川藏鐵路昌都至林芝段橋梁設計研究

康 煒,李 俠,文 強,喬雷濤,王 輝,周友權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

1.1 概述

新建川藏鐵路昌都至林芝段線路在昌都市加卡經開區設昌都站后跨瀾滄江，向西穿浪拉山，在昌都邦達機場北設邦達站，后穿果拉山、跨怒江、穿伯舒拉嶺和多木格，于林芝市波密縣嘎朗鎮設波密站，出站向西北方向，沿帕隆藏布右岸穿易貢山，至通麥小鎮設站，跨易貢藏布后折向西南，跨東久曲、穿色季拉山，跨尼洋河后至林芝站，線路長度379.034 km。橋梁全長36.579 km/20座，占線路長度的9.66%。如圖1所示。

圖1 川藏鐵路昌都至林芝段線路平面示意

1.2 建設條件

1.2.1 地形地貌

川藏鐵路昌都至林芝段位于青藏高原東南部，線路依次穿越他念他翁山、伯舒拉嶺、色季拉山，總體地勢西高東低，呈三起三伏形態。地勢急劇隆升抬起，河流快速強烈下切，為典型的“V”形高山峽谷地貌，自東向西劃分為橫斷山高山峽谷區及藏東南高山峽谷區兩個地貌單元。河谷狹長幽深，兩側山峰高聳，切割深度可達1 000～3 000 m以上。冰川、冰湖、冰磧地貌及冰凍風化地貌發育。如圖2所示。

圖2 川藏鐵路昌都至林芝段沿線地形地勢示意

1.2.2 河流水系特征及水文

沿線主要涉及瀾滄江、怒江、雅魯藏布江三大水系，線路跨越瀾滄江及支流色曲，怒江及其支流玉曲、德曲、康玉曲、巴曲，雅魯藏布江支流波堆藏布、易貢藏布、東久曲、尼洋曲。

1.2.3 氣象

以伯舒拉嶺為界線，東側昌都地區屬高原亞溫帶亞濕潤氣候，夏季氣候溫和濕潤，冬季氣候寒冷干燥，年溫差小，日溫差大，整體以寒冷為主。西側林芝地區屬溫帶濕潤半濕潤季風氣候，氣候溫暖濕潤。主要氣象特征值見表1。

表1 昌都至林芝段主要氣象特征值

1.2.4 沿線地質

沿線地層巖性復雜，其中昌都—伯舒拉嶺段主要以新生界、中生界、古生界及元古界地層為主，巖性主要為片巖、大理巖、板巖、變質砂巖等變質巖及泥巖、砂巖等沉積巖。伯舒拉嶺—林芝段主要以念青唐古拉山巖群的片麻巖為主，喜馬拉雅山期、燕山期花崗巖大面積侵入。

線路經過區域共有瀾滄江斷裂、怒江斷裂、羊達—亞許斷裂、邊壩—洛隆斷裂、嘉黎斷裂、西興拉斷裂和米林斷裂等7條活動斷裂，距線路較近。抗震設防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2g～0.33g，特征周期為0.40～0.70 s。

1.3 主要技術標準

鐵路等級：Ⅰ級

正線數目：雙線

設計行車速度：120～200 km/h

軌道類型：有砟、無砟軌道

設計荷載：ZKH活載

1.4 橋梁分布概況

本段橋梁全長36.579 km/20座，分布情況見表2、表3。

表2 川藏鐵路昌都至林芝段橋涵分布

表3 川藏鐵路昌都至林芝段重點橋梁

3 橋梁建造面臨的主要問題

多樣、大型、頻發的地質災害對橋位選擇帶來巨大困難，多座大跨度橋梁存在一位難找的局面。復雜的地形、顯著高差、深切的峽谷對橋型選取較為單一。近斷層、高烈度地震給抗震設計提出新要求，惡劣的氣候條件對橋梁的耐久性要求更高，薄弱的交通基礎設施對橋梁設計、建造及維護提出了新的更高要求。橋梁總體呈現“量少體大、種類繁多、一橋一議”的特點，涵蓋懸索、斜拉、拱、梁、組合結構等各種橋型，既有千米級的懸索橋，也有近斷層300 m以上大跨拱橋；既有跨越冰川泥石流區的近百米高橋，也有近場高烈度長周期的車站橋；既有干旱強紫外線區的大跨混凝土剛構，也有植被茂密溫潤潮濕區的鋼桁加勁拱，還有海拔4 000 m以上大日溫差橋梁；既貫通天險峽谷，也跨越瀾滄江、怒江、雅魯藏布江的一級支流，幾乎挑戰世界橋梁工程的極限[1]。近年來，懸索橋、拱橋等大跨橋梁的設計和建造在鐵路建設中已經得到廣泛應用，但在川藏鐵路這樣的復雜艱險環境中應用尚屬首次。[1-2]

4 橋梁主要設計原則

4.1 橋位

針對本線的特點，在遵循“地質選線”“減災選線”的基本原則下，橋位選擇主要按繞避不良地質區域、地質風險點及遠離活動斷裂帶，結合地形條件減少基礎開挖及邊坡整治規模，減少環境影響，充分考慮施工場地及運輸條件，考慮堰塞湖潰壩或蓄水影響[2]。

4.2 橋式方案

對于不受地形、地質所限地段的橋梁，常用跨度采用24，32 m預制架設簡支箱梁，跨越波堆藏布、尼洋河主河槽段落采用48 m簡支箱梁，當跨越深切“V”形溝谷、橋較高、行洪受限、有立交要求時，采用大跨橋梁結構，主要有色曲特大橋(主跨880 m)、怒江特大橋(主跨1 000 m)、康玉曲大橋(主跨160 m)、瓤打曲大橋(主跨246 m)、茶隆隆巴曲大橋(主跨168 m)、易貢藏布大橋(主跨310 m)、東久曲大橋(主跨400 m)多座大跨度橋梁。橋式方案的選擇充分考慮了運輸條件、少維護、景觀設計的要求[3-5]。

4.3 上部結構

常用跨度簡支梁采用通橋川藏(2021)2235系列簡支箱梁，預制架設施工，河道內48 m簡支箱梁采用節段拼裝法施工。大跨度連續梁、連續剛構、矮塔斜拉橋等混凝土橋梁采用懸臂澆筑施工，大跨度懸索橋、拱加勁簡支鋼桁、中承式鋼桁拱采用工廠加工、現場組拼的施工方法。

4.4 下部結構

常規橋梁橋墩采用圓端形橋墩，矩形橋臺，基礎采用直徑1.0～1.5 m樁基礎，個別基巖出露位置采用明挖擴大基礎。大跨橋梁橋墩、橋塔等根據需求特殊設計，基礎均采用直徑1.8～3.0 m樁基礎。

4.5 橋梁抗震

本段75%橋梁位于近斷層的高烈度地震區，對距活動斷層15 km范圍內的非簡支結構、地震動峰值加速度≥0.3g的橋梁及距活動斷層1 km的橋梁，均進行了場地地震安全性評價。對于動峰值加速度0.2g且場地特征周期大于0.45 s、動峰值加速度大于0.2g的簡支結構采用減隔震設計，減隔震支座銷釘剪斷力按1.1倍多遇地震設計。9度地震區和8度地震區場地長周期的橋梁，采用減隔震支座+鋼阻尼器限位裝置的綜合減隔震方案。對于大跨度橋梁按E1、E2兩階段設計，E1作用下結構無損傷處于彈性狀態，E2作用下主要構件無損傷處于彈性狀態，次重要構件可修復性損傷彈塑性狀態，連接構件允許發生損傷破壞。

4.6 地質災害防治

本段橋梁80%位于深切峽谷中，橋隧相連，主要地質災害為危巖落石和泥石流。對于橋梁兩岸山體的危巖落石除采用清除、加固、主被動防護、攔石墻等防護措施外，還采用了明洞接長或設置防護棚洞的方式。對于泥石流溝采用橋下疏浚排導、橋墩防護等措施。

4.7 耐久性

本段橋梁所處環境海拔高、年溫差小日溫差大、紫外線強，為確保工程設計壽命不小于100年，混凝土結構采用高性能混凝土。為控制結構裂縫寬度，混凝土采用低熱硅酸鹽水泥，選擇適宜的鋼筋保護層厚度，并按耐久性規范對不同結構部位選擇合適的混凝土等級，個別部位涂裝柔性防腐材料。外露大體積混凝土施工時考慮在其表面涂裝保溫涂層技術，預應力結構采用智能灌漿技術保證管道灌漿質量，伸縮縫采用易更換產品。鋼結構采用長效涂裝體系。

5 3座大跨橋梁研究及技術特點

5.1 色曲特大橋[6-9]5.1.1 橋式方案

橋址區位于昌都市加卡經濟開發區境內，為跨色曲而設。橋位處為典型的“V”形深切河谷地形，河谷下部狹窄，坡岸陡峭，自然岸坡45°以上，線路距谷底近400 m。經方案比選，采用主跨880 m的懸索橋一跨跨越色曲河谷。

主梁跨度布置為(70+880+70) m懸索橋+(32+24) m混凝土簡支箱梁，全橋長1 103.8 m。主纜跨度為(190+880+230) m，垂跨比1/9，主纜邊跨在橋塔處水平偏角3°，主纜中跨為平行纜，間距25 m。主梁采用上承式鋼桁梁，主塔采用鉆石形鋼筋混凝土結構，兩主塔均采用群樁基礎，兩岸錨碇均采用隧道錨結構。

主梁在主塔橫梁處、橋臺位置均設置豎向支座與橫向抗風支座，在主塔下橫梁及橋臺處縱向設置8套黏滯阻尼器，在主塔下弦桿及橋臺每個橫向支座處設置有4個橫向阻尼器。全橋總體布置如圖3所示。

圖3 色曲特大橋總體布置(單位：m)

5.1.2 主橋結構

雙線有砟軌道，線間距9.8 m，橋面總寬17.07 m，橋面弦桿外沿總寬26.4 m。橋梁橫斷面如圖4所示。

圖4 色曲特大橋加勁梁斷面(單位：cm)

加勁梁主桁架中心間距25 m，采用帶豎桿的華倫形桁架。桁高12 m，節間距10 m，全橋共102個節間，鋼梁材質采用Q370qE，上弦采用整體節點，下弦除橋塔支點附近采用整體節點外，其余均采用散拼節點。橋面系中間行車區域采用正交異性鋼橋面結構。

橋塔采用鉆石形索塔，塔高分別為175.0、178.0 m，塔頂索橫向中心距25.0 m，設上、下2道橫梁。橫梁采用單室矩形截面，上橫梁寬8.0 m×高7.0 m，下橫梁寬9.0 m×高9.0 m。塔柱采用單室截面，昌都側橫向寬度7～10 m，縱向寬度9～12.5 m，林芝側橫向寬度7～11 m，縱向寬度9～12.6 m。橋塔構造如圖5所示。

圖5 色曲特大橋橋塔構造(單位：cm)

主塔基礎采用32根φ3.0 m鉆孔樁，承臺尺寸46.8 m×25.8 m×6 m，承臺頂設置高3 m塔座。

主纜采用標準抗拉強度為1 960 MPa的鋼絲，索股為184根91絲φ5.9 mm，采用PPWS(即預制平行絲股)法架設。吊索采用標準抗拉強度為1 770 MPa平行鋼絲束，標準間距10 m，每吊點設置2根吊索，吊索上端采用銷接式，全橋共兩種規格，端吊索為211根，普通吊索為151根。

主索鞍鞍體采用全鑄結構，鞍體長6.4 m×寬3.49 m×高3.8 m，總質量128 t，鞍槽底半徑8.467 m。散索鞍為滾軸式結構，長6 m×寬4.46 m×高2.52 m。

兩側均采用隧道錨，昌都岸前錨室軸線長度40 m，錨塞體軸線長55 m，后錨室軸線長度3 m。主纜通過段長度分別為57，63 m。林芝岸前錨室軸線長度40 m，錨塞體軸線長40 m，后錨室軸線長度3 m，主纜通過段長度63 m。

5.1.3 技術特點(表4)

表4 色曲特大橋主要技術指標

色曲特大橋結構復雜、技術難點較多，圍繞抗風、抗震、行車安全等關鍵技術問題開展了一系列專項研究及試驗。如圖6所示。

圖6 色曲特大橋專項研究

抗風性能研究：開展橋址區風特性現場觀測統計分析研究，切實掌握了工程所在地的風環境和風特性參數。分別基于規范風速標準、統計公式法和區域地形CFD分析推算橋位處橋梁設計基準風速，并對不同方法分析結果進行相互比較，確定了大橋的設計風速標準。建立節段模型進行了風洞試驗研究，評價了橋梁的抗風性能，并進一步進行全橋風洞試驗研究。

抗震性能研究：進行一致激勵和多點激勵的地震響應計算，分析高烈度地震區大跨橋梁的抗震性能，提出了合理的減震方案。

行車安全研究：開展了車-橋耦合以及風-車-橋溝壑動力仿真分析，評價了設計時速下橋梁的動力性能及車輛安全性、平穩性和舒適性。同時開展了軌道形位分析，進一步評估剛度及行車安全性。

橋塔溫致效應研究：針對高原高寒峽谷區的橋塔在復雜氣候和地理環境下的溫致裂縫以及混凝土碳化展開系統的研究，分析橋塔的溫致效應，有針對性地提出橋塔截面抗裂優化措施。

錨體承載能力分析：對隧道錨錨體和圍巖相互作用體系進行了三維彈塑性模擬和長期穩定性計算，初步評價了錨體的承載能力，同時開展隧道錨原位試驗研究。

5.2 易貢藏布大橋[10-15]

5.2.1 橋式方案

易貢藏布大橋位于林芝市波密縣通麥鎮附近，為跨越易貢藏布和305省道而設。地震動峰值加速度為0.25g，特征周期為0.45 s。受地形、泥石流、近活動斷層地震等因素所限，經方案比選，采用主跨310 m的中承式鋼桁拱跨越易貢藏布，橋梁全長355.6 m，主梁孔跨布置為(18+18+18+252+18+21) m，橋高95 m。雙線有砟軌道，線間距5～9.8 m，全橋立面布置如圖7所示。

圖7 易貢藏布大橋總體布置(單位：m)

5.2.2 主橋結構

拱肋跨度310 m，矢高77.5 m，矢跨比1/4。拱桁為變高度“N”形桁架，拱頂桁高8 m，拱腳桁高13 m，拱肋一般節間長度9 m。拱肋橫向內傾3.673°，拱頂中心距10.4 m，拱腳處中心距21.4 m，拱肋構造如圖8所示。

圖8 易貢藏布大橋拱肋構造(單位：cm)

橋面寬15.5 m，縱梁中心距14.4 m，橋面系采用正交異性板體系，頂板采用不銹鋼復合鋼板，基層為16 mm厚Q370qD鋼板，面層為3 mm厚不銹鋼板。標準段順橋向9 m設置一處工字形大橫梁，大橫梁間設置間距3.0 m工字形小橫梁，端橫梁采用箱形截面橫梁。橋面布置如圖9所示。

圖9 5 m線間距橫斷面布置(單位：mm)

吊桿采用標準抗拉強度1 860 MPa的鋼絞線，間距9 m，按雙吊桿設計，全橋設置25對，型號為15-22、37兩種。最長、最短吊桿長度分別為48.6，10.7 m。

5.2.3 技術特點(表5、表6)

表5 易貢藏布大橋主要剛度指標

表6 易貢藏布大橋桿件應力指標

橋位處于高山峽谷近斷層高烈度地震區，兩側岸坡危巖落石嚴重，針對關鍵控制因素開展了橋址區風特性現場觀測，并據此進行風-車-橋耦合動力仿真分析，評價了橋梁的動力性能及車輛安全性、平穩性、舒適性。開展抗震性能研究，采用了減震榫+減隔震支座的抗震設計。研究采用橋隧一體化的防護措施；完成了場地地災評估研究、場地地震安全性評價、局部場地地形效應影響地震動參數確定研究、岸坡穩定性評價、工程場地風參數研究、工程建設安全風險評估研究、易貢湖綜合治理工程對易貢藏布大橋影響評估等多個專題研究。開展了大跨拱橋合理結構形式及結構參數選型、橋面系、施工方案以及基于BIM技術的全過程虛擬仿真研究，提出面向設計、科學合理的解決方案。

5.3 瓤打曲特大橋[16-21]

5.3.1 橋式方案

為跨越瓤打曲而設，雙線無砟軌道，線間距9.8 m，橋址處地震動峰值加速度為0.25g，特征周期為0.40 s，橋高77 m。經方案比選，采用主跨246 m雙排單索面矮塔斜拉橋，孔跨布置為(124+246+124) m矮塔斜拉橋+2×44 m T構。主橋為塔墩梁固結的連續剛構體系，橋塔為鋼筋混凝土結構，主梁為預應力混凝土箱梁。全橋立面布置如圖10所示。

圖10 瓤打曲大橋總體布置(單位：m)

5.3.2 主橋結構

塔高47 m，上部為實體段，下部為矩形空心截面，截面為(5.0～7.0) m(縱向)×(3.6～4.6) m(橫向)的矩形，橋塔上部直坡，下部橫向放坡比例60∶1，縱向放坡比例30∶1。考慮泥石流影響采用橋墩圓端形空心橋墩，墩頂尺寸為8.0 m(縱)×11.0 m(橫)，墩身縱向外坡35∶1、內坡55∶1，橫向采用二次放坡，上段外坡35∶1、內坡55∶1，下段外坡5∶1、內坡55∶1。主墩采用柔性防撞體系。橋塔墩構造如圖11所示。

圖11 瓤打曲大橋橋塔及橋墩構造(單位：cm)

斜拉索采用雙排單索面扇形布置，橋塔根部附近主梁無索區長32 m，主梁有索區長142 m，跨中無索區長38 m。塔上索距1.2 m，梁上索距8.0 m，斜拉索在橋塔上采用分絲管索鞍式錨固。斜拉索采用標準強度1 860 MPa環氧噴涂鋼絞線成品索，規格為M250-43、M250-61、M250-73。

主梁采用單箱雙室斜腹板，梁高6.0～13.0 m，梁體下緣按1.8次拋物線變化。箱梁頂寬17.1 m，底寬8.628～11.172 m，箱梁頂板厚0.5 m，底板厚0.5～1.5 m，腹板厚0.5～0.9 m。瓤打曲大橋跨中主梁斷面見圖12。

圖12 瓤打曲大橋跨中主梁斷面(單位：cm)

5.3.3 技術特點(表7)

表7 瓤打曲大橋主要技術指標

充分利用9.8 m的線間距空間采用單索面體系，減小了橋塔體量。采用塔墩梁固結的連續剛構體系減少了大噸位支座設置數量。主墩置于主溝槽之外，減輕了橋墩遭受泥石流沖擊效應。上部梁體采用斜腹板減輕梁體重力、提高索梁荷載占比，采用新型減隔震體系等措施，提高結構抗震性能。

6 結語

介紹了川藏鐵路昌都至林芝段的全線工程概況、建設條件、橋梁建造面臨的問題，針對具體環境確定了主要設計原則，重點對色曲特大橋、易貢藏布大橋、瓤打曲大橋進行了詳細介紹，探討了川藏鐵路建造大跨懸索橋、拱橋、斜拉橋的技術特點和技術難點。

按照高起點、高標準、高質量的建設要求，面對復雜、艱險的建設環境，川藏鐵路昌都至林芝段的橋梁從橋位選擇和方案設計都采用了環境匹配度高、技術可行且具有良好的經濟性和耐久性的設計方案。全線所有橋梁針對近斷層、高烈度地震都專門進行了抗震性能分析和抗震設計。大跨度懸索橋、拱橋、斜拉橋的設計不僅考慮了結構本身的安全性和適用性，也考慮了薄弱的交通條件和惡劣的氣候環境影響，開展了多項專題研究，解決了川藏鐵路復雜艱險環境中建設大跨橋梁的技術難題。