洛澤河特大橋橋式方案研究

黃 毅，何庭國(guó)，謝海清

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 工程概況

新建渝昆高鐵是京昆快速鐵路通道的組成部分，也是云南與川西、西北地區(qū)客運(yùn)通道的重要組成部分。線路在云南省彝良縣境內(nèi)跨越洛澤河河谷，設(shè)洛澤河特大橋。兩岸地形陡峻，兩側(cè)岸坡約45 °，局部達(dá)59 °。鐵路橋橋面至谷底高約200 m，橋位處百年洪水位828 m，水文條件不控制設(shè)計(jì)。 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2 建設(shè)條件

橋址區(qū)無(wú)明顯構(gòu)造形跡，但受區(qū)域構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育～極發(fā)育，巖體破碎。橋址覆蓋層巖性主要為卵石土、膨脹土(黏土)、角礫土等；下伏基巖為弱風(fēng)化玄武巖，基本承載力1 200 kPa。

橋位處水路不通航，陸路交通條件較差。不具備鋼結(jié)構(gòu)大節(jié)段整體運(yùn)輸及吊裝的條件，橋梁構(gòu)件需采用小單元進(jìn)行運(yùn)輸、拼裝，或采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑構(gòu)件。

橋位兩側(cè)地形陡峭，均無(wú)布置大型施工場(chǎng)地的條件；施工中需距離橋位較遠(yuǎn)的位置設(shè)置大型施工場(chǎng)地，并修建施工便道到達(dá)橋位處，或考慮設(shè)置覆蓋江面的施工平臺(tái)，施工條件較差。

橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，位于7度地震區(qū)，設(shè)計(jì)采用8度設(shè)防。

3 橋式方案初選

本橋?yàn)榈湫蜕絽^(qū)橋梁，橋高約200 m，對(duì)梁橋、懸索橋、斜拉橋和拱橋這四大橋型，懸索橋剛度相對(duì)較弱，與運(yùn)行高速列車、剛度要求高的使用條件顯然不符，不適合采用[1]。斜拉橋在山區(qū)地形無(wú)法避免高墩，再架設(shè)橋塔和斜拉索，明顯不具備經(jīng)濟(jì)性，而且后期養(yǎng)護(hù)維修工作量大，因此不考慮采用斜拉橋。

梁橋跨越能力有限，采用梁橋必定伴隨著超高橋墩，而且聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)需要采用多跨結(jié)構(gòu)。但施工工藝成熟，對(duì)施工場(chǎng)地需求低，工程造價(jià)低。

從地形條件看，最適宜的橋型為上承式拱橋。根據(jù)拱圈所采用的材料，可采用鋼桁拱橋、鋼管混凝土拱橋和鋼筋混凝土拱橋。鋼桁拱橋由于全部采用鋼材，造價(jià)昂貴，且結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小，溫度變形大，同樣與本橋剛度要求高的使用條件不符，因此不采用。鋼管混凝土拱橋與鋼筋混凝土拱橋方案均可行，本次研究選用工程造價(jià)更經(jīng)濟(jì)、運(yùn)營(yíng)期更易養(yǎng)護(hù)的鋼筋混凝土拱橋，與混凝土梁橋進(jìn)行方案比選。

4 混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁方案

4.1 總體布置

目前高速鐵路350 km/h標(biāo)準(zhǔn)已建成的最大跨度連續(xù)梁(剛構(gòu))橋?yàn)橹骺?68 m[2]，本方案主橋采用(52+114+180+114+52) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)體系，橋梁全長(zhǎng)524.9 m(圖1)。

圖1 混凝土梁橋總體布置(單位：m)

4.2 主梁構(gòu)造

主梁采用單箱單室截面，截面頂寬12.6 m，底寬9.2 m，材料采用C55混凝土。箱梁2#、3#主墩頂梁高12.7 m，墩梁固結(jié)；1#、4#次主墩頂梁高8 m，墩頂設(shè)支座；梁端及跨中直線段梁高6.4 m。各跨梁高變化采用二次拋物線過(guò)渡。頂板厚68 cm，腹板厚度60～120 cm；底板厚度51～120 cm。

4.3 墩臺(tái)構(gòu)造

2#、3#剛構(gòu)主墩采用四柱式矩形空心型墩，材料采用C45混凝土。墩高分別為135 m、147 m。主墩縱向?yàn)殡p柱墩，柱中心間距9 m，柱身縱向?qū)? m；橫向?yàn)锳型雙柱墩，墩頂50 m范圍內(nèi)為直坡，50 m以下采用圓曲線放坡過(guò)渡，柱身寬度由 5 m漸變至墩底10 m。四柱式橋墩之間采用矩形空心截面的橫撐連接。

4.4 施工方案及造價(jià)

基礎(chǔ)采用常規(guī)鉆孔樁施工工藝，剛構(gòu)主墩采用爬模法施工，梁部采用掛籃懸臂澆筑施工，1#～4#墩四個(gè)T構(gòu)同步施工，依次合龍180 m主跨、114 m次主跨，再利用掛籃澆筑邊跨不平衡段，然后利用支架澆筑邊跨現(xiàn)澆段及合龍段。最后完成橋面附屬工程施工。全橋主體工程施工工期預(yù)計(jì)35個(gè)月，工程造價(jià)約2.7億元。

靜力計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 位移計(jì)算結(jié)果匯總

5 上承式鋼筋混凝土拱橋方案

5.1 總體布置

橋梁中心里程為D1K348+310，橋梁全長(zhǎng)540.0 m。主橋采用356 m上承式鋼筋混凝土拱橋。引橋及拱上孔跨布置為：(2×76+5×45+2×76)m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)體系(圖2)。

圖2 鋼筋混凝土拱橋總體布置(單位：m)

5.2 拱圈構(gòu)造

拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.8m。拱圈跨度356 m，矢高79 m，矢跨比1/4.506。拱圈采用分叉式肋拱，拱肋為5 m寬單箱單室截面，拱腳處兩肋中心距20 m，在距拱腳97 m處兩肋合并為單箱三室箱型截面，拱頂箱寬11 m，拱圈高度7.5 m等高。拱圈截面如圖3所示。

圖3 鋼筋混凝土拱橋總體布置(單位：cm)

5.3 拱上結(jié)構(gòu)

拱橋交界墩處采用76 m的大跨度混凝土T構(gòu)，避免兩岸邊坡上設(shè)墩，同時(shí)降低拱上1#墩高。為了改善橋面行車平順性，拱上梁部不設(shè)梁縫，將交界墩T構(gòu)與拱上梁聯(lián)結(jié)成為一聯(lián)(2×76+5×45+2×76) m T構(gòu)-連續(xù)梁組合結(jié)構(gòu)[3]。主梁采用單箱單室截面，頂寬13.4 m，底寬7.5 m，材料采用C55混凝土。T構(gòu)梁高9.5～4.5 m，拱上梁4.5 m等高。

5.4 墩臺(tái)構(gòu)造

交界墩和拱上墩采用矩形空心墩，四周切角，墩身坡度隨拱肋寬度變化。交界墩墩高76 m，墩頂截面尺寸9.5 m×8 m，縱向坡率76∶1，橫向坡率22∶1。材料采用C40混凝土。

拱座基礎(chǔ)采用明挖基礎(chǔ)，高度22 m，縱向?qū)挾?3 m，橫向?qū)挾?2 m，基礎(chǔ)底部采用臺(tái)階狀過(guò)渡，基礎(chǔ)前端布置6根直徑2.5 m鉆孔樁，樁間距5.6 m，保證基礎(chǔ)整體穩(wěn)定。

5.5 施工方案及造價(jià)

拱圈采用鋼管混凝土勁性骨架法施工。先懸臂拼裝勁性骨架，組成鋼管桁架拱，再向弦桿鋼管內(nèi)泵送混凝土形成鋼管混凝土骨架，隨后在鋼骨架上分多工作面平衡加載外包拱圈底板、腹板、頂板混凝土，形成混凝土拱圈[4-5]。

交界墩采用爬模法施工，T構(gòu)梁部采用掛籃懸臂澆筑施工，拱上梁在拱圈上搭設(shè)支架現(xiàn)澆，最后完成橋面附屬工程施工。全橋主體工程施工工期預(yù)計(jì)50個(gè)月，工程造價(jià)約4.2億元。

靜力計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表3、表4。

表3 梁部位移計(jì)算結(jié)果匯總

表4 拱圈位移計(jì)算結(jié)果匯總

6 車橋耦合動(dòng)力分析

對(duì)上述兩個(gè)橋式方案，在正常運(yùn)營(yíng)工況及考慮溫度、徐變變形后運(yùn)營(yíng)工況分別進(jìn)行車橋耦合動(dòng)力分析，結(jié)果表明兩種方案車輛的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌橫向力等計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，列車行車安全性得到保障；車輛的車體橫向與豎向加速度、Sperling運(yùn)行舒適性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，在CRH3動(dòng)車組以速度350 km/h通過(guò)橋梁時(shí)，車輛的Sperling指標(biāo)均為優(yōu)秀[6]。

7 方案比選結(jié)論

(1)地形適應(yīng)性方面，上承式拱橋與V型峽谷地形景觀效果更匹配，但高陡邊坡上大體積拱座開(kāi)挖、邊坡防護(hù)必將對(duì)山體帶來(lái)巨大破壞；連續(xù)剛構(gòu)方案橋墩采用鉆孔樁基礎(chǔ)，邊坡開(kāi)挖及防護(hù)工程量相對(duì)較小，環(huán)境友好度更高。

(2)抗震性能方面，連續(xù)剛構(gòu)方案結(jié)構(gòu)重心高，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大，高墩抗震控制設(shè)計(jì)，需考慮設(shè)置阻尼器等耗能裝置。拱橋方案結(jié)構(gòu)重心低，地質(zhì)條件好，其抗震性能優(yōu)于梁橋方案。

(3)施工組織方面，連續(xù)剛構(gòu)方案鉆孔樁基礎(chǔ)、爬模法施工墩身、梁部掛籃懸澆均為成熟工藝，施工措施相對(duì)簡(jiǎn)單，施工工期短。拱橋方案拱座開(kāi)挖體量巨大，拱圈勁性骨架法施工工序復(fù)雜，需要纜索吊、斜拉扣背索及錨錠、拱上現(xiàn)澆支架、掛籃等眾多施工輔助措施，施工工期長(zhǎng)。梁橋方案優(yōu)于拱橋方案。

(4)經(jīng)濟(jì)性方面，本項(xiàng)目連續(xù)剛構(gòu)方案工程造價(jià)約2.7億，拱橋方案施工措施費(fèi)用高，工程總造價(jià)約4.2億，梁橋方案明顯優(yōu)于拱橋方案。

綜上所述，在場(chǎng)地受限、交通閉塞的山區(qū)峽谷環(huán)境修建拱橋，需面臨一系列設(shè)計(jì)施工難題。而混凝土梁橋雖然跨越能力有限，不可避免的面臨超高墩的設(shè)計(jì)施工難題，但在豎直方向修建高墩的施工難度明顯小于在水平方向修建拱圈，傳統(tǒng)的梁式橋仍不失為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的橋式方案，因此本工程推薦采用(52+114+180+114+52) m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋型。