高铁桥梁及隧道施工简介

1高铁桥梁及隧道施工简介叶向阳台湾高铁业主驻地办公室C210标主任摘要台湾高速铁路主体工程的兴建自公元2000年三月起，几乎是全长330公里同时动工。其中近80%为高架桥，10%为隧道，为期于公元2005年十月份顺利通车，不论桥梁与隧道，均采用了快速安全的施工方式。本文简单叙述台湾高铁桥梁与隧道施工方式。壹、前言台湾高速铁路计划由台北至高雄，全长345公里，除由台北车站至新庄树林处之15公里由政府兴建外，其余330公里全由台湾高速铁路公司负责兴建。全线共分为12个土建施工标。经过邀标、议约、议价及决标的程序后，各标均于2000年中陆续开始施工。土建标均采设计施工合一(D/B)之合约型式，由土建承商按合约所订之设计与工程规范，自行委请顾问公司办理设计，另再委请独立审查顾问办理设计审查工作。表一即为各土建标承商及其顾问公司之综整表。由台湾高铁公司负责兴建的330公里中，高架桥即有250公里，约占全线之76%，隧道长度为44公里，约占全线之13%。高架桥与隧道之施工于本案中，占有极重要且关键的角色。本文即就本案各标高桥梁与隧道的施工方法摘要报告。表一、台湾高速铁路土建工程总揽表土建合约合约范围路线长度(公里)承揽承商设计顾问设计审查(CICE)开始日期预定日期C21016K+800~28K+08011.280日商大林组互助营造SinotechTYLinMuller+HerethLeonardt,Andra&Partners2000/4/12004/11/26C21528K+080~68K+54040.460日商大林组互助营造SinotechTYLinMuller+HerethLeonardt,Andra&Partners2000/4/12004/6/29C22068K+540~86K+32017.780日商大丰九泰营造国开营造Moh&AssociatesIOALexiqSGTE2000/4/12004/6/29C23086K+320~109K+76023.440韩商HyderGeoconsultParsonsBrinckerhoff2000/4/12004/8/282现建营造中麟营造港商亚太工程MerzMcClellanC240109K+760~130K+60020.840韩商现建营造中麟营造HyderGeoconsultKampsax2000/5/12004/7/29C250130K+600~170K+40039.800德商豪赫蒂夫荷商霸力顿泛亚HochtiefBallastNedamKampsax2000/5/12004/6/29C260170K+400~207K+01536.615德商皕德大陆工程Bilfinger+BergerSinotechMoh&Associate2000/4/12004/6/29C270207K+015~249K+81442.799德商皕德大陆工程MaunsellSinotechMoh&Associate2000/4/12004/6/29C280249K+814~284K+22134.410韩商三星韩商重工理成ByucksanParsonsBrinckerhoffRESICTCIHyder2000/3/12004/5/29C291284K+221~312K+73428.513日商清水建设长鸿营造Moh&AssociatesTYLin2000/4/12004/1/31C295312K+734~340K+05827.324日商清水建设长鸿营造太电Moh&AssociatesJeanMullerInt'lParsonsBrinckerhoffMerzMcClellan2000/4/12004/5/10C296340K+058~343K+1203.062泰商Moh&TYLin2000/4/12004/1/313意太建设长鸿营造太电Associates貳、高铁桥梁之设计与施工2.1高铁桥梁的设计考虑高铁桥梁基于安全、舒适，易于维护的前提下，在设计上有些特别的考虑，兹举数则条列如下:1.采用钢筋混凝土或预力混凝土桥梁，并尽可能避免采用钢构桥梁。2.桥梁之所有支承均应易于检修，并应在结构体使用寿命期间内，以不影响列车正常运行之情况下轻易调整及更换。支承之更换作业应局限在午夜至凌晨6点之间并于4小时之内完工。3.桥梁之设计应将维修吊车于桥面版悬吊部位造成之垂向载重纳入考虑。4.上部结构应于顶版底面每一检修口上方预埋可承受3公吨吊装重量之吊环。所有检修口均应配置可上锁之镀锌钢盖板。5.最大设计地震力：系考虑地震回归期为950年之地表加速度，在此地震作用下，主结构允许产生非弹性变形并允许损坏发生，并应可修复，惟不允许结构发生脆性破坏，以致倒塌。6.安全运转设计地震：相当于三分之一之最大设计地震力。在此地震作用下，结构反应必须维持在弹性范围，不得有塑性变形产生。7.增加桥梁支承长度：高铁桥梁设计规范规定桥梁最小设计防落长度为政府颁布之铁路桥梁耐震设计规范之规定值1.2倍。8.通过断层之结构型式选择：以较柔性之结构物（如路堤）通过为主，以加速地震后修复速度，如因现地限制，需采桥梁通过，则需额外加大防落长度。9.施工中地震力之考虑：土木承包商需依据高铁桥梁设计规定，以25%之设计地震力设计相关之施工设备，以确保施工设备于施工期间之结构安全。2.2高铁桥梁的结构型态一、基础(一)、扩展基脚（SpreadFooting）扩展基脚属浅基础，其断面尺寸为（L*W*D）10m*10m*2.25m～17.5m*17.5m*2.7m。若土壤之承载力适合而且无沈陷之疑虑，则扩展式基础在施工上比桩基础简便许多。扩展基础仅限在接近地表处存在适当之承载层，且其下方无任何具高度可压缩性质之土层，经计算所得之沈陷量并4未超过容许限值之状况下使用。扩展基脚于台湾高铁计划的使用情形如表二。图一为C220标新竹车站段之一例。施工范围基础总数量(座)扩展基脚(座)区域扩展基脚比例混凝土立方(立方公尺/座)北工段(C210~C240)1,6441,13869%280～830南工段(C250~C296)6,4311,09417%225～456总计8,0752,23228%表二、台湾高铁桥梁浅基础图一、扩展基脚(C220标)(二)、桩基础（PileFoundation）桩承基脚属深基础，桩径为1.5m～2.5m；根据台湾高铁针对桩承基础之规定，凡于浅基础无法以安全、经济之方式承载设计载重，且又无法符合规定之沈陷标准者，均应使用深基础。另即使于地层之承载力适合使用浅基础处，若表层土壤有遭受冲刷或冲蚀之虞者，仍应使用深基础设计。高铁沿线基桩型式大多采全套管基桩及反循环基桩，基础之型式与深度应依工址地工调查之结果判定，并根据地工调查之结果计算基础土壤之容许承载压力、基桩承载力、预期沈陷量与地下水位等数据。施工范围基础总数(座)桩基础(座)桩数量(支)总桩长(公尺)平均桩长(公尺)区域桩承基础比重5北工段(C210~C240)1,6445064,809135,07728.131%南工段(C250~C296)6,4315,33725,1111,338,58353.383%总计8,0755,84329,9201,473,66049.372%表三台湾高铁桥梁深基础桥梁基础设计为因应工址地质与区域地震力变化而有差异，尤其高铁桥梁工程纵贯台湾西部走廊，桥梁总长约250公里，沿线之基础设计考虑与设计结果反应其工址地质与区域地震力变化；表三为桩基础于台湾高铁计划使用之情形。由表二与表三之统计数据，北部标段之基础型式采扩展基脚比重较南部标段高，南部采用桩承基础之平均桩长远较于北部标段高出约一倍。除扩展基脚与桩基础外，高铁全线并未采用其它型式之基础。二、墩柱皆为场铸桥墩，形式有单柱、双柱、三柱、四柱及Y形柱，其断面尺寸为﹙L*W﹚2.5m*2.5m～5.0m*4.3m或3m～5m直径之圆柱。单柱结构广泛使用于主线高架桥结构中，双柱、三柱、四柱结构各为车站路线结构，而Y型柱(如图二)仅见于C295标。墩柱基础顶部之覆土厚度依台湾高铁规定不得小于600mm，且都会区内以及邻近公路地区之基础顶部高程应符合相关主管机关之规定，以容纳地表排水与管线设施施作所需之深度。轨道及相关工程完工，经所有外加呆载重作用后，相邻墩柱间之差异沈陷量不得超过下列限制：简支多跨桥梁–差异沈陷之斜率不得大于1/1,000连续跨桥梁--差异沈陷之斜率不得大于1/1,500混凝土之弹性模数E（杨氏系数）应符合交通部「公路桥梁设计规范」之规定。混凝土、钢筋、预力钢绞线、预力钢棒等材料之应力与应变关系亦应符合交通部「公路桥梁设计规范」之规定。桥梁结构混凝土于28日龄期之最小抗压强度应符合如表四之规定。桥梁结构桥梁结构混凝土于28日龄期之最小抗压强度基椿、方桩、沉箱245kg/cm2基脚、桩帽、桥墩280kg/cm2钢筋混凝土结构280kg/cm2预力混凝土结构350或420kg/cm2表四高铁桥梁结构混凝土于28日龄期之最小抗压强度规定6图二Y型墩柱(C295标)三、上部结构主线线形的设计，最大纵坡为2.5％，少数路段为3.5％。最小曲率半径为6,250公尺，特殊路段采用5500公尺半径，侧线因非营运使用线路故采用较低标准的相关设计规范。除车站区附近之桥梁段采4～6轨道设计外，台湾高铁之桥面净宽皆为13公尺，提供双轨道﹙北上及南下各一轨道﹚之营运使用，并符合最高设计速度为350公里/时之运转及最大营运速度达300公里/时之安全需求。为确保乘客搭载列车之安全与舒适，高铁所有高架桥结构之容许角变量之规定较一般公路规定更严谨，详表五（中间数值得采线性内插法求取）：跨距(公尺)垂直折角(/1000)水平折角(/1000)10203040≧501.71.71.51.31.31.71.71.71.31.3表五高架桥结构之容许角变量台湾高铁上部结构型式区分为箱型梁、I型梁及其它型式之大梁，使用情形如表六：结构型式总长度(公尺)占总上构百分比预力系统预铸箱型梁137,40355.0%先拉法、后拉法、先拉加后拉法场铸箱型梁106,73542.8%后拉法I型梁4,9802.0%后拉法、先拉加后拉法其它6050.2%表六台湾高铁桥梁上部结构型式7(一)、箱型梁承载二股轨道之所有正线桥梁均以采用预力混凝土单孔箱形梁为原则，箱型梁得采预铸或场铸方式铸造。高铁箱型梁除少数采先拉(C280)或先拉混合后拉(C215,C250)预力工法外，后拉预力箱型梁属最普遍之预力施工法，其断面尺寸依跨距及工址而有异，梁深2800mm～4630mm，梁底宽4600mm～6000mm。图三箱型梁(C260标)图四箱型梁(C270标)图三与图四分别为C260与C270标已完成铸造的与柱箱型梁，即将予以吊放。8(二)、I型梁高铁C220标及C250标在车站附近之主线及南北调车线之桥梁上构工程采用预铸I型梁，其平均重量达145公吨／支，最重可达230公吨／支。其中C250标之预力系统则采用先拉与后拉并用方式。图五与六为其示意。(三)、其它型式之上部结构在长跨距及符合工址条件下，可考虑采用钢桁架桥梁或复合钢结构。复合结构采用钢箱形梁与混凝土桥面版为宜。钢桁架桥梁或复合式钢构桥梁大部份是应用在跨河川、道路等桥梁。如C220标之头前溪桥为全长140公尺之钢桁架桥梁，C210标经一号省道之钢桁架桥等。图五I型梁断面图及先拉预力钢铰线配置图六I型梁先拉预力设计细部92.3桥梁施工法高铁桥梁施工法包括全跨预铸工法（FullSpanLaunchingMethod；Pre-castSpanMethod）、支撑先进工法（AdvanceShoringMethod；MovableScaffoldingSystem；MovableShoringSystem）、悬臂工法（CantileverMethod）及场铸支撑工法（FixedShoringMethod），其工法施工简介如下：一、全跨预铸吊装工法（FullSpanLaunchingMethod）(一)、工法概述：系将全跨预铸工法整个