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高速铁路（客运专线）桥涵施工技术葛俊颖编石家庄铁道学院二零零五年十月1第一章绪论第一节前言自1964年日本建成世界上第一条200km/h高速铁路以来，由于其快速和安全所带来的经济效益和社会效益，及对国民经济和科学技术的发展所起的作用，已引起世界各国的重视，各经济发达国家竟相发展高速铁路。实践表明，高速铁路是现代世界经济发展和人类生活水平提高的需要，是运输市场激烈竞争的出路，是现代高新技术发展的产物。它在200～1000km的运距范围内具有很大的竞争力。它极大地提高了铁路运输服务的质量和管理水平，使曾经被视为“夕阳工业”的世界铁路得以复兴，并有蓬勃发展、方兴末艾之势。目前欧洲和日本已将一条条独立的高速铁路连接成高速铁路网。高速铁路网的形成，实现了铁路从传统型产业向现代型产业发展的历史性转变。我国改革开放20年来，经济迅速发展，各行各业与国际接轨，使得国内铁路也面临着巨大的挑战。既有铁路不能适应市场经济发展的需要，繁忙干线运输能力紧张，运输质量和服务水平低下，管理手段落后等等，迫切需要我国铁路人把握世界铁路技术发展的趋势，抓住机遇，以既有线提速改造和新建一流的高速铁路为契机，使我国铁路事业有质的飞跃，从而在运输市场竞争中立于不败之地。有鉴于此，我国在1990年就计划在广深既有线提速至160km/h（局部达200km/h），目前，该准高速铁路早已经投入运营。秦沈高速铁路客运专线是我国第一条真正意义上的高速铁路，该线也已经运营多年。我国的高速铁路的长远发展是在全国建成“四横四纵”的高速铁路网，我国高速铁路发展很快将进入一个崭新的历史时期。根据我国《中长期铁路网规划》，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50％，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。秦沈客运专线是我国已经建成的第一条客运专线，广深准高速铁路也已经运营多年，已经开工或即将开工的高速铁路客运专线有石家庄－太原客运专线、武汉－合肥高速铁路、武汉－广州高速铁路、郑州至西安客运专线、京石高速铁路、福厦高速铁路。另外京沪高速铁路、京汉高速铁路以及广珠高速铁路、沪宁高速铁路等，也进入了规划或前期准备阶段。高速铁路网的建设，在大江南北已呈方兴未艾之势。高速铁路与传统的普通铁路有很大的不同：1．高速度速度在200km/h以上的铁路才称为高速铁路，由于高速度的原因，线路轨道不平顺、行车运行控制难度、行车事故后果被放大，轨道上微小的不平顺或长波不平顺对列车都将造成巨大的振动激扰。所以要求桥上轨道和路基与桥的连接部具有极好的平顺性。2．高舒适性贯彻以人为本的理念，突出设计上的人性化，满足舒适的要求。3．高安全性高速铁路必须具有一流的安全保障系统，这不仅要求土建工程具有较高的可靠性和稳定性，更重要的是进行实时的安全监测、监视与控制。在能见度很低的大雾天气，高速公路封闭，民航飞机延误起飞，而高速铁路就不受影响的安全运营。从1964年有高速铁路以来，全世界范围内只有极少的列车事故。24．高密度高速列车追踪列车间隔时间普通可以达到3分钟。要体现高速铁路的优势，就必须保证列车在高速铁路线上高密度地连续运行。5．通车即按设计速度运行目前世界上所建设的高速铁路除日本东海道新干线在开通运营的第一年未达到最计速度外，其后修建的和其他国家的高速铁路均在通车之日即按设计速度运营。这与我国传统普通铁路有根本不同，我国既有铁路大都是通车一年半载后还不一定能达到设计速度。如京九铁路，通车时某些地段仅达50~60km/h，运营一段时间才达到70~80km/h，至今仍不能全线按设计速度120km/h运营，这对高速铁路是绝对不可以的，否则，线路（轨道）将产生记忆性病害或不平顺，其后果是将花费数倍的力量去整修才可能达到高速运行的目标。6.很强的本土化高速铁路具有很强的土木化特征，必须结合我国的现实条件，尽管日本和欧洲各国经过几十年的实践，积累了大量经验，并各自制定了一套高速铁路专用的技术标准，如日本的《新干线网结构物设计标准》、国际铁路联盟的《高速线上桥梁技术标准》、联邦德国的《铁路新干线上桥梁的特殊规程BesB(DS899/59)》以及1993年修订的《德国铁路桥梁及其它工程结构物规范VEI(DS804)》，但这些规范中的规定值一般是根据各国具体情况经过研究后确定的，因此，无法套用到我国高速铁路线上。鉴于此，需要集中我国铁路界的力量，结合我国国情，对高速铁路的关键技术进行详细、系统的研究，为我国高速铁路设计规范的制定提供理论依据。为了保证高速铁路行车的安全与舒适，其各项技术标准要求均很高，由于线路高度的限制及要求全线封闭等原因，高架、立交桥梁在各类工程结构中所占的比例较大，因此，在高速铁路的修建中，如何将桥梁快速、优质的建成是非常关键的。第二节高速铁路桥梁的特点行车速度大于200km/h即为高速铁路，客运专线的基础设施设计时速为350km/h，客货混运铁路的运营速度大于200km/h，不管哪种高速铁路，其运行速度均较快，技术标准要求较高，站间距离长，且要与周围环境协调，要求尽量减小噪音污染，所以高速铁路对桥梁的要求与普通铁路不同，且高速铁路参数限制严格，曲线半径大、坡度小，并需要全封闭行车，桥梁建筑物数量多于普通铁路。在平原及人口稠密地区，经常选用高架线路；而在山区及丘陵地带，谷架桥会明显增多，因此，高速铁路桥梁通常可以分为三种类型：(1)高架桥：用以穿越既有交通路网、人口稠密地区及地质不良地段。高架桥通常墩身不高，跨度较小，但桥梁很长，往往伸展达十余公里；(2)谷架桥：用以跨越山谷。跨度较大，墩身较高；(3)跨河桥：跨越河流的一般桥梁。已经建成的高速铁路或客运专线桥梁的结构形式一般是：小跨度桥梁采用多孔等跨简支梁桥，大跨度桥梁的结构形式较多，但数量较少，表1.1列出了国外大跨度桥梁的一些例子。高架线路上采用多孔等跨简支梁桥的型式，具有以下优点:①等跨简支体系的桥跨外形一致、截面相同、构造布置统一，使桥跨密集的高架线路在运营中的管理工作大为简化，也便于结构的日常检查和养护维修。②高架线路采用简支体系的梁桥，更能适应地质不良、地基承载力低的地段。③等跨简支梁，工程量大，适宜于现场工厂化预制，逐孔架设，能显著提高施工速度。但对于跨度小于20米的小型桥梁，根据法国的经验最好采用超静定结构，如刚构桥。因为法国早期修建的小跨度简支梁桥动力效应十分显著，会导致梁体开裂。多孔等跨布置的连续梁，能够提高梁部结构整体性和刚度，并且对保持桥上线路的平顺3性更有利，从而提高桥上行车的舒适性和安全性。采用适当的施工方法能保证桥梁的经济性和施工进度。钢筋混凝土刚架结构，是一种空间静不定结构，整体性好，具有较好的刚度和抗震性能，日本高速铁路高架桥多采用这种结构型式，有一定的使用经验。故当技术经济条件相宜时，也可采用这种结构型式。斜交刚架和框构桥在跨越道路等场合，其适应性强，整体性好，可以采用。钢混凝土结合梁或型钢混凝土结构跨越能力强，施工方便，并且由于结构重量轻有显著的抗震优势，故在跨越繁忙道路或抗震要求较高的场合适用。表1.1国外高速铁路大跨度桥梁高速铁路中的桥梁一般有以下的特点：1.桥梁数量多序号结构型式孔跨布置(m)桥名123预应力混凝土连续梁40+77+130+7750+10×100+5067+100+67德国美因河桥(无碴轨道)法国阿维尼翁桥法国旺他勃朗桥456预应力混凝土V型连续刚构预应力混凝土T型刚构预应力混凝土斜腿刚构82+135+8276+7626．3+51+26．3德国格明登美因河桥日本第一千曲川桥(无碴轨道)日本雾积川桥(无碴轨道)789预应力混凝土斜拉桥预应力混凝土低塔斜拉桥133．9+133．965+105+105+6555+90+55日本第二千曲川桥(无碴轨道)日本屋代北桥(无碴轨道)日本屋代南桥(无碴轨道)101112混凝土上承拱桥1624×127．5116德国伐茨霍希汉姆美因河桥德国瓦尔泽巴赫桥德国拉恩特尔桥(无碴轨道)131415钢系杆拱桥124121．4115．4+115．4法国阿维尼翁桥法国莫纳斯桥法国阿德玛桥16钢混结合连续桁梁桥76+96+96+80+67．5德国范拉桥17下承式连续钢桁梁桥3×82.3+3×103．0日本第三千曲川桥4平交道的存在将使列车速度、交通安全和正点运行等均不能得到保证，因此，新建高速铁路一般均不设平交道，而设立交桥，日本、法国、德国等国家的高速铁路均如此。对既有线改为行驶高速列车时，国际铁路联盟规定：当列车速度超过200km/h时，不许设平交道；当列车速度为140～200km/h时，也应首先考虑立交；在遇到以下情况时，均应该为立交桥，取消平交道：交通繁忙的道路，平交道的看守与养护费用和新建立交桥的投资相差不大或嘹望条件不好等等。加之尽量减小用地等原因，高速铁路中桥梁总延米在线路总长中所占比例比普通铁路大，欧洲高速铁路以德国为例，桥梁总延长约占线路总长8％左右，亚洲国家人口稠密，高架线路增多、桥梁比例明显上升，如日本的高速铁路桥梁平均达到48%，其中，高架桥要占线路总长的37％。韩国在建的高速铁路，桥梁约占三分之一（见表1.2）。相比之下，我国普通铁路桥梁的比例仅占线路总长2％左右。表1.2德国、日本、韩国高速铁路桥梁所占比例国名线路总长（km）桥梁总长（km）桥梁所占比例（％）德国603468日本195393048韩国41113533桥梁数量增加，尤其是大量采用很长的高架线路，使桥梁成为高速铁路的主要组成部分。因此，桥梁的使用性能能否满足高速行车要求已成为修建高速铁路的成败关键。2.混凝土桥梁多高速铁路的桥梁需要有很高的抗扭刚度、足够的稳定性和耐久性，加之高速铁路要求维修量小，且近几年各国公众对噪音特别反感，因此世界各国对高速铁路桥梁的结构类型进行了充分而细致的研究，不仅中小跨度的桥梁普遍采用道碴桥面的钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁，而且还发展多种形式的大跨度预应力混凝土结构。德国的DS804规范规定高速铁路桥梁一般应采用上承式梁，在任何情况下都必须设置石碴道床，采用下承式槽形梁、斜拉桥或悬索桥需特别批准；日本的东海道干线曾经使用过明桥面钢梁，运营10年后，在纵梁、横梁端部腹板的断面变化处出现裂缝，因而在后来修建的山阳新干线中，该线大部分桥梁设计为混凝土结构，从冈山至博多段共119,432延米，桥梁中钢梁和结合梁仅占7.5%；东北新干线钢筋混凝土和预应力混凝土梁的比重，比上述的值还大。表1.3给出了日本各新干线上各类桥梁所占的比例。表1.3日本各条新干线上各类型桥梁所占比例铁路段混凝土桥组合梁桥、钢桥线别别总长(km)所占比例总长(km)所占比例东海道东京～新大阪14282%3118%山阳新大阪～冈山8793%77%山阳冈山～博多11094%66%东北大宫～盛冈32698%72%东北上野～大宫2288%312%上越大宫～新泻16199%11%各国已建成的高速铁路的钢筋混凝土桥中，预应力混凝土桥梁在高速铁路桥梁中占有绝5对优势，因为预应力混凝土与其它建桥材料相比，具有一系列适合高速铁路桥梁的优点，如刚度大、噪音低，温度引起的变形对线路位置影响小，养护工作量少，造价也较低等，所以一般要求桥梁上部结构应优先采用预应力混凝土结构。当需要减轻梁重或快速施工时，结合梁也常被采用。桥梁的上部结构直接承受列车荷载，由于高速列车运行时动力响应加剧，为保证列车运行安全和旅客乘坐舒适，加强上部结构的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度，使其满足刚度限值的要求，同时加强结构的整体性，以提高结构的动力特性，都是十分必要的。3.重视改善结构耐久性，桥梁要便于检查、维修国内外大量桥梁的使用经验说明，结构的耐久性对桥梁的安全使用和经济性起着决定的作用。经济合理性应当使建造费用与使用期内的检查维修费用之和达到最少，片面地追求较低的建造费用而忽视耐久性，往往会造成很大的经济损失。因此，高速铁路的桥梁结构，设计中应十分重视结构物的耐久性设计，统一考虑合理的结构布局和结构细节，强调要使结构易于检查维修以保证桥梁的安全使用。高速铁