縱斷面

原設計縱斷面基本以江中心為最高點向兩側設雙面人字坡，坡度3.1‰，坡長均為244 m，豎曲線半徑為5 000 m。覆蓋閔浦二橋主橋部分，初始線路縱斷面設計未考慮橋梁變形趨勢，如圖4所示。

尺寸單位：mm

3.2 線形設計原則及思路

1) 為確保預留值盡可能接近實際變形值，與橋梁專業(yè)人員共同研究后決定，將恒載作用下的理論變形值折減10%作為線形設計時實際考慮的恒載變形值；活載變形設計理論值為1/2(公路-I級荷載+軌交荷載)豎向位移，將公路-I級荷載調整為1車道時的荷載，即將1/2(公路-I(1車道)+輕軌)豎向位移作為線形設計時考慮的活載變形值。

2) 按第1條原則，根據(jù)橋梁計算資料，主橋第一跨、第二跨(見圖1)二期恒載作用下的變形均小于10 mm，鋪軌線形設計時不予考慮。

3) 將變坡點設置在主跨橋梁最大變形處，調整后的線形盡量適應現(xiàn)有橋面線形，確保初始狀態(tài)軌面和橋面發(fā)生最大變形時軌面均滿足平順性要求。

4) 為滿足較不利地段軌道結構高度的要求，因部分軌道高度會較高，需請橋梁專業(yè)人員對縱坡調整后的最大軌道荷載進行確認。

3.3 設計方案

基于前述主要原則和思路，對主橋段縱斷面進行重新調整設計，提出了兩個方案。兩個方案均將原設計3.1‰的兩個坡段調整為3個坡段，在主橋主跨中間增設新變坡點(見圖5)。具體如下：

方案一：新調整的3個坡的坡度和坡長分別為：3.5‰和141.0 m、1.5‰和193.0 m、7.0‰和157.5 m，新的坡長和坡度均滿足規(guī)范要求[3]。調整后，浮置板范圍最大軌道結構高度為768 mm，最小軌道結構高度為579 mm；承軌臺區(qū)域最大軌道結構高度為662 mm，最小軌道結構高度為472 mm。

方案二：新調整的3個坡的坡度和坡長分別為：3.3‰和181.0 m、1.5‰和153.0 m、6.86‰和157.5 m，新的坡長和坡度均滿足規(guī)范要求[3]。調整后，浮置板范圍最大軌道結構高度為767 mm，最小軌道結構高度為561 mm；承軌臺區(qū)域最大軌道結構高度為692 mm，最小軌道結構高度為520 mm。

圖5 線形設計方案

兩個縱斷面布置方案差別不大，其主要區(qū)別在于方案二中里程為K2+650的變坡點更靠近主塔。

3.4 方案校核

為確保方案的可靠性，在理論上對兩個方案進行校核。將兩個方案的初始軌面線形、橋梁恒載作用變形后軌面線形、橋梁恒載活載共同作用后軌面線形進行對照(見圖6和圖7)。圖中：曲線1為初始軌面標高數(shù)據(jù)繪制，根據(jù)橋梁專業(yè)人員提供的不同里程處橋梁變形值，利用三次拋物線模擬橋梁變形曲線，得到任意位置處橋梁變形值；將初始軌面線數(shù)據(jù)減掉恒載作用下橋梁變形得到曲線2；初始軌面線數(shù)據(jù)減掉恒載和活載引起的總變形后的軌面線為曲線3。

圖6 方案一校核

圖7 方案二校核

從圖中可以看出，兩個方案的初始線形和變形后的線形均比較平緩，也即兩個方案在理論上均適用于本工況。

4 方案實施及后續(xù)跟蹤

4.1 方案實施

設計單位選擇前述兩鋪軌線形方案中的方案一，維持變坡點位置不變，微調縱坡坡度后形成最終調線調坡設計圖紙，供現(xiàn)場鋪軌使用。

為方便過程中軌面標高測量和控制，施工前請測量單位在橋上布設控制點，并特別在主橋主塔位置加設控制點，以方便施工過程中的標高控制和變形監(jiān)測[4]。

實際軌道施工時按由主橋兩端向中間的順序進行施工。由于過程中軌道荷載逐漸增加，橋面變形也逐步發(fā)生，無法采用控制軌面絕對標高的方法進行鋪軌施工，所以采用相對標高控制法進行施工。即施工前，根據(jù)測量的梁面標高和調坡后的軌面標高計算控制點的實際軌道高度；施工過程中，按控制點位的軌道結構高度為基準進行軌面標高的控制，混凝土道床澆筑完成后進行精調[5]。

4.2 后續(xù)跟蹤

4.2.1 施工過程中跟蹤

2017年12月底，現(xiàn)場反饋橋梁最大變形發(fā)生位置與設計位置出現(xiàn)偏移，經(jīng)過對現(xiàn)場情況的比對分析，發(fā)現(xiàn)原因為：閔浦二橋主跨長254 m，其中主跨小里程側169 m為承軌臺整體道床，現(xiàn)場已架軌但未澆筑混凝土；接著為69 m浮置板，板已鋪，但未頂升；之后為抬枕和調節(jié)器地段，已架軌，道床未澆筑。由于靠近大里程側浮置板道床大部分荷載已就位，承軌臺整體道床地段僅架設了鋼軌和軌枕，而且浮置板道床的荷載較承軌臺道床重，故而出現(xiàn)最大變形點位置側偏移的現(xiàn)象。

根據(jù)橋上預留精測網(wǎng)控制點點位復測結果，控制點垂向變形均小于橋梁專業(yè)最初提供的橋梁變形值(見表2)。由于軌道荷載并未完全施加，認為橋梁變形在可控范圍，要求后續(xù)施工仍按軌面與梁面高差即軌道結構高度不變進行控制。

4.2.2 施工完成后跟蹤

為跟蹤了解實際橋梁在二期恒載作用下的變形情況，2018年4月3日利用鋪軌前在主塔位置處預留的控制點，對軌道鋪設完成后的梁面標高進行了實測，并與前期梁面標高進行對照，計算了橋梁變形量(見表3)。橋梁變形趨勢符合前期理論趨勢，最大變形量為78 mm，小于前期二期恒載作用下的最大理論變形值，符合預期，理論上可確保軌面平順。經(jīng)對實際軌面標高進行測量后，確認幾何狀態(tài)良好。

表3 閔浦二橋軌面變形監(jiān)測部分數(shù)據(jù)

上海軌道交通5號線南延伸于2018年12月30日通車試運營，至今閔浦二橋段軌道狀態(tài)良好。

5 結語

本文詳述了上海軌道交通5號線南延伸閔浦二橋主橋段鋪軌線形設計、鋪軌工程實施方案和后續(xù)實施情況。通過本工程案例的經(jīng)驗，對采用特大跨度橋梁的軌道交通建設提出如下建議：① 軌道交通特大跨度橋梁，由于在二期恒載和活載作用下的變形較大，線路縱斷面應考慮橋梁變形趨勢結合橋跨布置進行設計。② 大跨度橋梁軌道鋪設前應對梁面標高進行測量，并根據(jù)實測梁面標高、橋梁設計變形、橋面預拱度等參數(shù)進行鋪軌線形設計，確保橋梁在二期恒載和活載作用下變形后軌面的平順性。③ 鋪軌施工過程中，軌面標高應按軌面與梁面的相對高程進行控制，并應實時監(jiān)測過程中高程變化情況，發(fā)生異常及時協(xié)調處理解決。