山區高速鐵路跨江河大橋方案研究

何一凡

（中鐵四院集團南寧勘察設計院有限公司，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

隨著近年來經濟高速發展，我國已成為全球最大的高速鐵路國家。在建設山區高速鐵路的過程中，跨江河處橋梁的選位及孔跨布置則成為了線位控制的重要因素，因此山區高速鐵路跨江河大橋的方案研究是非常必要的。

1 橋址選位要求研究

在已定線路大方向的前提下，技術復雜的特大型橋梁的橋位應根據河流形態、地質特點、通航條件、地面設施、施工布局以及與地方經濟社會發展的關系，在較大范圍內作全面比選確定。當方案比選結果條件相當時，應優先采用水文、地質及地形條件較好的橋位。橋位選擇應按《鐵路水文規范》執行，通過長期的研究總結出幾點注意事項：

（1）主槽流向與河流總的趨向一致的較長河段是較適宜的橋位。如河灣已發展到直逼河谷的基本岸邊，橋位則宜在河灣頂部中間部分，不宜在較近的兩河灣之間的直線過渡段選擇橋位，以防河床的演變。

（2）在平原游蕩河段上的橋位，宜選在兩岸有依托的較長束窄段上，如岸壁為崖坎或具有抗沖能力的土質地段。

（3）在有水害的河流上進行橋位選擇時應盡可能在泛濫寬度較窄的中游河段上通過，以盡量縮短泛區分洪橋和河灘路堤的長度。

（4）線路在水庫壩址下游通過時，應滿足水庫管理區范圍安全管理條例的相關要求，如水庫的校核洪水頻率標準低于橋梁洪水頻率標準，或壩體質量明顯有問題時，應研究線路繞避水庫方案。若無法繞避時，除按河流天然狀況設計外，并應適當考慮潰壩可能對橋涵造成的不利影響。

（5）線路在峽谷陡坡地帶、水庫地區跨河時，應徹底查明兩岸巖層風化程度、覆蓋層厚度、穩定性以及水庫坍岸線等地質情況，以便據此決定橋位方案。

2 橋梁基本情況簡介

新建南寧至深圳鐵路玉林至岑溪（桂粵省界）段，線路長度84.970km，設計時速350km/h。容縣北流河特大橋位于廣西省玉林市北流市容西鎮東部，橋址范圍內處于丘陵山區、地勢起伏，多為低矮山丘，沿線植被較為茂盛，多為低矮灌木，沿線有零散村落分布，有村道相連。空地多開辟為農田和旱地。兩側橋臺位于山坡，地勢較陡。

橋址處跨越北流河，河流與線路大里程夾角為90 度。北流河被稱為古代南方水上絲綢之路，是難得一見向北流的河流，流域面積9359 平方公里，多年平均年徑流量80.1 億立方米，干流長259 公里，河道坡降0.47‰。橋址區的巖土層按其成因分類主要有：第四系全新統坡積層（Qel+dl）、第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）、下伏基巖主要為泥盆系下統蓮花山組（D1l1）灰巖。橋址區抗震設防烈度為7 度，橋梁建設位置處的北流河為規劃Ⅳ級航道，通行1000 噸級單船及2×500噸船隊，100年一遇洪水水位為82.70m，橋梁梁底最低標高為100.074m，高于洪水位17.374m。根據《內河通航標準》，Ⅳ級航道通航凈高不小于8m。最小通航凈寬單向通航孔不小于45m，雙向通航孔不小于90m。

3 橋梁設計方案研究

3.1 從橋梁工程角度分析

北流河，珠江流域西江的一級支流，為北流市、容縣境內的最大河流。南深鐵路玉岑段跨越北流河，橋址位于容縣水文站上游3.25km處，橋址處北流河集水面積F＝2831km2，百年流量為Q1%=4340m3/s，百年水位H1%=82.7m，對應流速V1%=3.15m/s。

根據北流河航道管理部門要求，北流河為規劃Ⅳ航道，通航凈高需要8m，通航凈寬90m。根據北流河水利防洪管理部門要求，橋梁等跨河建筑物對河道的阻水比不能超過7%。

（1）橋跨方案比較。方案一：線位與河道夾角約90°，采用（70+125+70）m 連續梁方案跨越北流河，如圖1 所示。橋址處河道順直，水流平穩，對跨河橋梁橋墩的沖刷影響較小，根據壅水分析計算成果，發生100 年一遇洪水時，橋梁阻水比為4.31%，對河道行洪影響較小，河道沖刷對橋梁影響也較小。該處橋位最優，線路與河流正交，河道寬最窄，對河道的影響最小。

圖1 方案一橋址平面

方案二：線位與河道斜角53°，結合通航凈空要求和防洪阻水比要求，只要一跨過河，需增加跨度為（112+224+112）m 連續梁+鋼管拱組合橋梁，如圖2所示。跨點位于河道彎道，河道彎折，水流紊亂，不推薦該橋址。特別是西側河岸，處于彎道迎水面，河道沖刷較大，該處橋墩需設于河岸上。

圖2 方案二橋址平面

方案三：線位與河道斜角49°，由于橋位距離下游600m 為既有公路橋，兩座橋橋位距離不滿足四級航道代表船型的3 分鐘航程距離，該處橋位需要一跨過江，橋墩不能侵入最高通航水位范圍水面，結合通航凈空要求和防洪阻水比要求，采用一跨過河，需增加跨度為（112+238+112）m 連續梁+鋼管拱組合橋梁，如圖3 所示。其跨點位于河道彎道，河道彎折，水流紊亂，不推薦該橋址。

圖3 方案三橋址平面

方案二、方案三，由于溫度跨達到336m，無砟軌道需要在橋上安裝鋼軌伸縮調節器，鋼軌伸縮調節器對鐵路運營和維護都造成一定不良影響。

根據《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）9.7.1 條：線路、橋梁、軌道應系統設計，減少鋼軌伸縮調節器。鋼軌伸縮調節器的設置數量和位置應經過軌道和橋梁結構驗算后，結合運營實踐經驗確定。

（2）施工風險比較。除方案三外，橋址處均位于巖溶區，橋址區巖溶主要屬于淺覆蓋型巖溶區，局部為深覆蓋型，下伏基巖主要為泥盆系灰巖。橋址區不良地質主要為巖溶、巖溶塌陷、溶溝溶槽。

橋梁方案應盡量減少水中基礎，方案二方案三橋梁跨度較大，河岸邊樁基明顯增多，由24 根直徑2.2m 鉆孔樁增加為40 根直徑2.5m 樁基，增加了水中基礎工程施工風險。

表1 為橋梁方案對比。從橋梁工程角度分析，在橋跨方案、施工風險等方面，方案一跨北流河橋位是相對最優的。

表1 橋梁方案對比

3.2 從工程地質角度分析

（1）工程地質條件：跨河地段地層主要為泥盆系下統蓮花山組（D1l1）灰巖，不良地質主要為巖溶。

該區域內可溶巖主要屬于淺覆蓋型巖溶區，局部為深覆蓋型，下伏基巖主要為泥盆系灰巖，在已實施的269 個鉆孔中，見溶洞總數140 個，見溶洞的鉆孔99個，鉆孔見洞率為36.80%，線巖溶率6.81%，無充填物溶洞73個，全充填、半充填溶洞67個，充填物主要為可塑粉質黏土，夾少量灰巖碎石。根據《鐵路工程不良地質勘察規程》（TB10027-2012）中的附錄E，結合《廣西巖土工程勘察規范》（DBJ/T45-002-2011）中的表11.1.3判定，場址區巖溶主要屬淺覆蓋型，巖溶整體中等發育。

（2）鐵路工程地質選線原則：據TB10027-2012《鐵路工程不良地質勘察規程》第54頁規定，線路應繞避或以大交角（垂直）通過巖溶強烈發育地帶，構造發育帶、地表塌陷、土洞分布密集帶，可溶巖石與非可溶巖的接觸帶，巖溶水富集區及排泄區。

據《鐵路工程地質手冊》第515 頁規定，線路宜盡量設法繞避處于巖溶強烈發育地段、具網狀洞穴和巨大空洞的巖溶地區，若不能繞避時，應避免順可溶巖與非可溶巖的接觸帶、有利于巖溶發育的褶皺軸和斷裂帶交匯處以及巖溶水富集區排泄區，并選擇其最窄、最易于采取工程措施處，以最大交角（垂直）通過。

（3）根據詳細勘察，方案一未發現地表有明顯巖溶塌陷現象，已查明北流河橋址區巖溶整體弱發育。其中小里程大跨墩臺，線巖溶率為2.21%，為弱發育，大里程大跨墩臺無溶洞，為不發育。

（4）工程施工的難度及環境影響。北流河巖溶地區橋梁多為樁基，在樁基施工過程中容易出現塌孔、掉鉆等事故，常用的樁基處理措施為注漿，會對周邊地下水及河流農田等造成污染，具體表現為如下：

①在巖溶地區成樁，由于施工不恰當，會造成坍孔、斜孔、彎孔、漏漿、埋鉆、掉鉆、卡鉆等各種各樣的施工事故，導致施工進度緩慢，延誤工期，經濟損失巨大等情況。

②巖溶地區常見的處理措施為注漿，注漿效果不可控，無法準確測定溶洞注漿的充填情況，溶洞越發育，工程的風險就越高。

③注漿措施會對地下水造成污染，泥漿可能會隨著地下水流動排至北流河中，或者污染周邊居民的水井生活用水及造成農田返漿，溶洞越發育，注漿量越大，對環境造成的污染越大。

根據方案一已揭示的巖溶情況，基巖完整，樁基施工安全性高，工程實施難度小；巖溶發育不需要進行特別巖溶處理，如注漿，對周邊環境影響小，甚至無影響。

綜上，根據相關規范對巖溶區工程地質選線要求，結合現工程地質選線結果及已查明的地質情況，從工程地質角度分析，方案一跨北流河橋位是相對最優的。橋址總體布置圖如圖4所示。

圖4 橋址總體布置圖

4 主橋方案設計

4.1 橋跨布置

山區高速鐵路橋梁孔跨布置需考慮到橋址處于丘陵山區、地勢起伏，不改變既有河流的天然狀態，并且作為永久性建筑，選擇與周圍環境協調一致的橋式和橋梁結構方案，盡可能做到景觀的協調，結合防洪和通航要求，避免河道中心立墩，采用主跨125m跨越北流河航道。

4.2 橋型比選

基于主跨125m橋梁跨度，考慮連續剛構橋和系桿拱橋兩種橋型方案進行比選。連續剛構橋優點是結構剛度大，承載能力高，施工工藝較為成熟，造價相對較低；缺點是梁高和結構尺寸較大，混凝土灌注量大。系桿拱橋方案優點是結構剛度大，抗彎能力強，外觀較為美觀；缺點是施工難度高，需要精密的施工工藝及設備，材料用量多，造價相對較高。

考慮到本橋主要受通航凈高影響，選擇連續剛構橋方案既能滿足通航凈空要求、施工風險低且能節約投資，因此選擇（70+125+70）m連續剛構橋方案。

4.3 上部結構

連續剛構采用預應力混凝土結構，梁寬12.6m，中支點梁高9.415m，邊跨直線段及中跨跨中梁高5.415m，梁體為單箱單室、變高度、變截面、直腹板箱梁截面。底板、腹板、頂板局部向內側加厚，均按直線線性變化。全橋共設5 道橫隔梁，分別設于中支點、端支點、中跨跨中。中支點處設置厚2.4m 的橫隔梁，邊支點處設置厚1.75m 的橫隔梁，中跨跨中處設置厚0.6m 的橫隔梁。橫隔梁沒有孔洞，供檢查人員通過。

采用該橋型方案結構造型簡潔、受力合理、施工工藝成熟且造價經濟，綜合考慮比較為最優方案。

4.4 橋墩及基礎

連續梁主跨邊墩采用圓端型實體墩，墩高分別為23.5m、21.5m，墩壁順橋向寬3.8m，橫橋向寬11m，主墩基礎采用φ2.2m鉆孔灌注樁基礎。

5 結束語

綜上所述，考慮到山區高速鐵路的特殊性以及諸多限制因素的情況下，橋梁方案采用（70+125+70）m 連續剛構橋型是最合理經濟的設計方案。通過以上研究，山區高速鐵路跨江河大橋方案的最優設計方案應充分考慮各方面條件全面比選后確定。