漢十高鐵崔家營漢江大橋設計方案比選

李喜平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 項目背景[1]

新建武漢經襄陽至十堰鐵路(以下簡稱“漢十高鐵”)位于湖北中部至西北部，線路全長399 km，是中西部客運專線的重要組成部分。崔家營漢江特大橋位于湖北省襄陽市襄州區(qū)東津鎮(zhèn)，該橋在漢江中游崔家營航電樞紐水庫的常年庫區(qū)內，橋位下距崔家營壩址約1.8 km，上距襄樊內環(huán)五橋5.6 km，是漢十高鐵的控制性工程， 橋位地理位置見圖1。

圖1 橋位地理位置

2 建設條件[1]

2.1 地形地貌

漢江特大橋位于襄陽市襄州區(qū)東津鎮(zhèn)，線路起始穿過岳崗村、崔胡村、覃灣村至后崗村結束，橋址區(qū)公路密布，交通十分便利。漢江東岸地勢較平坦，漢江以西為丘陵，植被茂盛。

2.2 河道水文及鄰近水上建筑物

橋址位于漢江中游襄崔(襄陽—崔家營)河段，距上游襄陽水文站約12.6 km，上游東津大橋約5.0 km，下距崔家營航電樞紐約1.8 km。該河段內有江心洲魚梁洲，漢江在魚梁洲尾端呈90°直角由東轉向西。橋址處江面寬度約1 900 m，實測河水深2.10～15.00 m，河面寬度隨水位不同相差較大。

橋址上游約14.2 km和12.2 km分別有襄陽長虹大橋、襄陽鐵路橋，上游約10.7 km有魚梁洲大橋，上游約5.0 km有東津大橋(主跨2×138 m)。

2.3 工程地質

橋址區(qū)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖洪積層；下伏晚第三系(N)泥白云巖，白堊～第三系(K～E)泥巖、泥質砂巖，震旦系(Z)砂礫巖、白云巖。

線路區(qū)內南部有隱伏的青峰—襄陽—廣濟大斷裂、北部有隱伏的新野大斷裂。距線路區(qū)10～30 km，近代無活動跡象，在大地區(qū)域構造上相對穩(wěn)定。據區(qū)域資料，橋址區(qū)地層為單斜地層，附近無活動性斷裂及大的區(qū)域性斷裂通過。

2.4 地震

抗震設防烈度6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

2.5 通航要求

橋位處的設計最高通航水位為63.00 m，設計最低通航水位為62.23 m。橋梁通航凈空高度應不低于10 m，側高處不低于6 m；單孔單向通航凈寬不小于150.2 m，單孔雙向通航凈寬不小于281.7 m。

3 橋位比選

通過實地踏勘比選并征求意見，漢十高鐵僅在崔家營航電樞紐大壩與觀音閣之間的江段存有通道，崔家營航電樞紐大壩與觀音閣之間的江段長約2.3 km，為彎曲河道，通航及行洪情況較為復雜，通航水域由大壩上游2 km處的600 m寬漸變至船閘引航道隔水墻處的75 m寬。綜合高鐵有關技術要求、新建橋梁規(guī)模及實施風險、對大壩的運營及安全影響、通航及行洪條件等情況，研究了大壩上游600 m和1.8 km兩個橋位方案。見圖2。

圖2 橋位方案

大壩上游1.8 km橋位方案符合《內河通航標準》的水上過河建筑物選址的基本要求，可采用雙孔通航方案，后方通道理想，符合城市規(guī)劃要求，拆遷少，易于實施；大壩上游600 m橋位方案鐵路線形好，橋梁總體規(guī)模較小，和水流的交角小，對通航及行洪的影響小，但由于距大壩較近，對大壩的運營及安全影響相對較大，樞紐運營管理單位持反對意見。鑒于擬選橋位河段通航、行洪情況復雜，為減少對既有建筑及城市規(guī)劃的影響，綜合以上崔家營航電樞紐的上游和下游線位方案的分析比選意見、崔家營航電樞紐產權單位意見、高速鐵路技術標準要求，襄陽東津至隆中段線路方案推薦采用大壩上游1.8 km橋位方案。

4 主要技術標準[1-2]

(1)設計速度：300 km/h。

(2)線路情況:雙線，有砟軌道，正線線間距5.0 m；線路平面位于直線上，縱坡i=3‰。

(3)環(huán)境類別及作用等級：一般大氣條件下無防護措施的地面結構，環(huán)境類別為碳化環(huán)境，作用等級T2。

(4)設計使用年限：正常使用條件下梁體結構設計使用壽命為100年。

(5)地震動參數：地震動峰值加速度≤0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

5 建設方案

根據《內河通航標準》(GB 50319—2014)規(guī)定，水上過河建筑物的布置不得影響和限制航道的通過能力。通航孔的布置應滿足過河建筑物所在河段雙向通航的要求。在水運繁忙的寬闊河流上，通航孔的布置應滿足多線通航的要求；在限制性河段上，應采取一孔跨過通航水域。

橋位位于崔家營樞紐上游，屬于通航限制性河段，考慮橋墩及防撞設施的寬度，橋梁通航孔跨度采用300 m一孔跨過通航水域。另外崔家營樞紐規(guī)劃預留二線船閘，為滿足預留二線船閘船舶的通航要求，增設1個300 m通航孔。因此本橋通航孔布置采用2×300 m，根據工程經驗，邊跨采用0.45倍主跨跨度即135 m。

漢江橋孔跨布置采用(135+2×300+135) m， 橋軸線法向與水流流向之間的夾角為11°～25°，防洪設計水位條件下工程橋墩侵占過水面積百分比為5.07%，對工程河段行洪安全影響較小。橋梁主通航孔跨過了現有及規(guī)劃航道范圍，實測深泓及航跡線均位于主通航孔范圍內，橋梁布置方案滿足通航要求。

對于主跨跨度300 m的鐵路橋梁，可選的橋梁結構形式有斜拉橋、拱橋或梁拱組合結構等形式[3-5]。

5.1 連續(xù)剛構拱橋方案

采用連續(xù)剛構拱橋，橋跨布置為(135+2×300+135) m，橋長871.6 m。中跨梁部設置鋼管混凝土拱，為減小邊跨梁端轉角，邊跨也設置加勁拱，形成四聯(lián)拱結構。主梁為預應力混凝土結構，梁體混凝土采用C60，箱梁中支點處梁高16.5 m，端支點及中跨跨中處高6.5 m。箱梁為單箱雙室截面，一般截面頂板寬為14.6 m，底板寬度為12 m。見圖3～圖5。

圖3 連續(xù)剛構拱橋方案立面布置(單位：m)

邊跨拱肋為鋼管混凝土結構，鋼管采用Q345qD，拱肋采用等高度啞鈴形截面，截面高度2.8 m，拱肋弦管直徑0.8 m，弦管之間厚16 mm鋼綴板連接，拱肋弦管及綴板內填充微膨脹混凝土，兩榀拱肋間橫向中心距13.1 m。中跨拱肋也為鋼管混凝土結構，鋼管采用Q345qD，拱肋采用變高度桁架拱，每片拱肋由4φ850 mm鋼管混凝土組成。拱肋鋼管中心高度由拱腳處的5.0 m(鋼管中心間距離)漸變至拱頂處4.0 m。每片拱肋鋼管橫向中心距1.7 m，兩片拱肋中心距13.1 m。

317、319號墩采用雙薄壁墩，318號墩采用空心墩。317、319號墩均采用18φ3 m鉆孔柱樁，行列式布置；318號墩采用15φ3 m鉆孔柱樁，行列式布置。

圖5 跨中截面(單位：cm)

施工方法[6]：基礎采用雙壁鋼圍堰施工；橋墩采用爬模法施工；上部結構采用“先梁后拱”的施工方案，主梁懸臂逐段現澆(0號塊和邊直段墩旁支架上現澆)，先邊跨合龍，再中跨合龍，在橋面上臥拼拱肋，在墩頂設置塔架，并安裝豎轉拱肋用的扣索，豎轉拱肋，就位后合龍，安裝吊桿，最后完成橋面鋪裝。

5.2 剛構斜拉橋方案

本方案采用剛構斜拉橋，橋跨布置為(135+2×300+135) m，橋長871.6 m，主梁采用單箱雙室混凝土箱梁，中支點梁高/跨中梁高為16.5 m/6.5 m，分別為主跨的1/18.18和1/46.15；橋塔采用混凝土門式塔，橋塔橋面以上高度為50 m。317、319號墩采用雙薄壁墩，318號墩采用空心墩。317、319號墩均采用18φ3 m鉆孔柱樁，行列式布置；318號墩采用15φ3 m鉆孔柱樁，行列式布置。見圖6。

施工方法：基礎采用雙壁鋼圍堰施工；橋墩和橋塔采用爬模法施工；主梁懸臂逐段現澆(0號塊和邊直段墩旁支架上現澆)，張拉對應梁段斜拉索，先邊跨合龍，再中跨合龍，最后完成橋面鋪裝。

圖6 剛構斜拉橋方案立面(單位：m)

5.3 鋼桁柔性拱方案

本方案為鋼桁柔性拱橋，橋跨布置為(135+2×300+135) m，全長871.6 m。主梁采用4跨連續(xù)鋼桁梁，N形雙主桁，主桁橫向中心距(桁寬)14 m，桁高17 m，標準節(jié)間長度13.5 m(跨中節(jié)間15 m)。拱肋為鋼桁拱，跨中拱肋高55 m，矢跨比為1/5。拱肋吊桿采用柔性平行鋼絲吊桿。317、318、319號墩均采用12φ3 m鉆孔柱樁，行列式布置。見圖7。

圖7 鋼桁柔性拱橋立面(單位：m)

施工方法：基礎采用雙壁鋼圍堰施工；橋墩采用爬模法施工；主梁懸臂逐段拼裝(0號段墩旁支架上拼裝)，先邊跨合龍，再中跨合龍。主梁拼裝架成后，在主梁上臥拼拱肋，在中墩梁頂設置塔架，并安裝豎轉拱肋用的扣索，豎轉拱肋，就位后合龍，安裝吊桿，最后完成橋面鋪裝。

5.4 鋼混疊合梁斜拉橋方案

本方案為鋼混疊合梁斜拉橋，橋跨布置為(135+2×300+135) m，全長871.6 m。邊跨采用混凝土箱梁，主跨采用鋼混疊合箱梁，梁高4.5 m，設置弧形風嘴，橋面寬16.3 m。主塔為鋼筋混凝土結構，斜拉索為空間雙索面，立面上每塔側13對索，全橋156根斜拉索。317、318、319號墩均采用20φ2.8 m鉆孔柱樁，行列式布置。見圖8。

圖8 鋼混疊合梁斜拉橋立面(單位：m)

施工方法：基礎采用雙壁鋼圍堰施工；橋墩和橋塔采用爬模法施工；主梁懸臂逐段拼裝(0號塊和邊直段墩旁支架上拼裝)，張拉對應梁段斜拉索，先邊跨合龍，再中跨合龍，最后完成橋面鋪裝。

6 橋梁方案比較

經過計算[7-8]分析，4種橋式方案比較如表1所示。

表1 4種橋式方案比較

剛構斜拉橋方案由于工后徐變下?lián)?04 mm，超過《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)第7.3.2條有砟橋面工后徐變不應大于20 mm的規(guī)定，需進一步研究論證減小其徐變下?lián)系姆椒翱尚行裕讳摶殳B合梁斜拉橋方案活載梁端轉角4.35‰rad，遠超規(guī)范限值；鋼桁柔性拱方案工程造價太高，養(yǎng)護維修工作量大。經過綜合比較，連續(xù)剛構拱橋具有技術成熟，工程造價低，橋梁結構剛度大，工后徐變小，運營期間養(yǎng)護維修小等優(yōu)點，因此推薦采用連續(xù)剛構拱橋作為實施方案。

7 結語

近年來隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，涌現了很多大跨度的高速鐵路橋梁，推動了我國鐵路橋梁技術的進步。200～300 m跨度的高速鐵路橋梁可供選擇的橋型比較多。剛構斜拉橋在連續(xù)剛構橋的基礎上增加斜拉索加勁，增強了跨越能力。該橋型結構剛度較大、經濟性能好，但是跟傳統(tǒng)的連續(xù)剛構橋一樣，混凝土梁的收縮、徐變和溫度效應使主墩發(fā)生偏位，對梁體、主墩和樁基受力不利。因此該橋型剛臂墩的剛度不宜太大，通常需要較高的墩高，一般應大于跨度的1/10，尤其是工后徐變較大，難以有效控制[9]。鋼桁柔性拱橋橋梁結構剛度較大，沒有工后徐變問題，橋梁采用鋼結構，可以工廠制造、現場拼裝，施工工期較短，

但是工程造價高，運營期間養(yǎng)護維修工作量大。鋼混疊合梁斜拉橋，邊跨主梁采用混凝土梁，中跨主梁采用鋼混疊合梁，經濟性能較好，鋼結構部分可以工廠制造、現場拼裝，橋面板工廠預制、現場安裝，施工工期較短，但是橋梁結構剛度較小，運營期間養(yǎng)護維修工作量較大。連續(xù)剛構拱橋[10]是將連續(xù)剛構(梁)和拱結構組合形成的一種剛構拱組合體系結構，充分發(fā)揮梁和拱各自結構的受力優(yōu)勢，能顯著增加主跨跨度；橋梁結構剛度大，動力性能好，可以較好地控制工后徐變，外觀極具特色，但是施工工期較長，同樣存在混凝土梁的收縮、徐變和溫度效應對梁體、主墩和樁基受力不利影響，通常需要較高的墩高。

以漢十高鐵崔家營漢江大橋為工程實例，對橋式方案進行了細致的分析研究[11-14]，得出了一些有益的結論，連續(xù)剛構拱橋結構剛度大，可以有效控制工后徐變值，經濟節(jié)省，后期養(yǎng)護維修工作量小，造型美觀，在200～300 m跨度的高速鐵路橋梁中具有很強的競爭力。