城市軌道交通高架型式設計探討工學論文
摘要：城市軌道交通高架線路型式因其造價低、建設週期短而越來越受到決策者和建設者的青睞，正在建設的16條線路中，高架長度已佔到約40%。本文即重點論述了高架結構型式選擇的影響因素及高架結構設計應注意的問題。
關鍵詞：軌道交通；設計；高架結構
1高架城市軌道交通建設現狀
眾所周知，伴隨著新世紀的到來，中國的城市軌道交通建設也翻開了嶄新的一頁。目前中國人口過百萬的三十四個城市中，有二十個超大城市和特大城市正在建設和籌建自己的軌道交通。目前在建的線路長度近400公里，這其中高架線路型式因其造價低、建設週期短而越來越受到決策者和設計者的青睞。據統計，在已建成通車的8條146.94公里的線路中，僅有一條高架線，長度佔17%，而正在建設的16條線路中，高架長度已佔到約40%。表1為已建專案高架線路情況統計。
城市快速軌道交通高架橋樑與一般城市高架道路橋樑不同，雖與鐵路橋近似，但也有其特殊性，主要體現在以下幾個方面：
①橋上鋪設無縫線路無碴軌道結構，因而對結構型式的選擇及上、下部結構的設計造成特別的影響；
②城市軌道交通特有的橋面系佈置及介面關係；
③列車的執行最高速度為80km/h， 執行密度大，維修時間短；
④建設地點一般位於城區或近郊區，對景觀要求、施工工期及環保要求較高。
目前，正在建設高架軌道交通專案的北京、上海、武漢等地，業主和設計者已充分認識到了上述特點，並積極開展了分析研究工作，為高架結構的選擇和設計積累了一定的經驗，正在修編的《地下鐵道設計規範》也特別加入了高架結構這一章。本文重點論述了高架結構型式選擇的影響因素及高架結構設計應注意的問題，供大家探討交流。
2高架型式選擇的影響因素
高架線路型式的顯著特點是建設週期短、造價低，但同時也會帶來景觀及噪音汙染的問題，因此，選擇高架型式必須考慮建設地點、景觀及環境影響因素。
2.1 高架型式的適用地段
在軌道交通線路設計時, 在如下地段考慮選擇高架型式是比較適宜的：
1．城市繁華地區以外的城近郊區，周圍建築較少。道路寬闊，線路可選擇在道路一側或道路中間。
2．連線城市中心區與周圍衛星城、開發區、機場等。
3．中等規模及以下城市，規劃予留出城市軌道交通專屬用地。
根據上海明珠線一期工程及泰國等城市的經驗，在大城市中心區一般不建議採用高架線路。
2.2 高架型式與景觀影響
高架車站、區間具有工程量小、工程投資少的特點，但同時會給城市帶來景觀上的不協調、噪音的汙染等問題。針對高架車站、區間本身的特點，首先應從建築佈局、結構形式及環境設施上進行全面的構思，對所處地段的地形、環境特徵加以巧妙的、空間尺度適宜的利用，將軌道交通設計成在景色中執行的流線，連成一幅巨大的動態的畫面。處理得當，不僅會消除其對城市景觀的負面影響，而且會為城市增添一道亮麗的動態風景線。
解決高架型式對景觀的影響主要可從區間高架結構型式的選擇、車站造型和車站體量等方面考慮，建議採取以下幾方面的措施：
1)高架線路首先注意線形，應與區域特點、土地利用規劃、原有道路相協調。平面線形應儘量平衡流暢。
2)道路分幅，儘量留出中央的綠化分隔帶，兩側又留有不同層次綠化的行道樹，給人以明快舒適之感。
3)車站設計地點，結合舊城改造或新區予留兩側的綠化地，這會改善街道景觀和人們的心理感受。其次要從質感、色彩等方面考慮與環境的協調，以求獲得美觀的視覺效果。另外，車站建築也應體現文化內涵及歷史傳統建築化的基本元素。
4)高架結構形式的選擇必須借鑑橋樑美學的概念，充分考慮合理的高跨比、梁體外部線形及橋墩造型。
5)高架車站的體量也是景觀設計應注意的問題。高架車站應簡潔通透，儘量縮小車站體量，減少站務用房。
2.3 高架型式與環境影響
高架軌道交通工程的建設和運營不可避免地對沿線周圍環境產生影響；其主要影響因素有噪音影響、振動影響及施工環境影響。
2.3.1噪聲影響
在建設施工和運營期間均會產生噪音影響。
施工期間噪聲環境影響，主要來源是拆除建築物作業、道路破碎作業、鑽孔灌注樁作業、挖掘、運土等工種。因此，大型挖土機、空壓機、鑽孔機、重型車輛、風鎬、振動棒、電鋸、混凝土攪拌機、大型吊機等是各個階段噪聲。
運營噪聲為列車在地面及高架線行駛時向線路兩側輻射的噪聲，主要有車輛噪聲和車輛執行時激發橋樑結構振動而產生的“二次噪聲”；車輛噪聲包括動力系統噪聲和輪軌系統噪聲。輪軌噪聲包括平直軌道上的滾動噪聲、鋼軌接縫處的撞擊噪聲以及彎道和制動時的尖叫聲，這些噪音聲源是由於輪軌互相作用激發車輪和鋼軌的振動而產生的，它的產生主要與線路型式、橋樑結構、車輛型別、列車長度、行車密度及感應點距地面高度等因素相關。
2.3.2振動影響
振動和噪聲是不可分的，振動的強度也就是噪聲的強度。施工期間產生振動的主要因素有：大型挖土、重型運輸、道路破壞及回填夯實等。
運營期間的振動主要是由列車執行時的動力振動而引起結構的振動及列車透過橋墩、基礎傳至地面的振動。結構自身的振動應用結構動力學由設計解決，傳至地面的振動會對相鄰建築產生影響。
2.3.3工程環境影響對策
減振降噪主要有三種途徑，其一，振動噪聲源減振降噪，主要透過降低輪軌衝擊力和摩擦以及減振系統實現。主要措施有控制最小曲線半徑、軌下設定橡膠減振墊、梁下設定橡膠支座等。其二，在噪聲的傳播途徑中透過吸收和阻隔等方式降噪，最常用的方式是橋上設定聲屏障。其三就是在需要降噪的具體位置設定隔音吸音設施，如隔音窗，隔音外牆等。減振降噪措施：
1)儘量避免過小的曲線半徑。在設計過程中合理的進行縱平面佈置，確保線路的平順。這一措施同時還能降低輪軌的磨耗，提高列車透過曲線時的安全度和舒適度。同時線路的選擇應距周圍建築物一定距離。
2)橋上採用無縫線路。
3)根據不同路段的減振降噪要求採用不同型別的彈性扣件和道床形式，在達到減振降噪要求的同時儘量作到經濟合理。如北京城市鐵路採用的隔而固鋼彈簧浮置板道床，可有效地減振和消除固體聲。減振效果為：噪聲傳遞損失可達40-60dB。
4)列車在高架線路執行時產生的結構噪聲與高架結構主樑的型式、墩臺基礎結構及支座佈置情況有很大的關係。設計中考慮在人口密集區採用槽形梁可有效降低列車執行時的噪聲影響。基礎採用樁基礎，以減小震動向遠距離的.傳播。支座採用抗振動效能好的板式支座。
5)施工過程中，施工單位應制訂環保措施規程及實施細則，併成立工作小組，經常檢查落實條例執行情況。合理制訂施工工藝流程，最佳化施工工序，縮短施工工期。做好施工期的交通疏解工作，防止交通擁擠阻塞。
6)橋樑結構在外側設定聲屏障進行降噪處理。
7)在沿途建築物上增加隔聲窗。
8)結合改建後的道路橫斷面設定綠化帶，可以有效地降低地面噪聲。
3 高架結構設計應注意的問題
3.1 特殊荷載
軌道交通高架橋因橋上鋪設無縫線路，引起了一些特殊力。橋上鋪設無縫線路因溫度變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對位移受到約束，因此梁軌間產生大小相等、方向相反的縱向力。它們分別是：伸縮力、撓曲力、斷軌力，制動力與鐵路橋也不同。
3.2 變形控制
由於城市軌道交通高架橋採用無渣無枕軌道結構，鋼軌扣件調高量僅為40mm，即橋樑的後期變形不能大於40mm.橋樑設計時必須考慮變形控制。主要的變形包括予應力混凝土梁的徐變變形和基礎的後期沉降。從1997年開始，筆者有幸參加了國內第一條高架城市軌道交通線路-上海明珠一期工程的設計及該工程對橋樑的徐變控制和基礎沉降的研究課題，課題從設計、施工監測、到運營階段對橋樑的徐變和沉降進行了深入研究，課題歷時4年多。正在建設的北京城市鐵路，也對橋樑的徐變進行了測試，工程實踐表明，在設計和施工過程中採取一些適當措施，其變形是可以得到有效控制的。
控制徐變變形的措施：
1．設計時適當增加梁的剛度，減少彈性變形，從而減少徐變變形基數；
2．最佳化予應力鋼束佈置，控制張拉應力。
3．提高張拉時混凝土的齡期。
4．梁體設計預拱度時考慮徐變變形的影響。
5．施工加強對混凝土的養護，減低水灰比。
6．梁澆注完成後，要做好施工組織，儘量延遲承軌臺開始澆注的時間。
7．加強監測，將測量資訊及時反饋給設計。
基礎變形控制
1．儘量採用樁基礎；
2．增加樁長；
3．增加樁數；
4．選擇持力層。
3.3 橋樑結構形式的選擇
長距離的高架橋結構形式的選擇應遵循安全、經濟、美觀、便於施工，滿足橋下道路交通及環保要求，因此，高架橋區間標準段橋式選擇的成功與否，是高架線路建設能否成功的關鍵因素之一。
3.3.1合理跨徑：從景觀、經濟和施工技術等各方面綜合考慮確定。區間標準梁的合理跨度以25m-30 m為宜。
3.3.2結構體系：城市中小跨度橋多采用簡支梁體系或連續梁體系。簡支梁結構簡單,受力明確，容易做到設計標準化、製造工廠化、施工機械化，安裝架設方便， 施工速度較快。連續梁橋為超靜定體系，其優點是結構剛度大，變形小，動力效能好，有利於改善行車條件，減小列車執行產生的噪音和振動。優先推薦簡支梁體系。
3.3.3梁型
根據幾條線的建設經驗，區間標準梁的結構型式重點應考慮預應力混凝土箱梁、預應力混凝土槽形梁和預應力混凝土T形梁。
箱梁能適應各類條件，是目前國內廣泛採用的高架結構形式之一，它具有閉合薄壁截面，抗扭剛度大，整體受力效能好、動力穩定性好。箱梁外觀簡潔、適應性強，在區間直線段、曲線段、折返線及渡線段等處均可採用，對於斜彎橋尤為有利。
Ｔ形梁屬肋梁式結構的一種，其抗彎效能好。由於主樑為工廠或現場預製，故質量較高。橋樑上部結構由四片Ｔ梁相互聯結而成，吊裝重量輕，施工方便，且構件容易修復或更換。
槽形梁為下承式梁，與上承式梁相比，其最大優點是結構高度相對較低，且兩側的主樑可起到隔音作用。
表2列出了各種型式梁特性的綜合比較。
3.4 施工方式選擇
對於標準區間橋樑，其施工方法主要有整孔預製方案、節段拼裝和現澆三種方式。從表1可以看出，在目前國內建成和在建的線路中，橋樑施工方法多采用現澆，這是由於當時國內橋樑運輸和吊裝裝置的限制及標段劃分較小的原因造成的。但是，世界上橋樑技術發展迅速，橋樑的結構也在多樣化，特別是由於橋樑架設施工技術的發展，促使各類橋樑的架設質量與進度不斷提高。由於高速鐵路橋樑和輕軌交通高架橋樑發展的需要，也使架橋裝置與技術日新月異。修建城市輕軌高架橋，應採用預製簡支梁吊運架設法，利用現代橋樑施工裝置與技術，以流水作業方式進行建設施工。這種方法已在義大利、法國、南韓、墨西哥等國家被證明是保證橋樑外觀質量、縮短工期、降低總成本、減少施工對社會的負效應的最佳方式。
預製施工方案的特點：
1)在現場預製箱梁，透過運輸機械將箱梁運到橋位，再利用架橋機械將箱梁安裝就位。
2)對施工現場周邊的城市環境影響較小。由於採用預製、吊裝的施工方法，在橋墩及基礎施工完成後即可對施工沿線現場進行清理，並在線上完成橋樑架設，可有效減小拆遷量，減少施工場地佔用面積和時間以及對城市交通的影響。
3)橋樑上部結構為工廠化生產，施工工藝簡單易行，技術成熟，橋樑的內部質量及外觀都能得到保障，可有效避免全線現澆作業中橋樑質量參差不一，外觀相差較大的現象。
4)整孔預製、運輸、架設方案單工作面施工速度遠遠快於其他施工方案。如採取恰當運梁方式，更有利於減少施工對城市環境及城市交通的影響。
5)預製施工的發展-階段拼裝法：分段箱梁的運輸、安裝方便，採用跨越式架橋桁機，對交通和社群的干擾最小。此外橋樑跨度較大並可靈活調整。
3.5 車站結構型式及減振措施
從結構形式上高架車站主要分三類：站橋分離式，橋從車站穿過，與車站的構件不發生任何關係；站、橋結合式，即行車道處設行車道梁，該梁簡支在車站框架橫樑上，支承點採取減振措施；站、橋合一式，即車站部分框架結構作為行車道，列車直接在框架樑板上行走。這三種結構形式有如下的優缺點：
高架車站結構型式比較表 表3
3.6 使用環境對結構設計的特殊要求
城市軌道交通高架橋作為重要的生命線工程，其使用壽命為100年，因此設計時應滿足耐久性要求。高架車站，因站臺雨棚多設計為半開敞式，因此設計時應按露天結構進行設計。
4 需進一步研究的課題
雖然城市軌道交通高架橋的建設已有一些經驗，但仍需解決以下問題：
1)橋樑結構耐久性及100年設計基準期的設計引數選擇。
2)施工方法研究，如整孔預製運架技術、階段拼裝技術、先張預應力技術等。
3)車站型式及規模最佳化。
4)減振降噪技術。
5 結語
綜上所述，城市軌道交通高架型式的設計有其自身的特點，它涉及了線路、橋樑、軌道、建築景觀、建築結構、環境保護、施工等多個領域，是一個綜合的設計系統。作者在這裡只是拋磚引玉，希望中國的高架城市軌道交通系統建設不斷完善、持續創新。
參考文獻
[1] 馮愛軍,“軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制”，第二屆全國城市橋樑青年科技學術會議，1999.12。
[2] “北京地鐵5號線投標檔案”，北京城建設計研究院。2002.4
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