復雜艱險山區鐵路大跨度橋梁建造和運維挑戰及對策分析

郭 輝，嚴乃杰，胡所亭，趙欣欣，潘永杰，肖 鑫，朱 穎

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081)

引言

在早期建成寶成、黔桂、成昆、南昆、內昆和遂渝等艱險山區普速鐵路的基礎上，近年來，我國又相繼建成宜萬鐵路和貴廣、蘭新、成渝、滬昆、成貴等高速鐵路，在艱險山區鐵路減災選線、空天地綜合勘察技術和艱險山區高速鐵路構筑物設計關鍵技術等方面取得了系統性成果，為艱險山區鐵路安全建造奠定了基礎[1-2]。山區地形地勢復雜，橋梁是山區鐵路主要承載結構之一，如貴廣高鐵全長857 km，橋梁510座，占總長29.8%；成渝高鐵全長308 km，橋梁309座，占總長54.7%；成貴高鐵全長632 km，橋梁468座，占總長34.6%。西部艱險山區橋梁結構形式以連續梁(剛構)、拱橋等為主，如表1所示。依托西南山區鐵路建設，我國已在橋梁結構選型、高烈度地震區橋梁設計與減隔震技術、峽谷風環境高速鐵路橋上行車安全以及危巖落石防護、泥石流沖刷計算等方面取得了系列成果，為艱險山區橋梁的安全建造和運維提供了支撐[3-5]。

表1 我國西南山區代表性的大跨度鐵路橋梁

川藏鐵路沿線具有“地質地形復雜、氣候條件惡劣、山地災害頻發、生態環境脆弱”四大顯著環境特征，線路穿越橫斷山、念青唐古拉山、喜馬拉雅山等三大山脈、8座高山，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、易貢藏布等7條大江大河，沿線分布多條地質斷裂帶，地質條件復雜，多年凍土、高寒缺氧、崩塌、滑坡、近斷層地震、峽谷風等給沿線鐵路橋梁建設和運維帶來極大挑戰。本文在系統梳理川藏鐵路雅安至林芝段沿線大跨度橋梁面臨挑戰基礎上，結合近年來開展的系列研究，提出應對上述挑戰的若干對策建議，為川藏鐵路大跨度橋梁的安全高質量建造和運維提供參考。

1 工程概況

新建川藏鐵路雅安至林芝段新建正線長度為1 011.01 km。其中，新建橋梁91座，總長度120 km，占新建線路長度的11.9%。川藏鐵路為Ⅰ級雙線鐵路，客貨共線，設計速度為120～200 km/h，最大坡度30‰，牽引質量2 000～3 000 t。

川藏鐵路大跨度橋梁以懸索橋、拱橋和斜拉橋為主，此外，還有部分鋼-混結合梁橋、連續剛構橋等。目前主跨200 m以上的大跨度橋梁共有10座，其中，拱橋5座、懸索橋3座、斜拉橋1座、剛構組合橋1座，具體如表2所示[6]。

表2 川藏鐵路雅安至林芝段10座重點橋梁

2 艱險環境下橋梁面臨的挑戰

2.1 橋址區艱險環境特征

新建雅安至林芝段地貌形態主要受青藏高原地貌隆升的影響，以丘狀高原及構造侵蝕形成的深切峽谷地貌為總體特征。從四川盆地到青藏高原，相對高差達3 000 m以上，為地災形成提供了巨大的勢能條件；強烈的板塊碰撞擠壓隆升，導致區內中強地震頻發、高溫水熱活躍、高地應力分布廣泛，為地災的發育提供了強大的內動力地質條件。內外動力地質作用下，區域內山地災害頻發，具有速度快、規模大、類型多的特征。沿線屬高寒大溫差的高原氣候特征，垂直分帶顯著、晝夜溫差大、寒凍風化作用強烈。

從地形地貌看，沿線大跨度橋梁多位于“V”形峽谷區，屬構造高原區高山峽谷地貌，地形受江河切割較深，山高谷深、溝谷深切、地形陡峻且起伏大。兩側自然坡度一般在30°～59°，部分橋位邊坡坡度達60°、70°以上。沿線地質災害主要包括巨型滑坡、高位崩塌、落石、泥石流、巖堆、巖屑坡、河岸沖刷、順層巖質邊坡等，尤其以崩塌、滑坡、泥石流災害最為嚴重。從氣候環境特征來看，川西高原多為高山峽谷，相對高差較大，最高氣溫達35～40 ℃，最低氣溫可達-15～-20 ℃，部分地區晝夜溫差達30～35 ℃。川東高原區屬高原海洋性氣候和大陸性氣候，最高氣溫可達30 ℃，最低氣溫可降至-20～-30 ℃。沿線日照時間長，紫外線強烈。部分橋位處峽谷風強烈，其中大渡河特大橋基于實測結果的橋面設計風速達41.7 m/s。從地震動特性看，線路穿越橫斷山區的高山深谷，地質構造復雜、深大斷裂發育，新構造運動活躍、地震頻繁強烈，沿線地震動峰值加速度以0.1g～0.3g為主，局部為0.4g，橋梁受近斷層地震的影響顯著。

2.2 大跨度橋梁建造和運維面臨的挑戰

2.2.1 復雜環境橋梁耐久性退化機理與長期保持

影響混凝土梁耐久性退化的主要因素可分為內部因素和外部因素。內部因素主要包括：混凝土結構保護層厚度、水灰比和密實度、水泥品種、強度等級和用量、外加劑類型、結構或構件外形尺寸、混凝土和鋼筋的應力大小、裂縫等；外部因素主要包括：氣候、潮濕程度、高溫、氯離子侵蝕、化學介質侵蝕，還有凍融、磨蝕破壞等[7]。由于影響因素眾多，針對高原艱險山區混凝土梁性能退化的機理尚需開展深入研究。

鋼梁表面涂層容易與空氣中的氧和水分子發生反應。強紫外線會加速涂層的老化，在強烈的陽光直射下，會導致梁體表面溫度過高，涂膜中溶劑揮發過快，涂層成膜過程中容易出現橘皮、開裂，甚至粉化等劣化現象[8]。大跨度索支撐橋梁的纜索體系PE護套等同樣易受強紫外線影響而引起老化[9]。此外，鋼橋連接一般采用高強度螺栓連接或焊接，連接部位的現場施工質量也會影響鋼橋整體結構的耐久性。

除材料、結構層面的耐久性挑戰外，橋梁-軌道結構體系特別是鋼軌伸縮調節器與梁端伸縮裝置和有砟道床，在列車荷載、大溫差環境下長期反復作用和橋梁空間變形的影響下，易產生道床粉化、軌枕空吊、剛度突變等病害，影響線-橋系統的長期性能穩定。

2.2.2 峽谷風環境下的橋梁抗風設計和行車性能

受地形地貌、大氣流動等影響，川藏鐵路沿線峽谷區風環境復雜。峽谷風與常規風場差異性顯著，具有平均風速高、湍流強度大、風攻角大、陣風系數高等特點[10]，且不同峽谷區域的風場特性差異性大，現行規范無法完全滿足峽谷特殊風環境的橋梁抗風設計需求。川藏鐵路沿線多座大跨度橋梁位于深切“V”形峽谷區，橋梁跨度大，橋面距離谷底高差大，致使橋面風速高、風攻角大，加之大跨度橋梁結構較柔、阻尼比小，已有研究表明在正攻角時主梁易產生渦激振動等問題。近年來國內外多座服役大跨度懸索橋先后出現渦激振動使得這一問題成為關注焦點，而鐵路懸索橋渦激振動及其控制研究更少。此外，大跨度橋梁跨越深切峽谷時往往與相鄰隧道相接，橋隧過渡區范圍受局部地形影響導致溫度場、風場分布特性復雜，對該區域的抗風設計和行車性能需專門考慮。復雜的強風環境易導致橋上列車的脫軌系數、輪重減載率、輪軸橫向力等指標超限，影響行車安全。除運營期間的抗風問題外，復雜環境大跨度橋梁分段施工期間的抗風穩定性也面臨一定挑戰。

2.2.3 近斷層地震作用下的橋梁結構與行車安全

近斷層地震具有高能量脈動特點，地震斷層具有顯著的方向性和滑移性，其中方向性效應出現在垂直于斷層方向上，表現為加速度幅值很大，對橋梁結構的破壞大。然而，近斷層鐵路橋梁的建造案例較少，針對近斷層地震動特性及其產生機理、近斷層鐵路橋梁的損傷失效機制、以及近斷層地震下列車脫軌原因等的研究成果仍較匱乏。近年來針對橋梁減隔震設計、橋梁抗震韌性、地震作用下高速鐵路車-軌-橋系統安全等的研究成為熱點[11-14]，但可以直接用于川藏鐵路近斷層地震作用下橋梁抗震設計的成果較少，針對震時、震后的行車安全控制仍有待進一步研究。

2.2.4 高原峽谷橋梁施工安全與質量控制

川藏鐵路高原深切峽谷特殊復雜環境給鐵路大跨度橋梁施工帶來較大挑戰[15]。從目前的橋型來看，川藏鐵路10座大跨度橋梁有3座均為鋼桁梁懸索橋；4座拱橋中有3座鋼桁拱橋、1座免涂裝耐候鋼管混凝土拱橋[16]。我國已經積累了一定的山區鐵路懸索橋和拱橋施工經驗，但因為施工環境、結構設計等存在差別，川藏鐵路大跨度橋梁的施工又有其自身特點，面臨一定的技術挑戰。具體表現如下。

(1)3座鋼桁梁懸索橋的跨度大，千米級山區鐵路懸索橋為世界首次建造，面臨邊坡陡峭、巖體破碎、風場復雜、高寒缺氧和紫外線強、日溫差大等惡劣的外部施工環境，橋梁施工具有施工工藝復雜、施工周期長等特點。

(2)山體陡峻斜坡上施工場地狹小、交通不變，臨建設施建設難度較大，給基礎施工帶來困難。大渡河橋兩混凝土索塔基礎采用變直徑鋼管混凝土/混凝土鉆孔樁，最大樁徑為3.5 m，如何保證變直徑樁基的成孔質量，需重點考慮。懸索橋錨碇均采用隧道錨，隧道錨與正線隧道的間距較小，施工存在相互影響；長導洞大坡度破碎巖隧道錨施工機械設備的快速進出洞和出渣效率、大斷面圍巖施工期結構安全等面臨挑戰。

(3)高原、大溫差環境下混凝土索塔液壓爬模施工期間如何應對強風、混凝土開裂等問題也需重點考慮，大渡河橋索塔最大高度達265 m，高塔混凝土施工質量控制難度大。

(4)深切峽谷風場對主纜架設及其線形控制具有直接影響。大渡河特大橋主纜為空間纜，在大溫差、日照及風力作用下存在自然扭曲，線形控制難度大；主纜鋼絲強度首次采用2 100 MPa，明顯高于金沙江特大橋和五峰山長江大橋的1870 MPa級主纜鋼絲強度，主纜制造的質量控制也面臨一定挑戰。

(5)大渡河橋跨中鋼桁梁節段采用纜索吊裝，單個吊裝節段長20 m，質量達650 t，由于鐵路懸索橋二期恒載重，空纜線形、成梁線形和成橋線形的高差相差較大，道砟容重、線形施工誤差及線形控制方案等對后期軌道線形具有直接影響，需充分考慮。

(6)川藏鐵路4座拱橋的跨度與已建橋梁基本相當，最大跨度為500 m。我國在山區各類型拱橋建設方面已積累了較為豐富的施工經驗，纜索吊機斜拉扣掛法施工技術水平已較成熟。但如何保證川藏鐵路極端環境下的施工質量和安全，仍需開展重點研究。

2.2.5 高原艱險環境橋梁運營維護和應急處置

鐵路橋梁投入運營后，其服役狀態與外部環境、結構設計、施工材料和工藝、竣工狀態、運營情況、養護維修方式和頻度等密切相關。如何進行各類數據的有效采集、分析和應用，并通過設備故障診斷、預測分析和健康管理提升設備維護管理的科學性，國內外尚沒有成熟的先例可循。川藏鐵路沿線橋梁、隧道等基礎設施共同組成一個巨系統，共同為上部軌道提供可靠支撐，并直接影響軌道形位；上部列車荷載則通過軌道結構的傳遞作用于下部橋梁。準確考慮外部復雜環境的車-線-橋耦合系統響應、線-橋一體化性能評估較為困難。而針對極端災害條件下可能發生的橋梁關鍵部位損傷乃至倒塌、列車脫軌等極端情況，災害預警和應急救援則還面臨著更多挑戰。

以上從橋梁耐久性、深切峽谷強風的橋梁抗風設計與行車性能、近斷層地震下的橋梁結構安全與行車安全、高原峽谷橋梁施工安全與質量控制、高原艱險環境橋梁的運營維護和應急處置等五大方面，梳理了川藏鐵路大跨度橋梁面臨的系列挑戰，可作為制定技術對策的基礎。

3 對策和建議

將川藏鐵路橋梁作為川藏鐵路基礎設施復雜巨系統下的一個子系統進行考慮，按系統工程學思想，以橋梁子系統為上部軌道提供可靠支撐和滿足行車安全平穩的性能需求為中心，考慮川藏極端環境，以“安全、適用、耐久、韌性”為性能目標，構建涵蓋設計、施工、運維等全生命周期的橋梁關鍵技術體系，為大跨度橋梁在生命周期各階段提供相應技術對策指導。其總體架構如圖1所示。基本思路為：橋梁應在設計階段充分考慮安全、適用、耐久和韌性的性能目標要求，同時考慮施工最不利工況和運營維護設計，其中，安全性包含結構安全和行車安全兩個層面；適用性從結構滿足正常工作條件下的使用功能需求、保證行車平穩性方面對結構剛度、振動指標等進行控制，在此過程中應考慮梁-軌協同設計；耐久性建議從材料、結構和體系3個維度分別進行考慮，以實現性能的長期保持；韌性是評價川藏鐵路橋梁在遭遇極端災害破壞后，通過人工干預，結構和功能恢復到正常狀態的能力，包含結構自身抗災能力、備災能力和恢復能力。

圖1 川藏鐵路大跨度橋梁建造和運營維護總體技術框架

分別從橋梁耐久性與長期性能保持、橋梁抗風設計及橋上行車性能、橋梁抗震設計與行車安全、橋梁施工安全與質量控制、橋梁安全運營與管理維護等五大方面闡述建造和運維技術對策。

3.1 橋梁耐久性與長期性能保持

川藏鐵路沿線主要城市處于大溫差環境，最大日溫差可達27 ℃以上。在現有鐵路混凝土結構耐久性設計規范規定的六類環境類別及作用等級基礎上，研究提出大溫差環境，給出其作用等級(W1，晝夜溫差≥25 ℃，年作用天數≥10 d，位于雅江、巴塘和昌都)，在混凝土橋梁耐久性設計過程中充分考慮溫差影響。具體的橋梁耐久性對策包括：(1)合理選擇混凝土材料及配合比，研發專門外加劑；(2)保證混凝土保護層厚度；(3)做好混凝土表面涂裝設計；(4)從結構和體系層面做好防排水設計和梁端伸縮縫設計。

針對鋼梁結構，國鐵集團企業標準《鐵路橋梁鋼結構及構件保護涂裝與涂料 第1部分：鋼梁》(Q/CR 749.1—2020)以經1年暴露后低碳鋼或鋅的單位面積上質量損失(g/m2)和厚度損失(μm)為分類標準，將大氣腐蝕環境分為C1～C5、CX六個級別，規定了鐵路鋼梁(包括鋼拱、鋼管混凝土拱、鋼索塔等橋梁主體結構)的初始涂裝、涂膜劣化后的重新涂裝和維護性涂裝等內容，而標準第2、3部分分別對支座、附屬鋼結構的涂裝與涂料進行了規定，較既有標準更為具體。考慮川藏鐵路沿線環境，需根據大氣腐蝕環境、紫外線輻射強度和暴曬試驗等綜合確定腐蝕等級，選擇適宜橋址環境的鋼結構表層涂裝體系。

除考慮耐久性好的涂裝體系外，耐候鋼及配套耐候高強度螺栓也是橋梁鋼結構的選擇。通過開展鐵路免涂裝高性能耐候鋼板選材、制造、耐候鋼橋構造細節研究，以及配套的耐候鋼高強度螺栓試制與試驗、安裝施擰工藝(數控定扭矩電動扳手及施工管理系統)等研究，耐候鋼及耐候高強度螺栓已在川藏鐵路拉薩—林芝段的臧木雅魯藏布江大橋實現應用。見圖2。

圖2 高強度螺栓連接施工管理系統及其現場施工

針對川藏鐵路雅安—林芝段的鋼橋設計，應首先根據沿線環境特征、橋型特點、全生命周期成本等做好涂裝高強鋼結構和免涂裝耐候鋼的方案比選，對免涂裝耐候鋼，應進一步開展雅安—林芝段沿線環境特征分類及橋梁用耐候鋼適應性研究、橋梁用高性能耐候鋼性能指標試驗(耐候性、母材力學性能、焊接性能、疲勞與斷裂韌性)、焊材及焊接工藝、免涂裝耐候鋼橋銹蝕層折減計算/關鍵構造疲勞試驗/構造細節防排水設計等、耐候支座、大直徑耐候高強螺栓深化研究，以及鐵路免涂裝耐候鋼橋的養護維修關鍵技術研究。

橋梁長期性能保持除需關注結構自身的耐久性以外，還應充分考慮大溫差條件下的橋上無縫線路設計和梁-軌協同設計。特別針對沿線多座千米級的鐵路鋼桁懸索橋，由于大溫差對于加勁梁豎向撓度變形影響非常明顯[17]，加勁梁的大撓曲變形將影響橋上軌道的幾何狀態，需要通過建立懸索橋上無縫線路的梁軌相互作用模型，分析伸縮、撓曲、制動和斷軌工況條件下的橋梁和鋼軌的受力及變形特征，進一步在大溫差條件下考慮鋼軌伸縮調節器、列車入橋方式、阻尼器、梁端空間變位等特殊因素對軌道狀態的影響。

對于大跨度鐵路橋梁，梁端區域軌道狀態對行車性能具有直接影響，是影響線-橋長期性能保持的關鍵。為降低鋼軌縱向力，需設置鋼軌伸縮調節器與梁端伸縮裝置，通過開展系列研究，提出了基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設計方法[18]，針對主引橋過渡區域剛度存在不均勻性、大日溫差條件下引起的梁端縱向往復伸縮位移及累積位移、梁端區域行車性能等問題，需要從梁縫區橋梁-軌道-伸縮裝置的一體化設計(含梁端變位控制、道床穩定性設計與伸縮裝置整體剛度設計等)、鋼軌伸縮調節器與梁端伸縮裝置的縱向伸縮協調設計、梁端區域車-線-橋耦合振動特性等方面開展精細化設計和研究。見圖3。

圖3 鋼軌伸縮調節器與梁端伸縮裝置(應用實例)

3.2 橋梁抗風設計及橋上行車性能

大跨度橋梁剛度低、阻尼比小，在深切峽谷需采用提高橋梁結構抗風性能的技術，主要包括：(1)增設氣動措施；(2)附加阻尼措施；(3)增加結構措施等。首先，應根據橋位風環境、橋型、跨徑等因素選擇合適的橋梁結構體系及構件氣動外形，當結構的抗風性能不滿足設計要求時，應通過優化構件氣動外形、增設氣動措施、附加阻尼裝置、改變結構體系或剛度等措施予以滿足。以上措施的效果主要通過風洞試驗進行驗證，針對川藏鐵路大跨度橋梁，需考慮深切峽谷地形對橋位風環境的影響，如橋隧過渡區局部地形風場，除運營階段外，有必要考慮橋梁施工階段的抗風穩定性。針對大跨度懸索橋阻尼比偏低可能引起渦激振動的情況，在風洞試驗中應考慮低阻尼比工況(0.2%～0.6%)，并通過阻尼調整措施予以解決。進一步結合風洞試驗、風-車-橋耦合振動分析等手段，分析豎向和扭轉渦振振幅對行車性能的影響，研究鐵路懸索橋渦激振動控制技術。

對于強橫風作用下車輛的安全措施，主要包括：(1)優化車輛斷面形狀；(2)通過強風監測系統控制列車運行速度；(3)設置風屏障。現代高速列車的飛速發展使得通過增加列車牽引質量、優化列車外形等手段來提高列車安全性能的余地已經越來越小。在保證安全的前提下最大程度地提高運營效率，目前各國普遍采用的防風措施是在強風路段設立防風柵，并廣泛應用強風預警系統。強風環境下的行車性能需通過風-車-橋耦合振動分析、考慮車-橋-風屏障系統的風洞試驗等手段進行驗證。同時提出不同風速等級下的車速閾值。

針對川藏沿線橋位日溫差較大的情況，尚需考慮風、溫度耦合作用的情況。針對風、溫度等復雜環境因素耦合作用對橋上行車的影響，高芒芒等提出采用弦測法控制橋面靜態不平順，用于指導大跨橋梁剛度設計以及車-橋耦合振動方面的研究[19]。

3.3 橋梁抗震設計與行車安全

提高近斷層橋梁抗震性能的措施主要包括：(1)采用與地形地貌相匹配的合理結構形式，避免地震激勵下可能的共振效應，降低結構地震響應；(2)結構加強措施，對主要抗側力構件如橋塔、橋墩等的配筋配箍進行加強，以提升其在強震下的變形延性能力；(3)采用減隔震措施、耗能減震裝置等，增加結構阻尼和耗能能力，降低結構地震響應[20]；(4)開展近斷層地震下的橋上行車安全保障措施研究，在已開發完成的高速鐵路地震預警監測系統基礎上，進一步深化拓展其針對川藏鐵路近斷層地震預警監測功能[21]；(5)深入調研日本等地震多發國家震時列車脫軌災害，從橋梁-軌道體系角度研究近斷層地震作用下軌道變形-列車脫軌機理，提出防止列車傾覆乃至落橋等的防護措施，并通過模型試驗驗證[22]。

3.4 橋梁施工安全與質量控制

為保證川藏鐵路大跨度橋梁施工安全與質量，建議重點開展以下幾方面的研究。

(1)開展針對施工工藝、技術和經濟的施工方案研究比選。在充分考慮現場環境和條件的前提下(詳細地勘資料、工程場地地震安全性評價、橋位風場和溫度場觀測等)[23]，編制施工組織設計文件，結合類似工程案例，對不同的施工方案從施工質量可靠性、技術可行性(施工安全、技術成熟)、工程造價等方面進行比選，選擇安全合理、經濟可行的施工方案。方案比選時應同時考慮各類施工臨建設施和防護措施的建設。

(2)建立完善的施工全過程風險評估方法。既有工程經驗表明，大跨度橋梁的最不利工況可能出現在施工階段而非運營階段。針對懸索橋、拱橋及斜拉橋等大跨度橋梁開展不同施工階段的風險定量評估，結合有限元分析等手段充分考慮各種不利條件下的結構受力和變形特性。考慮現場施工過程變化，建立動態風險評估與預警機制。

(3)針對大跨度鐵路橋梁的樁基礎，需研究陡峻斜坡、破碎巖體區的樁基鉆孔平臺以及保證成孔、成樁質量的施工信息化控制系統，做好樁基礎施工安全和質量管理。針對大跨度鐵路懸索橋的隧道錨，研發針對川藏鐵路長導洞、大坡度、破碎巖隧道錨的成套智能化施工裝備和控制系統，實現快速開挖及出渣、錨塞體混凝土灌注質量控制、施工全過程自動監測預警。

(4)針對大跨度鐵路懸索橋和斜拉橋混凝土索塔施工，研究高原、高寒、大溫差環境下的高塔高性能混凝土制備和泵送施工技術，如研發專用低熱硅酸鹽水泥，通過添加黏度改性劑配制降黏混凝土，提高混凝土的可泵性等[24]。研發智能防風抗風液壓爬模系統，實現遠程控制，提高爬升效率。

(5)針對千米級山區鐵路懸索橋的纜索體系施工，應通過施工精細化控制確定合理空纜線形，通過增設抗風纜等措施實現主纜抗風安全，合理確定索夾螺桿的張拉時機、保證螺栓預緊力。大渡河橋采用空間主纜，主纜強度達2 100 MPa，應通過高質量盤條、抗扭轉及疲勞試驗等保證主纜制造質量，同時研究針對空間主纜的成套施工技術，確保施工精度。由于主纜在溫度變化作用下對加勁梁線形影響很大，為準確掌握其規律，建議開展“智能索”研究，提前在主纜索股中布設溫度傳感元件，掌握主纜溫度場與加勁梁線形之間的變化規律，為后期安全運營奠定基礎。主纜是懸索橋的生命線，面對川藏鐵路惡劣環境下的“百年工程”要求，應切實保證主纜防護與除濕系統的設計和施工。

(6)針對大跨度鐵路懸索橋的加勁梁的制造與施工，建議鋼桁梁在工廠進行單元制造，現場鋼梁預拼場節段整體拼裝，通過虛擬預拼裝技術提高拼裝精度和質量(圖4)。為減少現場焊接工作量，建議采用整節段鋼桁梁，通過纜索吊機起吊安裝。針對大跨度鐵路拱橋拱圈施工，應借助BIM虛擬建造和有限元分析，通過合理分節和施工過程優化，實現快速成拱。

圖4 鋼桁桿件精度管理與節段虛擬預拼裝

(7)開展面向軌道線形的大跨度橋梁主梁線形控制目標及誤差控制研究，明確主梁成橋線形。在懸索橋加勁梁分階段施工過程中，做好鋼梁節段的精確稱重和道砟稱重，充分考慮結構自重對橋梁線形的影響，通過分析每階段的施工誤差，對加勁梁線形進行合理調控，從而確保主梁線形滿足成橋線形和軌道線形的要求。對斜拉橋、拱橋的施工線形控制，其對溫度變化雖不如懸索橋敏感，但同樣應作為重點控制內容考慮。由于大跨度橋梁施工過程復雜，應通過施工監控系統做好施工全過程的數據管理(圖5)。

圖5 基于BIM的大跨度橋梁施工監控系統

3.5 橋梁安全運營與管理維護

準確把握川藏鐵路沿線橋梁運營期的服役狀態和特殊惡劣環境下橋梁劣化機理，對保證結構安全、橋上行車安全平穩和制定合理養修計劃非常關鍵，需借助現代化檢測、監測技術和管理手段，在基于多源數據的橋梁分析評估和養修決策、橋梁災害預警與救援等方面開展深入研究和應用。

橋梁健康監測是目前大跨度橋梁運營管理的手段之一，與人工巡檢、定期檢測等共同組成橋梁的檢、監測技術體系。國內近年來針對大跨度鐵路拱橋、斜拉橋和懸索橋開展了檢測、監測關鍵技術的研究，建立了基于BP神經網絡、1/3倍頻程譜等的橋梁整體損傷預警方法，在支座、斜拉索及吊索、梁端伸縮裝置等的檢監測和評估方面也取得應用性成果。在橋梁表觀缺陷檢測、監測方面，研發了基于移動攝像的橋梁外觀自動檢測系統；提出了基于卷積神經網絡的橋梁高強螺栓缺失圖像識別方法(圖6)。以上研究成果為指導橋梁的安全運營與管理維護提供了借鑒，為進一步深入研究奠定了基礎。考慮到川藏鐵路大跨度橋梁的復雜服役環境，簡單實用的健康監測系統設計、環境-荷載耦合作用下的橋梁結構性能退化機理、線-橋一體化檢測監測關鍵技術等方面仍需開展進一步研究。

圖6 鐵路橋梁高強螺栓缺失圖像識別

在運營管理方面，融合軌道周期性檢測數據、橋梁健康監測數據和日常巡檢數據等，通過評價、預測線橋服役狀態，制定合理的健康管理對策，是未來大跨度鐵路橋梁養護維修發展的趨勢，以上述核心技術為支撐而搭建的故障預測與健康管理系統(PHM，Prognostic and Health Management)，其關鍵技術體系如圖7所示。該系統通過實時監測和視情維修進行RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)鐵路管理。該管理系統首次在京滬高鐵南京大勝關長江大橋嘗試應用[25]。PHM系統的核心仍是基于檢測、監測數據深度挖掘的線橋狀態評估、預測和養修管理，是決定系統應用效果的關鍵。盡管PHM系統在航空航天、機車車輛等領域已部署實施，但橋梁-軌道系統在響應特征、外部激勵源、敏感指標等方面存在明顯區別。針對川藏鐵路橋梁運營期管理，有必要開展針對性研究，建立橋梁-軌道-檢測車一體化檢監測關鍵技術。

圖7 大跨度鐵路橋梁故障預測與健康管理(PHM)關鍵技術體系

針對運營期可能遭遇的極端突發災害，如近斷層地震造成的橋梁關鍵部位損傷、泥石流及滑坡等引起的結構破壞以及由此導致的列車脫軌等災害，尚需進一步考慮橋梁災害預警和應急救援。考慮突發災害的特殊性，需開展基于信息化的災害監測與應急救援關鍵技術的研究。首先，通過在前端布設專門的災害監測元件(低功耗表面傾斜儀、高頻檢波器、地震加速度計、高清攝像頭等)、穩定高效的數據傳輸單元，實現對數據的實時采集和災害及時預警；其次，研究結構損傷、災害對行車安全的評價指標體系和閾值；在此基礎上，針對行車安全控制方面，研究建立穩定、安全、可靠的行車安全控制機制；以上災害監測信息、閾值指標和行車安全控制應統籌考慮，以實現數據的集成、高效和聯動分析，以及快速決策。在應急救援措施方面，需在充分考慮各類極端災害基礎上開展專項研究，在應急救援通道設計和疏散方案、應急救援工程措施和關鍵設備研發、基于虛擬現實的應急救援技術、應急救援一體化管理系統等方面進行深入攻關，確保人員安全、車輛安全和線-橋系統的快速修復和搶通，提高系統韌性。

綜上所述，考慮到川藏鐵路橋梁運營維護的復雜性，應在大橋建設階段就提前組織橋梁運營維護的專項設計，運維設計應遵循RAMS的理念，通過關鍵技術問題科研攻關，形成一套完善的適應川藏鐵路大跨度橋梁的檢養修體系，滿足安全、適用、耐久和韌性的要求。

4 結語

以川藏鐵路大跨度橋梁為工程背景，梳理了橋址區環境特征，分析了高原高寒復雜艱險環境下橋梁建設面臨的挑戰，針對橋梁結構耐久性與長期性能保持、橋梁結構抗風及橋上行車性能、橋梁抗震設計與行車安全、橋梁施工安全與質量控制、橋梁安全運營與管理維護等提出了相關對策和建議，主要創新成果如下。

(1)考慮大橋設計、施工和運營全生命周期，從材料、結構和體系維度，梳理川藏鐵路大跨度橋梁面臨的技術挑戰，并在橋梁-軌道體系層面提出了大溫差等復雜惡劣環境下長期性能保持、鐵路懸索橋渦激振動控制、近斷層地震下的車-軌-橋系統安全、考慮軌道線形的橋梁施工全過程控制、線-橋一體化性能評估等關鍵問題。

(2)以橋梁為上部軌道提供可靠支撐和滿足行車安全平穩的性能需求為中心，從“安全、適用、耐久、韌性”的性能目標出發，同時考慮設計、施工和運維的內在聯系，提出川藏鐵路大跨度橋梁建造和運營維護的總體技術框架。

(3)考慮川藏鐵路復雜惡劣環境，在橋梁耐久性與長期性能保持方面，提出了大溫差環境類別、混凝土及鋼橋的耐久性設計以及大溫差條件下的橋上無縫線路設計和梁-軌協同設計建議；在橋梁抗風與橋上行車性能方面，提出了低阻尼比條件下的風致振動及其控制措施，以及針對鐵路懸索橋渦激振動控制的研究方法；在橋梁抗震設計與行車安全方面，提出了橋型選擇、延性設計、減隔震措施、地震預警監測、列車脫軌機理和防護措施等技術對策。

(4)在橋梁施工安全與質量控制方面，指出施工方案比選應充分考慮環境、臨建設施和防護設施；施工風險分析應做到定量和動態風險評估；應重視溫度、風等環境持續監測，并研發適應高原惡劣環境的高端施工裝備以及智能信息化控制系統；主梁線形控制應考慮軌道線形要求。

(5)橋梁安全運營與管理維護方面，通過橋梁運營維護專項設計，持續開展橋梁健康監測、故障預測與健康管理方面的深化研究，以大數據作為支撐，研究環境-荷載耦合作用下橋梁性能退化機理，同時通過線-橋一體化檢測、監測實現對性能演化規律的深刻認識，以更好實現預防性養修。提出開展基于信息化的災害監測與應急救援關鍵技術的研究思路，以提高系統韌性。