復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計技術(shù)

陳克堅 謝海清 何庭國 許志艷

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著我國新時代“西部大開發(fā)”和“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的推進(jìn)，高速鐵路網(wǎng)逐步由平原丘陵地區(qū)向復(fù)雜艱險山區(qū)拓展，至2025年，高速鐵路通車?yán)锍虒⑦_(dá)到3.8萬km，其中復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路約1.5萬km，占比約39.5%。復(fù)雜艱險山區(qū)地形起伏大、交通不便、施工場地狹窄，且地質(zhì)復(fù)雜、地震頻發(fā)、危巖落石和泥石流廣泛分布，加之高速鐵路安全性、穩(wěn)定性和平順性要求高，給高速鐵路橋梁設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合貴廣、云桂、滬昆、渝利等共約 2 300 km典型山區(qū)高速鐵路的設(shè)計經(jīng)驗和相關(guān)科學(xué)研究，對復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計面臨的高墩大跨橋選型、高烈度地震區(qū)橋梁設(shè)計、峽谷風(fēng)環(huán)境高速行車安全保障技術(shù)、高陡邊坡墩臺防護(hù)、危巖落石防治、泥石流防治等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，為復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計提供借鑒[1]。

1 高墩大跨橋梁選型技術(shù)

1.1 大跨橋型跨徑范圍及適用條件

高墩大跨橋梁橋型方案選擇考慮的主要因素有：①橋梁須保持高平順性，以滿足列車高速運(yùn)行安全性和旅客乘坐舒適性的要求。因此，首先應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)剛度大，后期變形小的橋型方案；②復(fù)雜艱險山區(qū)溝壑縱橫、地質(zhì)復(fù)雜、運(yùn)輸不便、施工場地狹窄、后期運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修困難，橋型結(jié)構(gòu)方案和施工方法的選擇應(yīng)適應(yīng)艱險山區(qū)的建設(shè)及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)條件；③高墩大跨橋聯(lián)長常受無砟軌道溫度聯(lián)長控制，聯(lián)長超過200 m的橋梁需研究設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的橋梁，橋上線路縱坡宜控制在6‰以下。

鐵路懸索橋自身剛度提升困難且溫度變形大，能否滿足列車高速行駛有待進(jìn)一步研究。因此，目前適用于復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路大跨度橋梁的主要橋型有梁式橋、組合結(jié)構(gòu)橋、拱橋和斜拉橋。根據(jù)各橋型的跨越能力和受力特點(diǎn)，并結(jié)合我國艱險山區(qū)高速鐵路大跨度橋梁的工程實踐，提出大跨梁式橋、組合結(jié)構(gòu)橋、拱橋和斜拉橋的跨徑范圍和適用條件，如表1所示。

1.2 橋梁選型原則

復(fù)雜艱險山區(qū)地形起伏較大，高速鐵路橋式方案選擇應(yīng)結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)條件，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選確定，橋型選擇一般原則如下：

(1)墩高在60 m以下時，一般采用簡支梁橋通過；墩高小于150 m、跨度不大于200 m時，一般采用大跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋通過；跨越U型寬谷時，可考慮多跨長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合橋。

表1 高速鐵路各大跨橋型跨徑范圍及適用條件表

(2)當(dāng)跨度超過200 m時，一般采用斜拉加勁或拱加勁PC梁式組合結(jié)構(gòu)橋，以減小殘余徐變變形，保證橋面的高平順性。

(3)跨越V型深切峽谷地形且橋位較高時，優(yōu)先考慮采用上承式拱橋通過，橋位應(yīng)選擇邊坡穩(wěn)定且地質(zhì)條件較好的區(qū)域。

(4)當(dāng)線路跨越通航要求較高的江河或山區(qū)U型深谷且梁式橋、拱橋無法滿足要求時，宜選用大跨度斜拉橋。

1.3 典型橋梁

近年來，我國在復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路高墩大跨PC梁式橋、混凝土拱橋、鋼桁斜拉橋等方面開展了系統(tǒng)研究，取得了多項技術(shù)突破，建成了一批具有代表性的大跨度橋梁[2]，如表2所示。如首次采用A型橋墩、最大墩高139 m的渝利鐵路蔡家溝大橋，目前世界第一大跨混凝土拱橋、主跨445 m的滬昆高速鐵路北盤江大橋等，大幅提高了復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路繞避災(zāi)害的能力和選線自由度。

表2 復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路大跨度橋梁一覽表(部分)

2 橋梁抗震及減隔震技術(shù)

復(fù)雜艱險山區(qū)地震頻發(fā)，地震烈度高、活動斷層廣泛分布，橋梁抗震問題突出。針對存在問題，我國在橋梁抗震方面開展了鐵路工程結(jié)構(gòu)物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與方法、9度地震區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計及減隔震設(shè)計等系列研究[3-4]。

2.1 橋墩延性限值及損傷狀態(tài)

基于對歐、日、美抗震規(guī)范[5-7]中關(guān)于延性分類的分析，結(jié)合模型試驗，提出了我國鐵路橋墩不同抗震設(shè)防等級的橋梁延性限值，并與損傷狀態(tài)對應(yīng)起來，解決了不同抗震設(shè)防等級橋梁的性能控制設(shè)計問題。橋墩抗震延性限值及損傷狀態(tài)如表3所示[8]。

表3 橋墩抗震延性限值及損傷狀態(tài)表

2.2 九度地震區(qū)橋梁設(shè)計

高烈度地震對橋梁極為不利，橋梁一旦破壞，修復(fù)較為困難，因此高速鐵路穿越九度地震區(qū)應(yīng)優(yōu)先選用路基通過。必須以橋梁方案通過時，應(yīng)嚴(yán)格控制橋梁規(guī)模和橋墩橋臺高度，優(yōu)先選用便于修復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)跨度簡支梁橋。如滬昆高速鐵路在云南馬龍至昆明間穿越南北向小江斷裂帶，該斷裂帶是歷史上強(qiáng)震集中而又頻發(fā)的地區(qū)，地震動峰值加速度大于0.40 g，滬昆高速鐵路從小江斷裂帶南部穿越，涉及橋梁15座，共計 7 421.3 m。為保證高速鐵路運(yùn)營安全，設(shè)計開展了九度地震區(qū)高速鐵路梁型、跨度比選和減隔震支座、防落梁措施等系列研究，最終選用了24 m標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁部設(shè)置了縱、橫、豎三向限位裝置，并采用了研發(fā)的摩擦擺式減隔震支座，滿足了九度地震區(qū)橋梁抗震的設(shè)計要求。

2.3 減隔震技術(shù)及措施

橋梁減隔震設(shè)計方法主要有以下幾種：①延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；②增設(shè)阻尼器裝置耗散能量；③采用限位裝置限制結(jié)構(gòu)位移[9]，其基本原理如圖1所示。目前常采用的摩擦單擺支座、橡膠隔震支座、軟鋼阻尼支座、高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、速度鎖定器、粘滯阻尼器等減隔震措施，均基于上述原理設(shè)計。

圖1 橋梁減隔震設(shè)計基本原理圖

減隔震裝置選取應(yīng)結(jié)合其結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和環(huán)境條件綜合考慮，除延長周期和增加阻尼外，還應(yīng)從正常使用性能、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等方面全方位進(jìn)行比較。減隔震技術(shù)的主要適用條件為：①橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻；②場地條件較好，預(yù)期地面運(yùn)動特性具有較高的卓越頻率；③根據(jù)鐵路橋墩的特點(diǎn)，建議單線鐵路簡支梁橋墩高小于40 m、雙線鐵路簡支梁橋墩高小于45 m時，采用減隔震措施。

3 峽谷風(fēng)環(huán)境高速行車安全保障技術(shù)

3.1 環(huán)境風(fēng)速對高速鐵路列車運(yùn)行的影響

復(fù)雜艱險山區(qū)峽谷環(huán)境風(fēng)場收縮效應(yīng)顯著，瞬時風(fēng)速大，風(fēng)場紊亂。列車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時，空氣阻力、升力、側(cè)向力迅速增加，產(chǎn)生較強(qiáng)的傾覆力矩，嚴(yán)重影響車輛的橫向穩(wěn)定性和列車運(yùn)行安全。鑒于此，日本、德國、瑞典等國家均規(guī)定了不同風(fēng)速下列車運(yùn)行速度的限值，我國《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》(高速鐵路部分)第343 條對大風(fēng)天氣高速鐵路行車的速度作了規(guī)定，如表4所示。

表4 環(huán)境風(fēng)速對動車組列車運(yùn)行速度的影響表

3.2 橋面導(dǎo)風(fēng)欄桿技術(shù)

為保障峽谷大風(fēng)環(huán)境下高速鐵路橋上列車的運(yùn)行安全，設(shè)計研發(fā)了一種新型橋面導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)風(fēng)、擋風(fēng)功能，既保障了橋上高速列車的運(yùn)行安全，又降低了風(fēng)屏障對橋梁抗風(fēng)性能的影響，且兼具欄桿的功能，經(jīng)濟(jì)高效地解決了峽谷橫風(fēng)對橋上高速行車安全的影響。導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)及安裝斷面如圖2所示。

圖2 導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)及安裝斷面圖(mm)

該導(dǎo)風(fēng)欄桿已成功運(yùn)用于滬昆高速鐵路北盤江大橋和云桂鐵路南盤江大橋。北盤江大橋為主跨445 m上承式混凝土拱橋，橋面距離谷底300 m，橋位處風(fēng)速達(dá)25 m/s，若不設(shè)置風(fēng)屏障，橋上列車需按時速 200 km限速運(yùn)行。設(shè)置導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)后，通過風(fēng)洞試驗和風(fēng)-車-橋耦合動力響應(yīng)分析，得到車體豎向加速度最大值為1.15 m/s2，車體橫向加速度最大值為0.962 m/s2，脫軌系數(shù)最大值為0.560，減載率最大值為0.472，均滿足規(guī)范要求。橋面風(fēng)速25 m/s及以下時，列車可按設(shè)計時速350 km運(yùn)行，無需限速，同時滿足旅客乘坐舒適的要求。

4 高陡邊坡橋墩防護(hù)技術(shù)

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁基礎(chǔ)多位于陡坡上，基礎(chǔ)開挖邊坡高陡，地質(zhì)復(fù)雜，加之山區(qū)雨季較多，易發(fā)生基坑邊坡坍塌。部分傍山橋墩設(shè)置于中厚覆蓋層或強(qiáng)風(fēng)化層中，存在山體邊坡蠕變現(xiàn)象，嚴(yán)重時將影響高速鐵路橋梁施工和運(yùn)營安全，設(shè)計時應(yīng)引起高度重視。因此，橋墩和基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)盡量減小基礎(chǔ)埋置深度，抬高基坑底面，減少對既有山體的擾動，同時加強(qiáng)橋墩基坑開挖縱向、橫向邊坡的防護(hù)設(shè)計。

高陡邊坡基坑開挖防護(hù)主要有以下幾種情況：①在橋墩靠山側(cè)，一般采用按永久邊坡坡率清方后，設(shè)置噴混凝土支護(hù)或噴錨支護(hù)的方式進(jìn)行防護(hù)；②對于存在坍落、塌滑的坡面，采用在靠山側(cè)設(shè)置預(yù)加固樁(鋼筋混凝土抗滑樁)、噴射混凝土封閉護(hù)坡、混凝土掛網(wǎng)噴錨、錨桿框架梁或錨索等方式進(jìn)行防護(hù)；③存在順層、巖堆、滑坡等不良地質(zhì)體時，應(yīng)根據(jù)具體的地形地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計和檢算，采用清方、抗滑樁、錨桿、錨索等方式進(jìn)行綜合防護(hù)。

4.1 邊坡縱向防護(hù)

滬昆高速鐵路北盤江大橋橋位處岸坡陡峻，特別是上海岸拱座附近，綜合坡率約為50°，局部坡率達(dá)72°。為盡可能減小對既有山體的擾動，2號拱座基礎(chǔ)采用臺階式開挖，將基坑防護(hù)底面盡量抬高，并在靠山側(cè)坡腳設(shè)置錨固樁。通過在坡面增設(shè)錨桿和錨索的方式將刷坡率由1∶0.75調(diào)整為1∶0.55，大幅降低了對既有山體的開挖。同時，在1、2號墩間采用65 m大跨梁，避免了將1號橋墩設(shè)置于刷坡體上。采用縱向邊坡綜合防護(hù)措施后，基坑刷坡高度為96.8 m，刷坡長度為78.3 m。2號拱座基坑開挖縱向防護(hù)示意如圖3所示。

圖3 北盤江大橋上海岸基坑開挖防護(hù)示意圖(m)

4.2 邊坡橫向防護(hù)

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁橫向防護(hù)主要包括墩臺基礎(chǔ)基坑開挖橫向防護(hù)和橋梁范圍山體整體橫向防護(hù)。墩臺基坑開挖橫向防護(hù)處理措施與橋墩縱向防護(hù)基本相同。當(dāng)橋梁傍山布置時，若山體坡面存在中厚覆蓋層或破碎強(qiáng)風(fēng)化層、順層或潛在滑坡時，需對橋梁范圍山體整體進(jìn)行橫向預(yù)加固防護(hù)。以某復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁為例，該橋地處兩斷層夾持帶，山體基巖極為破碎、風(fēng)化層厚度達(dá)35 m，且橋梁位于側(cè)溝深切的“倒三角”楔形陡坡上方。受重力作用，該斜坡存在向下方溝谷潛在蠕變的趨勢。為保證高速鐵路運(yùn)營安全，必須對全橋橫向潛在的蠕變體進(jìn)行防護(hù)。設(shè)計時，在推測蠕滑面前緣設(shè)錨索樁，沿坡面自下而上設(shè)置四個錨索框架梁加固區(qū)，以防止邊坡蠕變導(dǎo)致的橋墩偏移，橫向防護(hù)示意如圖4所示。

圖4 高速鐵路橋梁橫向防護(hù)示意圖

5 危巖落石防治技術(shù)

危巖落石災(zāi)害是高山峽谷地區(qū)一種常見的地質(zhì)災(zāi)害類型。山區(qū)陡坡地段經(jīng)常會形成崩塌、落石、巖堆等不良地質(zhì)，同時隧道進(jìn)出口高陡邊坡在雨水、地震等自然災(zāi)害以及施工刷坡、爆破等作用下，也會形成危巖、落石、崩塌等，危及高速鐵路施工和運(yùn)營安全。高速鐵路線路應(yīng)盡量繞避大型危巖落石區(qū)域及危巖落石集中地段或以隧道通過，當(dāng)必須以明線工程通過危巖落石及崩塌地段時，應(yīng)盡可能從危害相對較小地段或騎山脊通過，以降低高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營安全風(fēng)險。

危巖落石處理的總體思路為：首先通過野外調(diào)繪查明危巖落石分布范圍、位置、類型及穩(wěn)定程度，再分別采取清除、支擋、主動和被動防護(hù)等措施進(jìn)行整治，對于無法清除的危巖，采取預(yù)警措施消除落石給高速列車帶來的危害。危巖落石一般采用清、固、攔、擋的綜合整治措施：①對較大危巖落石區(qū)，采取主動窗簾式防護(hù)網(wǎng)或錨索加固；②對單獨(dú)大體積危巖落石，采取錨索及錨桿加固；③對小規(guī)模危石，采取錨桿加固或清除；④清、固處理后仍存在零星小塊落石風(fēng)險的地段，采用攔石墻、被動攔石網(wǎng)或明洞、棚洞在線路上方作遮蓋防護(hù)。危巖落石綜合防治措施如圖5所示。

圖5 危巖落石綜合防治措施圖

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋隧占比常高達(dá)線路全長的80%～90%以上，且多橋隧相連，其危巖落石防治一般采用隧道口明洞接長的方式。在隧道口明洞接長條件受地形、地質(zhì)條件限制時，?？紤]設(shè)置棚洞防護(hù)，如成昆、內(nèi)昆、寶成等鐵路均采用了鋼筋混凝土防護(hù)棚洞。近兩年開展了危巖落石地段橋梁和棚洞一體化技術(shù)的研究，將橋梁結(jié)構(gòu)和棚洞結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，以增加棚洞的防護(hù)范圍，合理降低棚洞的工程造價，進(jìn)一步提高了山區(qū)鐵路危巖落石防治技術(shù)的綜合水平，保障了高速鐵路的運(yùn)營安全。梁支承棚洞結(jié)構(gòu)為典型的橋棚一體化結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 梁支承棚洞結(jié)構(gòu)模型圖

6 泥石流防治技術(shù)

泥石流是復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路常見的不良地質(zhì)環(huán)境，與地形、地質(zhì)構(gòu)造和暴雨徑流條件的關(guān)系十分密切。山區(qū)最常見的為溝谷型泥石流[10-11]，具有明顯的物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，即上游為形成區(qū)，中游為流通區(qū)，下游為沉積區(qū)。根據(jù)泥石流特征，可按以下原則進(jìn)行防治：①對于特大型、大型泥石流，采用線路繞避或隧道深埋通過；②對于中型泥石流，不能繞避時應(yīng)選擇在流通區(qū)或沉積區(qū)內(nèi)采用橋梁跨越，并根據(jù)泥石流流量、規(guī)模和堆積高度，合理選擇橋梁孔跨、凈空。③跨越泥石流流通區(qū)時，應(yīng)采用大跨一跨跨越；④沉積區(qū)為寬淺型溝槽時，采用橋梁一跨跨越泥石流主溝，并對邊灘橋墩設(shè)置防護(hù)墩。

泥石流對高速鐵路橋梁的危害主要有：①泥石流及其攜帶的大量塊石和漂礫沖擊橋墩，造成橋墩斷裂、垮塌、傾倒等；②泥石流沖刷、淘蝕墩臺基礎(chǔ)，導(dǎo)致基礎(chǔ)沉陷變形；③泥石流在橋下淤積，堵塞橋涵，引起橋梁凈空和排導(dǎo)斷面不足，漫流淤埋橋梁。依據(jù)泥石流對鐵路橋梁的危害方式，總結(jié)提出了導(dǎo)流、穩(wěn)坡、攔擋、固床、停淤等工程防治措施和林業(yè)、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)等生物防治措施，泥石流災(zāi)害綜合防治措施如圖7所示。

圖7 泥石流綜合防治措施圖

復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁跨越泥石流溝時，在泥石流溝上游采用攔擋，橋下采用疏導(dǎo)等措施，可有效減小泥石流大塊石和流體對橋墩的沖擊破壞，減小橋下淤積和沖刷，保障高速鐵路的運(yùn)營安全。

7 結(jié)束語

本文總結(jié)了我國近10年來復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計的實踐經(jīng)驗，為復(fù)雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設(shè)計提供了重要的技術(shù)支撐，并可為供川藏、滇藏等鐵路建設(shè)參考借鑒。