复杂艰险山区铁路大跨度桥梁建造和运维挑战及对策分析

郭 辉，严乃杰，胡所亭，赵欣欣，潘永杰，肖 鑫，朱 颖

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

引言

在早期建成宝成、黔桂、成昆、南昆、内昆和遂渝等艰险山区普速铁路的基础上，近年来，我国又相继建成宜万铁路和贵广、兰新、成渝、沪昆、成贵等高速铁路，在艰险山区铁路减灾选线、空天地综合勘察技术和艰险山区高速铁路构筑物设计关键技术等方面取得了系统性成果，为艰险山区铁路安全建造奠定了基础[1-2]。山区地形地势复杂，桥梁是山区铁路主要承载结构之一，如贵广高铁全长857 km，桥梁510座，占总长29.8%；成渝高铁全长308 km，桥梁309座，占总长54.7%；成贵高铁全长632 km，桥梁468座，占总长34.6%。西部艰险山区桥梁结构形式以连续梁(刚构)、拱桥等为主，如表1所示。依托西南山区铁路建设，我国已在桥梁结构选型、高烈度地震区桥梁设计与减隔震技术、峡谷风环境高速铁路桥上行车安全以及危岩落石防护、泥石流冲刷计算等方面取得了系列成果，为艰险山区桥梁的安全建造和运维提供了支撑[3-5]。

表1 我国西南山区代表性的大跨度铁路桥梁

川藏铁路沿线具有“地质地形复杂、气候条件恶劣、山地灾害频发、生态环境脆弱”四大显著环境特征，线路穿越横断山、念青唐古拉山、喜马拉雅山等三大山脉、8座高山，跨越大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、帕隆藏布、易贡藏布等7条大江大河，沿线分布多条地质断裂带，地质条件复杂，多年冻土、高寒缺氧、崩塌、滑坡、近断层地震、峡谷风等给沿线铁路桥梁建设和运维带来极大挑战。本文在系统梳理川藏铁路雅安至林芝段沿线大跨度桥梁面临挑战基础上，结合近年来开展的系列研究，提出应对上述挑战的若干对策建议，为川藏铁路大跨度桥梁的安全高质量建造和运维提供参考。

1 工程概况

新建川藏铁路雅安至林芝段新建正线长度为1 011.01 km。其中，新建桥梁91座，总长度120 km，占新建线路长度的11.9%。川藏铁路为Ⅰ级双线铁路，客货共线，设计速度为120～200 km/h，最大坡度30‰，牵引质量2 000～3 000 t。

川藏铁路大跨度桥梁以悬索桥、拱桥和斜拉桥为主，此外，还有部分钢-混结合梁桥、连续刚构桥等。目前主跨200 m以上的大跨度桥梁共有10座，其中，拱桥5座、悬索桥3座、斜拉桥1座、刚构组合桥1座，具体如表2所示[6]。

表2 川藏铁路雅安至林芝段10座重点桥梁

2 艰险环境下桥梁面临的挑战

2.1 桥址区艰险环境特征

新建雅安至林芝段地貌形态主要受青藏高原地貌隆升的影响，以丘状高原及构造侵蚀形成的深切峡谷地貌为总体特征。从四川盆地到青藏高原，相对高差达3 000 m以上，为地灾形成提供了巨大的势能条件；强烈的板块碰撞挤压隆升，导致区内中强地震频发、高温水热活跃、高地应力分布广泛，为地灾的发育提供了强大的内动力地质条件。内外动力地质作用下，区域内山地灾害频发，具有速度快、规模大、类型多的特征。沿线属高寒大温差的高原气候特征，垂直分带显著、昼夜温差大、寒冻风化作用强烈。

从地形地貌看，沿线大跨度桥梁多位于“V”形峡谷区，属构造高原区高山峡谷地貌，地形受江河切割较深，山高谷深、沟谷深切、地形陡峻且起伏大。两侧自然坡度一般在30°～59°，部分桥位边坡坡度达60°、70°以上。沿线地质灾害主要包括巨型滑坡、高位崩塌、落石、泥石流、岩堆、岩屑坡、河岸冲刷、顺层岩质边坡等，尤其以崩塌、滑坡、泥石流灾害最为严重。从气候环境特征来看，川西高原多为高山峡谷，相对高差较大，最高气温达35～40 ℃，最低气温可达-15～-20 ℃，部分地区昼夜温差达30～35 ℃。川东高原区属高原海洋性气候和大陆性气候，最高气温可达30 ℃，最低气温可降至-20～-30 ℃。沿线日照时间长，紫外线强烈。部分桥位处峡谷风强烈，其中大渡河特大桥基于实测结果的桥面设计风速达41.7 m/s。从地震动特性看，线路穿越横断山区的高山深谷，地质构造复杂、深大断裂发育，新构造运动活跃、地震频繁强烈，沿线地震动峰值加速度以0.1g～0.3g为主，局部为0.4g，桥梁受近断层地震的影响显著。

2.2 大跨度桥梁建造和运维面临的挑战

2.2.1 复杂环境桥梁耐久性退化机理与长期保持

影响混凝土梁耐久性退化的主要因素可分为内部因素和外部因素。内部因素主要包括：混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种、强度等级和用量、外加剂类型、结构或构件外形尺寸、混凝土和钢筋的应力大小、裂缝等；外部因素主要包括：气候、潮湿程度、高温、氯离子侵蚀、化学介质侵蚀，还有冻融、磨蚀破坏等[7]。由于影响因素众多，针对高原艰险山区混凝土梁性能退化的机理尚需开展深入研究。

钢梁表面涂层容易与空气中的氧和水分子发生反应。强紫外线会加速涂层的老化，在强烈的阳光直射下，会导致梁体表面温度过高，涂膜中溶剂挥发过快，涂层成膜过程中容易出现橘皮、开裂，甚至粉化等劣化现象[8]。大跨度索支撑桥梁的缆索体系PE护套等同样易受强紫外线影响而引起老化[9]。此外，钢桥连接一般采用高强度螺栓连接或焊接，连接部位的现场施工质量也会影响钢桥整体结构的耐久性。

除材料、结构层面的耐久性挑战外，桥梁-轨道结构体系特别是钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置和有砟道床，在列车荷载、大温差环境下长期反复作用和桥梁空间变形的影响下，易产生道床粉化、轨枕空吊、刚度突变等病害，影响线-桥系统的长期性能稳定。

2.2.2 峡谷风环境下的桥梁抗风设计和行车性能

受地形地貌、大气流动等影响，川藏铁路沿线峡谷区风环境复杂。峡谷风与常规风场差异性显著，具有平均风速高、湍流强度大、风攻角大、阵风系数高等特点[10]，且不同峡谷区域的风场特性差异性大，现行规范无法完全满足峡谷特殊风环境的桥梁抗风设计需求。川藏铁路沿线多座大跨度桥梁位于深切“V”形峡谷区，桥梁跨度大，桥面距离谷底高差大，致使桥面风速高、风攻角大，加之大跨度桥梁结构较柔、阻尼比小，已有研究表明在正攻角时主梁易产生涡激振动等问题。近年来国内外多座服役大跨度悬索桥先后出现涡激振动使得这一问题成为关注焦点，而铁路悬索桥涡激振动及其控制研究更少。此外，大跨度桥梁跨越深切峡谷时往往与相邻隧道相接，桥隧过渡区范围受局部地形影响导致温度场、风场分布特性复杂，对该区域的抗风设计和行车性能需专门考虑。复杂的强风环境易导致桥上列车的脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力等指标超限，影响行车安全。除运营期间的抗风问题外，复杂环境大跨度桥梁分段施工期间的抗风稳定性也面临一定挑战。

2.2.3 近断层地震作用下的桥梁结构与行车安全

近断层地震具有高能量脉动特点，地震断层具有显著的方向性和滑移性，其中方向性效应出现在垂直于断层方向上，表现为加速度幅值很大，对桥梁结构的破坏大。然而，近断层铁路桥梁的建造案例较少，针对近断层地震动特性及其产生机理、近断层铁路桥梁的损伤失效机制、以及近断层地震下列车脱轨原因等的研究成果仍较匮乏。近年来针对桥梁减隔震设计、桥梁抗震韧性、地震作用下高速铁路车-轨-桥系统安全等的研究成为热点[11-14]，但可以直接用于川藏铁路近断层地震作用下桥梁抗震设计的成果较少，针对震时、震后的行车安全控制仍有待进一步研究。

2.2.4 高原峡谷桥梁施工安全与质量控制

川藏铁路高原深切峡谷特殊复杂环境给铁路大跨度桥梁施工带来较大挑战[15]。从目前的桥型来看，川藏铁路10座大跨度桥梁有3座均为钢桁梁悬索桥；4座拱桥中有3座钢桁拱桥、1座免涂装耐候钢管混凝土拱桥[16]。我国已经积累了一定的山区铁路悬索桥和拱桥施工经验，但因为施工环境、结构设计等存在差别，川藏铁路大跨度桥梁的施工又有其自身特点，面临一定的技术挑战。具体表现如下。

(1)3座钢桁梁悬索桥的跨度大，千米级山区铁路悬索桥为世界首次建造，面临边坡陡峭、岩体破碎、风场复杂、高寒缺氧和紫外线强、日温差大等恶劣的外部施工环境，桥梁施工具有施工工艺复杂、施工周期长等特点。

(2)山体陡峻斜坡上施工场地狭小、交通不变，临建设施建设难度较大，给基础施工带来困难。大渡河桥两混凝土索塔基础采用变直径钢管混凝土/混凝土钻孔桩，最大桩径为3.5 m，如何保证变直径桩基的成孔质量，需重点考虑。悬索桥锚碇均采用隧道锚，隧道锚与正线隧道的间距较小，施工存在相互影响；长导洞大坡度破碎岩隧道锚施工机械设备的快速进出洞和出渣效率、大断面围岩施工期结构安全等面临挑战。

(3)高原、大温差环境下混凝土索塔液压爬模施工期间如何应对强风、混凝土开裂等问题也需重点考虑，大渡河桥索塔最大高度达265 m，高塔混凝土施工质量控制难度大。

(4)深切峡谷风场对主缆架设及其线形控制具有直接影响。大渡河特大桥主缆为空间缆，在大温差、日照及风力作用下存在自然扭曲，线形控制难度大；主缆钢丝强度首次采用2 100 MPa，明显高于金沙江特大桥和五峰山长江大桥的1870 MPa级主缆钢丝强度，主缆制造的质量控制也面临一定挑战。

(5)大渡河桥跨中钢桁梁节段采用缆索吊装，单个吊装节段长20 m，质量达650 t，由于铁路悬索桥二期恒载重，空缆线形、成梁线形和成桥线形的高差相差较大，道砟容重、线形施工误差及线形控制方案等对后期轨道线形具有直接影响，需充分考虑。

(6)川藏铁路4座拱桥的跨度与已建桥梁基本相当，最大跨度为500 m。我国在山区各类型拱桥建设方面已积累了较为丰富的施工经验，缆索吊机斜拉扣挂法施工技术水平已较成熟。但如何保证川藏铁路极端环境下的施工质量和安全，仍需开展重点研究。

2.2.5 高原艰险环境桥梁运营维护和应急处置

铁路桥梁投入运营后，其服役状态与外部环境、结构设计、施工材料和工艺、竣工状态、运营情况、养护维修方式和频度等密切相关。如何进行各类数据的有效采集、分析和应用，并通过设备故障诊断、预测分析和健康管理提升设备维护管理的科学性，国内外尚没有成熟的先例可循。川藏铁路沿线桥梁、隧道等基础设施共同组成一个巨系统，共同为上部轨道提供可靠支撑，并直接影响轨道形位；上部列车荷载则通过轨道结构的传递作用于下部桥梁。准确考虑外部复杂环境的车-线-桥耦合系统响应、线-桥一体化性能评估较为困难。而针对极端灾害条件下可能发生的桥梁关键部位损伤乃至倒塌、列车脱轨等极端情况，灾害预警和应急救援则还面临着更多挑战。

以上从桥梁耐久性、深切峡谷强风的桥梁抗风设计与行车性能、近断层地震下的桥梁结构安全与行车安全、高原峡谷桥梁施工安全与质量控制、高原艰险环境桥梁的运营维护和应急处置等五大方面，梳理了川藏铁路大跨度桥梁面临的系列挑战，可作为制定技术对策的基础。

3 对策和建议

将川藏铁路桥梁作为川藏铁路基础设施复杂巨系统下的一个子系统进行考虑，按系统工程学思想，以桥梁子系统为上部轨道提供可靠支撑和满足行车安全平稳的性能需求为中心，考虑川藏极端环境，以“安全、适用、耐久、韧性”为性能目标，构建涵盖设计、施工、运维等全生命周期的桥梁关键技术体系，为大跨度桥梁在生命周期各阶段提供相应技术对策指导。其总体架构如图1所示。基本思路为：桥梁应在设计阶段充分考虑安全、适用、耐久和韧性的性能目标要求，同时考虑施工最不利工况和运营维护设计，其中，安全性包含结构安全和行车安全两个层面；适用性从结构满足正常工作条件下的使用功能需求、保证行车平稳性方面对结构刚度、振动指标等进行控制，在此过程中应考虑梁-轨协同设计；耐久性建议从材料、结构和体系3个维度分别进行考虑，以实现性能的长期保持；韧性是评价川藏铁路桥梁在遭遇极端灾害破坏后，通过人工干预，结构和功能恢复到正常状态的能力，包含结构自身抗灾能力、备灾能力和恢复能力。

图1 川藏铁路大跨度桥梁建造和运营维护总体技术框架

分别从桥梁耐久性与长期性能保持、桥梁抗风设计及桥上行车性能、桥梁抗震设计与行车安全、桥梁施工安全与质量控制、桥梁安全运营与管理维护等五大方面阐述建造和运维技术对策。

3.1 桥梁耐久性与长期性能保持

川藏铁路沿线主要城市处于大温差环境，最大日温差可达27 ℃以上。在现有铁路混凝土结构耐久性设计规范规定的六类环境类别及作用等级基础上，研究提出大温差环境，给出其作用等级(W1，昼夜温差≥25 ℃，年作用天数≥10 d，位于雅江、巴塘和昌都)，在混凝土桥梁耐久性设计过程中充分考虑温差影响。具体的桥梁耐久性对策包括：(1)合理选择混凝土材料及配合比，研发专门外加剂；(2)保证混凝土保护层厚度；(3)做好混凝土表面涂装设计；(4)从结构和体系层面做好防排水设计和梁端伸缩缝设计。

针对钢梁结构，国铁集团企业标准《铁路桥梁钢结构及构件保护涂装与涂料 第1部分：钢梁》(Q/CR 749.1—2020)以经1年暴露后低碳钢或锌的单位面积上质量损失(g/m2)和厚度损失(μm)为分类标准，将大气腐蚀环境分为C1～C5、CX六个级别，规定了铁路钢梁(包括钢拱、钢管混凝土拱、钢索塔等桥梁主体结构)的初始涂装、涂膜劣化后的重新涂装和维护性涂装等内容，而标准第2、3部分分别对支座、附属钢结构的涂装与涂料进行了规定，较既有标准更为具体。考虑川藏铁路沿线环境，需根据大气腐蚀环境、紫外线辐射强度和暴晒试验等综合确定腐蚀等级，选择适宜桥址环境的钢结构表层涂装体系。

除考虑耐久性好的涂装体系外，耐候钢及配套耐候高强度螺栓也是桥梁钢结构的选择。通过开展铁路免涂装高性能耐候钢板选材、制造、耐候钢桥构造细节研究，以及配套的耐候钢高强度螺栓试制与试验、安装施拧工艺(数控定扭矩电动扳手及施工管理系统)等研究，耐候钢及耐候高强度螺栓已在川藏铁路拉萨—林芝段的臧木雅鲁藏布江大桥实现应用。见图2。

图2 高强度螺栓连接施工管理系统及其现场施工

针对川藏铁路雅安—林芝段的钢桥设计，应首先根据沿线环境特征、桥型特点、全生命周期成本等做好涂装高强钢结构和免涂装耐候钢的方案比选，对免涂装耐候钢，应进一步开展雅安—林芝段沿线环境特征分类及桥梁用耐候钢适应性研究、桥梁用高性能耐候钢性能指标试验(耐候性、母材力学性能、焊接性能、疲劳与断裂韧性)、焊材及焊接工艺、免涂装耐候钢桥锈蚀层折减计算/关键构造疲劳试验/构造细节防排水设计等、耐候支座、大直径耐候高强螺栓深化研究，以及铁路免涂装耐候钢桥的养护维修关键技术研究。

桥梁长期性能保持除需关注结构自身的耐久性以外，还应充分考虑大温差条件下的桥上无缝线路设计和梁-轨协同设计。特别针对沿线多座千米级的铁路钢桁悬索桥，由于大温差对于加劲梁竖向挠度变形影响非常明显[17]，加劲梁的大挠曲变形将影响桥上轨道的几何状态，需要通过建立悬索桥上无缝线路的梁轨相互作用模型，分析伸缩、挠曲、制动和断轨工况条件下的桥梁和钢轨的受力及变形特征，进一步在大温差条件下考虑钢轨伸缩调节器、列车入桥方式、阻尼器、梁端空间变位等特殊因素对轨道状态的影响。

对于大跨度铁路桥梁，梁端区域轨道状态对行车性能具有直接影响，是影响线-桥长期性能保持的关键。为降低钢轨纵向力，需设置钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置，通过开展系列研究，提出了基于性能的梁-轨一体化伸缩装置设计方法[18]，针对主引桥过渡区域刚度存在不均匀性、大日温差条件下引起的梁端纵向往复伸缩位移及累积位移、梁端区域行车性能等问题，需要从梁缝区桥梁-轨道-伸缩装置的一体化设计(含梁端变位控制、道床稳定性设计与伸缩装置整体刚度设计等)、钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置的纵向伸缩协调设计、梁端区域车-线-桥耦合振动特性等方面开展精细化设计和研究。见图3。

图3 钢轨伸缩调节器与梁端伸缩装置(应用实例)

3.2 桥梁抗风设计及桥上行车性能

大跨度桥梁刚度低、阻尼比小，在深切峡谷需采用提高桥梁结构抗风性能的技术，主要包括：(1)增设气动措施；(2)附加阻尼措施；(3)增加结构措施等。首先，应根据桥位风环境、桥型、跨径等因素选择合适的桥梁结构体系及构件气动外形，当结构的抗风性能不满足设计要求时，应通过优化构件气动外形、增设气动措施、附加阻尼装置、改变结构体系或刚度等措施予以满足。以上措施的效果主要通过风洞试验进行验证，针对川藏铁路大跨度桥梁，需考虑深切峡谷地形对桥位风环境的影响，如桥隧过渡区局部地形风场，除运营阶段外，有必要考虑桥梁施工阶段的抗风稳定性。针对大跨度悬索桥阻尼比偏低可能引起涡激振动的情况，在风洞试验中应考虑低阻尼比工况(0.2%～0.6%)，并通过阻尼调整措施予以解决。进一步结合风洞试验、风-车-桥耦合振动分析等手段，分析竖向和扭转涡振振幅对行车性能的影响，研究铁路悬索桥涡激振动控制技术。

对于强横风作用下车辆的安全措施，主要包括：(1)优化车辆断面形状；(2)通过强风监测系统控制列车运行速度；(3)设置风屏障。现代高速列车的飞速发展使得通过增加列车牵引质量、优化列车外形等手段来提高列车安全性能的余地已经越来越小。在保证安全的前提下最大程度地提高运营效率，目前各国普遍采用的防风措施是在强风路段设立防风栅，并广泛应用强风预警系统。强风环境下的行车性能需通过风-车-桥耦合振动分析、考虑车-桥-风屏障系统的风洞试验等手段进行验证。同时提出不同风速等级下的车速阈值。

针对川藏沿线桥位日温差较大的情况，尚需考虑风、温度耦合作用的情况。针对风、温度等复杂环境因素耦合作用对桥上行车的影响，高芒芒等提出采用弦测法控制桥面静态不平顺，用于指导大跨桥梁刚度设计以及车-桥耦合振动方面的研究[19]。

3.3 桥梁抗震设计与行车安全

提高近断层桥梁抗震性能的措施主要包括：(1)采用与地形地貌相匹配的合理结构形式，避免地震激励下可能的共振效应，降低结构地震响应；(2)结构加强措施，对主要抗侧力构件如桥塔、桥墩等的配筋配箍进行加强，以提升其在强震下的变形延性能力；(3)采用减隔震措施、耗能减震装置等，增加结构阻尼和耗能能力，降低结构地震响应[20]；(4)开展近断层地震下的桥上行车安全保障措施研究，在已开发完成的高速铁路地震预警监测系统基础上，进一步深化拓展其针对川藏铁路近断层地震预警监测功能[21]；(5)深入调研日本等地震多发国家震时列车脱轨灾害，从桥梁-轨道体系角度研究近断层地震作用下轨道变形-列车脱轨机理，提出防止列车倾覆乃至落桥等的防护措施，并通过模型试验验证[22]。

3.4 桥梁施工安全与质量控制

为保证川藏铁路大跨度桥梁施工安全与质量，建议重点开展以下几方面的研究。

(1)开展针对施工工艺、技术和经济的施工方案研究比选。在充分考虑现场环境和条件的前提下(详细地勘资料、工程场地地震安全性评价、桥位风场和温度场观测等)[23]，编制施工组织设计文件，结合类似工程案例，对不同的施工方案从施工质量可靠性、技术可行性(施工安全、技术成熟)、工程造价等方面进行比选，选择安全合理、经济可行的施工方案。方案比选时应同时考虑各类施工临建设施和防护措施的建设。

(2)建立完善的施工全过程风险评估方法。既有工程经验表明，大跨度桥梁的最不利工况可能出现在施工阶段而非运营阶段。针对悬索桥、拱桥及斜拉桥等大跨度桥梁开展不同施工阶段的风险定量评估，结合有限元分析等手段充分考虑各种不利条件下的结构受力和变形特性。考虑现场施工过程变化，建立动态风险评估与预警机制。

(3)针对大跨度铁路桥梁的桩基础，需研究陡峻斜坡、破碎岩体区的桩基钻孔平台以及保证成孔、成桩质量的施工信息化控制系统，做好桩基础施工安全和质量管理。针对大跨度铁路悬索桥的隧道锚，研发针对川藏铁路长导洞、大坡度、破碎岩隧道锚的成套智能化施工装备和控制系统，实现快速开挖及出渣、锚塞体混凝土灌注质量控制、施工全过程自动监测预警。

(4)针对大跨度铁路悬索桥和斜拉桥混凝土索塔施工，研究高原、高寒、大温差环境下的高塔高性能混凝土制备和泵送施工技术，如研发专用低热硅酸盐水泥，通过添加黏度改性剂配制降黏混凝土，提高混凝土的可泵性等[24]。研发智能防风抗风液压爬模系统，实现远程控制，提高爬升效率。

(5)针对千米级山区铁路悬索桥的缆索体系施工，应通过施工精细化控制确定合理空缆线形，通过增设抗风缆等措施实现主缆抗风安全，合理确定索夹螺杆的张拉时机、保证螺栓预紧力。大渡河桥采用空间主缆，主缆强度达2 100 MPa，应通过高质量盘条、抗扭转及疲劳试验等保证主缆制造质量，同时研究针对空间主缆的成套施工技术，确保施工精度。由于主缆在温度变化作用下对加劲梁线形影响很大，为准确掌握其规律，建议开展“智能索”研究，提前在主缆索股中布设温度传感元件，掌握主缆温度场与加劲梁线形之间的变化规律，为后期安全运营奠定基础。主缆是悬索桥的生命线，面对川藏铁路恶劣环境下的“百年工程”要求，应切实保证主缆防护与除湿系统的设计和施工。

(6)针对大跨度铁路悬索桥的加劲梁的制造与施工，建议钢桁梁在工厂进行单元制造，现场钢梁预拼场节段整体拼装，通过虚拟预拼装技术提高拼装精度和质量(图4)。为减少现场焊接工作量，建议采用整节段钢桁梁，通过缆索吊机起吊安装。针对大跨度铁路拱桥拱圈施工，应借助BIM虚拟建造和有限元分析，通过合理分节和施工过程优化，实现快速成拱。

图4 钢桁杆件精度管理与节段虚拟预拼装

(7)开展面向轨道线形的大跨度桥梁主梁线形控制目标及误差控制研究，明确主梁成桥线形。在悬索桥加劲梁分阶段施工过程中，做好钢梁节段的精确称重和道砟称重，充分考虑结构自重对桥梁线形的影响，通过分析每阶段的施工误差，对加劲梁线形进行合理调控，从而确保主梁线形满足成桥线形和轨道线形的要求。对斜拉桥、拱桥的施工线形控制，其对温度变化虽不如悬索桥敏感，但同样应作为重点控制内容考虑。由于大跨度桥梁施工过程复杂，应通过施工监控系统做好施工全过程的数据管理(图5)。

图5 基于BIM的大跨度桥梁施工监控系统

3.5 桥梁安全运营与管理维护

准确把握川藏铁路沿线桥梁运营期的服役状态和特殊恶劣环境下桥梁劣化机理，对保证结构安全、桥上行车安全平稳和制定合理养修计划非常关键，需借助现代化检测、监测技术和管理手段，在基于多源数据的桥梁分析评估和养修决策、桥梁灾害预警与救援等方面开展深入研究和应用。

桥梁健康监测是目前大跨度桥梁运营管理的手段之一，与人工巡检、定期检测等共同组成桥梁的检、监测技术体系。国内近年来针对大跨度铁路拱桥、斜拉桥和悬索桥开展了检测、监测关键技术的研究，建立了基于BP神经网络、1/3倍频程谱等的桥梁整体损伤预警方法，在支座、斜拉索及吊索、梁端伸缩装置等的检监测和评估方面也取得应用性成果。在桥梁表观缺陷检测、监测方面，研发了基于移动摄像的桥梁外观自动检测系统；提出了基于卷积神经网络的桥梁高强螺栓缺失图像识别方法(图6)。以上研究成果为指导桥梁的安全运营与管理维护提供了借鉴，为进一步深入研究奠定了基础。考虑到川藏铁路大跨度桥梁的复杂服役环境，简单实用的健康监测系统设计、环境-荷载耦合作用下的桥梁结构性能退化机理、线-桥一体化检测监测关键技术等方面仍需开展进一步研究。

图6 铁路桥梁高强螺栓缺失图像识别

在运营管理方面，融合轨道周期性检测数据、桥梁健康监测数据和日常巡检数据等，通过评价、预测线桥服役状态，制定合理的健康管理对策，是未来大跨度铁路桥梁养护维修发展的趋势，以上述核心技术为支撑而搭建的故障预测与健康管理系统(PHM，Prognostic and Health Management)，其关键技术体系如图7所示。该系统通过实时监测和视情维修进行RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)铁路管理。该管理系统首次在京沪高铁南京大胜关长江大桥尝试应用[25]。PHM系统的核心仍是基于检测、监测数据深度挖掘的线桥状态评估、预测和养修管理，是决定系统应用效果的关键。尽管PHM系统在航空航天、机车车辆等领域已部署实施，但桥梁-轨道系统在响应特征、外部激励源、敏感指标等方面存在明显区别。针对川藏铁路桥梁运营期管理，有必要开展针对性研究，建立桥梁-轨道-检测车一体化检监测关键技术。

图7 大跨度铁路桥梁故障预测与健康管理(PHM)关键技术体系

针对运营期可能遭遇的极端突发灾害，如近断层地震造成的桥梁关键部位损伤、泥石流及滑坡等引起的结构破坏以及由此导致的列车脱轨等灾害，尚需进一步考虑桥梁灾害预警和应急救援。考虑突发灾害的特殊性，需开展基于信息化的灾害监测与应急救援关键技术的研究。首先，通过在前端布设专门的灾害监测元件(低功耗表面倾斜仪、高频检波器、地震加速度计、高清摄像头等)、稳定高效的数据传输单元，实现对数据的实时采集和灾害及时预警；其次，研究结构损伤、灾害对行车安全的评价指标体系和阈值；在此基础上，针对行车安全控制方面，研究建立稳定、安全、可靠的行车安全控制机制；以上灾害监测信息、阈值指标和行车安全控制应统筹考虑，以实现数据的集成、高效和联动分析，以及快速决策。在应急救援措施方面，需在充分考虑各类极端灾害基础上开展专项研究，在应急救援通道设计和疏散方案、应急救援工程措施和关键设备研发、基于虚拟现实的应急救援技术、应急救援一体化管理系统等方面进行深入攻关，确保人员安全、车辆安全和线-桥系统的快速修复和抢通，提高系统韧性。

综上所述，考虑到川藏铁路桥梁运营维护的复杂性，应在大桥建设阶段就提前组织桥梁运营维护的专项设计，运维设计应遵循RAMS的理念，通过关键技术问题科研攻关，形成一套完善的适应川藏铁路大跨度桥梁的检养修体系，满足安全、适用、耐久和韧性的要求。

4 结语

以川藏铁路大跨度桥梁为工程背景，梳理了桥址区环境特征，分析了高原高寒复杂艰险环境下桥梁建设面临的挑战，针对桥梁结构耐久性与长期性能保持、桥梁结构抗风及桥上行车性能、桥梁抗震设计与行车安全、桥梁施工安全与质量控制、桥梁安全运营与管理维护等提出了相关对策和建议，主要创新成果如下。

(1)考虑大桥设计、施工和运营全生命周期，从材料、结构和体系维度，梳理川藏铁路大跨度桥梁面临的技术挑战，并在桥梁-轨道体系层面提出了大温差等复杂恶劣环境下长期性能保持、铁路悬索桥涡激振动控制、近断层地震下的车-轨-桥系统安全、考虑轨道线形的桥梁施工全过程控制、线-桥一体化性能评估等关键问题。

(2)以桥梁为上部轨道提供可靠支撑和满足行车安全平稳的性能需求为中心，从“安全、适用、耐久、韧性”的性能目标出发，同时考虑设计、施工和运维的内在联系，提出川藏铁路大跨度桥梁建造和运营维护的总体技术框架。

(3)考虑川藏铁路复杂恶劣环境，在桥梁耐久性与长期性能保持方面，提出了大温差环境类别、混凝土及钢桥的耐久性设计以及大温差条件下的桥上无缝线路设计和梁-轨协同设计建议；在桥梁抗风与桥上行车性能方面，提出了低阻尼比条件下的风致振动及其控制措施，以及针对铁路悬索桥涡激振动控制的研究方法；在桥梁抗震设计与行车安全方面，提出了桥型选择、延性设计、减隔震措施、地震预警监测、列车脱轨机理和防护措施等技术对策。

(4)在桥梁施工安全与质量控制方面，指出施工方案比选应充分考虑环境、临建设施和防护设施；施工风险分析应做到定量和动态风险评估；应重视温度、风等环境持续监测，并研发适应高原恶劣环境的高端施工装备以及智能信息化控制系统；主梁线形控制应考虑轨道线形要求。

(5)桥梁安全运营与管理维护方面，通过桥梁运营维护专项设计，持续开展桥梁健康监测、故障预测与健康管理方面的深化研究，以大数据作为支撑，研究环境-荷载耦合作用下桥梁性能退化机理，同时通过线-桥一体化检测、监测实现对性能演化规律的深刻认识，以更好实现预防性养修。提出开展基于信息化的灾害监测与应急救援关键技术的研究思路，以提高系统韧性。