【橋樑名片】
- 名稱：濟南市齊魯黃河大橋
- 地址：濟南市槐蔭區，經過鄭家店村東，跨越黃河後，與G309交叉相交。
- 類型：下乘式網狀系杆拱橋（公軌兩用）
- 建設單位：濟南城市建設集團有限公司
- 設計單位：上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司
- 施工單位：中交第二公路局有限公司
- 建設情況：已建成，未通車
【摘要】齊魯黃河大橋是濟南北跨攜河發展的「三橋一隧」戰略通道之一，直接聯繫南岸組團與北岸桑梓店地區中心，項目建設對濟南市實現北跨發展建設黃河新區、建設新舊動能轉換先行區有重要意義。
基於橋位建設條件 和限制因素，綜合考慮技術條件、工程造價、環境影響等因素，對齊魯黃河大橋路線方案、公軌合建模式、跨黃河大 橋方案進行比選與設計，相關經驗和結論可供相關工程參考。
1 項目背景
齊魯黃河大橋是濟南北跨攜河發展的「三橋一隧」戰略通道之一，經過濟南市槐蔭區、天橋區，南起齊魯大道與濟齊路交叉口，接現狀齊魯大道，依次跨越美里路、濟廣高速，經過鄭家店村東，跨越黃河後，與G309交叉相交。路線的主要控制點有路線起點、濟廣高速現狀橋孔、黃河特大橋橋位、邯濟鐵路線、路線終點、沿線村莊等。
目前，濟南市域內溝通黃河兩岸的交通設施嚴重不足，城市道路過河通道僅建邦黃河大橋、濟南黃河一橋以及零星浮橋，導致現狀大橋擁堵嚴重，交通壓力過大，亟需建造新的過河交通設施緩解日益增長的交通壓力。本項目建設是貫徹濟南市「攜河發展」戰略，對完善區域規劃路網、提高路網運輸能力、改善區域交通出行環境有重要意義（見圖1）。
2 建設條件
2.1 地形、地貌
場地地貌單元屬黃河沖洪積平原與山前沖洪積傾斜平原疊交地帶，局部微地貌單元系黃河河床，原始地形較平坦。受黃河淤積及人工填築的作用，形成中間高，南北兩側低的地形，河漫灘地面標高27.5～29.0m，黃河大堤堤頂標高約32.8～36.7m，堤壩外側地面標高約23.0～25.0m。沿線兩岸基本無開發，現狀主要為村莊和農田。
2.2 地質
場地為黃河沖洪積平原與山前沖洪積傾斜平原疊交地帶，局部微地貌單元系黃河河床，地形較平坦，第四系覆蓋層厚度較大，厚度50～80m。工程場地無不良地質。
2.3 河流與水文
黃河幹流從平陰縣清河門進入濟南市境，沿市境北部逶迤東北，流經平陰、長青、濟南市郊區、歷城及章丘，於章丘黃河鄉的常家莊出境，流經市境長度172.9km。黃河濟南段現行河道，是1855年黃河在銅瓦廂決口，北徙奪大清河，改道至利津注入渤海時形成的，市境黃河流向自西南而東北，地面相對穩定。
擬建工程河段位於濼口水文站上游，該河段為黃河下游彎曲性河道，黃河河道在該河段主河槽形態及位置相對比較穩定，大堤寬約1.4km，河道斷面形態為複式，主槽一般呈U型斷面，主河槽水面寬約400～600m，灘地寬一般為300～1200m，主河槽平均水深4.6m，寬深比約4～5。河道彎曲係數一般在1.20左右，河道縱比降約0.01%。
2.4 通航
根據《黃河水系航運規劃報告》（交通部黃河水系航運規劃辦公室，1988年），橋位河段規劃為Ⅳ級航道。
2.5 地震
本場地位於濟南市，根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306—2015），判定本場地抗震設防烈度為7度，屬設計地震第三組。擬建工程抗震設防類別為標準設防類（甲類），場地及鄰近地區全新世以來未見活動斷裂，場地較穩定，可作為建設用地。
3 設計主要限制因素
3.1 路網銜接
項目區域內道路網發達，與本項目相關的主要道路有京福高速公路、濟廣高速公路、國道309、國道308、二環西路快速路、臘山河西路和濟齊路。項目總體方案選擇應考慮好與周邊路網銜接工作。
3.2 黃河水利委員會行政審批
黃河水利委員會對相鄰跨黃橋樑間距要求高，線位選擇條件複雜。根據黃委會要求，本工程跨黃線位與上游京滬高鐵跨黃河大橋及下游濟南建邦黃河大橋的間距需滿足一定要求，中間還要避開黃河水文測量斷面，選線條件複雜。另一方面，黃河防洪要求高，橋樑布跨要求嚴格，橋型選擇受限。
跨黃河大橋應按照黃河水利委員會對跨黃河橋樑線位間距要求進行選線，按照防洪評價中的橋樑布跨及標高等要求進行結構方案設計，是本項目需重點考慮的問題。
3.3 公路與軌道建設方式
依據濟南市軌道交通線網規劃，遠期擬新增一條軌道交通線位沿齊魯大道北延布設，並與本通道工程一併過河。
本項目跨黃河橋樑設計需考慮與軌道交通的合建與銜接，要求跨黃河段橋樑為公軌合建，兩側接線為公軌分建。如何處理好橋樑與軌道交通的合建、分建關係、與軌道交通的銜接條件、施工及運營期的相互影響是總體設計主要任務之一。
4 總體設計方案
4.1 路線方案設計
路線方案設計將兩岸接線與橋位選址結合起來整體研究，結合路線的主要控制因素，從方案與上游京滬高鐵大橋的距離出發，優化組合，選定了近、中、遠4條線位，分別為距離京滬高鐵大橋最近的A線位，距離京滬高鐵大橋適中的K線位、以及距離京滬高鐵大橋最遠的B、B'線位（見圖2）。
4條線位A、K、B、B'之間最大的區別在於與上游京滬高鐵大橋的間距，以下就與規劃銜接、功能定位、線形條件等方面做綜合比選，如表1所示。
表1 路線方案比選一覽表
線位A距京滬高鐵大橋過近，本通道施工運營中可能對現狀橋樑有影響，並且橋較難通過黃委會審批；線位K與京滬高鐵大橋距離適中，與規劃銜接較好；線位B與京滬高鐵大橋距離相對最遠，但與規劃路網相差較大，道路繞行較遠；線位B'無法直接串聯西客站次中心和桑梓店地區中心，不符合近期通道建設意圖。
綜上所述，本通道工程擬推薦線位K。
4.2 公軌橋樑建設模式
根據前期橋隧方案比選結論，隧道方案工程風險大，投資高，因此本通道採用橋樑形式過河。軌道交通與本通道的總體布置模式存在合建和分建兩種方式。
4.2.1公軌分建
軌道交通若單獨採用橋樑形式過河，占用寶貴的過河通道資源，且橋樑過密不滿足黃委會對黃河橋樑間距的要求，難以通過黃委會批覆。故公軌分建軌道交通宜採用隧道形式。
軌道交通採用隧道方式過河，並在黃河南北兩岸沿齊魯大道採用地下線布置。齊魯大道橋樑僅考慮機動車、非機動車和行人過河需求布置。本布置模式造價相對合建更高昂，若採用該模式布置，橋樑方案與後續介紹的公軌合建同層布置方案基本相同（除橋樑橫向寬度方面存在差異），軌道採用單獨的盾構穿越黃河。
4.2.2 公軌合建
綜合分析國內外已（在）建公軌合建橋樑斷面布置，如表2所示，一般存在以下公軌同層和公軌分層兩種布置模式。
表2 國內外城市道路、公路與軌道交通合建橋樑一覽表
根據調研國內已（在）建公軌合建橋樑，尤其是公路橋樑或鐵路橋樑，採用分層布置模式居多，即上層布置車行道、下層布置軌道交通及慢行系統。本次方案設計分層方案如圖3所示，將機動車道布置在上層，下層布置軌道交通、非機動車道和人行道，從而大大降低慢行系統過河的爬坡高度。
根據調研國內已（在）建公軌合建橋樑，同層布置的有：上海軌道交通6號線趙家溝大橋、上海長江大橋、重慶鵝公岩長江大橋、重慶魚洞長江大橋等。從軌道交通在橋面布置的位置來看，除上海長江大橋軌道交通布置在車行道外側，其他均布置在車行道中間（即橋樑結構中心）。上海長江大橋由於橋樑長度較大，布置在中間無法設置掉頭區等軌道交通事故救援的必須措施而將軌道交通布置在兩側。
從結構受力的合理性以及軌道交通運行的安全性上來看，軌道交通布置在外側橋面排水不易處理，列車靠近拉索，對拉索疲勞也不利。在發生緊急情況時，軌道交通布置在橋樑內側對疏散人群更為有利。
為此，本次設計按照公軌同層軌道居中布置進行設計，如圖4所示。
對於公軌合建的不同布置方式，各有其優缺點，具體比較如下表3所示。
表3 公軌合建橋樑布置形式比選
4.2.3 比選結果
公軌合建的建設模式能更集約地利用過河通道資源，節省工程投資，但城市道路與軌道交通建設往往不同步，方案需充分考慮軌道交通需求，做好預留。市政道路與軌道交通建設主體不同，建設及後期管養協調難度和工作量都較大；公軌分建模式建設和管養等協調工作簡單，但浪費寶貴的過河通道資源，工程投資相對也高。相比較而言，濟南黃河段過河通道資源相對稀缺，採用分建模式不利於遠期再新增過河通道。因此，本通道擬採用公軌合建模式，預留遠期軌道交通過河需求。
對於公軌合建軌道布置方式而言，公軌合建分層布置因受結構高度影響，機動車爬坡高、橋樑接線長，且鋼結構養護困難，不適用於本通道機動車需儘快落地的情形；公軌合建同層軌道居中布置則結構完全對稱，國內建成的實例也較多，機動車爬坡高度相對較小。本工程擬推薦採用公軌合建同層軌道居中的布置模式。
4.3 跨黃河大橋設計
4.3.1 控制條件
根據黃建管[2007]48號文件要求：在黃河幹流陶城鋪以下河段主河槽孔跨不少於180m，灘地不少於50m，跨越方式為全橋跨越。根據《齊魯大道北延跨黃河大橋防洪評價報告》，擬建橋樑橋位河槽斷面圖如圖5 所示，現狀主河槽寬度為575.8m，通過分析橋位上下遊歷年斷面變化及主槽左右起點距變化，因此確定橋位斷面主槽寬度最大為610m。
黃河堤身設計斷面內不得設置橋墩。橋樑跨越堤防，橋墩應離開堤身設計堤腳線一定距離（原則上黃河不得小於5m）。
根據《黃河水系航運規劃報告》（交通部黃河水系航運規劃辦公室，1988年），橋位河段規劃為Ⅳ級航道。
本橋橋位與現狀京滬高鐵黃河鐵路大橋距離較近，總體布置上應考慮增大跨徑以減少橋墩數量，從而減小對行洪的影響，經過與防洪專題單位溝通後確定，兩岸大堤內只布置兩個橋墩。
4.3.2孔跨布置
考慮到上述控制條件，結合防洪評價單位推薦布跨意見，齊魯黃河大橋的孔跨布置如下：橋樑以全橋跨方式跨越黃河，主橋推薦方案孔跨布設為95m+280m+420m+280m+95m，主河槽跨度為420m，灘地跨度為280m，淤背區跨度為95m，主橋全長1170m，滿足黃建管[2007]48號文件相關規定。
跨黃河大橋方案比選考慮不同橋型方案及相應合理邊中跨比，主河槽跨度適當增加，灘地跨度適當減小，保證主橋長度不變並滿足橋跨控制條件。
4.3.3主橋方案
結合防洪評價單位推薦布跨意見，進行了兩種主橋方案比選。
（1）系杆拱橋方案
主橋方案一採用網狀吊杆組合梁拱橋，跨徑布置為（95+280）+420+（280+95）=1170m。橋面寬度60.7m。總體布置如圖6所示，橫斷面布置如圖4所示。
420m跨拱矢跨比為1/6，矢高70m，內傾角度3.0°；280m跨拱矢跨比也為1/6，矢高46.67m，內傾角度5.3°，拱肋採用五邊形鋼箱斷面。
拱肋橫聯形式採用一字撐，撐杆為八邊形鋼箱斷面。
吊索採用網狀布置，主樑上標準間距為9m，順橋向傾角約60°。
主梁採用正交異性組合橋面板組合梁，梁高4.15m。
下部結構採用尖端型薄壁墩形式，矩形承台，鑽孔灌注樁基礎。
約束體系：95m+280m一聯在P19墩設置順向固定支座，其餘橋墩設置順向活動支座；420m一聯在P20墩設置順向固定支座，其餘橋墩設置順向活動支座；280m+95m一聯在P21墩設置順向固定支座，其餘橋墩設置順向活動支座；主橋三聯在各橋墩均設置一個橫向固定支座、一個橫向活動支座。全橋共設置16個豎向支承支座。
（2）雙塔斜拉橋方案
主橋方案二採用雙塔組合梁斜拉橋，跨徑布置為95+240+500+240+95=1170m。橋面寬度60.7m。總體布置如圖7所示。
主塔採用A形橋塔，主塔塔身高約143m，橋面以上塔高122.5m。
全橋共216根拉索，呈空間雙索麵扇形布置。
主梁採用正交異性組合橋面板組合梁，鋼樑高4.0m，橋面板厚0.15m。邊墩、輔助墩沿橫橋向設置兩個，採用獨柱墩。
主塔基礎採用45φ2.0m鑽孔灌注樁；邊墩、輔助墩採用2×8φ2.0m鑽孔灌注樁，分離式承台，如圖8所示。
採用扭絞型平行鋼絲斜拉索，冷鑄錨，鋼絲標準強度1860MPa。全橋共144根斜拉索，最長斜拉索長度約264m。斜拉索外設雙層PE護套，顏色可根據景觀要求選用。對拉索表面採取螺旋線、凹坑等氣動輔助措施，以及在斜拉索兩端安裝內置式阻尼器，以提高斜拉索抗風雨振性能。主橋採用漂浮體系，塔墩固結、塔梁分離，主梁與主塔之間無豎向支座，設置縱向連接裝置。橋墩上均設置豎向支承。
（3）綜合比選
兩種主橋方案比選表如表4所示。
表4 橋樑方案比選表
綜合技術難度、施工風險、施工周期、結構力學性能、景觀效果及工程造價，考慮到濟南黃河上斜拉橋過多，在造價基本相當的前提下，推薦採用結構性能更優的方案一：網狀吊杆組合梁拱橋。
5 結論
本文系統地介紹了濟南齊魯黃河大橋工程的項目背景、建設條件、設計主要限制因素、總體方案、橋型比選等內容，綜合考慮了周邊路網銜接、黃委要求、工程造價等因素，比選確定了總體路線方案。
在大量調研國內外公軌合建橋樑建設方式的前提下，結合本項目工程背景及實際情況，本工程擬推薦採用公軌合建同層軌道居中的布置模式，並預留遠期軌道交通過河需求。
結合跨黃河大橋設計控制條件，進行了網狀吊杆系杆拱橋和雙塔斜拉橋兩種主橋方案總體布置與設計，綜合技術難度、施工風險、施工周期、結構力學性能、景觀效果及工程造價，考慮到濟南黃河上斜拉橋過多，在造價基本相當的前提下，推薦採用結構性能更優的網狀吊杆組合梁拱橋方案。
本文轉自《城市道橋與防洪》——濟南齊魯黃河大橋總體方案研究，作者王偉；僅用於學習分享，如涉及侵權，請聯繫刪除！