高速鐵路400m級混凝土拱橋建造關鍵技術成果

中鐵十八局集團有限公司

該技術依托云桂鐵路南盤江特大橋研發，并在該橋得以成功應用。云桂鐵路起于南寧到達昆明，是國家中長期鐵路網規劃中的干線鐵路，是云南省里程最長、標準最高、覆蓋區縣最多、投資規模最大的鐵路，也是西南出海主通道之一。

南盤江特大橋由中鐵十八局集團有限公司承建，大橋全長852.43m，橋高280m，主跨采用416m 上承式鋼筋混凝土拱橋，為全線重點控制性工程，也是目前世界跨度最大的客貨共線鐵路混凝土拱橋。橋梁建造集大體積混凝土（3.2萬方）、高墩（102m）、大跨（416m）、連續剛構、懸索橋、斜拉橋、拱橋及外包混凝土技術于一身，幾乎囊括了同類型橋梁建設所有的頂尖技術，施工難度、技術含量前所未有。該橋于2016 年12 月28 日通車運營，至今狀況良好。

圖1 大橋建成

圖2 大橋通車

為攻克該橋的技術難題，由建設、設計、施工等單位組成的橋梁科研團隊秉承“敢為人先，爭創一流”的精神，積極開拓創新，先后攻克400m 級混凝土拱橋橫向剛度控制、鋼筋混凝土拱圈成拱、大體積混凝土結構抗裂及百米高空中混凝土拱圈運營養護等諸多難題，總結形成“高速鐵路400m 級混凝土拱橋建造關鍵技術”，取得以下創新成果：

1）首次建立了橋面靜態豎向變形12.5m 弦平均曲率值與列車加速度的關系，提出12.5m 弦平均曲率豎向剛度控制方法和評價指標，填補了規范的空白，大大拓展了混凝土拱橋的應用范圍。

圖3 橋面變形12.5m弦平均曲率值

圖4 列車加速度曲線

2）首次提出“橫向變形拱上相鄰跨折角+曲線半徑”的橫向剛度控制方法，突破了鐵路橋梁橫向撓跨比、寬跨比以及橫向自振周期控制橋梁橫向剛度的傳統方法，大幅優化了拱圈結構尺寸，提高了設計的經濟性。

3）首次提出了“交界墩頂剛構+拱上連續梁”的大跨度連續拱上結構，提高了拱上結構的整體剛度，對于400m級的大跨度拱橋可減小50m 以上高墩數量45%，拱上最高墩高度降低40%，減小了拱上結構的施工難度和拱座開挖邊坡防護的施工風險。

圖5 交界墩頂剛構+拱上連續梁方案布置示意圖

4）首創了大跨度混凝土拱橋“斜拉扣索調整骨架內力的大節段平衡加載”混凝土拱圈施工方法，在外包混凝土之前采用極少扣索張拉在拱腳彎矩影響線最敏感的位置，以此減小勁性骨架內力峰值，拱圈混凝土外包過程中骨架管內混凝土基本消除了拉應力，最大壓應力減小5MPa。勁性骨架尺寸優化25%，外包節段數量僅為傳統勁性骨架法的1/4，縮短工期1/3 以上。

圖6 分環分段澆筑示意圖

圖7 外包混凝土施工

5）研發了大跨度混凝土拱橋勁性骨架整體節段預拼安裝技術。勁性骨架在預拼場采用單肋1+2 臥拼和整體節段1+1 立拼的方法將前后節段精確對位后，骨架左右肋及橫梁一次性整體提升吊裝就位，可實現2mm 的安裝精度。大幅縮短勁性骨架安裝工序、同時降低了勁性骨架高空焊接作業風險。

圖8 勁性骨架整節段吊裝

6）首次在高速鐵路大跨度混凝土拱橋采用真空壓注技術，將C80 混凝土在勁性骨架弦管內一次壓注到頂，壓注高差達102m。壓注過程中設置扣索調載，有效控制了骨架的豎向變形，減小了對先壓注管內混凝土的擾動。

7）研發了用于外包混凝土模板安裝、拆除及周轉的纜索吊二級提升平臺，降低了施工安全風險，提高了高空作業效率，外包混凝土澆筑工期較原設計縮短1/3。

圖9 纜索吊二級提升平臺

8）提出了拱圈混凝土系統防裂技術，有效控制了裂縫的產生。一是根據拱圈分環分段形成，應力疊加的受力特性，將混凝土強度評定的齡期由28 天延長至90 天，讓混凝土的強度一直處于健康的增長狀態，減少了水泥和外加劑的用量，減小混凝土的水化熱和收縮效應。二是在拱圈頂、底板增設橫向預應力鋼束，給拱圈施加預壓應力1.5MPa 左右，以抵消拱圈混凝土橫截面分環施工中先后澆混凝土由于齡期差導致的收縮拉應力。南盤江大橋采用該研究成果，運營3 年多來，拱圈未發現裂縫。

9）提出了拱橋分塊式拱座基礎結構形式，將拱座拆分成了核心受力區和下部基礎三個獨立的部分，體積縮小為之前的1/3，避免了混凝土水化熱和收縮產生的裂縫。

圖10 分塊式拱座基礎

10）研制了拱圈檢查車，解決了混凝土拱圈百米高空中運營養護和維修難題。一是首創復合軌道驅動技術，電磁和液壓組合制動技術實現了解決大跨度拱橋拱圈檢查車45°大坡度爬升和無沖擊安全駐車問題。二是首創單點懸掛和阻尼平衡技術，使得檢查車在峽谷強風等不利荷載下的系統振幅周期只有原來的1/4，爬坡試驗時基本感覺不到車體的擺動。

圖11 拱圈檢查車

11）首次提出了高速鐵路大跨度混凝土拱橋結構各部件的分級抗震性能目標和速度鎖定器串聯梁部，多橋墩協同分擔縱向地震力的新型減震體系。

圖12 全橋速度鎖定器減震體系示意圖

2020 年7 月3 日，國家科技部批準的第三方評價機構——中科合創邀請了以國際橋協主席、同濟大學教授葛耀君為組長的專家組對該技術進行了成果評價，專家經過實地考察和資料審閱，一致認為該技術達到了國際領先水平。

圖13 專家組進行技術評價

該技術的研發及應用，為南盤江特大橋的順利建成提供了堅實的技術保障，同時推廣應用于在建的鄭萬高鐵梅溪河特大橋和大寧河特大橋等多座橋梁，展現了良好的社會經濟效益和推廣應用價值，為世界復雜地形上的拱橋建設闖出了一條新路。

截止目前，該項目已榮獲國家詹天佑大獎，中國施工企業管理協會科技進步特等獎，中國鐵建科技進步特等獎；國家級工法1 項，省部級工法11 項，中國鐵建優秀工法5 項；授權發明專利10 項，實用新型專利11 項；各級雜志上公開發表學術論文40 余篇。