鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋主橋結構設計與施工

王海峰

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

隨著國家經濟蓬勃發展，大跨度拱橋結構越來越多地出現在工程建設中，而截至目前大跨度拱橋大多應用在公路及普速鐵路中，如宜昌香溪長江公路大橋、滬蓉西高速公路支井河特大橋、杭瑞高速公路總溪河大橋等公路工程，大瑞鐵路大保段瀾滄江特大橋(140km/h)、渝貴鐵路夜郎河雙線特大橋(200km/h)等為普速鐵路；而在高速鐵路建設中采用大跨度拱橋結構的并不多見，據不完全統計，目前僅有滬昆客專貴州段北盤江特大橋(250km/h)為高速鐵路大跨度拱橋。

奉節梅溪河雙線特大橋在設計速度350km/h的鄭萬高速鐵路中采用大跨度拱橋結構，必然會遇到諸多技術挑戰及施工難點，如地形地質條件復雜、抗風抗震性能要求高、拱橋橫向剛度要求大、施工組織困難、干擾多、難度大、風險高等。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建鄭州—萬州鐵路重慶段站前工程土建4標奉節梅溪河雙線特大橋，位于重慶市奉節縣境內、長江支流梅溪河河口上游1.5km處，橋梁全長687.8m，設計速度350km/h，是鄭萬鐵路全線重點控制工程。

其主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，拱跨340m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結構，拱圈設計鋼桁拱肋勁性骨架，主弦鋼管內壓注C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎，交界墩為雙柱式空心墩，拱上共11根立柱，拱上主梁為3聯(4孔/聯)連續梁。小里程鄭州端引橋2×65m T構連續梁，大里程萬州端引橋(44+72+44)m連續梁+24m簡支梁。全橋總體布置如圖1所示。

圖1 全橋總體立面布置(單位：m)

1.2 地形地質

梅溪河為U字形河谷地貌，地形起伏大，地面高程140.000～480.000m，部分為陡坎地形，兩岸邊坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面寬度約為280m。橋址區域地表有部分碎石土層及人工填土，以下為強、弱風化泥質灰巖層。

1.3 水文氣候

梅溪河為II級航道，受長江三峽蓄水倒灌影響，蓄水后最高水位為173.450m。每年10月至次年2月，三峽蓄水位為最髙水位，水位在172.000～173.450m，較穩定；2月水位開始回落，4月底回落至145.000m，5—9月中旬水位維持在143.000～145.000m，9—10月水位逐漸上漲至最高水位。各類地下水均接收大氣降雨補給，向梅溪河排泄，河水無侵蝕性。奉節縣位于四川盆地東部邊緣，屬中亞熱帶暖濕東南季風氣候，年平均氣溫16.5℃。

針對冶煉廠銅锍雜質鉛較高的問題，本文系統分析了雜質鉛的走向及分布，并對吹煉渣含銅、CaO/Fe值、渣中SiO2含量及渣溫度重要工藝參數的影響進行了研究，研究結果認為銅閃速吹煉較為合理、有效的工藝控制條件和解決辦法包括以下幾個方面。

2 主要技術標準

鐵路等級，高速鐵路；設計速度，350km/h；線路數目，雙線，線間距5m；線路參數，直線，線路縱坡0.3%；二期恒載，147.25kN/m；軌道類型，60kg/m重型軌，鋼軌高17.6cm；軌道結構，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道；環境類別，碳化環境T1級、T2級；設計使用壽命100年。

3 主橋結構設計

3.1 拱座基礎設計

拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎，水平樁主要承受拱跨結構的水平推力，豎直樁主要承受豎向荷載，由拱座承臺連接形成整體，該結構傳力路徑清晰、造型新穎獨特，不僅能適應地形、地質及X 形拱圈構造，而且大幅度減小了坡面土方開挖，避免擴展基礎大開挖施工對坡面植被及周圍環境的破壞。全橋共計異形拱座承臺4個、小傾角水平樁4根、大直徑變截面豎直樁24根。拱座基礎模型如圖2所示，拱座基礎平、立面如圖3所示。

圖2 拱座基礎模型示意

圖3 拱座基礎平、立面(單位：cm)

水平樁為小傾角結構，樁身縱向水平下傾10°。每個拱座承臺后方對應設置1根水平樁，樁身長度根據地質情況確定，保證樁端巖體能承受拱跨結構的水平推力，確保拱座基礎穩定。J1號拱座水平樁左側長23m，右側長30m；J2號拱座水平樁左、右側長均為15m。水平樁標準橫斷面尺寸為寬6m、高7m(含拱部圓弧高度)，樁端2m長度斷面高度加高為8m，標準斷面到樁端加高斷面之間設置8m長的過渡段，拱部圓弧曲率半徑為5m。水平樁混凝土采用C40補償收縮混凝土，邊墻及拱部主筋雙肢并置排列，內部橫、豎連接筋梅花形密集布置，作業空間狹小。

豎直樁為大直徑變截面結構，樁頂9m部分樁徑為3.2m，以下部分樁徑為2.8m，樁長在17～25.5m，單個拱座承臺有6根豎直樁，共24根，按柱樁設計。樁基φ32主筋沿徑向雙肢并置排列，在變徑位置樁身尺寸折線陡變、鋼筋籠尺寸線性漸變。

由于提籃拱橋在兩岸拱腳處設計為X形岔開結構，每個拱座設計2個獨立承臺，即全橋共有4個拱座承臺。拱座承臺設計為不規則形狀，底面為正方形，長18.2m，寬11.7m；順橋向兩側面豎直，前、后面呈傾斜狀，均斜向后方，導致拱座承臺水平投影長度為20.2m，承臺總高度為14.18m。

3.2 拱圈設計

3.2.1主拱圈結構

主拱圈設計采用鋼管混凝土勁性骨架+外包混凝土結構，計算跨徑340m，矢高74m，矢跨比1/4.595，拱軸系數m=3.2。拱肋為變寬變高鋼桁拱架結構，主弦管及橫梁弦管內壓注C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。

主拱圈平面呈提籃形布置，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室組成，拱頂合并為單箱3室截面，分叉段半跨采用3道橫梁連接。拱圈箱體高度按1.5次拋物線變化，外緣高度由拱腳處高11m漸變至拱頂處高6m。拱軸z軸立面采用懸鏈線，y軸豎面整體內傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結構，拱腳處兩肢橫向中心距16m，拱頂橫向中心距7m，分叉段單肢拱圈箱體外緣寬度為5m。不同區段拱圈箱體的頂、底、腹板的厚度不盡相同，厚度變化采用線性漸變方式過渡處理，變厚過渡段設置在拱肋橫梁位置，頂板厚度80～120cm、底板厚度80～140cm、腹板厚度70～100cm。

3.2.2無鉸拱結構

拱腳處勁性骨架主弦管埋入拱座承臺內3m，預留長約3m伸出承臺斜面，與拱肋骨架節段連接。拱腳7m范圍內采用鋼筋混凝土實體結構包裹勁性骨架，形成無鉸拱結構，并在拱座承臺中設置縱向預應力束連接拱腳，防止拱腳處拱圈頂板出現受拉裂縫。

3.2.3結構設計分析

X形拱圈的橫向剛度較大，能適應大跨度高速鐵路對拱橋結構橫向剛度的需求，拱圈外包混凝土總體采用分環分段施工。拱圈外包橫向分環施工，使得先期施工的底板對后期施工的腹板及頂板可起到支撐作用，從而減少勁性骨架受力；外包縱向分段施工不僅使拱圈受力更均勻，而且增加工作面，加快施工進度。通過對拱圈施工、運營各階段進行模擬計算分析，保證了拱圈結構安全。

3.3 拱座交界墩及拱上立柱

3.3.1拱座交界墩

拱座交界墩采用雙柱式空心墩，近似為A字形，雙柱內傾相交至墩頂，中間設置3道空心橫梁，J1號墩高72.809m(含墩頂蓋梁)，J2號墩高73.879m，墩底實體段高3.0m。墩頂平面尺寸為順橋向6.0m、橫橋向9.0m，墩身順橋向按直坡設計，J1號呈4.647°傾斜，J2號呈4.554°傾斜。單肢墩柱截面尺寸為3.5m×6.0m，墩身順橋向壁厚1.0m，橫橋向壁厚0.7m；空心橫梁截面5.0m×2.5m(寬×高)，橫梁壁厚均為0.5m。為方便脫模，蓋梁、墩柱及橫梁均設置R=30cm的圓角。

3.3.2拱上立柱

拱上共11個立柱，其中Z1～Z3，Z9～Z11為雙柱式空心墩，墩身結構類似于拱座交界墩，根據墩身高度分別設置0～2個橫梁，其中Z1立柱高46.4m、Z2立柱高27.2m、Z3立柱高14m、Z9立柱高14.5m、Z10立柱高27.9m、Z11立柱高47.3m。Z4，Z8為實體墩，Z4立柱高5.5m、Z8立柱高5.8m；Z5～Z7立柱不設柱身，高度均在3m以下。

3.4 拱上主梁

拱上主梁為3聯連續梁，4孔/聯，中間1聯跨徑布置(29.5+2×29.6+29.5)m，兩側邊聯跨徑布置(30.3+2×29.6+29.5)m。拱上主梁為預應力鋼筋混凝土箱梁結構，梁高3.035m，橋面寬12.6m，底板寬6.7m，標準橫斷面處頂、底板厚30cm、腹板厚45cm，支座附近頂、底、腹板均加厚。

4 施工方案

首先進行邊坡支護及拱座基礎施工，然后采用纜索吊機斜拉扣掛法從兩岸對稱安裝鋼拱肋節段至拱頂合龍，之后壓注管內混凝土、施工拱圈外包混凝土，最后施工拱上立柱及主梁，總體遵循主橋拱肋及引橋平行施工、纜索吊機施工與主引橋互不干涉的原則。

4.1 拱座基礎施工

依托實際地形條件修建施工便道至拱座位置，根據地形、地質特點對邊坡進行區域劃分，采用分級開挖、分區支護的組合支護方案進行拱座基坑開挖及邊坡支護。考慮附近既有結構物較多，拱座水平樁及豎直樁要求非爆開挖，豎直樁采用人機結合套鉆成孔工藝施工，大型鋼筋籠內外主筋分解安裝，按水下灌注工藝成樁，水平樁參照隧道施工采用上下臺階法開挖，拱座承臺分層澆筑施工，專門設計定位支架安裝拱腳預埋段，保證安裝精度。

4.2 拱圈施工

受地形限制，采用纜索吊機進行鋼拱肋吊裝，并輔助后續的拱圈外包、拱上立柱及連續梁施工。根據現場條件及橋梁結構特點，選用額定起重150t的雙塔3跨結構纜索吊機，并據此合理劃分鋼拱肋節段，共分32節段、48個吊裝單元(拱腳預埋段及拱頂合龍段除外)。鋼拱肋在廠內分段加工，主弦鋼管以折代曲制作，采用3+1整體輪次匹配拼裝，然后船運至現場通過纜索吊機吊裝，采用斜拉扣掛法從拱腳向拱頂對稱安裝拱肋節段、在拱頂實現強迫合龍。

拱肋合龍后，按先下弦后上弦、先內側后外側的順序，由拱腳向拱頂連續均衡對稱頂升壓注管內混凝土。采用原位支架法澆筑拱腳實體段，按“縱向分段、橫向分環”的順序采用吊架法施工拱圈外包混凝土。

4.3 交界墩及拱上結構施工

拱座交界墩及拱上立柱采用翻模法施工，交界墩施工配置塔式起重機及垂直電梯等設備輔助，拱上立柱施工則利用纜索吊機輔助。

拱上兩側邊聯主梁借助墩側預埋牛腿，采用無落地式支撐體系現澆施工；中間1聯主梁在拱圈混凝土上搭設滿堂支架施工。

5 主要施工難點

5.1 難點1：施工組織復雜

橋址地形復雜，起伏較大，兩岸邊坡陡峭，施工場地狹小，修建便道困難；地處三峽水庫自然保護區，水土保持、環境保護要求高；纜索系統及扣掛系統與塔式起重機、主引橋結構、臨時設施及復雜地形之間相互交織，整體施工組織難度大。

5.2 難點2：拱座基坑及邊坡防護施工

拱座毗鄰梅溪河，位于河岸陡坡上，基坑底面至坡頂平緩區域高差50～60m，坡度達1∶0.75，拱座基坑開挖及邊坡防護施工難度大。

5.3 難點3：大直徑變截面豎直樁施工

拱座豎直樁設計為大直徑變截面結構，樁頂9m部分樁徑3.2m，以下部分樁徑2.8m。樁身處于泥質灰巖弱風化層，設計要求非爆開挖，成孔難度大；每年9月至次年4月底為三峽庫區蓄洪期，豎直樁成孔施工受河水水位影響大。

5.4 難點4：小傾角水平樁施工

水平樁截面寬6m、高7～8m，斷面尺寸小，普通挖掘機在洞內回轉困難，處于弱風化巖層，開挖掘進施工難度大；水平樁縱向下傾10°，且內部鋼筋復雜，混凝土澆筑振搗施工難度大。

5.5 難點5：鋼拱肋加工制造

主拱肋為變寬變高鋼桁拱架結構，拱軸為懸鏈線，拱腳分叉，采用橫梁連接，拱頂合并成整體，豎面整體內傾3.48°，結構龐大的拱肋節段加工及匹配拼裝制作難度大，而提籃拱橋的雙向曲線構造更加大了制造線形的控制難度。節段制造精度直接影響現場安裝難度及成橋線形效果，因此鋼拱肋制造線形精度控制是本工程重中之重。

5.6 難點6：纜索吊機設計

結合橋址地形特點進行大跨度纜索吊機結構形式的選型設計，依據拱肋節段自重確定其額定起升能力，合理布置牽引索、起重索的走線方式，據此進行繩索系統、纜塔塔架、基礎錨碇的設計驗算，最后規劃卷揚機布置與電氣化控制系統設計。纜索吊機結構復雜、承載力大、安全風險高，加之各類繩索空中穿梭交織，纜索吊機設計難度大。

5.7 難點7：扣掛系統設計

鋼拱肋采用斜拉扣掛法分節段安裝，拱肋節段線形、扣塔變形及扣錨索索力隨各節段安裝過程相互影響變化，效應逐次疊加，如何保證施工全過程的應力位移可控、施工安全可靠，且實現合龍前拱肋線形與目標線形吻合、達到一次張拉的目的是本工程難點。因地形導致的錨索橫向不對稱布置更增加了索力優化設計及施工過程控制的難度，扣掛系統整體設計的技術含量高、難度大。

5.8 難點8：管內混凝土壓注

拱肋合龍后采用頂升法壓注管內混凝土，拱跨340m、矢高74m，要保證大跨拱橋兩側對稱均衡、一次性連續頂升成功，工藝技術要求高、施工組織難度大。

5.9 難點9：拱圈外包混凝土施工

拱腳分叉段為單箱單室結構，拱頂合并段為單箱3室結構，拱圈外包模板支撐體系設計是難點，外包混凝土分環分段施工難度大、安全風險高。

5.10 難點10：拱上連續梁施工

拱上共計3聯(4孔/聯)連續梁，跨中1聯借用拱圈外包結構作為支撐，采用滿堂支架法施工。兩側邊聯距拱圈垂直最大高差近70m，不利于搭設支架，采用設置墩側牛腿、無落地式支撐體系現澆施工，雙層貝雷梁支撐結構一跨式跨越。高空支撐體系設計、安裝及拆除施工難度大，安全風險高。

6 結語

設計速度350km/h的鄭萬鐵路奉節梅溪河雙線特大橋，作為目前國內外跨度最大的無砟軌道高速鐵路拱橋，是大跨度拱橋結構發展的又一次突破。鑒于眾多技術挑戰和施工難點，本橋設計采用雙向樁分離式拱座基礎、X形鋼管混凝土勁性骨架+外包混凝土拱圈等特殊結構，加之現場合理的施工組織及正確的工藝指導，有效解決了諸多難題。本橋于2017年4月正式開工建設，預計于2021年6月全線建成。