山区铁路跨越V形峡谷桥梁方案比选研究

王小飞，张 杰，周 继，王新国

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.中铁建大桥设计研究院，武汉 430063)

1 工程概况

乌江特大桥是新建瓮马铁路南北延伸线的重点控制工程之一，位于贵州省黔南布依族苗族自治州市瓮安县境内。大桥跨越两山之间乌江河谷，山势极为陡峭，地面高程477.85～877.66 m，地势起伏较大，相对高差约400 m。

桥址处两岸坡度较陡，自然坡度60°～85°，两侧桥台基岩裸露，局部植被覆盖，多为树林、灌木及杂草，交通不便。根据钻探揭露，桥址区表层上覆第四系地层，主要为粉质黏土，下伏岩层为钙质角砾岩，基本承载力1 500 kPa。桥址区多年平均风速2.1 m/s，年最大风速18 m/s，年平均气温13.6 ℃，极端最高气温34.3 ℃，极端最低气温-9.2 ℃，设计基本地震加速度0.05g，桥址处地形断面见图1。

桥址上游390 m为S205省道江界河大桥，全长461 m，主跨为330 m上承式预应力桁架拱桥。桥址处地形地貌及上下游建筑物见图2。

图2 乌江特大桥桥址地形地貌及上下游建筑物

2 主要技术标准

(1)铁路等级：II级(货运预留客运开行条件)

(2)轨道类型：有砟轨道

(3)正线数目：单线

(4)线路条件：直线、纵坡6‰

(5)速度目标值：120 km/h

(6)设计活载：ZKH活载

(7)设计洪水频率：1/100

(8)地震基本烈度：Ⅵ度

3 桥式方案

复杂艰险山区沟壑纵横、地质复杂、运输不便、施工场地狭窄、后期运营养护维修困难，桥位应选择边坡稳定且地质条件较好的区域，桥型结构方案和施工方法的选择应适应艰险山区的建设及运营养护条件[1]。乌江特大桥跨越V形深切峡谷地形且桥位较高，对于梁式桥和斜拉桥而言，桥址两岸地形高差较大，小里程侧无布置桥墩及边跨的条件，宜优先采用悬索桥和上承式拱桥通过[2-3]。

根据桥位处特点，以满足功能适用、结构合理、造价经济、施工方便为原则，提出3种桥型并进行比较分析，分别为：主跨530 m钢箱梁悬索桥(方案1)，主跨326 m上承式非对称钢管混凝土桁架拱桥(方案2)及主跨337 m上承式劲性骨架混凝土拱桥(方案3)。此外，乌江特大桥位于江界河国家风景区二级保护区范围，桥式结构还应满足与周边景观相协调的要求。

3.1 方案1：钢箱梁悬索桥

方案1根据桥址环境及布跨条件，采用主跨530 m钢箱梁悬索桥。全桥设2根主缆，主缆跨径为(530+154.5)m，主缆中心距为12 m，边跨无吊索，主桥瓮安侧不设桥塔，顺地形锚固于山顶。主梁跨径为(18+451+48)m，3跨连续结构。两岸锚碇为重力式锚，其中，瓮安侧锚碇为复合式重力锚，索鞍兼具主索鞍和散索鞍功能。方案1钢箱梁悬索桥效果见图3，全桥布置见图4。

图3 方案1钢箱梁悬索桥效果图

图4 方案1钢箱梁悬索桥方案全桥布置(单位：m)

悬索桥受力明确、合理、跨越能力大，同时，悬索桥整体造型流畅美观、施工相对方便、安全快捷，在刚度满足使用要求的情况下，能较好地应用于山区桥梁[4]。目前，国内已建成普立特大桥[5]、矮寨特大桥[6]、坝陵河大桥[7]、丽香铁路金沙江大桥[7]等跨V形峡谷公路、铁路悬索桥。

(1)主梁

主梁采用正交异性板流线型钢箱梁结构，单箱单室截面，梁高4.0 m，密横隔板体系。钢箱梁顶板结构宽12 m，水平底板宽5 m，斜底板水平宽度3.5 m，钢箱梁中心两侧6 m处设置1道纵腹板，吊杆以锚拉板形式锚于纵腹板上方，主梁断面布置如图5所示。

图5 方案1主梁横断面(单位：mm)

钢箱梁以3 m间隔布置横隔板，横隔板两侧设置竖向及横向加劲肋，以保证主梁具有足够的横向刚度、抗扭刚度，满足施工期间桥面吊机及运营荷载产生的局部变形及应力要求[8]。

(2)桥塔及鞍座

主塔采用钢筋混凝土门式框架结构，桥塔全高90.5 m，主要由上、下塔柱和上横梁组成，两塔柱横桥向中心距由塔顶12 m变化至塔底19.365 m，塔柱横向呈1∶23.5的坡度。桥塔取消下横梁，使用钢筋混凝土桥墩替代，桥墩与塔柱共用基础并在墩顶设置三向约束体系以消除塔柱的不利受力。桥塔构造如图6所示。

图6 方案1桥塔构造(单位：cm)

遵义侧桥塔顶部设主索鞍，主缆接入锚碇位置设散索鞍。由于乌江特大桥两岸地形高差近百米，瓮安侧山顶与遵义侧塔顶几乎同高，因此，瓮安侧不设桥塔，主缆顺地形锚固于山顶，索鞍兼具主索鞍和散索鞍功能。

(3)主缆、吊杆

主缆采用强度1 770 MPa的镀锌铝合金钢丝，每根主缆为61股，每股含91根φ5.5 mm钢丝。

农村水利现代化是一项跨领域的社会性系统工程，必须建立相应的机构专门推动，整体协调推进天津市农村水利现代化，尽快组织起草并以市政府名义印发《关于加快天津市农村水利现代化的意见》，统筹天津市发展改革、水务、财政、农业、国土房管等部门，密切配合，建立工作机制，强化部门合作，细化工作措施，支持农村水利现代化，明确农村水利现代化年度工作计划，制定相应的工作时间表；有农业区县是农村水利现代化的责任主体，应成立相应的组织机构，将各项工作任务落实到分解到部门、细化到责任人。

吊索采用抗拉强度为1 670 MPa的镀锌钢丝，最大吊索为109φ7 mm平行钢丝，PE护套表面缠丝或表面麻坑以防止风雨振。

(4)锚碇设计

两岸锚碇为重力式锚，其中，瓮安侧锚碇为复合式重力锚，索鞍兼具主索鞍和散索鞍功能。瓮安侧锚碇高47.5 m，纵向宽55 m，横向宽40 m，考虑地面横坡高差影响，锚碇横向亦设计成阶梯状；遵义侧锚碇高39 m，纵向宽46 m，横向宽45 m。

(5)施工方法

①采用机械开挖结合局部爆破的方法施工锚碇及主塔扩大基础，分层浇筑混凝土；②采用爬模法施工桥塔，吊装定位主索鞍，待桥面系完成主索鞍最终就位后，安装塔冠，完成索塔施工；③ 主缆架设施工采用预制平行钢丝索股，逐根架设的施工方法(PPWS)[9]；④钢梁由船经乌江运输就位后采用跨缆吊机安装，吊装顺序为先中间后两侧。跨中钢箱梁通过跨缆吊机垂直吊装，两侧钢箱梁通过摆动吊装；边跨钢箱梁通过支架滑动至设计位置后拼装成整体。

3.2 方案2：上承式钢管混凝土桁架拱桥

图7 方案2上承式钢管混凝土桁架拱桥全桥布置(单位：m)

图8 方案2上承式钢管混凝土桁架拱桥效果图

拱桥能够很好地适应V形山谷地形，能够充分发挥其受压为主的结构特点[10]。单幅双肢钢管的桁架式拱肋在满足铁路桥梁刚度要求的同时提升了主拱的通透性和景观性，非对称主拱设计能够适应桥址处特殊地形，减小跨度[11]。我国张吉怀铁路主跨292 m酉水大桥即采用了该结构形式，目前已完成主体结构施工[11]。

(1)主拱圈

主拱结构由4根钢管与横向联接系组成，拱肋中心距在拱顶为8.0 m，拱脚为17.0 m。主桁为“N”形桁架，节间水平投影长度8.0 m，为减小拱肋节段吊重，拱脚节间水平投影长度取7.0 m。拱桁的上弦杆、下弦杆都采用内径1.5 m钢管截面；一般位置拱桁腹杆、横联和平联为“H”形截面，在拱脚处和设置拱上立柱处等受力较大部位加强为箱形截面，主拱肋断面示意如图9所示。

图9 方案2主拱肋横断面

(2)主梁

主梁采用刚构-连续体系，梁高3.0 m，单箱单室截面。两侧边跨、次边跨采用预应力混凝土箱梁，与交界墩固结形成T形刚构；拱顶范围采用钢-混结合梁，与高度较高的拱上立柱顶部固接，在减小拱上立柱尺寸的同时，提高拱上结构整体刚度[11]。

组合梁中钢梁部分高2.45 m，横隔板间距3.0 m。组合梁与混凝土箱梁间设置钢-混过渡段，采用梯形填充混凝土后承压板式钢—混接头，通过设置PBL剪力键与剪力钉共同保证了钢-混结合段力的可靠传递和扩散[12]。组合梁典型截面见图10。

图10 方案2主梁横断面(单位：cm)

(3)交界墩及拱上立柱

拱脚处刚构墩为矩形截面空心墩，钢筋混凝土结构，瓮安侧、遵义侧交界墩墩高分别为87.5，78.7 m。

拱上立柱采用钢桁架结构，墩高1.64～51.09 m。立柱采用箱形截面，倾斜角度与拱肋一致，横桥向两根立柱间设置“×”形横联以减小其面内计算长度。

(4)主拱基础

主拱基础采用扩大基础，钢筋混凝土结构，拱座纵桥向水平投影长度25.0 m，横桥向水平投影长度24.0 m，拱座底面和背面埋入岸坡稳定线内。

(5)施工方法

①主体工程施工前，先进行场地平整、便道修筑，由于拱脚伸入稳定边坡线内，采用爆破法开挖拱座基础及交界墩处岩石，并采用预应力锚索对拱脚上方山体进行防护。②主拱施工采用缆索吊装、悬臂拼装法进行。主拱钢管在工厂制造，运输至工地进行预拼，再由高空缆索吊结合扣背索进行悬臂吊装施工，悬拼由两岸同时进行，在拱顶处合龙形成稳定的拱圈。③主拱圈施工完后压注管内混凝土，待管内混凝土达到设计强度90%后吊运拱上立柱各节段至拱顶进行栓接拼装。④两侧T构采用悬浇法施工，缆索吊运钢-混组合梁的钢构件，栓接拼装成钢梁，借助钢梁施工混凝土桥面板，预留墩顶负弯矩区浇湿接缝最后浇筑，张拉预应力钢索，完成拱上梁部施工。

3.3 方案3：上承式劲性骨架混凝土拱桥

方案3采用主跨为337 m的上承式劲性骨架混凝土拱桥，主拱矢高61.5 m，矢跨比1/5.48，拱轴线采用悬链线，拱轴系数2.0。主梁采用钢-混凝土结合连续梁，孔跨布置为(45.7+47.7)m+(6×41.5)m+(46.7+2×39.6+41.5)m，桥梁全长520.92 m。方案3上承式劲性骨架混凝土拱桥效果见图11，全桥布置见图12。

图11 方案3上承式劲性骨架混凝土拱桥效果图

图12 方案3上承式劲性骨架混凝土拱桥全桥布置(单位：m)

混凝土拱桥具有跨越能力强、刚度大、承载能力强、造价低、后期养护维修工作量小等优点[13-14]。劲性骨架本质为无支架法中的一种，除施工方便外，还对外包混凝土产生约束作用，具有结构徐变相对较小的优点，十分符合U形或V形峡谷铁路大跨桥梁的要求[15-16]。

(1)主拱圈

主拱圈由钢管混凝土劲性骨架外包C55混凝土构成，采用单箱双室矩形截面，横向外宽10.0 m，外高6.5 m，壁厚1.1～1.5 m，拱脚局部加厚，全拱范围内设置11道横隔板，位于拱上立柱下方。

劲性骨架上、下弦杆采用钢管混凝土构件。上、下弦主钢管共计6肢外径900 mm钢管，管内灌注自密实无收缩C60混凝土。拱肋断面布置如图13所示。

图13 方案3主拱圈截面(单位：cm)

(2)主梁

主梁全高3.2 m，其中，钢梁采用2片工字形截面，外高2.78 m，两片钢梁中心间距4.5 m。混凝土板桥面宽9.9 m，板厚0.4 m，通过剪力钉与钢梁连接。钢梁每间隔6.0 m设置1道横隔板，每隔1.5 m设置1道横肋，加强整体性及横向稳定性，主梁断面布置如图14所示。

图14 方案3 主梁横断面(单位：cm)

(3)交界墩及拱上立柱

拱脚交接墩及拱上立柱均采用矩形截面空心墩结构。瓮安侧、遵义侧交界墩墩高分别为59.5，57 m。拱上立柱按等截面设计，尺寸为7 m×3.5 m，壁厚0.6 m，立柱底部设置实心混凝土墩座与拱圈连接。

(4)主拱基础

主拱基础采用扩大基础方案。为减少边坡开挖，基础采用喇叭状断面设计以保证基础地面埋入稳定边坡线内，并采用隧洞式开挖的施工方法，拱座基础高为26.48 m，顺桥向长29.49 m，横向宽14.0 m。

(5)施工方法

本方案下部基础及劲性骨架施工方法与方案2钢管混凝土拱方案相同，采用缆索吊装+斜拉扣挂法安装各节段劲性骨架就位后，采用移动挂篮分环分段浇筑主拱圈外包混凝土[17-18]。

主拱施工完成并满足设计要求后采用翻模法施工交接界面墩及拱上立柱。主梁钢梁在钢管拱厂预制拼装，采用水面运输及吊装施工；主梁混凝土桥面板在桥面板预制场预制，通过便道运输至瓮安侧拱脚位置，缆索吊分节段吊装预制混凝土桥面板，现浇湿接缝，完成拱上梁部施工。

4 方案比选

以上3个桥型方案均能够满足线路平、纵断面布置要求，且均通过结构安全计算，方案可行。其中，悬索桥方案刚度最小，挠跨比1/309，混凝土拱桥方案刚度最大，挠跨比1/2 023，各工况桥梁位移见表1。

表1 ZKH静活载作用下桥梁位移对比

各方案优缺点比较见表2。

表2 各方案优缺点比较

悬索桥方案桥式结构成熟，避免了在陡坡上施工，对山体破坏最小，是山区铁路跨越峡谷桥梁的常用桥式方案，两岸桥塔及锚碇施工条件较好，主桥施工较为方便。但其小里程侧在隧道上方传递了巨大竖向力的前提下，还附加了重力式锚锭的重力，岩体受力不利。

上承式钢管混凝土桁架拱桥方案主拱采用桁架式双肢钢管截面，主拱通透性佳，景观性好，拱上结构采用刚构-连续体系，将高度较高的立柱顶部与梁固接，在减小拱上立柱尺寸的同时，提高整体结构的刚度。但其交界墩采用T形刚构，刚构立柱作用于主拱扩大基础顶面，需大规模开挖岩体，施工难度较大。且桁架式主拱杆件繁多，不仅用钢量大，且后期养护维修须大量高空作业，工作量大。

上承式混凝土拱桥方案具有跨越能力强、承载能力强、造价低、后期养护维修工作量小等优点，且其混凝土主拱刚度大、变形小，动力性能良好，十分符合铁路大跨桥梁的要求。该方案主拱采用小矢跨比设计，与上游江界河大桥线形相似，整体景观效果好，在降低交界墩高度的同时减小拱座基础规模，减小了山体开挖等施工风险。此外，劲性骨架法是利用型钢或钢管混凝土作为拱圈骨架兼做施工支架，分段分层浇筑外包混凝土，该法有效解决了大跨度混凝土拱桥由于自身结构太重带来的施工困难问题，施工方便[19-20]。

5 结论

通过对乌江特大桥桥梁方案进行研究、比选，从施工特点和养护维修考虑，混凝土拱桥方案减少了山体开挖，降低施工风险，并具有节省钢材，易于后期养护等优点；从景观特点考虑，混凝土拱桥方案整体景观效果与V形沟谷搭配，采用小矢跨比设计与上游江界河大桥在视觉上统一、协调；从结构整体受力特性、工程造价比较，混凝土拱桥方案更优，确定该桥采用主跨337 m的上承式劲性骨架混凝土拱桥方案。

因此，在山区铁路跨越V形峡谷桥梁的设计过程中，应充分结合地形、地质条件，并考虑经济性、结构特点、景观特点、施工特点以及后期养护维修难度等对桥梁方案进行充分论证，选择安全可靠、施工便捷、经济合理的桥梁方案。