山区高速铁路跨江河大桥方案研究

何一凡

（中铁四院集团南宁勘察设计院有限公司，工程师，广西 南宁 530029）

0 引言

随着近年来经济高速发展，我国已成为全球最大的高速铁路国家。在建设山区高速铁路的过程中，跨江河处桥梁的选位及孔跨布置则成为了线位控制的重要因素，因此山区高速铁路跨江河大桥的方案研究是非常必要的。

1 桥址选位要求研究

在已定线路大方向的前提下，技术复杂的特大型桥梁的桥位应根据河流形态、地质特点、通航条件、地面设施、施工布局以及与地方经济社会发展的关系，在较大范围内作全面比选确定。当方案比选结果条件相当时，应优先采用水文、地质及地形条件较好的桥位。桥位选择应按《铁路水文规范》执行，通过长期的研究总结出几点注意事项：

（1）主槽流向与河流总的趋向一致的较长河段是较适宜的桥位。如河湾已发展到直逼河谷的基本岸边，桥位则宜在河湾顶部中间部分，不宜在较近的两河湾之间的直线过渡段选择桥位，以防河床的演变。

（2）在平原游荡河段上的桥位，宜选在两岸有依托的较长束窄段上，如岸壁为崖坎或具有抗冲能力的土质地段。

（3）在有水害的河流上进行桥位选择时应尽可能在泛滥宽度较窄的中游河段上通过，以尽量缩短泛区分洪桥和河滩路堤的长度。

（4）线路在水库坝址下游通过时，应满足水库管理区范围安全管理条例的相关要求，如水库的校核洪水频率标准低于桥梁洪水频率标准，或坝体质量明显有问题时，应研究线路绕避水库方案。若无法绕避时，除按河流天然状况设计外，并应适当考虑溃坝可能对桥涵造成的不利影响。

（5）线路在峡谷陡坡地带、水库地区跨河时，应彻底查明两岸岩层风化程度、覆盖层厚度、稳定性以及水库坍岸线等地质情况，以便据此决定桥位方案。

2 桥梁基本情况简介

新建南宁至深圳铁路玉林至岑溪（桂粤省界）段，线路长度84.970km，设计时速350km/h。容县北流河特大桥位于广西省玉林市北流市容西镇东部，桥址范围内处于丘陵山区、地势起伏，多为低矮山丘，沿线植被较为茂盛，多为低矮灌木，沿线有零散村落分布，有村道相连。空地多开辟为农田和旱地。两侧桥台位于山坡，地势较陡。

桥址处跨越北流河，河流与线路大里程夹角为90 度。北流河被称为古代南方水上丝绸之路，是难得一见向北流的河流，流域面积9359 平方公里，多年平均年径流量80.1 亿立方米，干流长259 公里，河道坡降0.47‰。桥址区的岩土层按其成因分类主要有：第四系全新统坡积层（Qel+dl）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、下伏基岩主要为泥盆系下统莲花山组（D1l1）灰岩。桥址区抗震设防烈度为7 度，桥梁建设位置处的北流河为规划Ⅳ级航道，通行1000 吨级单船及2×500吨船队，100年一遇洪水水位为82.70m，桥梁梁底最低标高为100.074m，高于洪水位17.374m。根据《内河通航标准》，Ⅳ级航道通航净高不小于8m。最小通航净宽单向通航孔不小于45m，双向通航孔不小于90m。

3 桥梁设计方案研究

3.1 从桥梁工程角度分析

北流河，珠江流域西江的一级支流，为北流市、容县境内的最大河流。南深铁路玉岑段跨越北流河，桥址位于容县水文站上游3.25km处，桥址处北流河集水面积F＝2831km2，百年流量为Q1%=4340m3/s，百年水位H1%=82.7m，对应流速V1%=3.15m/s。

根据北流河航道管理部门要求，北流河为规划Ⅳ航道，通航净高需要8m，通航净宽90m。根据北流河水利防洪管理部门要求，桥梁等跨河建筑物对河道的阻水比不能超过7%。

（1）桥跨方案比较。方案一：线位与河道夹角约90°，采用（70+125+70）m 连续梁方案跨越北流河，如图1 所示。桥址处河道顺直，水流平稳，对跨河桥梁桥墩的冲刷影响较小，根据壅水分析计算成果，发生100 年一遇洪水时，桥梁阻水比为4.31%，对河道行洪影响较小，河道冲刷对桥梁影响也较小。该处桥位最优，线路与河流正交，河道宽最窄，对河道的影响最小。

图1 方案一桥址平面

方案二：线位与河道斜角53°，结合通航净空要求和防洪阻水比要求，只要一跨过河，需增加跨度为（112+224+112）m 连续梁+钢管拱组合桥梁，如图2所示。跨点位于河道弯道，河道弯折，水流紊乱，不推荐该桥址。特别是西侧河岸，处于弯道迎水面，河道冲刷较大，该处桥墩需设于河岸上。

图2 方案二桥址平面

方案三：线位与河道斜角49°，由于桥位距离下游600m 为既有公路桥，两座桥桥位距离不满足四级航道代表船型的3 分钟航程距离，该处桥位需要一跨过江，桥墩不能侵入最高通航水位范围水面，结合通航净空要求和防洪阻水比要求，采用一跨过河，需增加跨度为（112+238+112）m 连续梁+钢管拱组合桥梁，如图3 所示。其跨点位于河道弯道，河道弯折，水流紊乱，不推荐该桥址。

图3 方案三桥址平面

方案二、方案三，由于温度跨达到336m，无砟轨道需要在桥上安装钢轨伸缩调节器，钢轨伸缩调节器对铁路运营和维护都造成一定不良影响。

根据《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）9.7.1 条：线路、桥梁、轨道应系统设计，减少钢轨伸缩调节器。钢轨伸缩调节器的设置数量和位置应经过轨道和桥梁结构验算后，结合运营实践经验确定。

（2）施工风险比较。除方案三外，桥址处均位于岩溶区，桥址区岩溶主要属于浅覆盖型岩溶区，局部为深覆盖型，下伏基岩主要为泥盆系灰岩。桥址区不良地质主要为岩溶、岩溶塌陷、溶沟溶槽。

桥梁方案应尽量减少水中基础，方案二方案三桥梁跨度较大，河岸边桩基明显增多，由24 根直径2.2m 钻孔桩增加为40 根直径2.5m 桩基，增加了水中基础工程施工风险。

表1 为桥梁方案对比。从桥梁工程角度分析，在桥跨方案、施工风险等方面，方案一跨北流河桥位是相对最优的。

表1 桥梁方案对比

3.2 从工程地质角度分析

（1）工程地质条件：跨河地段地层主要为泥盆系下统莲花山组（D1l1）灰岩，不良地质主要为岩溶。

该区域内可溶岩主要属于浅覆盖型岩溶区，局部为深覆盖型，下伏基岩主要为泥盆系灰岩，在已实施的269 个钻孔中，见溶洞总数140 个，见溶洞的钻孔99个，钻孔见洞率为36.80%，线岩溶率6.81%，无充填物溶洞73个，全充填、半充填溶洞67个，充填物主要为可塑粉质黏土，夹少量灰岩碎石。根据《铁路工程不良地质勘察规程》（TB10027-2012）中的附录E，结合《广西岩土工程勘察规范》（DBJ/T45-002-2011）中的表11.1.3判定，场址区岩溶主要属浅覆盖型，岩溶整体中等发育。

（2）铁路工程地质选线原则：据TB10027-2012《铁路工程不良地质勘察规程》第54页规定，线路应绕避或以大交角（垂直）通过岩溶强烈发育地带，构造发育带、地表塌陷、土洞分布密集带，可溶岩石与非可溶岩的接触带，岩溶水富集区及排泄区。

据《铁路工程地质手册》第515 页规定，线路宜尽量设法绕避处于岩溶强烈发育地段、具网状洞穴和巨大空洞的岩溶地区，若不能绕避时，应避免顺可溶岩与非可溶岩的接触带、有利于岩溶发育的褶皱轴和断裂带交汇处以及岩溶水富集区排泄区，并选择其最窄、最易于采取工程措施处，以最大交角（垂直）通过。

（3）根据详细勘察，方案一未发现地表有明显岩溶塌陷现象，已查明北流河桥址区岩溶整体弱发育。其中小里程大跨墩台，线岩溶率为2.21%，为弱发育，大里程大跨墩台无溶洞，为不发育。

（4）工程施工的难度及环境影响。北流河岩溶地区桥梁多为桩基，在桩基施工过程中容易出现塌孔、掉钻等事故，常用的桩基处理措施为注浆，会对周边地下水及河流农田等造成污染，具体表现为如下：

①在岩溶地区成桩，由于施工不恰当，会造成坍孔、斜孔、弯孔、漏浆、埋钻、掉钻、卡钻等各种各样的施工事故，导致施工进度缓慢，延误工期，经济损失巨大等情况。

②岩溶地区常见的处理措施为注浆，注浆效果不可控，无法准确测定溶洞注浆的充填情况，溶洞越发育，工程的风险就越高。

③注浆措施会对地下水造成污染，泥浆可能会随着地下水流动排至北流河中，或者污染周边居民的水井生活用水及造成农田返浆，溶洞越发育，注浆量越大，对环境造成的污染越大。

根据方案一已揭示的岩溶情况，基岩完整，桩基施工安全性高，工程实施难度小；岩溶发育不需要进行特别岩溶处理，如注浆，对周边环境影响小，甚至无影响。

综上，根据相关规范对岩溶区工程地质选线要求，结合现工程地质选线结果及已查明的地质情况，从工程地质角度分析，方案一跨北流河桥位是相对最优的。桥址总体布置图如图4所示。

图4 桥址总体布置图

4 主桥方案设计

4.1 桥跨布置

山区高速铁路桥梁孔跨布置需考虑到桥址处于丘陵山区、地势起伏，不改变既有河流的天然状态，并且作为永久性建筑，选择与周围环境协调一致的桥式和桥梁结构方案，尽可能做到景观的协调，结合防洪和通航要求，避免河道中心立墩，采用主跨125m跨越北流河航道。

4.2 桥型比选

基于主跨125m桥梁跨度，考虑连续刚构桥和系杆拱桥两种桥型方案进行比选。连续刚构桥优点是结构刚度大，承载能力高，施工工艺较为成熟，造价相对较低；缺点是梁高和结构尺寸较大，混凝土灌注量大。系杆拱桥方案优点是结构刚度大，抗弯能力强，外观较为美观；缺点是施工难度高，需要精密的施工工艺及设备，材料用量多，造价相对较高。

考虑到本桥主要受通航净高影响，选择连续刚构桥方案既能满足通航净空要求、施工风险低且能节约投资，因此选择（70+125+70）m连续刚构桥方案。

4.3 上部结构

连续刚构采用预应力混凝土结构，梁宽12.6m，中支点梁高9.415m，边跨直线段及中跨跨中梁高5.415m，梁体为单箱单室、变高度、变截面、直腹板箱梁截面。底板、腹板、顶板局部向内侧加厚，均按直线线性变化。全桥共设5 道横隔梁，分别设于中支点、端支点、中跨跨中。中支点处设置厚2.4m 的横隔梁，边支点处设置厚1.75m 的横隔梁，中跨跨中处设置厚0.6m 的横隔梁。横隔梁没有孔洞，供检查人员通过。

采用该桥型方案结构造型简洁、受力合理、施工工艺成熟且造价经济，综合考虑比较为最优方案。

4.4 桥墩及基础

连续梁主跨边墩采用圆端型实体墩，墩高分别为23.5m、21.5m，墩壁顺桥向宽3.8m，横桥向宽11m，主墩基础采用φ2.2m钻孔灌注桩基础。

5 结束语

综上所述，考虑到山区高速铁路的特殊性以及诸多限制因素的情况下，桥梁方案采用（70+125+70）m 连续刚构桥型是最合理经济的设计方案。通过以上研究，山区高速铁路跨江河大桥方案的最优设计方案应充分考虑各方面条件全面比选后确定。