福廈客運專線烏龍江特大橋主橋方案研究

任 征

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

烏龍江特大橋為新建福州至廈門客運專線鐵路重點控制工程，線路由福州南站引出，位于福州市浚邊村、新建村，自烏龍江北岸清涼山西側出發(fā)，承載四線鐵路跨越G324國道、福平鐵路施工便道和烏龍江，到達烏龍江南岸的金牛山。橋位處附近的河段順直，岸邊無淤積。

1.1 工程地質

橋址區(qū)上覆土層主要為第四系人工填土層填筑土、素填土；第四系全新統(tǒng)沖海積層粗砂、粗圓礫土、卵石土；第四系殘坡積層粉質黏土；層面埋深0.6～7.2 m。下伏基巖主要為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r，弱風化，塊狀構造，節(jié)理較發(fā)育，巖體較完整，層面埋深3.7～12.0 m，廣泛分布于整個橋址區(qū)。

橋址區(qū)內無地質構造，地表水、地下水存在CO2侵蝕，化學環(huán)境作用等級為H2、無硫酸鹽侵蝕、酸性侵蝕、鎂鹽侵蝕，無鹽類結晶破壞；僅根據氯離子含量判定，無氯鹽侵蝕性。

1.2 水文及地震

橋位處附近河段順直，岸邊無淤積，測時水面寬約430 m，為國家內河Ⅳ級航道。索塔基礎處水深6.7～20 m。橋位所在河段為感潮河段，水位受潮汐影響，三百年一遇洪水高潮位為5.38 m，百年一遇洪水高潮位為5.08 m，歷年最高水位Hmax=4.61 m，歷年最低水位Hmin=-2.39 m。

橋址區(qū)地震動峰值加速度值為0.10g(相當于抗震設防烈度7度)，地震動反應譜特征周期為0.65 s。

1.3 鄰近建筑物

橋梁位于在建福平鐵路烏龍江特大橋(下游114.7 m，軸心距離)和G324國道烏龍江公路大橋(上游61 m，鐵路中心至公路橋邊)之間，上下游各250 m范圍內已有4座橋梁。

(1)福廈鐵路烏龍江特大橋：在本橋上游約170 m處，全長868.178 m。孔跨布置為5-32 m簡支箱梁+(80+3×144+80) m連續(xù)梁+3-32 m簡支箱梁。跨越烏龍江主航道采用(80+3×144+80) m連續(xù)梁。

(2)在建福平鐵路烏龍江特大橋：在本橋上游約115 m處，在烏龍江小里程方向分為左線、右線兩個單線橋，左線及江上雙線主橋橋長875.315 m，右線橋橋長417.585 m。跨烏龍江主航道采用(144+288+144) m剛構斜拉橋。

(3)烏龍江公路大橋：為G324國道跨烏龍江公路橋，在本橋下游約70 m處，橋長548 m，孔跨布置為：(52+3×144+52) m，主跨均為鋼筋混凝土T構，各剛構間采用33 m簡支掛梁連接。

(4)烏龍江公路大橋(新建復線橋)：為G324國道跨烏龍江公路橋，在本橋下游約120 m處，橋長640 m，孔跨布置為：(80+3×144+80) m連續(xù)梁+2-25 m簡支梁。

2 主要技術標準

(1)鐵路等級：客運專線。

(2)軌道類型：無縫線路，有砟軌道。

(3)線路數目：四線，左側為正線雙線，右側為動車走行線雙線。

(4)線間距：(5+5+5) m。

(5)速度目標值：正線160 km/h，動走線80 km/h。

(6)設計活載：ZK活載。

3 主橋孔跨布置的邊界條件

福廈鐵路正線(雙線)自福州南站新建高速場引出，上跨既有福州南動車所、三江路后，到達烏龍江北岸G324國道烏龍江大橋與福平鐵路烏龍江特大橋之間。動車走行線(雙線)于福州南站南咽喉分別接軌，在烏龍江北岸與客運專線正線四線并行，而后修建烏龍江特大橋(四線)自北向南跨越烏龍江。

3.1 通航條件

橋址處河道為烏龍江窄口河段，水面寬約430 m，附近約300 m河段目前已建、在建有4座大橋，不滿足與既有橋梁相隔距離，兩座水上過河建筑物靠近布置相鄰邊緣距離應控制在50 m以內的和靠近布置的水上過河建筑物的數量不宜超過2座的規(guī)范要求[1]。橋位附近多條航道，且航道轉彎，不利船舶控制。因此橋區(qū)通航條件十分復雜，根據規(guī)范應采取加大通航孔跨度或一孔跨過通航水域的措施。烏龍江大橋橋位平面見圖1。

圖1 烏龍江特大橋橋位平面

考慮擬建大橋河段附近橋梁較多，橋墩林立，通航條件較差，形成通航論證意見如下：“采用一孔跨過通航水域，建議擬建福廈客運專線烏龍江特大橋主通航孔設置432 m(3個144 m并為一跨)以上”，并考慮鄰近橋梁的對孔布置(特別是與福平鐵路橋的廈門側索塔的對齊)，以獲得良好的景觀效果和視角通透性[2]。

3.2 橋位地形條件

橋位處烏龍江的河道為閩江南港最窄段，水域寬約430 m。烏龍江北岸有清涼山，山勢較陡，線路采用隧道穿過。緊貼山腳為既有G324國道，道路大多為開挖山體形成。烏龍江南岸(大里程側)有金牛山，山勢亦較為陡峭。若邊跨進行山體開挖，由于山體為淺埋巖層，開挖難度、工程量均較大。因此，兩側邊跨布置長度應盡量不進入山體，尤其大里程側邊跨布置跨度不宜超過112 m。

3.3 既有道路條件

烏龍江北岸緊貼清涼山山腳為既有G324國道，道路正寬23 m，與鐵路線斜交角度約45°，距北岸(小里程)主墩中心115～180 m，為開挖山體形成。根據地方意見，G324國道交通繁忙，道路行車條件、接線條件、地形條件均較差，不具備道路改移條件，施工期間原則上不容許過多影響道路交通。因此，小里程側孔跨布置范圍不大于181 m，且應考慮盡量減少橋梁施工對既有G324國道的影響，應以不小于69 m孔跨跨越G324國道。

3.4 線路縱坡條件

線路小里程側軌面高度主要受跨越G324國道凈空及福州站車站高程控制，大里程側軌面高度受下穿福平鐵路凈空控制，不具備平坡布置條件。因此，線路縱坡采用以主跨中心為變坡點的對稱人字坡布置，兩側均以2.8‰坡度布置(滿足橋梁梁端設置軌道溫度伸縮調節(jié)器縱坡不大于3‰的要求)。

3.5 線路平面條件(圖2)

曲線小里程直線邊為車站直線邊，位置、方向根據既有福州南站確定，曲線大里程直線邊為烏龍江特大橋，位置、方向根據既有公路橋、福平鐵路橋確定。同時，小里程側線路平面受小里程側隧道控制，隧道出口距小里程側索塔中心距離僅246 m，需滿足隧道出口處相鄰正線與動走線最小線間距8.5 m的要求。

基于上述線路布置條件，烏龍江特大橋橋址處線路平面布置方案為：烏龍江特大橋起始橋臺之間的正線平面位于直線上，但動走線在距北岸(小里程)主墩中心138.8 m處往小里程方向進入緩和曲線和圓曲線段。四線鐵路線間距布置為5.0 m+5.0 m+5.0 m，曲線段相鄰正線、動走線至小里程側橋臺(距小里程側索塔中心182 m)間距變寬范圍為0～0.43 m。

圖2 線路平面布置限制條件示意

3.6 機場限空條件

烏龍江特大橋小里程側主塔中心距某機場跑道端部最小距離為8.2 km，距福州長樂國際機場跑道最小距離為26.4 km，位于機場限空范圍內。依據機場凈空有關規(guī)定[3-4]，并經民航福建監(jiān)管局審核，烏龍江特大橋建筑最高高程190.0 m，距設計水位(高程4.52 m)高差約185.5 m[5]。

4 橋式方案

橋式方案選擇以適用經濟、結構合理、造型美觀為主要原則，依據橋位地形地質條件、通航防洪要求、線路布置、既有道路要求等建橋條件，選擇合適的橋式方案。結合主橋孔跨布置的邊界條件分析，福廈客運專線烏龍江特大橋主橋需采用432 m主跨跨越烏龍江航道；小里程側邊跨布置最大范圍為181 m，且需采用不小于69 m孔跨跨越既有G324國道；為盡量避免山體開挖，大里程側邊跨布置最大范圍為112 m。

本橋主跨432 m較大，且承載四線鐵路，若采用拱橋方案，則存在用鋼量大，造價高昂，施工難度、風險較大等不利因素，因此不予考慮[6-8]。調研資料表明，國內外已建成鄰近432 m主跨范圍鐵路(公鐵兩用)橋梁多采用斜拉橋，見表1。同時，考慮到橋位兩側的清涼山和金牛山的地質條件較好，若采用懸索橋方案則兩個錨碇均可采用隧道錨，施工方便、傳力可靠[9]。因此，本橋主要研究了斜拉橋和懸索橋方案。

表1 國內外已建成主跨鄰近432 m鐵路(公鐵兩用)橋梁統(tǒng)計(不完全統(tǒng)計)

4.1 高低塔混合梁斜拉橋方案(圖3)

依據建橋條件限制，烏龍江特大橋如采用斜拉橋方案，則孔跨布置擬定為：主跨采用432 m跨越烏龍江航道；小里程側邊跨采用72 m上跨既有G324國道，孔跨布置為(72+109) m；大里程側邊跨采用(56+56) m布置，盡量避免山體開挖；全橋孔跨布置為(72+109+432+56+56) m，橋梁全長739.9 m(含兩側橋臺)。

依據孔跨布置，小里程側邊跨長181 m，邊中跨比0.42；大里程側邊跨長112 m，邊中跨比0.26；兩側邊跨非對稱性突出，且大里程側邊中跨比值較小，且承載四線鐵路壓重需求大，不適宜采用等高塔斜拉橋。因此，為適應孔跨布置的非對稱性，考慮邊跨壓重需求，擬采用(72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉橋方案。主梁采用邊跨混凝土箱梁、中跨鋼箱梁的混合梁形式，相較于鋼箱梁或鋼桁梁主梁，邊跨采用整體混凝土箱梁，一方面可充分發(fā)揮混凝土箱梁自重、剛度大的特點，提高邊跨壓重作用、減小梁端轉角，增強邊跨對橋塔的錨固作用，提高橋式結構整體豎向剛度，使結構體系受力更為合理；另一方面也大幅減少了主梁鋼結構用量，有效降低工程造價，具有較好的經濟性[10-11]。

圖3 (72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉橋橋式布置(單位：m)

大里程側橋塔軌底以上塔高98.9 m，承臺以上塔高128.5 m；小里程側橋塔軌底以上塔高140.4 m，承臺以上塔高170.0 m，塔頂高程174.0 m(不含避雷設施高度6 m)；兩側塔高差值為41.5 m。距機場凈空要求的烏龍江特大橋建筑最高高程190.0 m尚有10 m的距離，滿足橋塔施工吊機操作空間要求。

主梁除小里程側梁端97.9 m范圍和大里程側梁端132.9 m范圍采用預應力混凝土梁外，其余部分均采用鋼箱梁。

鋼箱梁采用帶風嘴的閉合雙主梁箱形截面，兩側單室為鋼錨箱，外側為外掛風嘴。鋼箱梁橋面寬度26.0 m，含風嘴全寬29.1 m，箱梁高度4.0 m。鋼箱梁節(jié)段標準長12 m，每隔3 m設置1道實腹橫隔板。如圖4所示。

混凝土箱梁采用與鋼箱梁相同的單箱單室等高截面，截面全寬29.2 m，中心處梁高4.0 m，頂板、底板厚度均為40 cm。箱內橫隔板標準布置間距為4.0 m一道，部分區(qū)域根據受力及結構要求布置2.5～3.0 m一道。如圖5所示。

主要施工方案為：邊跨混凝土箱梁采用支架逐段現澆施工，鋼箱梁采用整節(jié)段吊裝后頂推就位施工；中跨鋼箱梁采用橋面吊機懸臂拼裝法施工。邊跨現澆支架高度5～25 m，跨G324國道段高度12 m，采用防護棚支架，以保證公路運營安全。全橋施工總工期預計約39個月。

4.2 鋼桁梁懸索橋方案

主橋采用3跨連續(xù)單跨懸吊上承式鋼桁梁懸索橋，橋梁全長514 m。主纜3跨布置為(95+432+126) m，加勁梁3跨布置為(41+432+41) m。小里程側接(70+70) m T構跨越G324國道，大里程側接2-32 m簡支箱梁。主纜垂跨比1/10.8，矢高40 m。中跨吊索布置(20+28×14+20) m=432 m。

兩岸均采用隧道式錨碇。前錨室長30 m，錨塞體長40 m。福州側隧道錨傾角45°，漳州側隧道錨傾角39゜，采用散索鞍支墩作為主纜轉向和散開支承。橋塔采用雙柱式門式框架結構，兩側塔柱高均為85 m。如圖6所示。

圖4 鋼箱梁標準橫斷面(單位：cm)

圖5 混凝土箱梁標準橫斷面(單位：cm)

圖6 懸索橋方案橋式立面布置(單位：cm)

鋼梁采用帶豎桿的平行華倫式桁架。節(jié)間長6.0 m、7.0 m兩種，桁高8 m，橫寬25.5 m。下弦平面設置“K”形縱向聯接系，斷面節(jié)點間設置倒“V”形橫向連接系。上弦桿、下弦桿、斜腹桿均采用箱形截面，豎腹桿采用工形截面。橋面采用正交異性板鋼橋面結構，按縱橫梁體系設計。如圖7所示。

主要施工方案為：隧道錨采用控爆臺階法開挖；主纜采用牽引法架設，再利用主纜從跨中向兩側對稱吊裝施工鋼桁梁主梁。小里程側(70+70) m T構采用帶安全防護對稱懸臂澆筑施工，大里程側2-32 m簡支箱梁采用支架現澆施工。全橋施工總工期預計約46個月。

圖7 鋼桁梁橫斷面(單位：cm)

4.3 方案比選

兩方案比較分析結果如表2所示。兩方案均較好地適應了復雜的建橋條件，工程技術可行。鋼桁梁懸索橋方案受力體系明確，結構大氣美觀，但主梁采用鋼桁梁，施工周期較長，后期維修養(yǎng)護工作量較大，造價較高[12-13]。高低塔混合梁斜拉橋方案受力體系明確、結構優(yōu)美、剛度條件良好；主梁采用混合梁形式，具有結構合理、適應高低塔短邊跨受力特點(邊跨混凝土梁自重大)等優(yōu)點，相較懸索橋方案節(jié)省了大量投資，確定為推薦方案[14-15]。

表2 主橋方案綜合比較

5 結論

福廈客運專線烏龍江特大橋建橋條件復雜，線路、通航、孔跨、塔高布置等方面受限條件較多，采用懸索橋和斜拉橋方案均技術可行。(72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉橋方案很好地適應了建橋條件，滿足各方面限制要求，且有效減小了大里程側邊跨布置長度(僅112 m)，大幅減少了山體開挖工程量，通過采用混合梁主梁形式，充分發(fā)揮了邊跨混凝土主梁的性能。橋式布置合理、結構受力明確、橋型簡潔美觀，施工快捷方便，具有突出的工點適應性和經濟性。經綜合比選，福廈客運專線烏龍江特大橋選定為高低塔混合梁斜拉橋。橋梁建成后，將成為世界上首座大跨度四線鐵路高低塔混合梁斜拉橋。

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