图1 包茂高速公路与包兰、包银铁路交叉位置平面图(m)
吴向明
(铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)
摘 要：文章通过对包茂高速公路上跨包兰铁路、包银高速铁路立交桥设计的介绍，从新建公路与高速铁路交叉原则、技术标准选用、安全防护措施设计、施工方法四个方面对跨越高速铁路立交桥进行了重点阐述。总结了跨高速铁路立交桥时的设计原则及防护措施：(1)平面宜设置在直线段，困难条件下曲线半径不宜小于2 500 m，线路纵坡不宜大于4%；(2)结构重要性系数采用1.1，跨线桥及相邻孔荷载采用相应荷载标准的1.3倍，梁型宜选择整体截面箱梁；(3)安全防护措施应采用双道防撞墙，外防撞墙设置防护屏，外防撞墙外侧设置检修通道及垂直监测电网，双道防撞墙之间设置缓冲带；(4)跨线主桥结合高速铁路实际情况合理采用顶推、转体施工。为新建道路上跨高速铁路立交桥设计提供了实用的设计经验。
关键词：跨高速铁路立交； 交叉原则； 技术标准； 安全防护措施； 施工方法
随着我国高速铁路建设的快速发展以及地方经济的发展，新建等级公路与高速铁路交叉跨越的现象不断增多。高速铁路具有速度快、行车密度大的特点，为确保高速铁路列车行车安全运行，新建道路与高速铁路交叉时，应按“铁路优先上跨公路”的原则进行。但由于地形地貌和线路平、纵断面的限制，城镇发展、社会经济等造成上述条件不具备时，实际工程中仍然有道路上跨高速铁路的情况。因此为了确保高速铁路运营安全，有效控制道路建设投资，需对上跨高速铁路立交设计及防护措施进行重点研究。
包茂高速公路(包头至东胜高速公路)是国家高速公路网规划中9条南北纵线的第7条，在内蒙古境内与G6京藏、G7京新国家高速，G18荣成至乌海国家高速相交，在国家高速公路网中具有十分重要的地位和作用。其中包头西连接线在LK 4+062.784处与包兰铁路(下行线)相交，与铁路相交右角为104.15°。同时包兰铁路南侧约30 m左右处有规划包银高速铁路，如图1所示。
图1 包茂高速公路与包兰、包银铁路交叉位置平面图(m)
TB10621-2014《高速铁路设计规范》第5.4.1条规定：
(1)高速铁路与其他铁路、公(道)路交叉应按全立交设计。
(2)高速铁路与其他铁路、公(道)路交叉宜采用高速铁路上跨的方式，困难条件下经经济技术比选采用高速铁路铁路下穿时，应采取安全可靠的防护措施。
鉴于以上要求，本项目在可研阶段对下穿、上跨铁路方案进行了深入研究。经过详细论证及经济技术比较分析，本项目因受地形地貌、气象及水文、排水出路、重大管线等诸多条件控制，下穿方案投资高、安全风险极大，最终推荐上跨包兰铁路及包银高速铁路方案。
包头西连接线采用高速公路标准建设，设计速度为100 km/h，双向四车道，路基宽度26 m。参考国内相关资料，同时严格执行TB10621-2014《高速铁路设计规范》、呼和浩特铁路局关于公铁立交有关规定，包茂高速公路与包兰铁路立交桥在可研设计阶段采用如下设计标准。
2.1 线路平纵断面技术要求
参考《新建公路桥梁上跨高速铁路防护安全技术标准研究》，新建公路上跨高速铁路立交桥宜选在线形为直线地段，困难条件下曲线半径不宜小于2 500 m。公路上跨高速铁路立交桥，宜垂直交叉，困难条件下交叉锐角不宜小于80°。上跨桥的最小纵坡不应小于0.3%，桥上机动车道纵坡不宜大于4.0%。同时公跨铁立交桥交叉范围的公路视距要求：高速公路、一级公路应满足停车视距；二、三、四级公路应满足会车视距。
良好上跨公路平、纵断面技术指标能有效的降低公铁立交工程对高速铁路的安全运营风险，同时能降低跨线立交桥的工程投资。因此公路上跨高速铁路立交项目在前期方案研究阶段应深入进行经济技术分析比较。本项目中道路轴线与铁路交叉角度约为76°，路线纵坡按<3%控制，平面位于直线上，路线平纵断面技术指标基本满足前文所述要求。
2.2 结构重要性系数
上跨桥结构设计按持久承载能力极限状态设计时，为避免一次灾害，杜绝次生灾害，根据结构破坏产生后果的严重程度，跨高速铁路桥梁结构及相邻边跨的安全等级均采用一级，结构重要性系数为1.1。
2.3 公路荷载标准
公路上跨铁路立交桥应充分考虑内蒙古自治区公路大量超载车辆运行的实际，上跨包兰铁路及包银高速铁路主跨及相邻边跨的汽车荷载标准采用1.3倍公路-Ⅰ级，其余桥孔采用公路-Ⅰ级。
2.4 铁路建筑限界
TB10621-2014《高速铁路设计规范》第3.3.6条规定：跨越高速铁路的立交桥桥下净高，直线地段正线不应小于7.25 m，折返段及动车段内的线路不应小于6.2 m。
根据上述原则，结合跨越节点既有包兰铁路、规划包银高速铁路控制条件，桥下包兰铁路建筑限界按满足电气化铁路通行双层集装箱条件预留，建筑限界按7.96 m，跨越包银高速铁路桥下建筑限界按7.25 m，并预留0.5 m余量。
2.5 抗震设防标准
根据国家地震局GB18306-2015《中国地震动峰值加速度区划图》，项目区地震动峰值加速度0.20 g，根据GB18306-2001《中国地震动反应谱特征周期区划图》，项目区地震动反应谱0.55 s，相当于地震烈度Ⅷ，必要时按国家有关规定做地震安全性评价。
TB10621-2014《高速铁路设计规范》第7.6.1条规定，综合地震参数，抗震设防类别应按不低于公路(城市)桥梁抗震设计标准中规定的B(乙)类采用，并满足GB50111-2006《铁路工程抗震设计规范》的相关规定。
2.6 上跨立交桥结构设计
2.6.1 桥梁跨度
参考国内研究资料，速度达到350 km/h的列车经过时，必须要保证结构物与列车侧壁的安全距离在4.1 m以上；根据TG/01-2014《铁路技术管理规程》，列车速度≥200 km/h时，车辆限界中线路中心至列车外侧为1.7 m，即施工影响范围需在新路中心5.8 m以外。同时跨线立交的桥墩一般要求路堑地段设置侧沟外侧，路堤地段不应侵占路基边坡，且应确保排水系统的畅通和路基边坡的稳定性。桥墩设置除满足限界要求外，尚应考虑列车可能脱轨的事故影响，同时考虑桥墩及基础施工的影响范围。
根据上述原则结合本工程实际，包茂高速跨越既有包兰铁路及规划包银高速铁路桥孔主桥桥孔采用(3×40+30) m连续箱梁。
2.6.2 结构形式
公路桥梁常用梁型技术比较分析如表1所示。
表1 公路桥梁型对比分析表
TB10621-2014《高速铁路设计规范》第7.6.1条规定：梁部结构宜采用整体箱梁。采用其它结构形式时应采用措施加强结构整体性。TB10621-2014《高速铁路设计规范》条文说明有明确规定，空心板梁、组合T梁在跨越高速铁路工点不得采用，在中横隔板能避开高速铁路线路上方时可以采用组合箱梁结构。
钢结构、钢混结合梁等，后期养护工作量大，拱桥及斜拉桥等结构，吊杆和拉索易锈蚀失效，造成结构承载能力降低，均应谨慎采用；尽量选择混凝土结构，对于大跨度桥梁，可采用变截面连续梁。同时位于高烈度地震区的上跨高速铁路桥梁宜采用整体性好的连续结构。
综合考虑包茂高速公路建设周期，同时结合包茂高速公路与铁路交叉节点技术条件，为确保既有线运营安全，同时满足即将建设的包银高速铁路跨越条件，本次交叉节点推荐采用等截面(3×40+30)m单箱双室整体式连续箱梁，顶推施工。主桥箱梁标准横断面示意如图2所示。
参考国内相关资料，新建公路与高速铁路交叉应采取“多级防护、缓冲承托、监测保障、便于维护、灾后易修”的设置原则。
3.1 桥面布置
根据TB10621-2014《高速铁路设计规范》第7.6.2规定，安全防护范围内的桥梁护栏应采用两道防护，并按不低于JTG D81-2016《公路交通安全设施设计规范》规定的最高防撞等级进行特殊设计。主桥桥面横断面布置如图3所示。
内侧防撞墙采用SX级，防撞墙高度应在道路路面以上1.4 m。根据《新建公路桥梁上跨高速铁路防护安全技术标准研究》的研究成果，加强型防撞护栏满足需要能承受撞击能量630 kJ的要求。外侧防撞墙采用SS级，防撞墙高度应在道路路面以上1.3 m。两道防撞之间设置1.5 m缓冲带。安全防护措施设置范围内桥面两侧增加1.0 m，用作0.75 m的检修通道与0.25 m垂直监测电网的基础。
图2 主桥箱梁标准横断面示意图(cm)
图3 主桥桥面布置图(cm)
3.2 桥上安全警示标志和接地措施
3.2.1 安全警示标志
上跨高速铁路桥梁应设置告示牌、标线、限速监控、减速带等安全警示标志。上跨桥应进行限速，小客车为80 km/h，整体式大货车为65 km/h。减速带设置于距最外侧铁路中心线50 m的地方。
3.2.2 综合接地
桥体金属物凡距铁路设施5 m以内的均设置接地线。接地线利用结构内主筋予以可靠焊接，并且外漏的部件采取相应的绝缘措施，接地极提前预埋，电阻不大于4 Ω。
3.2.3 异物侵限监控装置
为确保桥下包银高速铁路行车安全，在桥面最外侧设置异物侵限监控装置。本工点整体桥面最外侧设置监测电网基础，监测电网高度2.0 m，同时预留监测电网检修通道0.75 m。公跨铁立交桥与高速铁路线路斜交示意图如图4所示。
图4 公跨铁立交桥与高速铁路线路斜交示意图
图4中异物侵限装置设置范围应按下式进行计算确定。
(1)
式中：H——上跨桥桥面至高速铁路轨面高度； g——重力加速度；Lx——线间距。
(2)
(3)
根据计算结果，同时结合本桥孔跨，本桥主桥范围(3×40+30) m连续梁范围内均设置异物侵限装置。
3.3 防落物网的设置
高速铁路行车速度快、密度大，当上跨高速铁路立交桥物体散落桥下时，可能引起严重后果。车辆侧翻或车内抛物有可能往桥外散落，需在外侧防护墙上设置防落物网。根据TB 10621-2014《高速铁路设计规范》、《呼和浩特铁路局路外工程建设指导意见》中要求，同时结合《新建公路桥梁上跨高速铁路安全防护技术标准研究》成果结论，本次设计防落物网采用防抛屏结构，设置范围为主桥范围，防抛屏端部距离最外侧轨道中心不小于50 m，防抛屏设置高度不低于道路路面以上4 m。防抛屏所有金属部件表层应进行镀锌处理。防抛屏需进行防雷接地处理，接地电阻小于10 Ω。
3.4 跨线立交主桥排水、照明灯附属设施设置
3.4.1 桥上排水
本桥跨越铁路上方不设纵向及横向泄水管，采用路面纵向自排水，在铁路两侧加密设置泄水管，泄水管设在桥面的下坡端，全部采用散排。公路桥排水引致铁路排水系统以外。
3.4.2 照明
主桥范围不设置照明灯杆。
3.5 中央分隔带处理措施
中央分隔带间隙小于1 m时，用不锈钢板封闭，大于1 m时按外侧要求设置防撞护栏、防护网。分隔带封闭措施示意图如图5所示。
图5 分隔带封闭措施示意图(mm)
跨线立交桥设计的前提是保证铁路正常安全运营，合理的施工方法是实现此目的的关键所在。跨线桥常用的施工方法对比分析如表2所示。
表2 跨线立交桥施工方法对比分析表
综合上述跨线立交施工方法，同时结合国内建设经验，上跨运营高速铁路原则上需采用水平转体和纵向顶推的施工方法。对于上跨规划或在建高速铁路立交桥，施工期间的风险不突出，可采用支架现浇法施工。本项目主要控制节点为既有包兰铁路与规划包银高速铁路，高速公路项目预计先于包银高速铁路实施，因此本次设计推荐采用顶推法施工完成跨包兰铁路孔主桥施工，其余主桥边孔采用支架现浇法施工，如图6所示。
本工程主桥顶推施工指导性施工方案简述如下：
(1)第一阶段：施工防护桩、后施工基础、桥墩等下部构造，然后施工临时支墩，在各墩墩顶安装顶推装置，横向限位装置；在浇筑箱梁混凝土之前，应对支架地基进行处理，同时搭设满布支架并进行预压，支架按梁重120%进行预压。
(2)第二阶段：安装底模，梁底为水平，线路竖曲线通过桥面铺装厚度调整，绑扎钢筋并浇筑梁体混凝土，施工时注意预埋导梁预埋件；待混凝土强度及弹性模量达到设计强度95%以上且龄期不小于10 d时，依次张拉顶、底板钢束；顶底板通长束张拉完成后方可拆除支架；自顶推前钢束张拉完毕之日，停梁30 d，停梁期间加强混凝土养护；在箱梁前端安装导梁。同时施工桥面保护层、防水层、防撞墙、防护屏、监测网等附属结构安装。
图6 主桥顶推限界关系图(cm)
(3)第三阶段：顶推前将浇筑箱梁下支架拆除1 m，便于箱梁脱模，开始顶推。
(4)第四阶段：顶推梁部操作时间186 min，顶推距离62 m。顶推就位后，13号墩和14号墩两侧各有8 m的梁长。
(5)第五阶段：顶推梁段直至设计位置附近后，拆除导梁，通过千斤顶调整梁段至准确位置；通过实际现场监控监测结果，加工安装支座，利用千斤顶落梁至设计位置上，完成主梁安装。
(6)第六阶段：拆除水平支撑和临时限位及顶推装置、临时墩，支搭模板现浇剩余梁段；待混凝土强度及弹性模量达到设计强度95%以上且龄期不小于10 d时，依次张拉剩余钢束，加强混凝土养护。
(7)第七阶段：现浇段养护完成后，拆除剩余的支架。
包茂高速公路跨包兰铁路、包银高速铁路立交工程已顺利通过铁路主管部门审批，为项目进行下阶段施工图设计提供了指导性设计原则，为加快项目建设提供了强有力的技术支持。目前包银高速铁路已进入前期勘察设计阶段，本立交工程的实施需结合包银高速铁路建设周期，深化下阶段技术设计，确保项目顺利实施。文中提及的设计原则及经验不能涵盖多种情况，笔者撰写本文为新建道路上跨高速铁路立交设计提供一些设计经验以供参考借鉴。
参考文献：
[1] TB 10621-2014 高速铁路设计规范[S]. TB 10621-2014 Code for design of high speed railway [S].
[2] 刘东.跨越既有高速铁路桥梁施工方案及防护设计研究[J].桥梁建设，2010,30(6):70-76. LIU Dong. Study of construction schemes and construction protection design for bridges to span existing high-speed railways [J]. Bridge Construction,2010,30(6): 70-76.
[3] 杨敏捷.新建公路上跨高速铁路立交桥安全防护措施研究[J].铁道建筑,2012,52(8):35-38. YANG Minjie. Research on safety protection measure of the new highway overpass over the high-speed railways [J].Railway Engineering, 2012, 52(8): 35-38.
[4] 余绍宾，张克，陈涛.跨高铁桥梁设计及施工[J].钢结构,2011,26(2):61-63. YU Shaobin, ZHANG Ke, CHEN Tao. The design and construction of the bridge over the high-speed railways [J].Steel Construction, 2011,26(2):61-63.
[5] 陈刚.跨铁路立交桥的设计研究[J].铁道工程学报，2007,24(4):43-46. CHEN Gang. Research on Design of Railroad-overpass Bridge[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2007,24(4):43-46.
[6] 邹本波.非对称槽形梁斜拉桥跨高速铁路安全防护技术[J]. 高速铁路技术，2015,6(3):50-53. ZOU Benbo. Safety Protection Technology of Asymmetric Channel Beam Cable-stayed Bridge Crossing High-speed Railway[J]. High Speed Railway Technology, 2015,6(3):50-53.
[7] 中铁上海设计院集团有限公司.新建公路桥梁上跨高速铁路防护安全技术标准研究[R]. China Railway SHANGHAI Design Institure Group Co.,Ltd. Research of Road Bridge Across the High Speed Railway Protection Safety Technical Standard[R].
[8] TG/01-2014 铁路技术管理规程[S]. TG-01-2014 Railway Technical Management[S].
(编辑：苏玲梅 张红英)
Research on Design and Protecting Measures for New Highway Overpass across High-speed Railway
WU Xiangming
(The 3rd Railway Survey & Design Institute Corporation, Tianjin 300142， China)
Abstract：Based on introduction of the design of the overpasses where BaoMao expressway crosses over BaoLan Railway and BaoYin High-speed Railway, this paper has described the overpass across high-speed railway according to the crossing arrangement principle between new highway and high-speed railway, technical specification selection, protection measures design and construction method. The design principles and protection measures for the overpass across the high-speed railway should include that the plane should be set in a linear section, the curve radius should not be less than 2 500 m in the difficult section and the longitudinal slope should not be greater than 4%; that the importance factor of structure should be 1.1, the load of overpass and adjacent holes should be 1.3 times as large as the corresponding load standard and the girder should be the whole section box girder; that the safety measures should cover dual protection walls, protective shield for outer wall, inspection channel and vertical monitoring power grid outside the outer wall and buffer zone between dual protection walls; and that the main bridge across the railway should be constructed with successive launching method and swing method in combination with the actual conditions of the highway. It has provided a practical design experience for the design of the new highway overpass across high-speed railway.
Key words：overpass across high-speed railways; crossing arrangement principle between highway and high-speed railway; technical specification; safety protection measures; construction method
收稿日期：2016-11-30
作者简介：吴向明(1978-)，男，高级工程师。
引文格式：吴向明.新建道路上跨高速铁路立交桥的设计与防护研究[J].高速铁路技术，2017,8(2)：54-59. WU Xiangming. Research on Design and Protecting Measures for New Highway Overpass across High-speed Railway [J]. High Speed Railway Technology,2017,8(2):54-59.
文章编号：1674—8247(2017)02—0054—06
中图分类号：U445.1
文献标志码：A