平南三橋橋型方案設(shè)計(jì)研究

歐陽(yáng)平，林增海，米德才，陳鑫

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

平南三橋是廣西荔浦至玉林高速公路平南北互通連接線跨越潯江的一座特大橋。根據(jù)平南縣縣城總體規(guī)劃，平南三橋?qū)⒆鳛榭h城外環(huán)路西段跨越潯江的市政橋梁，因此該橋由平南縣出資建設(shè)，并納入高速公路項(xiàng)目同步建設(shè)。

平南三橋?qū)嵤┓桨覆捎每鐝?75 m鋼管混凝土拱橋，是目前世界上最大跨徑的拱橋。該橋北岸基礎(chǔ)位于覆蓋層厚超過(guò)30 m的復(fù)雜地層，其中包括20 m厚的強(qiáng)透水卵石層，在這樣的地質(zhì)條件下推選鋼管混凝土拱橋方案，是經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和技術(shù)設(shè)計(jì)三個(gè)階段的充分論證得出的科學(xué)結(jié)論。

平南三橋的建設(shè)證明：在地質(zhì)條件較差的情況下，鋼管混凝土拱橋仍然具有良好的工程經(jīng)濟(jì)性，是極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋型方案。

1 主要建設(shè)條件

1.1 橋位選址

平南三橋橋位總體走向需符合縣城總體規(guī)劃要求，受規(guī)劃港口岸線、地形等條件制約，橋位選址余地不大，考慮控制橋梁規(guī)模和工程投資，橋位選址基本上是唯一的(圖1、2)。

圖1 地理位置圖

1.2 通航與防洪

平南三橋橋址位于S形連續(xù)彎曲河道，上游1.5 km、下游5.5 km均有河灘，橋位處水流流態(tài)復(fù)雜，通航條件較差，為保證通航安全，通航論證要求橋梁一跨過(guò)江，水中不允許設(shè)墩，橋梁跨徑不小于535 m。

橋址兩岸均有防洪堤，根據(jù)防洪要求需設(shè)60 m橋孔跨越兩岸防洪堤。

圖2 平南三橋橋位選址

1.3 工程地質(zhì)條件

橋位區(qū)北岸覆蓋層自上而下依次為硬塑狀粉質(zhì)黏土、軟可塑狀粉質(zhì)黏土、中密狀卵石，均厚分別為8.5、11.5、16 m，其中卵石層最大厚度達(dá)25 m；卵石層中密狀，母巖主要為砂巖、石英巖，粒徑為20～100 mm，含量為50%～70%，間隙充填圓礫、細(xì)砂及粉質(zhì)黏土，強(qiáng)透水和強(qiáng)富水，具承壓性，承壓水頭為12～20 m，與潯江水力聯(lián)系密切，呈互補(bǔ)關(guān)系?；鶐r以中風(fēng)化灰?guī)r為主，局部間夾泥晶灰質(zhì)白云巖，巖體較完整，屬軟巖，巖溶中等發(fā)育，鉆孔遇洞率為33.3%，線溶率為1.1%，多為淺表基巖發(fā)育的單一狹長(zhǎng)形溶洞，溶蝕裂隙較密集發(fā)育，巖體較破碎，但未發(fā)育相互連通的大規(guī)模巖溶通道或大型溶洞。基巖裂隙巖溶水屬承壓水，承壓水頭20～30 m，中等透水，強(qiáng)富水。

南岸地質(zhì)條件相對(duì)較好，覆蓋層為硬塑狀粉質(zhì)黏土，均厚15 m；基巖為中風(fēng)化灰?guī)r，巖體較完整，強(qiáng)度較高，屬較硬巖，巖溶強(qiáng)發(fā)育，鉆孔遇洞率為61.9%，線溶率為2.7%，主要為淺表中小型溶洞和溶蝕裂隙，溶洞及貫通性較好，未發(fā)現(xiàn)相互連通的大規(guī)模巖溶通道或大型溶洞?；鶐r裂隙巖溶水屬承壓水，承壓水頭3～13 m，弱透水，中等富水。

1.4 其他

項(xiàng)目所在地交通運(yùn)輸條件較好，橋址位于西江上游，目前可通航2 000 t船舶，水運(yùn)便利；陸路可通過(guò)高速公路和地方道路到達(dá)橋址。

2 橋型方案設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

主橋跨度由通航要求決定，需達(dá)到535 m以上，該跨度下的適用橋型有懸索橋、斜拉橋和拱橋。對(duì)于懸索橋而言，535 m跨徑較小，不是經(jīng)濟(jì)跨徑。對(duì)于斜拉橋而言，535 m是常規(guī)跨徑，也是經(jīng)濟(jì)跨徑。對(duì)于拱橋，跨徑布置要比懸索橋和斜拉橋更大一些，可能突破目前的拱橋跨徑記錄(目前世界最大跨徑的拱橋朝天門大橋跨徑為552 m)，因此拱橋方案是方案設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵，尤其是在橋址地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜的條件下，不僅要充分論證技術(shù)可行性，還要控制方案的工程造價(jià)，使拱橋方案具有可比性。

橋面布置考慮市政橋梁功能布置人行道、非機(jī)動(dòng)車道，機(jī)動(dòng)車設(shè)置4個(gè)車道，橋面凈寬28 m(圖3)。

圖3 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置(單位：cm)

2.2 懸索橋方案

懸索橋采用單跨吊形式，跨徑535 m，加勁梁采用鋼箱梁，兩岸均采用重力式錨碇，其中考慮地質(zhì)條件，北岸錨碇采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。兩岸引橋考慮跨越防洪堤，采用現(xiàn)澆PC箱梁(圖4)。

圖4 懸索橋方案立面布置圖(單位：m)

2.3 斜拉橋方案

斜拉橋主跨535 m，鋼混組合梁是經(jīng)濟(jì)合理的主梁形式，同時(shí)考慮兩岸邊跨均在岸上，為節(jié)省投資，采用混合梁斜拉橋方案，即中跨采用鋼混組合梁，邊跨采用PC箱梁，設(shè)置3個(gè)輔助墩，同時(shí)考慮跨越防洪堤要求，橋跨布置見(jiàn)圖5。

圖5 斜拉橋方案立面布置圖(單位：m)

2.4 拱橋方案

2.4.1 跨徑

拱橋跨徑選擇首先滿足通航要求，即一跨過(guò)江跨徑不小于535 m，此外考慮拱座基礎(chǔ)布置和施工需要合理布置跨徑，在滿足這些條件后跨徑宜小不宜大。

2.4.2 體系

拱橋體系按拱座基礎(chǔ)受力情況可分為無(wú)推力體系和有推力體系。無(wú)推力體系一般通過(guò)設(shè)置系桿平衡拱結(jié)構(gòu)的水平推力，對(duì)于大跨徑拱橋由于施工需要(先拱后梁)一般采用柔性系桿。無(wú)推力拱橋?yàn)樽云胶怏w系，水平力不傳遞給基礎(chǔ)，因此該體系對(duì)地基和地形適應(yīng)性更好，常用于基礎(chǔ)地質(zhì)條件較差的情況，如上海的盧浦大橋；此外飛燕式系桿拱橋可在水中設(shè)墩減少主跨長(zhǎng)度，如合江三橋。平南三橋由于通航條件限制，水中不能設(shè)墩，采用飛燕式系桿拱邊跨在岸上，由于橋面離地面不高，因此無(wú)條件設(shè)置邊跨，系桿體系適合采用單跨的下承式系桿拱。

單跨下承式系桿拱橋方案拱座及基礎(chǔ)體量較大，與有推力拱橋方案相比下部結(jié)構(gòu)工程經(jīng)濟(jì)方面優(yōu)勢(shì)不大，考慮上部結(jié)構(gòu)增加了系桿，不僅增加了上部結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)，而且施工工藝也更復(fù)雜，同時(shí)系桿后期運(yùn)營(yíng)需要定期更換，維護(hù)費(fèi)用較高，因此相比之下有推力拱橋方案更合理。

2.4.3 拱肋形式

大跨徑拱橋拱肋形式主要有鋼箱拱肋、鋼桁拱肋、鋼管混凝土拱肋，對(duì)于上述3種形式拱肋選擇主要從經(jīng)濟(jì)上考慮，表1通過(guò)對(duì)同等跨徑的3座已建成的拱橋進(jìn)行比較(蘆浦大橋、香溪長(zhǎng)江大橋、合江一橋)進(jìn)行說(shuō)明。從表1可見(jiàn)：鋼桁拱和鋼箱拱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相當(dāng)，比鋼管混凝土拱增加約3 000元/m2，以此指標(biāo)計(jì)，平南三橋采用鋼管混凝土拱肋將比鋼桁或鋼箱拱肋節(jié)省約6 000萬(wàn)元(保守估計(jì))，因此從節(jié)省投資角度考慮選擇鋼管混凝土拱肋。

表1 拱肋形式工程經(jīng)濟(jì)性比較

合江一橋的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明采用真空輔助灌注鋼管內(nèi)混凝土能有效解決灌注混凝土的密實(shí)性和脫空問(wèn)題，同時(shí)根據(jù)鄭皆連院士研究團(tuán)隊(duì)研究成果，目前中國(guó)建造600 m級(jí)鋼管混凝土拱橋沒(méi)有任何技術(shù)難題，因此平南三橋采用鋼管混凝土拱橋方案合理可行。

2.4.4 基礎(chǔ)形式

南岸地質(zhì)條件較好，可采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。北岸地質(zhì)條件較差，借鑒類似工程地質(zhì)條件的懸索橋錨碇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)沉井和地下連續(xù)墻兩種基礎(chǔ)形式進(jìn)行比選。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，兩種基礎(chǔ)形式工程造價(jià)相當(dāng)，地下連續(xù)墻基礎(chǔ)施工周期更短，施工風(fēng)險(xiǎn)小，基礎(chǔ)可靠性更高(地下連續(xù)墻嵌巖)，因此選擇采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。

2.4.5 拱橋橋型

拱橋方案主橋采用計(jì)算跨徑560 m的鋼管混凝土拱橋，南岸明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，北岸地下連續(xù)墻基礎(chǔ)。拱肋主弦管直徑1.4 m，拱頂桁高8.5 m，拱腳桁高17 m，橋道系采用格構(gòu)式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)(圖6)。

圖6 鋼管混凝土拱橋方案立面布置圖(單位：m)

控制性計(jì)算表明主拱圈強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗風(fēng)及抗震性能均能滿足規(guī)范要求。

3 橋型方案比選

平南三橋?qū)儆谄侥峡h地方橋梁，因此橋型選擇應(yīng)重點(diǎn)考察工程經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)因素，此外還應(yīng)綜合考慮施工難度及施工工期、行車舒適性、橋梁景觀等其他因素。

3.1 經(jīng)濟(jì)性分析

表2對(duì)3種橋型方案的主要材料及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比。懸索橋由于不在經(jīng)濟(jì)跨徑范圍，其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和造價(jià)都是最高；拱橋雖然經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比斜拉橋高，但由于主橋長(zhǎng)度比斜拉橋短，因此總投資比斜拉橋減少1 034萬(wàn)元。

表2 各橋型方案主要材料及經(jīng)濟(jì)性比較

假設(shè)北岸基礎(chǔ)與南岸一樣具有較好的地質(zhì)條件，采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，那么拱橋方案總造價(jià)為55 045萬(wàn)元，比斜拉橋方案少4 278萬(wàn)元；假設(shè)南岸基礎(chǔ)地質(zhì)條件與北岸一樣，采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，則拱橋方案總造價(jià)為61 533萬(wàn)元，比斜拉橋方案多2 210萬(wàn)元?？梢?jiàn)在要求一跨過(guò)江的條件下，600 m級(jí)的鋼管混凝土拱橋與斜拉橋經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)，地質(zhì)條件對(duì)拱橋造價(jià)影響較大，地質(zhì)條件較好時(shí)拱橋具有較好的經(jīng)濟(jì)性，地質(zhì)條件較差時(shí)，斜拉橋具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

為考察600 m以下跨徑的鋼管混凝土拱橋的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)主跨450、350、250 m的斜拉橋和鋼管混凝土拱橋進(jìn)行比較，其中各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，拱橋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮兩岸地基條件較差的不利因素取較高值(表3)。表3表明：即使考慮地質(zhì)條件不利的情況下，鋼管混凝土拱橋仍然具有良好的工程經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，如果地質(zhì)條件較好時(shí)其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)更為顯著。

表3 斜拉橋與鋼管混凝土拱橋經(jīng)濟(jì)性比較

3.2 運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)

拱橋方案養(yǎng)護(hù)較容易，費(fèi)用也是最低的，懸索橋由于主纜的防腐養(yǎng)護(hù)要求較高其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用是最高的，斜拉橋因斜拉索養(yǎng)護(hù)成本較大其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也較高(表4)。

表4 各橋型方案養(yǎng)護(hù)比較

3.3 行車舒適性

斜拉橋和懸索橋都屬索承重結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)拱橋要小，以主梁撓度指標(biāo)考察，平南三橋懸索橋最大撓度為1 380 mm，斜拉橋最大撓度為515 mm，拱橋最大撓度為142 mm，可見(jiàn)鋼管混凝土拱橋剛度明顯優(yōu)于懸索橋和斜拉橋，其行車舒適性更好。

3.4 施工難度及施工工期

斜拉橋和懸索橋方案跨徑在常規(guī)范圍，已建成類似的工程很多，施工工藝成熟，施工難度較低。鋼管混凝土拱橋跨徑突破現(xiàn)有拱橋跨徑，并采用了地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，拱肋鋼結(jié)構(gòu)的加工、現(xiàn)場(chǎng)吊裝、管內(nèi)混凝土灌注及地下連續(xù)墻成槽、基坑開(kāi)挖等施工工藝要求高，施工安全、施工質(zhì)量和施工精度等控制要求嚴(yán)格，因此拱橋方案施工難度較大。

工期方面，鋼管混凝土拱橋采用斜拉扣掛、纜索吊裝施工，施工速度快，工期較短。平南三橋懸索橋方案工期約為36個(gè)月，斜拉橋工期約為38個(gè)月，拱橋方案工期約為35月(考慮洪水不利影響)。

3.5 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)及解決方案

斜拉橋和懸索橋方案跨徑在常規(guī)范圍，技術(shù)成熟，風(fēng)險(xiǎn)較低。

拱橋方案技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較高，主要有兩個(gè)方面：

(1)拱肋的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。鋼管混凝土拱橋跨徑575 m，比目前已經(jīng)建成的最大跨徑同類橋型跨徑增長(zhǎng)了45 m(合江一橋跨徑530 m)，因此拱肋的設(shè)計(jì)及施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。近年來(lái)中國(guó)鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)得到了極大的發(fā)展，真空輔助灌注管內(nèi)混凝土技術(shù)、自密實(shí)無(wú)收縮混凝土技術(shù)、扣塔位移主動(dòng)控制技術(shù)等一系列自主創(chuàng)新技術(shù)使得大跨徑鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)又邁上一個(gè)新臺(tái)階。同時(shí)中國(guó)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)院等對(duì)700 m級(jí)跨徑的鋼管混凝土拱橋建造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分的研究，這些研究成果為鋼管混凝土拱橋向更大跨徑發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。因此拱肋的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)總體上是可控的，充分利用合江一橋等大跨徑鋼管混凝土拱橋的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)的科研成果，采用先進(jìn)施工技術(shù)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等各個(gè)環(huán)節(jié)的管理，選擇高水平的建設(shè)隊(duì)伍，可有效降低拱肋的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)地下連續(xù)墻基礎(chǔ)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。拱橋方案北岸采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)形式在同類橋型中未有過(guò)工程應(yīng)用，因此地下連續(xù)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn)較高。近年來(lái)中國(guó)有多座大跨徑懸索橋的錨碇采用地下連續(xù)墻基礎(chǔ)(如虎門二橋坭洲水道橋采用直徑90 m的地下連續(xù)墻作為錨碇基礎(chǔ))，拱橋和懸索橋錨碇基礎(chǔ)受力類似，均承受較大的水平荷載，因此充分借鑒大跨徑懸索橋的錨碇地下連續(xù)墻基礎(chǔ)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等各個(gè)環(huán)節(jié)的管理，可以有效降低地下連續(xù)墻基礎(chǔ)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 橋梁景觀

總體上懸索橋和拱橋比例協(xié)調(diào)，與環(huán)境融合較好，斜拉橋由于邊跨主梁均在岸上，且兩岸橋面離地面不高，因此比例協(xié)調(diào)性相對(duì)較差，與環(huán)境融合度也較差。

3.7 推薦方案

從減輕地方財(cái)政壓力角度考慮，平南三橋方案選擇重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)兩方面因素。

經(jīng)濟(jì)性：拱橋方案比斜拉橋方案節(jié)省1 034萬(wàn)元，相當(dāng)于平南縣一年財(cái)政收入的0.5%(平南縣2018年財(cái)政收入19.8億元)，其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。

養(yǎng)護(hù)成本：斜拉橋換索費(fèi)用高，按斜拉索用量2 300 t計(jì)算，換一次索需要花費(fèi)6 000多萬(wàn)元，這對(duì)于縣財(cái)政來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的開(kāi)支，而拱橋吊桿更換一次僅需600多萬(wàn)元(吊桿用量按220 t計(jì)算)，比斜拉橋換索費(fèi)用要低得多。

由此可見(jiàn)，拱橋方案在經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，其他方面如行車舒適性、橋梁景觀等方面拱橋方案均具有優(yōu)勢(shì)。盡管拱橋方案施工難度較大，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也較高，但通過(guò)合理選擇施工隊(duì)伍，加強(qiáng)施工管理和監(jiān)控，采取合理的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，拱橋方案是合理可行的。綜合上述因素選擇鋼管混凝土拱橋?yàn)橥扑]方案。

4 方案實(shí)施情況

平南三橋于2018年下半年開(kāi)工建設(shè)，兩岸基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)已順利完成，目前拱肋已完成安裝，預(yù)計(jì)2020年12月建成通車。

5 結(jié)論

(1)在同等跨徑條件下，鋼管混凝土拱橋與斜拉橋具有經(jīng)濟(jì)可比性，方案設(shè)計(jì)階段宜進(jìn)行同深度比選。

(2)經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)條件下，鋼管混凝土拱橋在行車舒適度和養(yǎng)護(hù)方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，是首選的合理橋型方案。

(3)鋼管混凝土拱橋是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的橋型，以目前的橋梁技術(shù)能力鋼管混凝土拱橋可以做到700 m左右跨徑，在這個(gè)跨徑范圍內(nèi)鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用具有良好的應(yīng)用發(fā)展前景。以廣西為例，對(duì)于平原地區(qū)跨江橋梁，很多情況由于通航和橋位選線的限制橋梁必須一跨過(guò)江，而廣西地區(qū)沿河地質(zhì)覆蓋層一般在40 m以內(nèi)，因此即使考慮地質(zhì)條件不利等因素，鋼管混凝土拱橋仍然具有較好的經(jīng)濟(jì)性；對(duì)于山區(qū)峽谷橋梁，斜拉橋由于需要控制橋塔高度，其跨徑往往比拱橋更大，而且山區(qū)地質(zhì)條件一般較好，因此鋼管混凝土拱橋具有顯著的優(yōu)勢(shì)。