隆敘鐵路沱江特大橋主橋方案比選研究

劉永鋒,高 策,時 代,崔 琛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

隆黃鐵路隆昌至敘永段為國家Ⅰ級鐵路，單線，有砟軌道，設計速度120 km/h。沱江特大橋位于瀘州市龍馬潭區，是隆敘鐵路控制工程，橋梁全長2 408.72 m，主橋按一次建成雙線設計，主橋兩側部分引橋段落一次建成雙線墩臺，其余段落按單線設計。

橋址處上游60 m處為隆納高速公路(廈蓉高速公路)沱江三橋，該橋為5×90 m上承式鋼筋混凝土拱橋，1999年建成。橋址下游距擬建渝昆高鐵沱江橋2.3 km，距既有沱江六橋4.2 km，距沱江河口(匯入長江)13.3 km。

橋址區主要分布地層主要有第四系人工填土層(Q4ml)素填土、填筑土，第四系全新統殘坡積層(Q4el+dl)粉質黏土，第四系全新統坡洪積層(Q4el+dl)粉質黏土，第四系全新統沖洪積層(Q4el+dl)粉質黏土和細圓礫土，下伏侏羅系中統上沙溪廟組(J2s)砂巖、砂質泥巖和泥質砂巖。

本橋位于中亞熱帶溫潤氣候區，雨量充沛，氣候溫和，冬無嚴寒，夏無酷暑，年平均氣溫17.3 ℃，最冷月平均氣溫7.7 ℃，最熱月平均氣溫28.0 ℃，年平均相對濕度78%，年平均降雨量1 057.0 mm，最大風速為26.0 m/s。

橋址區基本地震動峰值加速度為0.1g，地震烈度為Ⅶ度，反應譜特征周期0.4 s，場地類別為Ⅱ類。

沱江為長江左岸一級支流。沱江穿龍泉山金堂峽，經簡陽市、瀘州市、資中縣、內江市等至瀘州市匯入長江。全長712 km。流域面積3.29萬km2。沱江流域多年平均降水量1 200 mm，年徑流量351億m3。沱江是四川省最彎曲的河流之一，由于河道平緩，彎曲率大，使洪水渲泄不暢，河道滯洪能力較大。橋址處設計流量Q1%=19 900 m3/s，設計水位H1%=248.97 m。

橋址處河段現狀航道等級為Ⅵ級，遠期申報Ⅲ級，雙向通航，通航水域寬度要求不小于176 m。橋墩計入Ⅳ-(3)級船隊撞擊力，并需設置橋墩防撞設施。

橋址處沱江河段為長江上游珍稀、特有魚類國家級自然保護區實驗區范圍。橋跨布置應減少工程施工和運行對沱江瀘州段的水生生態的影響。

2 橋位比選

結合線路的走向及瀘州市城市規劃發展條件和設站需求及河道通航、行洪條件、長江上游珍稀特有魚類自然保護區范圍，主要研究了3個橋位方案，如圖1所示。

圖 1 沱江特大橋橋位比選

橋位1：高速公路西側方案

線路自瀘縣進入龍馬潭區境內后，先后下穿在建川南城際鐵路，跨越廈蓉高速公路互通，穿越瀘州市規劃地塊，跨越沱江，下穿在建渝昆高鐵。線路與廈蓉高速公路距離約1.1 km。

橋位2：并行高速公路方案

線路自瀘縣進入龍馬潭區境內后，先后下穿在建川南城際鐵路，跨越廈蓉高速公路匝道，跨越沱江，下穿在建渝昆高鐵。

橋位3：高速公路東側方案

線路自瀘縣進入龍馬潭區境內后，先后跨越省道307下穿在建川南城際鐵路，穿越瀘州市規劃地塊，下穿在建渝昆高鐵，跨越沱江。線路與廈蓉高速公路距離約3.8 km。與渝昆高鐵瀘州沱江大橋距離約1.3 km。

橋位比選從通道選擇、環保要求、站位條件、工程條件等方面進行比較。經比較，橋位2土地利用度最高，對城市規劃影響最小，設站條件較為有利，線路相對順直，故推薦橋位2方案(表1)。

表1 主要技術指標比較

3 橋式方案

根據隆敘鐵路沱江橋水生生物影響評價方案咨詢會專家咨詢意見：一跨跨越保護區范圍方案較優，即一跨跨越十年一遇水位水面寬度。對應水面寬度為270.6 m，結合避免壓占大里程江邊休閑步道的情況，主跨選用292 m。

為跨越沿江路，邊跨分別按146 m及155 m跨度進行了布置，為了減小主橋長度降低造價，結合專家意見，推薦采用邊跨146 m方案。

結合本橋所處地形、通航、行洪等自然條件及控制因素，可選橋型有矮塔斜拉橋、斜拉橋及連續梁拱組合橋。根據鐵路建設工程經驗，當主跨為300 m左右時，連續梁拱組合結構[1-3]相對于矮塔斜拉橋經濟性不占優勢，因此不再進行梁拱組合結構的詳細比選。

矮塔斜拉橋是一種介于連續梁橋和斜拉橋之間的一種組合體系橋型，具有塔矮、梁剛、索集中的結構特點。其受力特征是：以主梁承擔大部分荷載效應，斜拉索對主梁起加勁作用，承擔一部分荷載，相當于一般連續梁橋的體外預應力索。目前國內已建成的鐵路矮塔斜拉橋有二十余座。其中福平鐵路烏龍江特大橋(143+288+143) m為最大跨度雙索面矮塔斜拉橋[4]，贛深鐵路劍潭東江特大橋(136+260+136) m為目前國內最大跨度單索面矮塔斜拉橋[5]。

設計中比較了單索面“W”形腹板[6]混凝土梁矮塔斜拉橋(鋼管混凝土橋塔)、雙索面結合梁斜拉橋、單索面“W”形腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(混凝土橋塔)、雙索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(混凝土橋塔)、單索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(混凝土橋塔)等多種橋式方案。

3.1 方案1單索面W形腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(鋼管混凝土橋塔)

(1)總體布置(圖2、圖3)

圖2 方案1全橋布置(單位：cm)

圖3 方案1橋面布置(單位：cm)

(155+292+155) m單索面預應力混凝土斜拉橋中墩處塔墩梁固結，邊墩處設活動支座。梁部為W形腹板預應力混凝土箱梁，橋塔為鋼管混凝土橋塔[7-9]，中墩采用鋼筋混凝土薄壁墩，設置圓端便于行洪，基礎均采用鉆孔樁基礎，斜拉索采用扇形布置，梁長603.9 m。線路線間距7.7 m。

(2)梁部構造

主梁采用預應力混凝土“W”形截面[10-13]，頂板設橫向預應力，有索區內腹板設豎向預應力。主梁頂板寬15.3 m，標準截面底板寬11.7 m；標準截面梁高8 m，中室頂板厚55 cm，底板厚35 cm；邊室頂板厚30 cm，底板厚70 cm；外腹板厚55 cm，內腹板厚30 cm；中墩支點處箱梁高15 m，邊墩支點處梁高8 m。在中支點處中室設橫隔板，厚度為11 m，設置1.2 m×1.6 m過人孔，邊支點中室及邊室設橫隔板，厚度為1.5 m。見圖4。

圖4 方案1構造(單位：cm)

(3)橋塔構造

主墩、主塔形式采用塔墩梁固結的形式，橋面以上塔高為70 m。橋塔為鋼管混凝土結構，采用啞鈴形截面，兩側鋼管直徑為2.5 m，壁厚0.08 m；腹板中心距為2 m，板厚0.08 m。鋼管及腹板均采用Q345qD鋼，鋼管及腹板之間灌注C60混凝土，具體構造見圖5。

圖5 方案1橋塔截面(單位：cm)

(4)拉索

斜拉索橫向為單索面布置，立面為扇形布置，每個橋塔對稱設斜拉索11對，主梁上斜拉索縱向間距為8 m，塔上斜拉索橫向間距為1 m，豎向間距為0.8～1.26 m，跨中無索區長度為27，斜拉索采用規格55φ15.2 mm、61φ15.2 mm、73φ15.2 mm環氧涂層高強鋼絞線，設置雙層HDPE外護套，斜拉索采用在橋塔處設置分絲鞍座，鞍座兩端設置單側抗滑錨固裝置，張拉端設于主梁內。

(5)下部結構

主墩為圓端形薄壁墩，墩高34 m，薄壁墩雙肢間距7.5 m，墩頂縱向壁厚2.5 m，橫向14.2 m，墩底縱向壁厚2.5 m，橫向15.2 m；中墩采用24φ2.8 m鉆孔樁，按摩擦樁設計，樁長35 m，承臺尺寸為39.5 m×25.5 m×6 m(橫橋向×縱橋向×高度)。

3.2 方案2雙索面結合梁斜拉橋

(1)總體布置

該方案為半漂浮體系雙塔雙索面組合梁斜拉橋[14-17](圖6、圖7)，跨徑布置為(72.65+83.5+292+83.5+72.65) m，梁上索間距為10.0 m，塔上索間距為2.0～4.0 m，共52對拉索。

圖6 方案2立面布置(單位：cm)

圖7 方案2橋面布置(單位：cm)

主跨292 m一跨跨越沱江，兩邊跨各設1個輔助墩。交界墩、輔助墩和索塔下橫梁上均設縱向活動支座，塔、梁之間沿縱橋向設置液體粘滯阻尼器，以控制梁體縱向位移。

建筑限界采用“時速小于等于160 km的客貨共線鐵路建筑限界—橋限2”，線間距為4.0 m，線路中心線至擋砟墻內側距離為2.2 m，至接觸網內邊緣距離為3.3 m。橫橋向拉索間距13.6 m。

(2)梁部構造

主梁采用鋼混組合梁斷面(圖8)，等高布置。主梁高4.5 m，不含風嘴寬14.6 m，含風嘴全寬16.027 m。主梁由槽形鋼梁和預制混凝土板組合形成整體。

圖8 方案2標準梁段/橫隔板段橫斷面(單位：cm)

槽形鋼梁包括4道腹板、3塊底板和風嘴，標準段不設頂板，腹板間距為4.6，4.4 m和4.6 m，鋼梁標準節段長10.0 m，縱橋向橫隔板間距為5.0 m。混凝土板分塊預制，標準塊沿橫橋向寬12.76 m，順橋向長4.3 m，厚30 cm，支撐位置加厚至50 cm。

橫隔板上翼緣滿布剪力釘，分塊預制的混凝土板，在橫隔板位置設70 cm的濕接縫。

鋼梁節段長度為10.0 m，橫隔板間距為5.0 m，鋼梁橫隔板和外腹板上緣滿布剪力釘，預制混凝土板在鋼梁橫隔板和外腹板位置設濕接縫，同時在中腹板位置設濕接槽。施工過程中先吊裝、焊接鋼梁節段，然后吊裝預制混凝土板，通過現澆濕接縫和濕接槽將鋼梁和混凝土板組合為整體。

(3)橋塔構造

索塔總體構造見圖9。總體造型為花瓶形狀，總高137.0 m，由上橫梁和下橫梁劃分為上、中、下三部分，其中上塔柱高43.5 m，中塔柱高52.5 m，下塔柱高41.0 m。順橋向，索塔尺寸由塔頂的6.0 m線性變化至塔底的10.0 m，橫橋向，上塔柱寬4.0 m，中塔柱寬度由4.0 m線性變化至5.0 m，下塔柱寬度由5.0 m線性變化至6.0 m。

圖9 方案2索塔總體構造(單位：cm)

索塔為空心結構，橫斷面見圖10。

圖10 上塔柱、中塔柱截面 (單位：cm)

上塔柱內設置鋼錨箱錨固斜拉索。

(4)拉索

全橋共設52對拉索，索采用平行鋼絲拉索，規格分別為PES(C)7-139、187、199、253。梁上索間距為10.0 m，塔上索間距為2.0～4.0 m。索梁間通過錨拉板錨固于橋面，塔梁間通過鋼錨箱錨固。

(5)下部結構

每個索塔布置24根φ2.5 m的鉆孔灌注樁，樁間距為6.8 m，樁長30.0 m。承臺尺寸為24.4 m×38.0 m×5.0 m(順橋向×橫橋向×高)，承臺上設高度為2.0 m的塔座。

小里程側交界墩高37.5 m，輔助墩高40.5 m，均采用空心橋墩，基礎為9φ1.5 m鉆孔灌注樁；大里程側交界墩高22.0 m，輔助墩高18.8 m，均采用實體橋墩，基礎為9φ1.25 m鉆孔灌注樁。

3.3 方案3單索面W形腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(混凝土橋塔)

(1)總體布置(圖11、圖12)

圖11 方案3全橋布置(單位：cm)

圖12 方案3橋面布置(單位：cm)

(146+292+146) m單索面預應力混凝土斜拉橋中墩處塔墩梁固結，邊墩處設活動支座[18-19]。梁部為“W”形腹板預應力混凝土箱梁，鋼筋混凝土橋塔[20]，中墩采用鋼筋混凝土薄壁墩，設置圓端便于行洪，基礎均采用鉆孔樁基礎，斜拉索采用扇形布置，梁長585.9 m。

(2)梁部構造

主梁采用預應力混凝土W形截面(圖13)，頂板設橫向預應力，有索區內腹板設豎向預應力。主梁頂板寬15.8 m，標準截面底板寬11.7 m；標準截面梁高8 m，中室頂板厚55 cm，底板厚35 cm；邊室頂板厚42 cm，底板厚70 cm；外腹板厚55 cm，內腹板厚30 cm；中墩支點處箱梁高15 m，邊墩支點處梁高8 m。在中支點處中室設橫隔板，厚度為11 m，設置1.2 m×1.6 m過人孔。

圖13 方案3構造(單位：cm)

(3)橋塔構造

主墩、主塔形式采用塔墩梁固結的形式(圖14、圖15)，橋面以上塔高為60 m。橋塔為鋼筋混凝土結構，塔柱橫向尺寸3.0 m，塔柱縱向尺寸10 m。

圖14 方案3橋塔立面(單位：cm)

圖15 方案3橋塔截面(單位：cm)

(4)拉索

斜拉索橫向為單索面布置，立面為扇形布置，每個橋塔對稱設斜拉索11對，主梁上斜拉索縱向間距為8 m，塔上斜拉索橫向間距為1 m，豎向間距為0.8～1.26 m，跨中無索區長度為35，斜拉索采用規格55φ15 mm、61 mm、73φ15 mm環氧涂層高強鋼絞線，設置雙層HDPE外護套，斜拉索采用在橋塔處設置分絲鞍座，鞍座兩端設置單側抗滑錨固裝置，張拉端設于主梁內。

(5)下部結構

主墩為圓端形薄壁墩，墩高34 m，薄壁墩雙肢間距7.5 m，墩頂縱向壁厚2.5 m，橫向14.2 m，墩底縱向壁厚2.5 m，橫向15.2 m；中墩采用30φ2.5 m鉆孔樁，按摩擦樁設計，樁長35 m，承臺尺寸為35.25 m×29 m×6 m(橫橋向×縱橋向×高度)。

3.4 方案4雙索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(混凝土橋塔)

(1)總體布置(圖16、圖17)

圖16 方案4全橋布置(單位：cm)

圖17 方案4橋面布置(有索區)(單位：cm)

孔跨布置及梁長與方案3相同，全橋孔跨布置為(146+292+146) m雙索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，中墩處塔墩梁固結，邊墩處設活動支座。梁部采用單箱雙室直腹板預應力混凝土箱梁，橋塔為矩形雙柱式鋼筋混凝土實心塔柱，中墩采用鋼筋混凝土雙薄壁墩，迎水面設置成圓端形便于行洪，基礎均采用鉆孔樁基礎，斜拉索采用扇形布置。

(2)梁部構造(圖18)

圖18 方案4跨中、支點截面(單位：cm)

主梁立面尺寸同方案3，全長585.9 m，支點處梁高15 m，跨中梁高8 m，靠近主塔附近55.5 m范圍內，梁高采用二次拋物線由8 m變化至15 m。主梁為單箱雙室直腹板預應力混凝土箱梁，斜拉索錨固于懸臂板。

箱梁頂板寬13.7 m，底板寬11.7 m，頂板全厚0.42 m，中支點局部加厚至1.1 m，底板厚度跨中0.4 m，中墩兩側55 m范圍隨梁高二次拋物線變化為1.5 m。腹板厚度由0.55 m分二次折線分別變化至0.65，0.8 m，腹板在中墩兩側加厚至1.2 m。

(3)橋塔構造(圖19)

圖19 方案4主塔截面(單位：cm)

橋塔采用矩形雙柱式鋼筋混凝土實心塔柱，順橋向截面寬度6.0 m，橫橋向高度2.8 m，橋面以上塔高60.0 m，橋面以上塔的跨高比為4.87，橋塔與主梁相接處設置倒Y形，下部與中墩寬度基本一致，橋塔四角設置0.4 m倒角。橋塔橫向設置橫梁，增加結構穩定性。

(4)拉索

斜拉索全橋布置同方案4，全橋共設置22對斜拉索，均梁端張拉，塔端設置分絲管通過。梁上斜拉索縱向間距8 m，塔上拉索間距為1.2 m。橫橋向兩根拉索間距12.7 m，兩拉索面平行布置。

3.5 方案5單索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉橋(混凝土橋塔)

(1)總體布置(圖20、圖21)

圖20 方案5全橋布置(單位：cm)

總體布置與方案3相同，全橋孔跨布置為(146+292+146) m單索面矮塔斜拉橋(圖21、圖22)，全長585.9 m，中墩處塔墩梁固結，邊墩處設活動支座。梁部采用直腹板混凝土截面，橋塔為鋼筋混凝土實心塔柱，中墩采用鋼筋混凝土雙薄壁墩，迎水面設置成圓端形便于行洪，基礎均采用鉆孔樁基礎，斜拉索采用扇形布置。

圖21 方案5有索區橋面布置(單位：cm)

(2)梁部構造

主梁立面尺寸同方案3，全長585.9 m，支點處梁高15 m，跨中梁高8 m，靠近主塔附近55.5 m范圍內，梁高采用二次拋物線由8 m變化至15 m。主梁為單箱三室直腹板預應力混凝土箱梁，斜拉索錨固于中間箱室頂板。

箱梁頂板寬15.8 m，底板寬11.7 m，頂板全厚0.3 m，中支點局部加厚至0.75 m，底板厚度跨中0.35 m，中墩兩側55 m范圍隨梁高二次拋物線變化為1.5 m。外腹板厚度由0.5 m分2次折線分別變化至0.7，0.95 m，中腹板厚度由0.35 m分2次折線分別變化至0.5，0.65 m。

(3)橋塔構造

橋塔采用圓端形柱式鋼筋混凝土實心塔柱，順橋向截面寬度10.0 m，橫橋向高度3.0 m，橋面以上塔高60.0 m，橋面以上塔的跨高比為4.87。

(4)拉索

斜拉索全橋布置同方案4，全橋共設置22對斜拉索，均梁端張拉，塔端設置分絲管通過。梁上斜拉索縱向間距8 m，塔上拉索間距為1.2 m。橫橋向兩根拉索間距0.9 m，兩拉索面平行布置。

4 方案比選

4.1 主要技術指標比較

主要技術指標比較見表2。混凝土矮塔斜拉橋梁部剛度較大，變形較小，相對較優。

表2 各方案主要技術指標比較

4.2 經濟性比較

各方案投資及指標情況見圖22、圖23。

圖22 方案投資對比

圖23 方案指標對比

根據表2，無論針對主橋或全橋，單索面混凝土梁矮塔斜拉橋經濟性明顯優于雙索面斜拉橋。單索面W形腹板與直腹板對比，W形腹板略省。

4.3 綜合比較

綜合比較見表3。預應力混凝土梁單索面矮塔斜拉橋技術成熟、施工方便，適應了本項目預留雙線條件的特點、經濟性佳。單索面W形腹板與直腹板對比，W形腹板略省，且直腹板截面隔板施工較為復雜，綜合比較選擇方案3采用混凝土橋塔的單索面W形截面混凝土梁矮塔斜拉橋作為推薦方案。

表3 各橋式方案綜合比較

5 結論

經過以上比較分析，結合本橋實際情況，橋位方案推薦線路順直、便于設站、利于當地規劃的并行高速公路方案，主橋橋式方案推薦采用適于預留雙線條件、造價低、施工方便及景觀效果好的(146+292+146) m單索面W形截面混凝土梁矮塔斜拉橋。該方案滿足通航、行洪、環保要求，并均獲得相關部門批復。本橋建成后將成為國內首座采用W形梁部截面的鐵路斜拉橋，也將是國內最大跨度的單索面鐵路斜拉橋。