浩吉铁路荆州长江公铁大桥设计与建造关键技术*

唐 斌

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056)

1 工程概况

荆州长江公铁大桥是浩吉铁路的控制性工程，铁路设计行车速度为160km/h，公路为双向4车道，设计行车速度为80km/h，考虑通航、水文条件及河道冲刷情况，主通航孔桥为主跨518m双塔双索面钢桁梁斜拉桥(见图1)，跨径布置为(98+182+518+182+98)m，桥长1 080m[1]。采用有砟轨道，道床厚35cm，除主通航孔桥与北岸引桥之间、主通航孔桥与边滩连续钢桁梁之间设置轨道伸缩装置外[2]，其余区段均采用无缝线路。

图1 主通航孔桥立面(单位：m)

在3号主塔与钢桁梁间沿顺桥向设置带限位功能的黏滞阻尼器，塔身两侧各设置2套。阻尼器未约束温度变化、车辆活荷载等缓慢荷载，但对车辆制动、脉动风、船撞和地震等冲击荷载作用下的动力响应产生阻尼作用。在4号主塔与钢桁梁间沿顺桥向设置固定支座，限制主梁顺桥向位移。在塔、梁间下弦杆处设置竖向约束，在上弦杆外层设置横向抗风支座。在边墩及辅助墩顶钢桁梁下游侧设置纵向活动支座，提供竖向和横向约束，在上游侧设置多向活动支座，提供竖向约束。

2 主桥主体结构设计

主梁为N字形钢桁梁，桁高13m，节间距14m，在主桁横向中心距14m，在主桁节点处两侧设倾斜副桁，上端连接横梁端部，下端连接下弦杆节点。桥面分2层布置，上层桥面为4车道公路，宽26m。下层桥面为双线铁路，线间距4.2m。斜拉索布置在上层桥面外侧，中心距为26.7m，如图2所示。

主塔采用H形桥塔，为钢筋混凝土结构[3-4]。塔顶标高为203.950m，塔底标高为21.450m，承台以上塔高182.5m。塔柱顺桥向尺寸由8m渐变至14m。上塔柱采用空心矩形截面，横桥向尺寸为4.5m，顺桥向壁厚为1.5m，横桥向壁厚为0.8m。中塔柱采用空心矩形截面，横桥向尺寸为5.5m，顺桥向壁厚为1.2m，横桥向壁厚为1.0m。下塔柱采用双室空心矩形截面，横桥向尺寸为5.5～8.0m，壁厚为1.5m，中隔板厚0.8m。底部设置基座，中塔柱顶部设置上横梁，下塔柱与中塔柱交界处设置下横梁，上、下横梁按全预应力混凝土构件设计[5]。为保证船撞时的安全，采用C20混凝土自下塔柱塔座顶向上浇筑至标高39.950m位置处，浇筑前须在该区段下塔柱内壁涂刷1层沥青作为隔离层。按双向受弯验算截面应力，整个塔柱混凝土最大压应力为16.4MPa，钢筋最大拉应力≤30MPa，钢筋最大压应力为163.2MPa，均满足规范要求。

斜拉索采用双索面[6]，按扇形布置，表面应采取双螺纹凸线措施，以减小振动效应。除在预埋钢管内设置减振器外，参照抗风研究结果设置体外液压减振装置。计算结果表明，斜拉索抗拉强度为1 670MPa，主力组合下要求安全系数>2.5，即应力≤668MPa，附加力组合容许应力可提高20%，即801.6MPa，斜拉索强度满足要求。

主塔采用大直径超长钻孔灌注桩基础，其中3，4号主塔基础均设置36根桩(见图3)，标高0.500m以上的灌注桩直径为3.1m，长度为85m，标高0.500m以下的灌注桩直径为2.8m，长度为90m。承台长度为58.4m，宽度为33.6m，厚度为6m。

图3 3，4号主塔桩基础示意(单位：cm)

3 主桥设计

3.1 大跨度重载铁路斜拉桥结构体系

通过选用合理的结构体系，增加主梁纵向约束，将主梁部分约束力直接向下传至塔身，降低桥塔受力点高度，减小桥塔塔底弯矩。同时将梁上纵向风荷载传至塔、墩较低位置，可大幅度减小桥塔内力及结构变形。

本工程采用5跨连续体系斜拉桥方案，合理布置跨度，采用双层钢桥面板桁组合主梁，并在3号主塔与钢桁梁之间设置黏滞阻尼器，在4号主塔与钢桁梁之间设置固定支座，形成整体刚度大、自重小、承载力高的结构体系，改善主跨受力性能，满足重载铁路刚度要求，保证行车性能优异。

3.2 倒梯形板桁一体化主梁结构

铁路桥面采用由纵肋(梁)、横肋(梁)及加劲钢桥面板组成的整体性好、刚度大正交异性板整体道砟桥面结构[7]，横肋(梁)与桥面板和主桁下弦杆焊接，组成板桁组合结构。

主梁采用由倒梯形直主桁与倾斜副桁组成的板桁组合结构，倾斜副桁上端连接外伸横梁端部，下端连接下弦杆节点，减小了上层桥面横向跨度。主桁上弦杆采用开口π形截面，简化杆件构造。板桁钢梁采用一体化设计、制作与安装，提高了工厂化程度，加快了现场施工速度，减小了对通航的影响。主梁采用整节间桥面板设计，减少了现场连接作业量，提高了施工效率。

3.3 基础防洪措施

主桥位于荆江河段，荆江大堤防护等级高。主墩常年位于水中，河床在汛期易受冲刷，3号主塔墩毗邻荆江大堤，地表硬壳层薄，下部粉细砂、圆砾土强透水层厚，属于管涌和溃堤易发地段。为此进行专项研究，提出堤身锥探灌浆地层加固防渗处理措施，水下抛石和水上毛石粗排护坡相结合的河岸防护技术，保证了堤坝安全和岸坡稳定，满足了河道防洪和通航要求，确保荆江大堤不受施工影响。

对荆江大堤进行变位和沉降观测，对桥梁结构进行观测，通过对观测数据进行分析，确保荆江大堤安全。大桥建成后，桥位河段主流部位基本稳定，对桥位河段总体河势及河床冲淤变化的影响小。

3.4 大直径超长钻孔灌注桩基础

主塔采用大直径超长钻孔灌注桩基础[8]，通过自平衡法试桩，确定单桩竖向抗压极限承载力，测定桩周各分层侧阻力和端阻力或桩身截面位移，验证各土层设计参数的合理性。进一步完善钻孔灌注桩施工工艺，从而优化灌注桩设计边界条件，合理选择灌注桩直径，以有效减小桩长。

3.5 桥面铺装体系

重载铁路列车轴重大，对桥面结构冲击强烈，桥面结构抗疲劳要求高。采用超高性能混凝土铺装铁路桥面，通过剪力钉将超高性能混凝土与钢桥面板连为整体，共同受力。超高性能混凝土的应用显著提高了桥面刚度与抗疲劳能力。

4 主桥施工

主塔采用液压爬模系统施工，下塔柱由于接近垂直，按8.2～10m分节，上、中塔柱按6m分节。上、下横梁均采用支架法施工。

主通航孔桥钢桁梁斜拉桥进行双悬臂对称散拼，首先采用165t浮式起重机吊装主墩墩旁托架、起始4个节间钢梁及80t架梁吊机。主塔施工完成后，80t架梁吊机水上起吊双悬臂散拼钢梁，在边跨无水区域栈桥上吊装钢梁杆件。在双悬臂钢梁拼装的同时挂设斜拉索，依次合龙钢梁下弦杆、上弦杆、斜杆，所有主桁杆件闭合后，安装桥面板。钢梁合龙后的结构如图4所示。

图4 钢梁合龙后的结构

主墩基础采用双壁钢围堰施工[9]，围堰分为2节，底节围堰高18m，围堰尺寸为68.2m×40.0m×24.0m(长×宽×高)，壁厚2m。底板及底节在工厂加工、组拼，采用气囊法下河。首先进行围堰浮运，整体浮运到位后，抛锚定位。围堰下放到位后，顶部标高为34.200m，刃脚底部标高为10.500m。经现场测量，主墩围堰处河床受流水“前冲后淤”影响，使主墩处河床标高上、下游相差较大，为使围堰在下沉过程中受力安全，利用清淤船将下游侧河床标高清理至12.000m，将上游侧河床标高抛填至11.000m。

安装插打钢护筒导向支架，利用2台250t振动打桩机插打钢护筒至设计位置，双壁钢围堰挂于钢护筒上，形成钻孔平台。利用旋转钻机钻孔，采用导管法灌注桩基水下混凝土。平台上设置8台钻机，钻孔灌注桩施工完成后，围堰需接高，解除挂桩，清理河床，切割部分内支架，下放围堰至设计标高，并在围堰内清基，灌注井壁混凝土和水下封底混凝土，封底厚5.5m。

围堰封底混凝土灌注完成并达到强度后，首先使用潜水泵将围堰内的水抽干，然后清理围堰内的杂物及封底混凝土表面淤泥，最后完成桩头处理与承台施工。

主墩承台钢筋在工厂加工成半成品，由汽车运输至墩位处绑扎成型。承台大体积混凝土分2次浇筑完成[10]，按照温度控制要求设置降温冷却水管和温度测量装置。

5 结语

以浩吉铁路荆州长江公铁大桥为依托，通过采用合理的结构体系，解决大跨度重载铁路斜拉桥刚度大的难题。通过采用倒梯形板桁一体化主梁结构，使桥梁更好地满足上层公路桥面和下层铁路桥面宽度相差较大的要求。通过采用合理的基础方案，降低了造价。通过进行基础防洪处理，为桥梁建设提供安全保障。采用超高性能混凝土铺装技术，改善了钢桥面受力性能，延长了重载铁路桥面疲劳寿命。