山區鐵路跨越V形峽谷橋梁方案比選研究

王小飛，張 杰，周 繼，王新國

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.中鐵建大橋設計研究院，武漢 430063)

1 工程概況

烏江特大橋是新建甕馬鐵路南北延伸線的重點控制工程之一，位于貴州省黔南布依族苗族自治州市甕安縣境內。大橋跨越兩山之間烏江河谷，山勢極為陡峭，地面高程477.85～877.66 m，地勢起伏較大，相對高差約400 m。

橋址處兩岸坡度較陡，自然坡度60°～85°，兩側橋臺基巖裸露，局部植被覆蓋，多為樹林、灌木及雜草，交通不便。根據鉆探揭露，橋址區表層上覆第四系地層，主要為粉質黏土，下伏巖層為鈣質角礫巖，基本承載力1 500 kPa。橋址區多年平均風速2.1 m/s，年最大風速18 m/s，年平均氣溫13.6 ℃，極端最高氣溫34.3 ℃，極端最低氣溫-9.2 ℃，設計基本地震加速度0.05g，橋址處地形斷面見圖1。

橋址上游390 m為S205省道江界河大橋，全長461 m，主跨為330 m上承式預應力桁架拱橋。橋址處地形地貌及上下游建筑物見圖2。

圖2 烏江特大橋橋址地形地貌及上下游建筑物

2 主要技術標準

(1)鐵路等級：II級(貨運預留客運開行條件)

(2)軌道類型：有砟軌道

(3)正線數目：單線

(4)線路條件：直線、縱坡6‰

(5)速度目標值：120 km/h

(6)設計活載：ZKH活載

(7)設計洪水頻率：1/100

(8)地震基本烈度：Ⅵ度

3 橋式方案

復雜艱險山區溝壑縱橫、地質復雜、運輸不便、施工場地狹窄、后期運營養護維修困難，橋位應選擇邊坡穩定且地質條件較好的區域，橋型結構方案和施工方法的選擇應適應艱險山區的建設及運營養護條件[1]。烏江特大橋跨越V形深切峽谷地形且橋位較高，對于梁式橋和斜拉橋而言，橋址兩岸地形高差較大，小里程側無布置橋墩及邊跨的條件，宜優先采用懸索橋和上承式拱橋通過[2-3]。

根據橋位處特點，以滿足功能適用、結構合理、造價經濟、施工方便為原則，提出3種橋型并進行比較分析，分別為：主跨530 m鋼箱梁懸索橋(方案1)，主跨326 m上承式非對稱鋼管混凝土桁架拱橋(方案2)及主跨337 m上承式勁性骨架混凝土拱橋(方案3)。此外，烏江特大橋位于江界河國家風景區二級保護區范圍，橋式結構還應滿足與周邊景觀相協調的要求。

3.1 方案1：鋼箱梁懸索橋

方案1根據橋址環境及布跨條件，采用主跨530 m鋼箱梁懸索橋。全橋設2根主纜，主纜跨徑為(530+154.5)m，主纜中心距為12 m，邊跨無吊索，主橋甕安側不設橋塔，順地形錨固于山頂。主梁跨徑為(18+451+48)m，3跨連續結構。兩岸錨碇為重力式錨，其中，甕安側錨碇為復合式重力錨，索鞍兼具主索鞍和散索鞍功能。方案1鋼箱梁懸索橋效果見圖3，全橋布置見圖4。

圖3 方案1鋼箱梁懸索橋效果圖

圖4 方案1鋼箱梁懸索橋方案全橋布置(單位：m)

懸索橋受力明確、合理、跨越能力大，同時，懸索橋整體造型流暢美觀、施工相對方便、安全快捷，在剛度滿足使用要求的情況下，能較好地應用于山區橋梁[4]。目前，國內已建成普立特大橋[5]、矮寨特大橋[6]、壩陵河大橋[7]、麗香鐵路金沙江大橋[7]等跨V形峽谷公路、鐵路懸索橋。

(1)主梁

主梁采用正交異性板流線型鋼箱梁結構，單箱單室截面，梁高4.0 m，密橫隔板體系。鋼箱梁頂板結構寬12 m，水平底板寬5 m，斜底板水平寬度3.5 m，鋼箱梁中心兩側6 m處設置1道縱腹板，吊桿以錨拉板形式錨于縱腹板上方，主梁斷面布置如圖5所示。

圖5 方案1主梁橫斷面(單位：mm)

鋼箱梁以3 m間隔布置橫隔板，橫隔板兩側設置豎向及橫向加勁肋，以保證主梁具有足夠的橫向剛度、抗扭剛度，滿足施工期間橋面吊機及運營荷載產生的局部變形及應力要求[8]。

(2)橋塔及鞍座

主塔采用鋼筋混凝土門式框架結構，橋塔全高90.5 m，主要由上、下塔柱和上橫梁組成，兩塔柱橫橋向中心距由塔頂12 m變化至塔底19.365 m，塔柱橫向呈1∶23.5的坡度。橋塔取消下橫梁，使用鋼筋混凝土橋墩替代，橋墩與塔柱共用基礎并在墩頂設置三向約束體系以消除塔柱的不利受力。橋塔構造如圖6所示。

圖6 方案1橋塔構造(單位：cm)

遵義側橋塔頂部設主索鞍，主纜接入錨碇位置設散索鞍。由于烏江特大橋兩岸地形高差近百米，甕安側山頂與遵義側塔頂幾乎同高，因此，甕安側不設橋塔，主纜順地形錨固于山頂，索鞍兼具主索鞍和散索鞍功能。

(3)主纜、吊桿

主纜采用強度1 770 MPa的鍍鋅鋁合金鋼絲，每根主纜為61股，每股含91根φ5.5 mm鋼絲。

農村水利現代化是一項跨領域的社會性系統工程，必須建立相應的機構專門推動，整體協調推進天津市農村水利現代化，盡快組織起草并以市政府名義印發《關于加快天津市農村水利現代化的意見》，統籌天津市發展改革、水務、財政、農業、國土房管等部門，密切配合，建立工作機制，強化部門合作，細化工作措施，支持農村水利現代化，明確農村水利現代化年度工作計劃，制定相應的工作時間表；有農業區縣是農村水利現代化的責任主體，應成立相應的組織機構，將各項工作任務落實到分解到部門、細化到責任人。

吊索采用抗拉強度為1 670 MPa的鍍鋅鋼絲，最大吊索為109φ7 mm平行鋼絲，PE護套表面纏絲或表面麻坑以防止風雨振。

(4)錨碇設計

兩岸錨碇為重力式錨，其中，甕安側錨碇為復合式重力錨，索鞍兼具主索鞍和散索鞍功能。甕安側錨碇高47.5 m，縱向寬55 m，橫向寬40 m，考慮地面橫坡高差影響，錨碇橫向亦設計成階梯狀；遵義側錨碇高39 m，縱向寬46 m，橫向寬45 m。

(5)施工方法

①采用機械開挖結合局部爆破的方法施工錨碇及主塔擴大基礎，分層澆筑混凝土；②采用爬模法施工橋塔，吊裝定位主索鞍，待橋面系完成主索鞍最終就位后，安裝塔冠，完成索塔施工；③ 主纜架設施工采用預制平行鋼絲索股，逐根架設的施工方法(PPWS)[9]；④鋼梁由船經烏江運輸就位后采用跨纜吊機安裝，吊裝順序為先中間后兩側。跨中鋼箱梁通過跨纜吊機垂直吊裝，兩側鋼箱梁通過擺動吊裝；邊跨鋼箱梁通過支架滑動至設計位置后拼裝成整體。

3.2 方案2：上承式鋼管混凝土桁架拱橋

圖7 方案2上承式鋼管混凝土桁架拱橋全橋布置(單位：m)

圖8 方案2上承式鋼管混凝土桁架拱橋效果圖

拱橋能夠很好地適應V形山谷地形，能夠充分發揮其受壓為主的結構特點[10]。單幅雙肢鋼管的桁架式拱肋在滿足鐵路橋梁剛度要求的同時提升了主拱的通透性和景觀性，非對稱主拱設計能夠適應橋址處特殊地形，減小跨度[11]。我國張吉懷鐵路主跨292 m酉水大橋即采用了該結構形式，目前已完成主體結構施工[11]。

(1)主拱圈

主拱結構由4根鋼管與橫向聯接系組成，拱肋中心距在拱頂為8.0 m，拱腳為17.0 m。主桁為“N”形桁架，節間水平投影長度8.0 m，為減小拱肋節段吊重，拱腳節間水平投影長度取7.0 m。拱桁的上弦桿、下弦桿都采用內徑1.5 m鋼管截面；一般位置拱桁腹桿、橫聯和平聯為“H”形截面，在拱腳處和設置拱上立柱處等受力較大部位加強為箱形截面，主拱肋斷面示意如圖9所示。

圖9 方案2主拱肋橫斷面

(2)主梁

主梁采用剛構-連續體系，梁高3.0 m，單箱單室截面。兩側邊跨、次邊跨采用預應力混凝土箱梁，與交界墩固結形成T形剛構；拱頂范圍采用鋼-混結合梁，與高度較高的拱上立柱頂部固接，在減小拱上立柱尺寸的同時，提高拱上結構整體剛度[11]。

組合梁中鋼梁部分高2.45 m，橫隔板間距3.0 m。組合梁與混凝土箱梁間設置鋼-混過渡段，采用梯形填充混凝土后承壓板式鋼—混接頭，通過設置PBL剪力鍵與剪力釘共同保證了鋼-混結合段力的可靠傳遞和擴散[12]。組合梁典型截面見圖10。

圖10 方案2主梁橫斷面(單位：cm)

(3)交界墩及拱上立柱

拱腳處剛構墩為矩形截面空心墩，鋼筋混凝土結構，甕安側、遵義側交界墩墩高分別為87.5，78.7 m。

拱上立柱采用鋼桁架結構，墩高1.64～51.09 m。立柱采用箱形截面，傾斜角度與拱肋一致，橫橋向兩根立柱間設置“×”形橫聯以減小其面內計算長度。

(4)主拱基礎

主拱基礎采用擴大基礎，鋼筋混凝土結構，拱座縱橋向水平投影長度25.0 m，橫橋向水平投影長度24.0 m，拱座底面和背面埋入岸坡穩定線內。

(5)施工方法

①主體工程施工前，先進行場地平整、便道修筑，由于拱腳伸入穩定邊坡線內，采用爆破法開挖拱座基礎及交界墩處巖石，并采用預應力錨索對拱腳上方山體進行防護。②主拱施工采用纜索吊裝、懸臂拼裝法進行。主拱鋼管在工廠制造，運輸至工地進行預拼，再由高空纜索吊結合扣背索進行懸臂吊裝施工，懸拼由兩岸同時進行，在拱頂處合龍形成穩定的拱圈。③主拱圈施工完后壓注管內混凝土，待管內混凝土達到設計強度90%后吊運拱上立柱各節段至拱頂進行栓接拼裝。④兩側T構采用懸澆法施工，纜索吊運鋼-混組合梁的鋼構件，栓接拼裝成鋼梁，借助鋼梁施工混凝土橋面板，預留墩頂負彎矩區澆濕接縫最后澆筑，張拉預應力鋼索，完成拱上梁部施工。

3.3 方案3：上承式勁性骨架混凝土拱橋

方案3采用主跨為337 m的上承式勁性骨架混凝土拱橋，主拱矢高61.5 m，矢跨比1/5.48，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數2.0。主梁采用鋼-混凝土結合連續梁，孔跨布置為(45.7+47.7)m+(6×41.5)m+(46.7+2×39.6+41.5)m，橋梁全長520.92 m。方案3上承式勁性骨架混凝土拱橋效果見圖11，全橋布置見圖12。

圖11 方案3上承式勁性骨架混凝土拱橋效果圖

圖12 方案3上承式勁性骨架混凝土拱橋全橋布置(單位：m)

混凝土拱橋具有跨越能力強、剛度大、承載能力強、造價低、后期養護維修工作量小等優點[13-14]。勁性骨架本質為無支架法中的一種，除施工方便外，還對外包混凝土產生約束作用，具有結構徐變相對較小的優點，十分符合U形或V形峽谷鐵路大跨橋梁的要求[15-16]。

(1)主拱圈

主拱圈由鋼管混凝土勁性骨架外包C55混凝土構成，采用單箱雙室矩形截面，橫向外寬10.0 m，外高6.5 m，壁厚1.1～1.5 m，拱腳局部加厚，全拱范圍內設置11道橫隔板，位于拱上立柱下方。

勁性骨架上、下弦桿采用鋼管混凝土構件。上、下弦主鋼管共計6肢外徑900 mm鋼管，管內灌注自密實無收縮C60混凝土。拱肋斷面布置如圖13所示。

圖13 方案3主拱圈截面(單位：cm)

(2)主梁

主梁全高3.2 m，其中，鋼梁采用2片工字形截面，外高2.78 m，兩片鋼梁中心間距4.5 m。混凝土板橋面寬9.9 m，板厚0.4 m，通過剪力釘與鋼梁連接。鋼梁每間隔6.0 m設置1道橫隔板，每隔1.5 m設置1道橫肋，加強整體性及橫向穩定性，主梁斷面布置如圖14所示。

圖14 方案3 主梁橫斷面(單位：cm)

(3)交界墩及拱上立柱

拱腳交接墩及拱上立柱均采用矩形截面空心墩結構。甕安側、遵義側交界墩墩高分別為59.5，57 m。拱上立柱按等截面設計，尺寸為7 m×3.5 m，壁厚0.6 m，立柱底部設置實心混凝土墩座與拱圈連接。

(4)主拱基礎

主拱基礎采用擴大基礎方案。為減少邊坡開挖，基礎采用喇叭狀斷面設計以保證基礎地面埋入穩定邊坡線內，并采用隧洞式開挖的施工方法，拱座基礎高為26.48 m，順橋向長29.49 m，橫向寬14.0 m。

(5)施工方法

本方案下部基礎及勁性骨架施工方法與方案2鋼管混凝土拱方案相同，采用纜索吊裝+斜拉扣掛法安裝各節段勁性骨架就位后，采用移動掛籃分環分段澆筑主拱圈外包混凝土[17-18]。

主拱施工完成并滿足設計要求后采用翻模法施工交接界面墩及拱上立柱。主梁鋼梁在鋼管拱廠預制拼裝，采用水面運輸及吊裝施工；主梁混凝土橋面板在橋面板預制場預制，通過便道運輸至甕安側拱腳位置，纜索吊分節段吊裝預制混凝土橋面板，現澆濕接縫，完成拱上梁部施工。

4 方案比選

以上3個橋型方案均能夠滿足線路平、縱斷面布置要求，且均通過結構安全計算，方案可行。其中，懸索橋方案剛度最小，撓跨比1/309，混凝土拱橋方案剛度最大，撓跨比1/2 023，各工況橋梁位移見表1。

表1 ZKH靜活載作用下橋梁位移對比

各方案優缺點比較見表2。

表2 各方案優缺點比較

懸索橋方案橋式結構成熟，避免了在陡坡上施工，對山體破壞最小，是山區鐵路跨越峽谷橋梁的常用橋式方案，兩岸橋塔及錨碇施工條件較好，主橋施工較為方便。但其小里程側在隧道上方傳遞了巨大豎向力的前提下，還附加了重力式錨錠的重力，巖體受力不利。

上承式鋼管混凝土桁架拱橋方案主拱采用桁架式雙肢鋼管截面，主拱通透性佳，景觀性好，拱上結構采用剛構-連續體系，將高度較高的立柱頂部與梁固接，在減小拱上立柱尺寸的同時，提高整體結構的剛度。但其交界墩采用T形剛構，剛構立柱作用于主拱擴大基礎頂面，需大規模開挖巖體，施工難度較大。且桁架式主拱桿件繁多，不僅用鋼量大，且后期養護維修須大量高空作業，工作量大。

上承式混凝土拱橋方案具有跨越能力強、承載能力強、造價低、后期養護維修工作量小等優點，且其混凝土主拱剛度大、變形小，動力性能良好，十分符合鐵路大跨橋梁的要求。該方案主拱采用小矢跨比設計，與上游江界河大橋線形相似，整體景觀效果好，在降低交界墩高度的同時減小拱座基礎規模，減小了山體開挖等施工風險。此外，勁性骨架法是利用型鋼或鋼管混凝土作為拱圈骨架兼做施工支架，分段分層澆筑外包混凝土，該法有效解決了大跨度混凝土拱橋由于自身結構太重帶來的施工困難問題，施工方便[19-20]。

5 結論

通過對烏江特大橋橋梁方案進行研究、比選，從施工特點和養護維修考慮，混凝土拱橋方案減少了山體開挖，降低施工風險，并具有節省鋼材，易于后期養護等優點；從景觀特點考慮，混凝土拱橋方案整體景觀效果與V形溝谷搭配，采用小矢跨比設計與上游江界河大橋在視覺上統一、協調；從結構整體受力特性、工程造價比較，混凝土拱橋方案更優，確定該橋采用主跨337 m的上承式勁性骨架混凝土拱橋方案。

因此，在山區鐵路跨越V形峽谷橋梁的設計過程中，應充分結合地形、地質條件，并考慮經濟性、結構特點、景觀特點、施工特點以及后期養護維修難度等對橋梁方案進行充分論證，選擇安全可靠、施工便捷、經濟合理的橋梁方案。