南廣鐵路西江特大橋的技術創新

徐升橋，彭嵐平，張 華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

南廣鐵路西江特大橋是新建鐵路南寧至廣州線桂平至肇慶東段的控制性工程，設計速度250 km/h，大橋里程范圍為IDK378+453.8～IDK379+072.1，小里程側接飛鷹隧道，大里程側接小湘1號隧道。大橋全長618.3 m，橋跨布置(圖1)為(41.2+486+49.1)m+1-32 m預應力混凝土簡支梁，主橋為中承式鋼箱提籃拱橋，為目前世界上最大跨度的高速鐵路拱橋。

該橋所處位置地理條件復雜，施工難度極大，具有鋼箱拱肋構件加工精度要求嚴、安裝線形控制難度大、水深(60～80 m)流急、施工場地狹窄、地形地貌及地質條件復雜、主跨鋼箱拱大懸臂拼裝風險大等特點。

圖1 西江特大橋總體布置(單位:m)

2 總體方案研究

2.1 總體設計方案

西江特大橋位于三榕峽上游的小湘收費站附近，江面寬度約410 m，最大水深約80 m。西江深切地表，形成峽谷。廣州側位于G321國道旁山坡上，緊接小湘1號隧道，自然坡度約55°;南寧側山體自然坡度約35°。橋址處西江為Ⅱ級航道，船舶噸級2 000 t，按Ⅰ級2排2列通航的航道等級進行設計，雙向通航孔凈寬210 m，上底寬183 m，凈高18 m。

橋址位于西江轉折處，受通航和行洪條件限制，要求主橋一跨過河;根據地形與地質條件進行技術經濟比選，確定跨度486 m的推力式鋼箱提籃拱橋作為橋式方案，并對以下技術問題進行了重點研究［1-2］:

(1)對拱肋內傾角(包括平行拱)、拱軸系數、橋面系與拱肋的連接方式等進行綜合的計算分析比較，研究確定大橋的主要設計參數［3］和結構尺寸。

(2)由于提籃拱拱肋存在內傾角，對拱肋與橫撐的不同連接構造方案進行研究，充分考慮結構的受力性能及疲勞性能，確定拱肋與橫撐連接構造。

(3)對主縱梁、次縱梁、小縱梁、橫梁等構件的連接方式、受力性能、疲勞性能進行研究，確定橋面系的結構構造和縱橫梁間的連接方式，提出確保橋面板抗裂性能的耐久性措施。

主橋為主跨486 m(計算跨徑450 m)的鋼箱提籃拱橋，矢跨比為1/4，拱軸系數m=1.8，拱肋內傾角為4.8°，橋面距拱頂71.7 m，拱腳處拱肋橫向中心距為34.0 m，拱頂處為15.17 m。肋肋橫截面見圖2。

拱肋為變高度鋼箱結構，拱腳處拱肋截面徑向高度為15.1 m，拱頂截面徑向高度為9.1 m。拱肋為陀螺形截面，拱肋橫截面下端為倒梯形截面，腹板徑向高度為4 m;上端為矩形截面，腹板徑向高度在5～11 m間變化，在拱頂為單室截面，拱腳為雙室截面，中間水平板按等分腹板設置。

橋面系采用鋼縱橫梁與鋼筋混凝土橋面板的結合梁體系［4，5］，主縱梁橫向中心距為20 m，在拱肋與主縱梁相交處設置阻尼器;橫梁間距為9～12 m，橫梁與主縱梁間除上翼緣采用工地對接焊外均為高強螺栓連接。橋面板由厚20 cm的混凝土預制板+20 cm厚后澆混凝土層組成，預制板置于鋼縱、橫梁上翼緣頂面。

圖2 拱肋橫截面(單位:mm)

拱肋與鋼主縱梁間采用鍍鋅平行鋼絲束吊桿，吊桿上端錨固在拱肋頂面，吊桿通過錨拉板錨固于鋼主縱梁頂面，便于吊桿的安裝、檢查維修和更換。

2.2 總體施工方案

西江特大橋為中承式鋼箱提籃拱橋，其總體施工方案［1，6-9］是大橋建設需要確定的重大技術決策之一。以下主要對“邊段豎轉+中段提升”、“纜索吊機節段懸拼”方案進行綜合比選。

(1)“邊段豎轉+中段提升”方案

拱肋分為三大段在拼裝場地進行組拼，其中拱肋邊段水平投影長度為 166 m，弦長 194 m，質量為7 000 t，拱肋中段水平投影長度為 108 m，質量為2 900 t。三大段拱肋分別通過大噸位駁船運至相應位置，拱肋邊段采用豎轉施工，邊段豎轉到位后，利用邊段拱肋頂端安裝的拱上吊架，整體提升拱肋中段。拱肋合龍后，再進行吊桿安裝和橋面系施工。拱肋施工示意見圖3。

圖3 拱肋“邊段豎轉+中段提升”方案及各階段索力示意

(2)纜索吊機節段懸拼方案

主拱肋開始3個節段利用5 000 kN浮吊安裝，其余節段采用“纜索吊機節段懸拼”施工，兩岸主拱肋橫梁至橋臺范圍內的“鋼縱橫梁+橋面板”采用纜索吊機先水上整體提升，再在支架上縱向滑移的施工方法完成，而主拱肋橫梁之間的“鋼縱橫梁+橋面板”和所有吊桿均采用纜索吊機直接架設完成(圖4)。

(3)方案比較及確定

圖4 纜索吊機節段懸拼方案示意(單位:m)

以上方案優缺點比較見表1，各方案均面臨共同的難題:塔架高度高，受力大，規模龐大;后錨的設計和施工，尤其是南寧側，地質條件差，后錨碇設計和施工難度大，工程量龐大。

表1 鋼箱拱拱肋施工方案優缺點

綜合考慮2個施工方案的優缺點和施工單位的技術儲備、經驗，確定采用“纜索吊機節段懸拼”的施工方案。

3 新型拱座基礎

3.1 技術難點

(1)水文氣象條件復雜

橋位地處西江三榕峽90°急彎處，江面寬410 m，河床最大深度約80 m，均為裸露巖，無覆蓋層。每年5～9月份為西江主汛期，西江洪水落差大，一夜之間洪水位上升最大達到7～8 m。

(2)地形地貌條件復雜

兩岸拱座均位于55°陡峭山體坡腳處，南寧岸拱座底位于常水位以下34 m處，廣州岸拱座底位于常水位以下17 m處。

結合錨碇以及橋臺施工，南寧岸拱座從上到下山體開挖深度大，開挖支護難度非常大;廣州岸拱座位于G321國道與西江之間，需在沿江側做止水圍堰，圍堰一半位于岸上，一半位于水中，施工難度大。

3.2 設計方案和分析

全橋共4個主拱基礎(拱座)，在恒載+活載工況下，每 個 拱 座 承 受 軸 力1.613 7×105kN， 彎矩4.9×105kN·m。

綜合分析所有鉆孔揭示的地層情況，考慮到地層的風化不均勻性，減少基坑的面積以及深基坑開挖對山體穩定的不利影響，主拱基礎采用新型“拱座+矩形挖井”(圖5)的結構形式，承擔主拱拱肋傳來的巨大水平推力和彎矩。挖井截面為14 m×5 m，南寧側長27 m，廣州側長10 m。

圖5 主拱基礎輪廓(單位:mm)

由于南寧側地質情況復雜，巖石破碎，拱座采用沉井方案進行施工，沉井既作為拱座結構的一部分，同時還作為其下挖井的可靠防護結構，并方便拱肋預埋段的安裝、定位。拱座沉井下沉就位后，開始進行挖井施工，挖井采用“錨桿+內支撐”方案施工，挖井混凝土澆筑完畢后，再澆筑沉井內拱座混凝土，形成“拱座+方樁”的基礎受力體系。

(1)拱座基礎的計算分析(以南寧側為例)

采用鐵路樁基設計程序B89按變截面樁進行計算，并用Midas軟件對截面位移、剪力、彎矩及樁側土壓力進行復核計算，由Midas計算的主拱基礎截面的剪力、樁側土壓力如圖6、圖7所示。

圖6 主拱基礎截面的剪力

圖7 主拱基礎截面的樁側土壓力

從圖6可以推出本橋拱座承擔水平推力的65%、方樁承擔水平推力的35%;由圖7結果可看出樁側土壓力滿足規范要求(容許樁側土壓力1 216 kPa)。通過對B89和Midas的計算結果進行對比，發現兩者的樁身內力(彎矩和剪力)相差不大，但是兩者計算樁側土壓力和樁側位移有較大差別，這是由于 B89與Midas關于樁側土計算寬度的不同引起的。

(2)沉井計算

由于沉井只作為拱座的施工方法，因此只對沉井進行下沉時的受力計算。沉井共分4節，底節沉井高6 m，第二節至頂節沉井高度依次為5.4 m、6 m、6 m，底節設隔墻，采用鋼刃腳。如圖8、圖9所示。

圖8 拱座沉井結構立面(單位:mm)

圖9 沉井底節平面(單位:mm)

第1節沉井下沉系數1.89，第2節沉井下沉系數2.07，第3節沉井下沉系數(壓重2 600 kN)2.12，第四節沉井下沉系數(壓重4 170 kN)2.15，均大于1.8可順利下沉;沉井到位后封閉刃腳得到基底土壓力:463 kPa＜容許承載力1 760 kPa。

由于底節沉井有隔墻，下沉過程中底節沉井對其他節沉井有約束作用，與普通沉井受力模式有所不同，因此需建立實體模型(表2)進行分析。

表2 沉井局部應力與配筋

3.3 拱座深基坑支護工藝研究

對南寧側拱座基坑，取垂直于基坑長軸方向的剖面為數值模型的xz平面，沿長軸方向為y方向，在y方向取2 m為模型厚度，作為平面應變問題進行計算。

有限差分模型如圖10所示，模型為80 m×2 m×80 m，其中坐標原點位于基坑頂部中心，Z軸方向向下，坑底坐標為-27 m，模型底部坐標為-80 m。共建有12 960個六面體單元，19 926個網格節點?；拥酌嬉陨蠟橹酗L化巖體，基坑底面以下為弱風化巖體。

基坑沿西江下游側的錨桿取8 m，沿上游側的錨桿取5 m，支撐梁間距5 m布置，共設置6根支撐梁。

本次數值計算中所用的力學模型為Ubiquitous-Joint模型，充分考慮了因巖體中存在層面而導致的顯著各向異性。Ubiquitous-Joint模型是Mohr-Coulomb模型的衍生模型，它適用于那些在剪應力下屈服，但剪應力只取決于最大、最小主應力，而第二主應力對屈服不產生影響的材料。計算中所用的主要巖體參數如表3所示。

圖10 網格模型及巖體分組

圖11 基坑施加主動支護力

表3 巖體的Ubiquitous-Joint模型主要參數

(1)支護方案

方案1—基坑開挖不加支護。

方案2—基坑開挖加8 m(下游側)和5 m(上游側)錨桿支護。

方案3—基坑開挖加15 m(下游側)和5 m(上游側)錨桿支護。

方案4—方案3的基礎上+支撐梁支護。

方案5—方案3的基礎上同時施加主動力支護。

(2)計算分析

為有效控制基坑開挖的穩定性，工況五采用施加主動支護力的方式進行模擬分析，所加的主動支護力如圖11所示?；由喜?對支護力的取值為F1=1 000 kN，基坑下部 3對支護力的取值為F2=3 000 kN。

圖12顯示基坑開挖后在方案5“錨桿支護+主動支護力”的工況下，上游和下游側坑壁剪切破壞塑性區均大量減少，但在下游坑壁深1 m范圍內有個別活性剪切塑性破壞區，上游坑壁沒有活性塑性區。

圖13的位移矢量圖顯示，加主動支護力后基坑的位移為2.9 mm，與方案2的4.15 mm相比有大幅減小。

(3)分析結論

經過5種方案的計算分析，在基坑開挖不加支護的情況下，基坑側壁出現大面積剪切破壞塑性區，基坑有向內垮塌的趨勢，很不穩定;僅在方案5的支護下，極大減少了基坑側壁的塑性破壞區，坑頂位移較小，基坑較為穩定，因此采用方案5作為實施的基坑開挖支護方案。

圖12 工況5基坑塑性區分布

圖13 工況5基坑位移矢量圖

4 抗風與列車走行性能

在特大跨度高速鐵路鋼箱拱設計中，大橋的抗風性能與列車走行能力是一對矛盾:為保證高速列車運營的舒適度和安全性，要求承重的拱肋剛度大(即拱肋截面高度較高)，而大尺寸的鋼箱拱肋必然存在風的渦激振動問題。

西江特大橋橋拱肋為箱形斷面，截面寬度為5 m，拱頂處截面高8 m、拱腳處拱肋截面高15 m，截面形狀比上海盧浦大橋更鈍，雙鋼箱拱肋的渦振問題突出。

通過采用將混凝土橋面板厚度加厚至40 cm的設計方案，較好地解決了這一技術難題。經全橋風洞試驗驗證，主拱合龍狀態下施工扣塔、扣索可以增加主拱穩定性，減小在低風速下發生渦振的可能性;成橋狀態下主梁的重力有利于抑制拱肋渦振的發生，同時改善了大橋的高速列車行車乘客舒適度和安全性能。

4.1 抗風性能

(1)拱肋存在渦激共振現象

在成橋狀態下，本階段研究發現在5‰阻尼比條件下，渦振振幅僅存在低風速段(20～30 m/s)明顯渦振鎖定區間，其中渦振最大幅值7.21 cm(單幅，實橋響應)低于最大許用振幅值(10 cm)。主拱拱肋跨中和四分點渦振位移在成橋狀態下各種工況試驗結果如圖14、圖15所示。

圖14 四分點豎彎振幅

圖15 跨中豎彎振幅

(2)實測兩種結構狀態風效抖振位移響應

肇慶西江特大橋在全橋成橋狀態和拱肋合龍狀態下，多種風攻角、風偏角和流場條件組合工況中，主拱拱肋跨中和四分點在設計風速下最大位移試驗結果分別如表4～表5所示。其中成橋狀態和拱肋合龍狀態最大側向位移均出現在臺風B類流場主拱跨中位置，分別達到22.38 cm和30.71 cm。

表4 西江特大橋全橋成橋狀態位移響應最大值cm

表5 西江特大橋拱肋合龍狀態位移響應最大值cm

(3)三維靜風穩定性驗算

肇慶西江特大橋在全橋成橋狀態均勻流場條件下，彈塑性失穩出現在132 m/s(表6);拱肋合龍狀態均勻流場條件下，彈塑性失穩出現在116.2 m/s(表7);均遠遠大于10 m高度處檢驗風速46 m/s。

表6 西江特大橋成橋狀態拱肋和主梁跨中靜風穩定失效時最大位移

表7 西江特大橋拱肋合龍狀態拱肋跨中靜風穩定失效時最大位移

4.2 列車走行性能

(1)跨中最大垂向振動加速度均小于0.35g、橫向振動加速度均小于0.14g。

(2)貨車以120 km/h速度通過時:邊主梁最大動撓度為 74.317 mm，軌道處橋面最大動撓度為73.773 mm，兩者相差不大，說明橋面系結構具有足夠的抗扭剛度，自身變形量很小;邊主梁及橋面的最大橫向動位移為1.319 mm，拱梁交界處最大橫向動位移為0.369 mm，墩頂最大橫向動位移為0.549 mm。所有工況下橋梁動力系數最大為1.214，由于橫向位移和加速度均較小，可認為結構的橫向動力響應均不大。

(3)當德國ICE3高速列車、CRH2動車組以及東風4機車+K2貨車通過橋梁時，所有工況下的輪重減載率、脫軌系數和輪軸橫向力均小于限值，行車安全性滿足要求。

(4)采用美國六級譜作為軌道不平順樣本，K2貨車以70～100 km/h通過橋梁時列車平穩性達到優或良，110～120 km/h時列車運行平穩性達到合格。

(5)采用德國低干擾譜作為軌道不平順樣本，CRH2動車組、德國ICE3列車在所有工況下乘坐舒適度達到優良。

綜上所述，南廣鐵路西江特大橋滿足貨物列車120 km/h車速運行、CRH2和德國ICE3列車300 km/h安全舒適運行。

5 新型空間吊索設計與試驗

由于吊索線形為空間結構，為便于運營過程中吊桿的養護維修及更換，采用錨拉板(圖16)作為索梁間的錨固構造，要求吊索錨固構造能適應轉角變化及±500 mm的調節量，同時滿足三向變位的空間錨固要求。

圖16 索梁錨固構造(單位:mm)

針對該型吊索安裝特點，對大噸位空間吊索錨固構造進行創新優化設計。受吊索集中荷載作用，該處構造復雜、幾何突變嚴重、焊接拘束度大并存在承受Z向應力焊接接頭，在應力集中、焊接缺陷及巨大的靜、活載作用等因素影響下，對層狀撕裂問題、抗疲勞性能和靜力承載能力等均通過試驗予以了驗證。

6 錨碇與山體穩定分析

全橋共設扣索塔架2臺，用于輔助拱肋懸臂拼裝。其后錨碇每座扣塔對應4個，纜塔對應2個。西江特大橋扣、纜塔后錨碇為巖錨體系，主要由混凝土錨碇體和預應力錨索組成(圖17)，預應力錨索長30～70 m。

圖17 預應力巖錨

錨碇施工時必須先除去表面浮土，直至碎石土層，要求地基承載力不得小于500 kPa;預應力錨索按1 200 kN鎖定，先張拉豎向預應力錨索，后張拉斜預應力錨索，張拉后需嚴格按照規范試拉，合格后，方可投入使用。

兩岸邊坡坡體的巖性較差，特別是南寧岸邊坡的穩定性較差，錨碇需要提供的拉拔載荷大，大橋施工中錨碇的安全及邊坡的穩定關系到大橋建設的成敗，其技術復雜程度在我國大跨度橋梁施工中罕見，因此利用地質力學理論對錨碇及邊坡穩定性分析，確定預應力錨索各項參數。

6.1 錨碇區邊坡地質條件

采用工程地質測繪、鉆探、鉆孔攝像等研究手段，查明了西江特大橋錨碇區邊坡的工程地質條件，確定了巖土計算參數。

6.2 南寧岸錨碇與邊坡穩定性數值分析

邊坡三維穩定性分析，包括邊坡的整體穩定性分析和局部穩定性分析(即通常的彈塑性分析)。分析軟件采用巖土工程分析軟件Flac3D和邊坡穩定性分析軟件Slide。除了用Flac3D進行彈塑性分析外，還用Flac3D的強度折減算法進行邊坡整體穩定性分析，以求得穩定性安全系數和滑動面。

強度折減法和極限平衡法分析結果表明，天然狀態、錨固和大橋施工等工況下邊坡穩定性安全系數都大于1.20，潛在滑動面主要發生在強風化巖體和中風化巖體中，具體見表8。

表8 各工況下穩定性安全系數

從計算過程來看，錨固段設在潛在滑動體范圍以外，大橋施工不會引起邊坡穩定性安全系數下降，邊坡整體穩定。

各種工況下的巖體應力見表9。

表9 各工況特征量值

從最大主應力和最小主應力分析，錨固和大橋施工引起應力重新分布變化量不大，有利于邊坡和錨碇穩定。

邊坡彈塑性分析表明，錨索施加預應力引起位移最大值約為1.30 mm，方向向坡內，出現在錨碇平臺上;大橋施工后位移最大值約為0.42 mm，方向向坡外，出現在NX2錨碇錨索錨固段附近巖體中。從位移看，計算結果收斂，有利于邊坡和錨碇穩定。

7 結語

參建單位先后攻克橋梁兩岸高達120 m、總土方量逾60萬m3的上山“天路”修筑等難題，開發了水下光滑陡峭巖石基礎圍堰設計與施工、大型混凝土沉井在破碎巖層條件下的下沉、臨江面施工水位以下30 m的止水及深基坑開挖與安全防護技術、大截面鋼箱提籃拱拱肋高精度合龍等新技術，確保了西江特大橋安全、有序、成功合龍，在橋梁的結構形式、跨度、構造和施工工藝等方面將我國鐵路橋梁的建設技術提高到一個新水平。

［1］中鐵工程設計咨詢集團有限公司.大跨度中承式鋼箱拱橋建造關鍵技術研究［R］.北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2011.

［2］徐升橋，任為東，劉春彥.新光大橋的設計與施工［J］.鐵道勘察，2007(S1):93-101.

［3］翟建平.肇慶西江特大橋動力特性分析［J］.鐵道科學與工程學報，2011(6):13-17.

［4］李輝，徐升橋，張華.新光大橋主跨橋面鋼-混組合橋面設計研究［J］.鐵道勘察，2007(S1):88-92.

［5］彭嵐平，徐升橋，高靜青.鋼桁梁有砟橋面結構設計研究［J］.鐵道勘察，2007(S1):14-19.

［6］曹自印.南廣鐵路西江特大橋主跨鋼箱拱梁安裝方案比選［J］.科學之友，2012(5):74-76.

［7］王立中.中承式鋼箱拱橋拱肋的穩定性分析［J］.鐵道標準設計，2004(4):42-44.

［8］金福海，文功啟，徐勇.武廣鐵路客運專線140 m鋼箱系桿拱橋設計及其在高速鐵路中的應用［J］.鐵道標準設計，2010(1):107-110.

［9］徐升橋.丫髻沙大橋主橋施工關鍵技術研究［J］.鐵道標準設計，2001(6):8-12.