郑州市北三环彩虹桥改建方案研究

宁正芳

（中铁工程设计咨询集团有限公司，河南 郑州 450001）

1 工程概况

郑州市北三环彩虹桥位于北三环与郑州北编组站交叉位置处，京广快速路与北三环交叉位置西侧；郑州市规划快速路网系统采用“环形+放射”结构，京广快速路和北三环是其中的重要快速通道。北三环彩虹桥西起电厂路东至南阳路立交，高架桥沿线跨越电厂路、郑州北编组站、京广路立交桥、京广铁路；该桥1993年设计，1994年建成，原设计执行《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021—89），荷载标准采用汽超-20，横断面布置双向4车道+非机动车道+人行道，彩虹桥主跨122 m+62 m+62 m+122 m钢管混凝土拱桥，主桥长368 m，两端引桥上部结构空心板，下部采用柱式墩，扩大基础，桥梁全长1 561 m，见图1。

图1 郑州市北三环彩虹桥主桥[1]

2013年建设北三环快速路，设计荷载采用城-A级，横断面采用双向6车道；北三环快速路建设过程中，彩虹桥主桥（跨铁路编组站大桥）维持双向4车道，两侧非机动车道和人行道封闭；彩虹桥引桥改为双向6车道，两侧非机动车道取消。

2 结构病害及整治

2008年9月至今，彩虹桥已经进行过多次外观检查和荷载试验；外观检查发现桥面多处有较严重纵缝、横缝，严重坑槽，部分桥面混凝土松散、破损致使桥面不平整；伸缩缝内杂土堵塞严重，局部伸缩缝钢板脱落，混凝土锚固区开裂，伸缩缝处错台较严重；上部拱圈结构个别竖杆、斜杆被撞凹陷；南北两道纵梁渗水碱化较严重、纵梁钢板锈蚀、锈胀严重；部分桥道板下挠，板底有横向裂纹；支座垫石锈胀，支座钢板有锈蚀现象、部分支座聚四氟乙烯板滑出；墩台渗水碱化、钢筋锈胀较严重[4]。荷载试验表明彩虹桥主桥、引桥上部结构不能满足设计荷载汽-超20要求，运营状况不安全；桥梁实际刚度减弱，储备不足（2008年检测与2018年检测结果对比）；2014年检测发现，62 m跨东侧端横梁发生断裂。

2019年检测报告表明，北三环彩虹桥桥面系、上部结构、支座及下部结构评价均为不合格，总体评价不合格；桥面铺装层、伸缩缝、上部结构渗水等病害发展较明显，主桥钢结构锈蚀及钢筋局部锈胀、混凝土剥落等病害均有一定发展；该桥整体状况不断恶化，安全形势严峻，需尽快封闭交通禁止通行，并对桥梁进行全面加固维修。桥梁病害见图2～图4。

图2 彩虹桥主桥病害图-斜杆凹陷

图4 彩虹桥主桥病害图-桥面破埙

图3 彩虹桥主桥病害图-支座锈蚀

3 方案研究

结合彩虹桥现状病害和交通情况，方案研究主要针对以下几方面问题：

（1）现状彩虹桥主桥高架双向4车道，通行能力与现状北三环快速路高架双向6车道不匹配，彩虹桥主桥4车道形成交通“瓶颈”。

（2）北三环与京广快速路立交为半互通立交，不满足快速路与快速路交叉设置全互通要求。

（3）科学大道立交与京广路立交间距约800 m、京广快速路立交与南阳路立交间距约450 m，距离均不满足设计规范1 020 m，易形成立交与立交之间交通拥堵。

（4）彩虹桥现状已出现较为严重病害，危机桥下北三环辅道交通通行和铁路运营安全。

彩虹桥存在的问题严重制约了区域交通，影响人民生活出行，亟待加固或改建解决存在问题；本文针对上述问题，主要研究了桥梁加固方案、两侧新建桥梁方案、拆除新建桥梁方案。

4 桥梁加固方案

桥梁加固主要研究以下3个方案：

（1）加固方案（彩虹桥在电厂路至南阳路立交段全桥加固），工期20个月，估算4.5亿[3]；

（2）部分加固部分改扩建方案（彩虹桥在电厂路至京广路立交之间加固，京广路立交至南阳路立交之间改扩建），工期22个月，估算6.0亿[3]；

（3）近远期结合优化方案（京广路立交以西采用桥梁加固方案，京广路立交以东拆除老桥并新建双向6车道高架桥，同时在南北两侧各增加4车道高架，并设置匝道与京广路立交匝道和彩虹桥连接），工期26个月，估算12.1亿[3]。

加固方案存在以下优点：加固方案工程投资较低；加固方案整体工期较短。存在以下缺点：加固方案未能彻底根除桥梁的结构病害问题，彩虹桥设计使用寿命50 a，加固段桥梁使用寿命30 a与2013年新建北三环快速化高架桥使用寿命100 a不一致，彩虹桥到达使用寿命后仍需拆除，将造成京广路立交和东侧北三环交通中断；京广快速路和南阳路立交之间路段距离短，车道数少，交通拥堵问题没有得到解决；加固方案除后期正常养护费外，需增加使用期间的连续监测，后维护期费用更高。

针对加固方案存在的缺点，增加两侧新建和拆除新建方案研究。

所有患者都采用臂丛麻醉，均由同一位高年资主任医师进行手术治疗，术后评价及评分由两名高年资主任医师进行单盲评价。

5 两侧新建桥梁方案

两侧新建桥梁方案主要为对现状北三环彩虹桥加固，同时两侧新建从科学大道立交至南阳路立交双向6车道高架桥，工期20个月，估算15.8亿。

方案存在以下优点：现状彩虹桥及两侧新建辅道桥，加固工程及新建工程可同时实施，且工期仅需20个月；同时存在以下缺点：（1）彩虹桥属于危桥，加固后需实时监测，影响桥下通行安全；（2）交通功能不完善，现状京广路立交东向南、北向东转向功能无法使用，科学大道主线交通流与南阳路立交无法衔接，南阳路立交丧失功能；（3）投资费用15.0亿，整体较高；（4）新建辅道桥两侧增加占地约73亩；（5）景观效果差；（6）铁路净空没有改善。

6 拆除新建桥梁方案

科学大道立交西向东交通流向由南向东、西向东、北向东组成，其中西向东2车道、北向东1车道（双车道匝道，单车道入口）在合流处合为2车道，与南向东3车道再合流，形成5车道断面向东延伸，在电厂路下桥匝道分流2车道后，主线以单向3车道向东延伸，在彩虹桥西渐变为2车道，本次改造将主线双向4车道改为双向6车道方案；科学大道立交与京广立交之间的距离不到800 m，京广立交与南阳路立交之间的距离不到450 m，因立交之间距离较近，需增设集散车道，北三环在科学大道立交与京广路立交、京广路立交与南阳路立交间均设置为3+1车道，见图5。

图5 科学大道立交至南阳路立交交通图

拆除新建桥梁方案拆除现状北三环彩虹桥，原位新建双向8车道（单向3个快车道，1个集散车道）高架桥，同时完善京广快速路与北三环互通立交改建为全互通立交。

彩虹桥拆除方案按照逆施工的方法进行，彩虹桥新建时在2孔62 m拱桥位置处进行拼装122 m拱桥，拼装完成后拖拽至铁路上方，然后再拼装62 m拱桥，因此拆除方案结合新建时施工工序，按照以下步骤拆除。

步骤一：拆除纵梁顶混凝土（同时切割、吊装桥面系），工期2个月；

步骤二：安装临时支撑、同步拆除两个62 m拱肋，（同步拆除122 m纵梁顶凝土，切割、吊装桥面系），工期1.5个月；

步骤四：加固桥墩、122 m纵横梁、顶升、安装导梁、安装拖拉系统并完成调试（同步拆除西侧引桥并搭设支架），工期4个月；

步骤五：将铁路范围内122m拱桥拖拽至空处，工期2个月；

步骤六：安装拱肋临时支撑，拆除导梁、拱肋、纵横梁（同步拆除下部结构），工期3.5个月；

拆除现状北三环彩虹桥采用拖拽施工方法，工期14个月，估算1.1亿。

新建方案一：采用历史传承和纪念意义的拱桥，顶推施工，新建工期20个月，估算12.2亿；拆除与新建工期交叉施工1个月，本方案总工期33个月，总估算13.3亿。

新建方案二：采用结构新颖的斜拉桥方案，转体施工，新建工期27个月，估算13.1亿；拆除与新建工期交叉施工1个月，本方案总工期40个月，总估算14.2亿。

新建方案存在以下优点：完善了科学大道与南阳路立交之间的交通功能，立交与立交之间双向8车道，从根本上消除了彩虹桥的交通“瓶颈”问题；可同步改建京广路立交，满足快速路与快速路交叉需设置立交要求；拆除新建方案使用寿命更长，运营阶段正常养护，养护费用相对较低；缺点主要为：工程投资相对较高，拆除+新建整体工期相对较长。

7 方案比选及建议

综合上述桥梁加固方案、两侧新建桥梁方案、拆除新建斜拉桥方案、拆除新建拱桥方案等4个方案，分别从造价、工期、使用年限、运营维护、交通功能、技术标准及对铁路的影响等方面进行比较分析，见表1。

表1 方案对比分析表

通过方案对比分析表可以看出，加固方案具有造价低、工期短的优点，但是彩虹桥加固使用寿命20～30 a，平均至每年的摊销仍然相对较高，经济性相对较差；同时彩虹桥使用寿命到期后仍需面临拆除问题，对北三环交通存在二次影响；拆除新建方案从使用年限、后期运营维护、对铁路通行净空改善、交通功能完善及技术标准等方面，均具有明显优势；综合比较后推荐拆除新建拱桥方案。

郑州市北三环彩虹桥所处地理位置特殊，无论是现状桥加固，还是拆除新建，对北三环的交通和下方铁路均存在较大影响，建议：彩虹桥拆除位于铁路编组站咽喉区，施工过中存在一定的风险和难度，对铁路运营干扰大，具体实施方案需铁路局批复；桥梁拆除新建过程中，现场条件复杂，干扰因素多，建设单位需提前做好风险评估。

8 结语

郑州市北三环彩虹桥原设计采用122 m+62 m+62 m+122 m拱桥，位于郑州北编组站咽喉区上方，承担北三环快速路交通功能，其结构形式复杂、地理位置和交通功能重要；北三环彩虹桥改造需综合多方面因素考虑，既要保证铁路运营安全，又要满足城市建设的发展需要，本文结合北三环彩虹桥原设计情况、现状桥梁结构病害、拆除施工方法、交通功能完善、新建桥结构形式等因素，从造价、工期、技术标准和运营维护等方面进行比较分析，为北三环彩虹桥方案的最后决策提供参考依据，也可为类似项目的实施提供借鉴。