福州至廈門高速鐵路橋梁總體設計

王德志，楊 恒，曾甲華，吳 成，寇延春

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 工程概況

新建鐵路福州至廈門高速鐵路是我國沿海客運通道的重要組成部分，正線北起福州站(含)南至漳州站(含)，連接福州、莆田、泉州、廈門、漳州等海峽西岸經濟發達地區，線路全長277.5 km，橋梁長度181.1 km，橋長占比65%[1]。

1.1 自然條件

河流水系：沿線經過的主要水系有閩江水系、木蘭溪、晉江、泉州水系、廈門水系及九龍江等。閩江是福建省第一大河，九龍江是福建省第二大河，同時跨越湄洲及泉州海灣兩大海灣。

氣象特征：線路所經閩東南沿海地區，屬東南亞熱帶氣候，雨量充沛，年平均氣溫在18～21.5 ℃，7～9月為臺風季節，平均每年受臺風影響5～6次，極端風速可達65 m/s。

工程地質：沿線海域、灘涂及海積平原區主要發育厚層沖海積相淤泥、淤泥質土，以及稍密飽和的粉細砂層，夾砂礫、卵石；河流階地、丘(山)間谷地區主要為軟～硬塑粉質黏土夾粗砂、礫卵石層等；福州、莆田段下伏基巖主要為凝灰巖、凝灰熔巖；莆田以南地區下伏基巖主要為花崗巖、石英閃長巖、花崗閃長巖等。

沿線Ⅱ類場地條件下基本地震動峰值加速度劃分以莆田為界，莆田以北0.10g，莆田以南0.15g，相應的地震動反應譜特征周期值分別為0.40 s和0.45 s。

1.2 建設條件

跨越的通航河流主要有烏龍江、木蘭溪、湄洲灣、泉州灣、安海灣及九龍江等，鐵路孔跨需滿足相應的通航凈空尺度要求。

沿線公路、道路交通發達，全線重要交叉127處，主要跨越漁平高速、G324國道、沈海高速、湄渝高速、泉州繞城高速、廈蓉高速等。沿線經過福建省經濟最發達地區，城市規劃和城市交通路網對鐵路建設影響較大。

跨越的鐵路主要有福廈鐵路、向莆鐵路、廈深鐵路、湄洲灣港口支線、漳泉肖鐵路、鷹廈鐵路及港尾支線等共15處，對鐵路建設影響較大。

沿線跨越的管線主要有成品油管道、天然氣管道、輸水管道、國防光纜、通信光纜等，沿線部分地段通道位置與管線位置沖突。

1.3 主要技術標準

(1)鐵路等級：高速鐵路[2]。(2)軌道類型：無縫線路，有砟軌道。(3)正線數目：雙線，線間距5.0 m。(4)設計速度：350 km/h。(5)最小曲線半徑：7 000 m。(6)設計活載：ZK標準活載。(7)設計洪水(潮水)頻率為1/100，感潮河段考慮潮位與洪水位的組合。

2 主要設計原則[2]

2.1 橋式方案

常用跨度簡支梁以32 m、24 m梁跨度為主，在使用24 m調整32 m橋跨時，采用與32 m等高箱梁的處理措施。施工以預制架設為主，當受地形條件、交通和施工組織等因素限制無法預制架設施工時，結合地形和墩高條件，采用移動模架或支架現澆施工。

上跨高速公路時均預留雙向8車道擴建條件，并滿足公路安全評估的要求。跨越河堤宜一孔跨越，確有困難時，橋墩設在背水坡，相關措施滿足防洪評估的要求。跨越通航河流，應滿足通航論證的要求。

跨越既有鐵路、在建鐵路或規劃鐵路時，根據斜交角大小、采取一孔跨越或門式墩方案，施工期間盡可能減少對既有鐵路行車的影響。施工安全限界應在既有鐵路設施外側2 m以上。

盡量減少軌道伸縮調節器的設置，大跨橋梁溫度跨盡量控制在200 m以內。

2.2 梁部

標準簡支梁采用《時速350 km客運專線鐵路無砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁》[通橋(2016)2322A]，聯絡線及動走線采用《時速160 km客貨共線鐵路預制有砟軌道后張法預應力混凝土簡支箱梁》[通橋(2014)2131、2132、2133]。

位于車站渡線區、咽喉區、聯絡線等道岔區段上的橋梁，采用道岔連續梁。

為滿足通航、防洪要求及跨越鐵路、高等級公路的需要，可以采用大跨度連續梁、連續梁拱及剛構拱等特殊結構。

全線均采用無涂裝耐候鋼球型鋼支座，部分支座根據結構受力需要特殊設計。

2.3 墩臺及基礎

一般區間正線客運專線墩高小于20 m的橋墩，采用流線形圓端型實體橋墩，墩高20～26 m采用斜坡實體橋墩；墩高大于26 m采用圓端形空心墩；水文橋梁與水流夾角較小時采用單圓柱墩，其線剛度需滿足相關規定。正線、聯絡線及動走線均采用矩形空心橋臺。

橋梁基礎有擴大基礎和樁基礎兩種類型。當基坑開挖深度小于5 m，且基底承載力σ0≥350 kPa，沉降計算滿足要求時，可采用擴大基礎。樁基一般選擇承載力較高的巖層、砂卵石層、硬塑黏土層等作為樁底持力層。

濱海軟土地區橋涵設計需要檢算橋墩剛度、基礎沉降、橋臺穩定等，并采取地基處理措施提高基礎抗力，控制基礎變形。

2.4 橋面附屬工程

正線橋面布置、橋面附屬構造、排水體系、伸縮縫、綜合接地等均按《客運專線鐵路常用跨度梁橋面附屬設施》[通橋(2016)8388A]圖辦理。

聯絡線及動走線附屬工程采用《時速160 km、200 km客貨共線鐵路常用跨度箱梁橋面附屬設施》[通橋(2014)8188]。

2.5 耐久性[3]

針對本項目環境特點，開展了混凝土結構附加防腐措施的機理和高性能耐候鋼防腐研究，根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》(TB10005—2010)的相關規定，制定了適合本線的耐久性實施細則，包括高性能混凝土、耐海洋大氣鋼及混凝土防腐蝕附加強化措施等。

(1)結構強化措施：采用高性能混凝土，提高混凝土強度等級，加大混凝土鋼筋保護層厚度，控制混凝土裂縫的寬度。

(2)防腐附加措施：浪濺區和水位變動區混凝土采取表面涂裝，即柔性氟碳面漆+環氧樹脂中間漆+環氧封閉底漆涂裝體系。

(3)鋼結構防腐：泉州灣跨海大橋主橋鋼錨梁采用鎳系高性能耐候鋼，初期銹層穩定化處理，后期服役免涂裝維護。其余所有外露鋼構件均進行熱浸鋅或采用重涂裝防腐體系處理。

3 橋梁技術特點

3.1 建設條件復雜

(1)臺風多發地區；(2)海上深水施工；(3)深厚軟基、濱海灘涂地層；(4)地形地貌復雜，道路管線交叉眾多；(5)跨越或臨近既有鐵路安全風險大。

3.2 橋梁類型較多

多種類型大跨度斜拉橋、系桿拱橋、連續梁(剛構)、無支座整體式剛構、大跨度簡支梁以及梁拱組合等橋式在本項目中得到合理運用。如表1所示。不含福州南高架站連續梁，特殊結構聯數185聯，總長37.7 km；特殊結構長度占橋梁總長度的20%。

表1 福州至廈門高速鐵路橋梁類型

3.3 復雜大跨橋梁多

主跨432 m高低塔四線混合梁斜拉橋，主跨400 m和300 m鋼混結合梁斜拉橋，主跨224 m混凝土矮塔斜拉橋，以及主跨2 m×145 m混凝土獨塔斜拉橋等。全線超過100 m(含)大跨結構共50處。主要特殊大跨橋梁結構如表2所示。

表2 福州至廈門高速鐵路主要特殊大跨度橋梁統計

3.4 橋梁結構體系創新運用

全線復雜大跨橋梁結構跨越烏龍江采用主跨432 m大跨度四線鐵路混合梁斜拉橋[4]，不對稱高低塔結構；泉州灣跨海大橋主橋采用主跨400 m全組合梁體系斜拉橋[5]，引橋采用3-70 m無支座整體式剛構橋梁，相鄰結構通過臨時鎖定再解除的懸臂施工方案；湄洲灣跨海大橋引橋采用40 m大跨度標準簡支梁，預制架設施工；木蘭溪特大橋主橋采用無砟軌道獨塔混凝土斜拉橋，裸塔轉體施工；此外本線還采用了主跨224 m和180 m的矮塔加勁混凝土連續梁(剛構)斜拉橋，以及主跨160 m剛構拱等眾多結構創新體系。

3.5 橋梁新技術合理應用

針對高濕高鹽的海洋強腐蝕環境，全線開展了混凝土和鋼結構耐久性技術研究，率先在我國海洋大氣環境使用免涂裝高性能耐候鋼；無支座整體式剛構橋梁，全橋不設支座，邊墩與中墩均與主梁固結形成剛架結構，結構抗震性能好，經濟合理；為減少對既有鐵路的影響，鄰近鐵路橋塔采用裸塔轉體施工方案；針對大跨斜拉橋結構開展風-車-線-橋耦合振動研究，同時考慮溫度變形對軌道的影響；此外還開展大跨橋梁BIM技術、橋梁健康監測研究等。

4 大跨度橋梁

4.1 四線高低塔斜拉橋——烏龍江特大橋

由于受到新建福州南站站位及下游水源保護區控制，橋位選擇在既有G324國道公路橋與既有福廈鐵路橋之間跨越烏龍江，多橋并置。內河Ⅳ級航道，通航凈空120 m×8 m。最高通航水位采用10年一遇洪水位4.57 m，最低通航水位-1.74 m。

結合河道兩側山體地形條件及一孔跨越烏龍江通航水域的要求，主橋采用(72+109+432+56+56) m高低塔雙索面混合梁斜拉橋。橋式布置見圖1。

圖1 烏龍江特大橋主橋橋式立面布置(單位：m)

技術標準：左側正線雙線，右側動走線雙線，四線鐵路，線間距(5+5+5) m；設計活載160 km/h；有砟軌道。

主梁為邊跨混凝土梁和中跨鋼箱梁相結合的混合梁形式，雙主梁箱形截面，梁寬29.1 m，箱梁高度4.0 m，鋼-混凝土結合段總長15.5 m。鋼箱梁為正交異性板結構，斜拉索采用抗拉標準強度1 770 MPa鍍鋅平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，扇形布置。鋼箱梁采用TB/T1527《鐵路鋼橋保護涂裝及涂料供貨技術條件》第Ⅴ套涂裝體系，鋼錨梁采用普通耐候鋼。

H形橋塔，單箱單室截面，塔底以上索塔全高分別為170 m、128.5 m[6]，兩側索塔塔頂高差為41.5 m。高橋塔處設置縱向固定支座及縱向阻尼器，矮橋塔處設縱向活動支座及阻尼器[7]。

4.2 獨塔混凝土斜拉橋——木蘭溪特大橋

線路小角度跨越沈海高速公路，且臨近既有福廈線。采用獨塔雙索面混凝土斜拉橋[8-9]，橋跨布置為(29.3+145+145+29.3) m，全長350 m；雙線，曲線，無砟軌道；塔梁墩固結體系。橋式布置見圖2。

圖2 木蘭溪特大橋主橋橋式立面布置(單位：m)

主梁采用預應力混凝土等高箱形截面，單箱三室，全寬18 m，梁高3.8 m。斜拉索采用抗拉標準強度1 860 MPa鋼絞線拉索，空間雙索面體系，扇形布置，全橋共34對斜拉索(68根)。橋塔采用花瓶式，橋面以上塔高70 m，主梁采用節段懸臂施工。

經多方案研究比選，鄰近鐵路橋塔采用裸塔轉體施工方案[10-11]，橋塔距離既有線結構外緣的最小距離由5.9 m提高至13.1 m，主梁外緣距離既有線結構最小凈距8.8 m，改善了施工條件，減少了對既有鐵路的影響。

4.3 混凝土矮塔斜拉橋——雷公山特大橋

主橋小角度跨越沈海高速公路，部分位于曲線上。橋跨布置：(40+120+224+120+40) m預應力混凝土矮塔斜拉橋[12]，全長465.4 m；雙線，有砟軌道；塔梁固結、墩梁分離。橋式布置見圖3。

圖3 雷公山特大橋主橋橋式立面布置(單位：m)

梁體邊跨直線段及中跨中梁高6.0 m，中支點梁高13.0 m，梁高按圓曲線變化，箱梁頂寬14.3 m，底寬11.2 m，單箱雙室直腹板截面。直立式橋塔，橋面以上塔高44.0 m，矩形實體截面。單絲涂覆環氧涂層鋼絞線，空間雙索面體系；梁上索間距8.0 m，36對斜拉索，分絲管索鞍[13]。跨越高速公路采用封閉式掛籃懸臂澆筑施工。

4.4 鋼混組合梁斜拉橋——泉州灣跨海特大橋[5，14]

在既有泉州繞城高速公路大橋下游85 m(軸心間距)處，與公路橋并行跨越泉州灣，跨海部分橋梁長度8.5 km。通航等級代表船型為5 000 t級雜貨船，兼顧10 000萬t級雜貨船通航要求，單孔雙向凈寬280.50 m×凈高44.72 m，最高通航水位4.30 m。

主橋采用(70+130+400+130+70) m雙塔雙索面鋼-混結合梁斜拉橋，半漂浮體系，橋長800 m，雙線、有砟；主梁全長采用混凝土橋面板+槽形鋼箱梁的結合梁結構[15]，封閉箱形斷面形式，主梁含風嘴全寬21 m，梁高4.25 m。橋式布置見圖4。

圖4 泉州灣跨海特大橋主橋橋式立面布置(單位：m)

索塔采用帶曲線造型的H形混凝土橋塔，塔底以上索塔全高為160.254 m。斜拉索采用抗拉標準強度1 770 MPa環氧涂層平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，扇形布置，全橋共72對斜拉索(144根)。鋼錨梁采用采用Ni系高性能耐海洋大氣腐蝕鋼，表面不涂裝，靠其自身生成致密穩定的鈍化銹層，實現全壽命期的長效防腐。

4.5 鋼混組合梁斜拉橋——安海灣特大橋

于既有泉廈漳城市聯盟高速公路安海灣特大橋下游68 m(軸心間距)處，與公路橋并行跨越安海灣，通航2 000 t級雜貨船，要求單孔雙向通航凈寬最小為215.2 m，凈高為31.15 m，最高通航水位4.43 m。

主橋采用(40+135+300+135+40) m雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，全長650 m；雙線無縫線路[16]，有砟。主梁全長采用混凝土橋面板+槽形鋼箱梁的疊合梁結構，封閉箱形斷面形式，主梁含風嘴全寬21 m，梁高4.25 m。橋式布置見圖5。

圖5 安海灣特大橋主橋橋式立面布置(單位：m)

索塔采用帶曲線造型的H形混凝土橋塔，塔底以上索塔全高為126.9 m，斜拉索采用環氧涂層平行鋼絲拉索，空間雙索面體系，扇形布置，全橋共52對斜拉索。

4.6 剛構矮塔斜拉橋——湄洲灣跨海特大橋

湄洲灣規劃單向通航3 000 t，橋跨布置為(96+180+96) m剛構矮塔斜拉橋[17-18]，梁長373.6 m，雙線、無砟。橋式布置見圖6。

圖6 湄洲灣跨海特大橋主橋橋式立面布置(單位：m)

主梁采用后張法預應力混凝土結構[19]，邊跨直線段及中跨跨中梁高為5.0 m，中支點梁高為10.0 m，梁高按圓曲線變化，箱梁頂寬14.1 m，底寬11.0 m，單箱雙室直腹板截面。

索塔采用雙柱式橋塔形式，矩形實體截面，橋面以上塔高30.0 m，單絲涂覆環氧涂層鋼絞線拉索體系，空間雙索面體系。斜拉索梁上間距8.0 m，斜拉索在塔端采用分絲管索鞍貫通，間距為1.0 m，斜拉索規格分61-7φ5 mm、55-7φ5 mm兩種。

主墩采用雙肢墩柱，單肢為實心矩形截面，順橋向為2.4 m，兩墩壁中心距6.6 m；橫橋向等寬度15.1 m。

5 結語

福廈鐵路建設條件、橋梁結構以及施工都是非常復雜的，在滿足鐵路使用功能的前提下，力求安全適用、經濟美觀、結構創新[20]。以此為指導思想，結合橋址處建設條件，確定橋式方案和橋梁結構，同時積極采用新技術、新結構、新工藝、新材料，創新和豐富我國高速鐵路橋梁結構技術。福廈鐵路橋梁的建設，必將對我國東部沿海高鐵建設產生積極的影響。