虎跳峽金沙江大橋橋型方案比選分析

劉春， 余化彪， 李德宏

(1.中建四局第五建筑工程有限公司云南分公司， 云南 昆明 650200； 2.云南省建設(shè)投資控股集團有限公司路橋總承包部)

隨著經(jīng)濟發(fā)展，國家高速公路迅猛發(fā)展，為適應(yīng)山區(qū)山谷、河流海域等地形特征，大跨度的拱橋、懸索橋及斜拉橋等大橋應(yīng)運而生。云南香麗高速公路虎跳峽金沙江大橋在橋型比選設(shè)計中依據(jù)地形地質(zhì)條件、施工條件、交通旅游情況設(shè)計成獨塔單跨地錨式懸索橋。因香格里拉岸為陡峭岸坡，且下方為當(dāng)?shù)貣|環(huán)線旅游公路，在地形上和施工安全上均不允許設(shè)置主塔，橋型方案有大跨度拱形橋、雙塔斜拉橋、纜洞懸索橋、常規(guī)懸索橋及獨塔單跨懸索橋等。最終選擇獨塔單跨地錨式懸索橋，因獨塔特點則采用新發(fā)明滾軸式復(fù)合索鞍，此類索鞍在國內(nèi)外大跨懸索橋中是第一次應(yīng)用。

1 工程概況

該橋?qū)儆谙愀窭锢聋惤咚俟返诰藕贤?，近垂直跨越虎跳峽上游的金沙江河谷。麗江岸有那田增斷層、滑坡體區(qū)、蠕變坡、莫谷喜滑坡、土冰磧土、中落魚段層、巖堆等；此橋橋址往下游方向500 m處地形地質(zhì)較理想，此處已為麗香高速鐵路的橋址。橋區(qū)海拔為1 800～3 500 m，最大高差為1 700 m，屬深切割、構(gòu)造剝蝕-侵蝕中山區(qū)。地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值水平加速度為0.3g,場地類別為Ⅱ類。大橋設(shè)計全長1 017 m，主跨為766 m懸索橋，引橋為6×41 m鋼混疊合梁，設(shè)計為雙向四車道。

2 橋位選擇

下游麗香高速鐵路的橋址因其先設(shè)計選址而動工；往上游處方向則河谷太寬廣，地勢較低，且居民住戶較多，當(dāng)擬設(shè)計在此處的水庫蓄水后將淹沒上游段海拔低的寬廣區(qū)域。

麗江岸地勢相對平緩，岸坡穩(wěn)定性較差，并有不良地質(zhì)發(fā)育，橋位受限。重力錨及索塔布置為避開嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害區(qū)，在毗鄰災(zāi)害地質(zhì)區(qū)采用抗滑樁、錨索框格梁或錨索混凝土板等進行處治加固。

香格里拉岸地勢高、巖質(zhì)較堅硬，工程地質(zhì)條件較好，但該岸邊坡均較為陡峻，無法設(shè)置塔柱，且山坡底為旅游公路，車流量大，施工安全隱患極大。若設(shè)置引橋則有不利影響，該岸將不設(shè)置引橋，盡量做到邊坡集中處治、施工平臺集中設(shè)置，最大限度降低對環(huán)境的影響。

3 橋型方案比選

3.1 方案主要控制因素

總體上看，大橋區(qū)位地勢較高、橋位區(qū)內(nèi)無地表水體分布，適宜大橋建設(shè)。香格里拉岸地勢高、巖質(zhì)較堅硬，但地形陡、施工場地狹窄。塊狀玄武巖巖質(zhì)堅硬，無構(gòu)造及不良地質(zhì)發(fā)育，地質(zhì)條件較簡單；錨碇區(qū)地表水、地下水不發(fā)育，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件較好，巖質(zhì)邊坡整體穩(wěn)定性較好，錨碇區(qū)總體地質(zhì)條件較好。

錨碇區(qū)局部地表覆蓋土層厚為1～3 m，大部分區(qū)基巖出露，淺表強風(fēng)化層帶較薄(水平向1～2 m)，強卸荷帶較薄(1～3 m)，不宜作為錨碇及散索鞍基礎(chǔ)工程的持力層；弱卸荷帶稍厚(水平向8～10 m不等)，能夠承受較大壓應(yīng)力，可以作為墩臺基礎(chǔ)、邊坡錨固工程的持力層，但由于存在劈理密集帶、巖體均勻性差，不宜作為隧道錨的錨固持力層。坡面25 m以內(nèi)的未卸荷帶巖體較為完整、巖質(zhì)堅硬，為Ⅲ級圍巖，對隧道錨洞室開挖較為有利，為較好的隧道錨錨固持力層。

麗江岸金沙江區(qū)域地質(zhì)環(huán)境十分脆弱，大橋橋位原本就是按“差中選優(yōu)”原則從區(qū)內(nèi)“斷層密織、不良地質(zhì)及堆積體遍布”這樣復(fù)雜、脆弱地質(zhì)環(huán)境中篩選出的“地質(zhì)安全島”，同時加之施工場地狹窄，高速公路與麗香鐵路施工之間相互干擾大：麗香鐵路進場后，在大橋麗江岸索塔右上方的莫古喜1#滑坡范圍內(nèi)建設(shè)了混凝土拌和站、在重力錨右上方建設(shè)了砂石制料場，都對大橋上邊坡形成了人為加載情況。

3.2 橋型方案

(1) 方案1：主跨480 m雙塔雙索面斜拉橋

斜拉橋麗江岸主塔高約213 m，群樁樁基長60 m，樁徑2.5 m，共16根樁，承臺高8 m；香格里拉岸主塔高約194 m，群樁樁基長55 m,樁徑2.5 m，共16根樁，承臺高8 m。斜拉橋跨徑布置為(6+340+480+120+6) m，全長952 m。麗江岸中跨比為0.708，香格里拉岸中跨比為0.25。橋面梁設(shè)計為鋼桁梁，預(yù)制拼裝。橋臺初步設(shè)計為重力式橋臺，依據(jù)地質(zhì)開挖情況做合理變更，樁基重力式橋臺為備選方案。兩主塔可同時施工，每個主塔兩端的梁可以同時對稱架設(shè)，每個主塔兩端兩側(cè)的斜拉索可以同時對稱架設(shè)，橋型如圖1所示。

圖1 斜拉橋橋型圖(單位：cm)

(2) 方案2：主跨480 m混凝土拱橋

拱橋主橋采用一孔480 m凈跨徑混凝土拱橋，全橋長904 m。橋跨徑布置為(5+160+160+480+90+8) m，兩端初步設(shè)計為重力式橋臺，橋梁墩柱可同時施工，橋面均采用預(yù)制T梁，上部結(jié)構(gòu)架設(shè)施工速度快，因下部結(jié)構(gòu)施工工期較長，整個工期比其他橋梁較長。麗江岸拱座設(shè)置在山坡腳，采用擴大式拱座基礎(chǔ)；香格里拉岸拱座設(shè)置于主河槽岸坡上，因此岸地質(zhì)條件較好，地勢較陡，采用拱軸線延伸式拱座基礎(chǔ)。拱肋計算跨度為460 m，矢高為92 m，鋼筋混凝土拱橋的矢跨比一般為1/5～1/8，而該主橋的凈矢跨比為1/5，橋型如圖2所示。

圖2 混凝土拱橋橋型圖(單位：cm)

(3) 方案3：常規(guī)懸索橋

常規(guī)懸索橋橋型采用主跨為580 m，全橋共長954 m,橋跨徑布置為(5+6×41.5+580+2×41.5+8+29) m，麗江岸主塔高125.4 m,香格里拉岸主塔高161 m，矢高58 m，計算跨度為580 m，矢跨比為1/10。麗江岸因山坡上方存在中落魚斷層及土冰磧體，山腰地勢較為平緩，故采用重力式錨錠，麗江岸采用5座引橋墩；香格里拉岸采用一座引橋墩，此岸因地勢陡，地質(zhì)巖層較好，故采用隧道式錨錠，此橋型的特點是主跨兩端有引橋，兩橋端為重力式橋臺，其麗江岸有兩座引橋墩設(shè)置在重力錨中，對重力錨有壓重的作用，有利于重力錨的穩(wěn)定。橋型如圖3所示。

圖3 常規(guī)懸索橋橋型圖(單位：cm)

(4) 方案4：纜洞懸索橋

纜洞懸索橋橋型采用主跨為670 m的懸索橋，全橋共長1 094 m，橋跨徑布置為(5+6×41.5+670+170) m，麗江岸主塔高134.4 m,香格里拉岸主塔高81 m。麗江岸采用重力式錨錠，麗江岸采用5座引橋墩；而香格里拉岸采用隧道式錨錠，主纜纜索通過纜洞延伸至山體內(nèi)部然后錨固于埋在隧道下方的隧道錨中。矢高67 m，計算跨度670 m，矢跨比為1/10。此纜洞懸索橋的特點是將引橋及引橋墩取消，將主塔在山坡上往上移，則主塔避開河岸旁及下方的旅游公路，移至山坡腰隧道洞口處，在此岸端開挖纜洞后將纜索往纜洞中移設(shè)，橋型如圖4所示。

圖4 纜洞懸索橋橋型圖(單位：cm)

(5)方案5：獨塔懸索橋

獨塔懸索橋橋型采用主跨766 m，全長1 017 m，橋跨布置為(766+6×41+5) m，麗江岸主塔上游塔高145.6 m，下游塔高161.6 m，采用5座引橋墩，引橋為鋼混組合梁。橋臺采用樁基重力式橋臺。香格里拉岸無塔，無引橋，橋臺初步設(shè)計為簡易U形橋臺。矢高76.6 m，計算跨度766 m，矢跨比為1/10。設(shè)計中因地制宜地采用獨塔單跨地錨式懸索橋，取消了香格里拉岸陡峭岸坡上的索塔，將主纜通過集主索鞍和散索鞍于一體的滾軸式復(fù)合索鞍錨于隧道錨中，為減小索鞍對索鞍支墩下方巖體的壓力，隧道錨主軸線與水平面夾角設(shè)計為200°，比普通隧道錨軸線與水平面的夾角要小，橋型如圖5所示。

圖5 獨塔懸索橋橋型圖(單位：cm)

4 橋型比選

4.1 橋型比選分析

方案1斜拉橋麗江岸主塔偏高，而香格里拉岸主塔設(shè)在河岸陡坡上將侵占沿河岸旅游公路，且施工交叉干擾極大，橋梁造價較高；方案2混凝土拱橋工期相對較長，香格里拉岸拱座施工將嚴(yán)重影響沿河岸的旅游公路運營，施工安全隱患大，且此岸段的兩引橋墩施工風(fēng)險極大，滿足要求施工便道極難修建，引橋墩設(shè)在陡坡上風(fēng)險大，且全橋造價高；方案三常規(guī)懸索橋香格里拉岸主塔侵占旅游公路，且此岸陡坡引橋墩施工風(fēng)險極大，滿足要求施工便道無法修建，經(jīng)濟上也無優(yōu)勢；方案4纜洞懸索橋取消引橋及引橋墩，在施工風(fēng)險方面相對方案3有很大優(yōu)勢，但香格里拉岸陡坡設(shè)主塔仍有風(fēng)險，同時施工時對下方旅游公路安全隱患大，且纜洞開挖對山體造成擾動，造價上也無優(yōu)勢。

4.2 獨塔懸索橋特點

方案5獨塔懸索橋取消香格里拉岸主塔、引橋及橋墩，直接運用隧道錨。大橋在兩岸均與隧道相接，香格里拉岸采用隧道式錨碇，位于隧道上方，隧道和隧道錨之間需要保持一定的安全距離。此橋的復(fù)合式索鞍為此橋的特殊性而專門設(shè)計，申報為國家重點專利。而麗江岸有條件設(shè)置主塔及重力錨，重力錨基坑高邊坡高80 m，采用了錨索框格梁及錨索抗滑樁群支護。且麗江岸引橋的5#墩柱沉落在重力錨上對重力錨起壓重作用。橋型方案比選如表1所示，經(jīng)綜合比較，最終采用獨塔懸索橋，獨塔懸索橋效果如圖6所示。

5 獨塔懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 主橋鋼桁梁

主橋鋼桁架標(biāo)準(zhǔn)橫斷面，桁寬26 m。在滿足24.5m路基寬的基礎(chǔ)上還在橋面設(shè)置0.75 m寬的上檢修道(吊索處<0.75 m)，鋼桁內(nèi)設(shè)置雙側(cè)1.5 m寬的下檢修道。未設(shè)置人行道。

表1 橋型方案比選

圖6 獨塔懸索橋效果圖

鋼桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，上、下平聯(lián)采用K形撐。主桁上、下弦桿采用箱形截面。主桁桁高6.0 m，桁寬26 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間長度為5.75 m。一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度為10.5 m，由兩個節(jié)間組成，在每節(jié)間處設(shè)置一道主橫桁架。

5.2 引橋鋼混組合梁

麗江岸引橋各橋墩均采用矩形變截面薄壁空心墩配群樁基礎(chǔ)，跨徑布置為6×41 m的T形鋼混組合梁。單幅橋?qū)挒?2 m。單幅每跨采用3個T形豎向布置的鋼腹板，在3個鋼腹板上焊接鋼橋面板，再在鋼橋面板上現(xiàn)澆8 cm厚C50混凝土，其上鋪防水材料，在防水材料上現(xiàn)澆10 cm厚瀝青混凝土。

5.3 主塔設(shè)計

塔柱為矩形空心薄壁截面，上游塔高145.6 m，下游塔高161.6 m，上塔柱壁厚0.8 m，下塔柱壁厚1 m；下橫梁尺寸為7 m×6 m，壁厚1 m；上橫梁尺寸為6 m×6 m，壁厚1 m。塔座為C40纖維混凝土，塔柱、橫梁為C55混凝土，塔柱底部8 m范圍內(nèi)添加纖維；標(biāo)高2 013 m以下防滲指標(biāo)為P12級，標(biāo)高2 013 m以上防滲指標(biāo)為P8級。

5.4 主塔基礎(chǔ)

索塔為鋼筋混凝土門形塔，左右塔柱基礎(chǔ)相互獨立，兩塔柱下設(shè)正方形承臺加群樁基礎(chǔ)，承臺縱橫向尺寸為21.4 m×21.4 m，高度6 m，承臺上設(shè)塔座，塔座為矩形臺，上底為10 m×12 m，下底為16 m×18 m，高3 m。每個承臺下布置16根φ2.5 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，群樁間中心間距為5.5 m，行列式布置，樁基設(shè)計時考慮嵌巖與摩擦效用。

6 結(jié)語

介紹了虎跳峽金沙江大橋橋址處的地形地質(zhì)、地勢、周圍施工環(huán)境及橋梁岸坡巖體的穩(wěn)定性、地震參數(shù)和場地類別，對金沙江大橋提出了5種橋型方案，從橋跨布置、施工難度、全橋造價、安全影響、施工工期及環(huán)境影響6個方面對橋梁各方案進行比較分析，最終選定方案5獨塔懸索橋。