川藏鐵路昌都至林芝段橋梁設計研究

康 煒,李 俠,文 強,喬雷濤,王 輝,周友權

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

1.1 概述

新建川藏鐵路昌都至林芝段線路在昌都市加卡經(jīng)開區(qū)設昌都站后跨瀾滄江，向西穿浪拉山，在昌都邦達機場北設邦達站，后穿果拉山、跨怒江、穿伯舒拉嶺和多木格，于林芝市波密縣嘎朗鎮(zhèn)設波密站，出站向西北方向，沿帕隆藏布右岸穿易貢山，至通麥小鎮(zhèn)設站，跨易貢藏布后折向西南，跨東久曲、穿色季拉山，跨尼洋河后至林芝站，線路長度379.034 km。橋梁全長36.579 km/20座，占線路長度的9.66%。如圖1所示。

圖1 川藏鐵路昌都至林芝段線路平面示意

1.2 建設條件

1.2.1 地形地貌

川藏鐵路昌都至林芝段位于青藏高原東南部，線路依次穿越他念他翁山、伯舒拉嶺、色季拉山，總體地勢西高東低，呈三起三伏形態(tài)。地勢急劇隆升抬起，河流快速強烈下切，為典型的“V”形高山峽谷地貌，自東向西劃分為橫斷山高山峽谷區(qū)及藏東南高山峽谷區(qū)兩個地貌單元。河谷狹長幽深，兩側(cè)山峰高聳，切割深度可達1 000～3 000 m以上。冰川、冰湖、冰磧地貌及冰凍風化地貌發(fā)育。如圖2所示。

圖2 川藏鐵路昌都至林芝段沿線地形地勢示意

1.2.2 河流水系特征及水文

沿線主要涉及瀾滄江、怒江、雅魯藏布江三大水系，線路跨越瀾滄江及支流色曲，怒江及其支流玉曲、德曲、康玉曲、巴曲，雅魯藏布江支流波堆藏布、易貢藏布、東久曲、尼洋曲。

1.2.3 氣象

以伯舒拉嶺為界線，東側(cè)昌都地區(qū)屬高原亞溫帶亞濕潤氣候，夏季氣候溫和濕潤，冬季氣候寒冷干燥，年溫差小，日溫差大，整體以寒冷為主。西側(cè)林芝地區(qū)屬溫帶濕潤半濕潤季風氣候，氣候溫暖濕潤。主要氣象特征值見表1。

表1 昌都至林芝段主要氣象特征值

1.2.4 沿線地質(zhì)

沿線地層巖性復雜，其中昌都—伯舒拉嶺段主要以新生界、中生界、古生界及元古界地層為主，巖性主要為片巖、大理巖、板巖、變質(zhì)砂巖等變質(zhì)巖及泥巖、砂巖等沉積巖。伯舒拉嶺—林芝段主要以念青唐古拉山巖群的片麻巖為主，喜馬拉雅山期、燕山期花崗巖大面積侵入。

線路經(jīng)過區(qū)域共有瀾滄江斷裂、怒江斷裂、羊達—亞許斷裂、邊壩—洛隆斷裂、嘉黎斷裂、西興拉斷裂和米林斷裂等7條活動斷裂，距線路較近?？拐鹪O防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.2g～0.33g，特征周期為0.40～0.70 s。

1.3 主要技術標準

鐵路等級：Ⅰ級

正線數(shù)目：雙線

設計行車速度：120～200 km/h

軌道類型：有砟、無砟軌道

設計荷載：ZKH活載

1.4 橋梁分布概況

本段橋梁全長36.579 km/20座，分布情況見表2、表3。

表2 川藏鐵路昌都至林芝段橋涵分布

表3 川藏鐵路昌都至林芝段重點橋梁

3 橋梁建造面臨的主要問題

多樣、大型、頻發(fā)的地質(zhì)災害對橋位選擇帶來巨大困難，多座大跨度橋梁存在一位難找的局面。復雜的地形、顯著高差、深切的峽谷對橋型選取較為單一。近斷層、高烈度地震給抗震設計提出新要求，惡劣的氣候條件對橋梁的耐久性要求更高，薄弱的交通基礎設施對橋梁設計、建造及維護提出了新的更高要求。橋梁總體呈現(xiàn)“量少體大、種類繁多、一橋一議”的特點，涵蓋懸索、斜拉、拱、梁、組合結(jié)構(gòu)等各種橋型，既有千米級的懸索橋，也有近斷層300 m以上大跨拱橋；既有跨越冰川泥石流區(qū)的近百米高橋，也有近場高烈度長周期的車站橋；既有干旱強紫外線區(qū)的大跨混凝土剛構(gòu)，也有植被茂密溫潤潮濕區(qū)的鋼桁加勁拱，還有海拔4 000 m以上大日溫差橋梁；既貫通天險峽谷，也跨越瀾滄江、怒江、雅魯藏布江的一級支流，幾乎挑戰(zhàn)世界橋梁工程的極限[1]。近年來，懸索橋、拱橋等大跨橋梁的設計和建造在鐵路建設中已經(jīng)得到廣泛應用，但在川藏鐵路這樣的復雜艱險環(huán)境中應用尚屬首次。[1-2]

4 橋梁主要設計原則

4.1 橋位

針對本線的特點，在遵循“地質(zhì)選線”“減災選線”的基本原則下，橋位選擇主要按繞避不良地質(zhì)區(qū)域、地質(zhì)風險點及遠離活動斷裂帶，結(jié)合地形條件減少基礎開挖及邊坡整治規(guī)模，減少環(huán)境影響，充分考慮施工場地及運輸條件，考慮堰塞湖潰壩或蓄水影響[2]。

4.2 橋式方案

對于不受地形、地質(zhì)所限地段的橋梁，常用跨度采用24，32 m預制架設簡支箱梁，跨越波堆藏布、尼洋河主河槽段落采用48 m簡支箱梁，當跨越深切“V”形溝谷、橋較高、行洪受限、有立交要求時，采用大跨橋梁結(jié)構(gòu)，主要有色曲特大橋(主跨880 m)、怒江特大橋(主跨1 000 m)、康玉曲大橋(主跨160 m)、瓤打曲大橋(主跨246 m)、茶隆隆巴曲大橋(主跨168 m)、易貢藏布大橋(主跨310 m)、東久曲大橋(主跨400 m)多座大跨度橋梁。橋式方案的選擇充分考慮了運輸條件、少維護、景觀設計的要求[3-5]。

4.3 上部結(jié)構(gòu)

常用跨度簡支梁采用通橋川藏(2021)2235系列簡支箱梁，預制架設施工，河道內(nèi)48 m簡支箱梁采用節(jié)段拼裝法施工。大跨度連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、矮塔斜拉橋等混凝土橋梁采用懸臂澆筑施工，大跨度懸索橋、拱加勁簡支鋼桁、中承式鋼桁拱采用工廠加工、現(xiàn)場組拼的施工方法。

4.4 下部結(jié)構(gòu)

常規(guī)橋梁橋墩采用圓端形橋墩，矩形橋臺，基礎采用直徑1.0～1.5 m樁基礎，個別基巖出露位置采用明挖擴大基礎。大跨橋梁橋墩、橋塔等根據(jù)需求特殊設計，基礎均采用直徑1.8～3.0 m樁基礎。

4.5 橋梁抗震

本段75%橋梁位于近斷層的高烈度地震區(qū)，對距活動斷層15 km范圍內(nèi)的非簡支結(jié)構(gòu)、地震動峰值加速度≥0.3g的橋梁及距活動斷層1 km的橋梁，均進行了場地地震安全性評價。對于動峰值加速度0.2g且場地特征周期大于0.45 s、動峰值加速度大于0.2g的簡支結(jié)構(gòu)采用減隔震設計，減隔震支座銷釘剪斷力按1.1倍多遇地震設計。9度地震區(qū)和8度地震區(qū)場地長周期的橋梁，采用減隔震支座+鋼阻尼器限位裝置的綜合減隔震方案。對于大跨度橋梁按E1、E2兩階段設計，E1作用下結(jié)構(gòu)無損傷處于彈性狀態(tài)，E2作用下主要構(gòu)件無損傷處于彈性狀態(tài)，次重要構(gòu)件可修復性損傷彈塑性狀態(tài)，連接構(gòu)件允許發(fā)生損傷破壞。

4.6 地質(zhì)災害防治

本段橋梁80%位于深切峽谷中，橋隧相連，主要地質(zhì)災害為危巖落石和泥石流。對于橋梁兩岸山體的危巖落石除采用清除、加固、主被動防護、攔石墻等防護措施外，還采用了明洞接長或設置防護棚洞的方式。對于泥石流溝采用橋下疏浚排導、橋墩防護等措施。

4.7 耐久性

本段橋梁所處環(huán)境海拔高、年溫差小日溫差大、紫外線強，為確保工程設計壽命不小于100年，混凝土結(jié)構(gòu)采用高性能混凝土。為控制結(jié)構(gòu)裂縫寬度，混凝土采用低熱硅酸鹽水泥，選擇適宜的鋼筋保護層厚度，并按耐久性規(guī)范對不同結(jié)構(gòu)部位選擇合適的混凝土等級，個別部位涂裝柔性防腐材料。外露大體積混凝土施工時考慮在其表面涂裝保溫涂層技術，預應力結(jié)構(gòu)采用智能灌漿技術保證管道灌漿質(zhì)量，伸縮縫采用易更換產(chǎn)品。鋼結(jié)構(gòu)采用長效涂裝體系。

5 3座大跨橋梁研究及技術特點

5.1 色曲特大橋[6-9]5.1.1 橋式方案

橋址區(qū)位于昌都市加卡經(jīng)濟開發(fā)區(qū)境內(nèi)，為跨色曲而設。橋位處為典型的“V”形深切河谷地形，河谷下部狹窄，坡岸陡峭，自然岸坡45°以上，線路距谷底近400 m。經(jīng)方案比選，采用主跨880 m的懸索橋一跨跨越色曲河谷。

主梁跨度布置為(70+880+70) m懸索橋+(32+24) m混凝土簡支箱梁，全橋長1 103.8 m。主纜跨度為(190+880+230) m，垂跨比1/9，主纜邊跨在橋塔處水平偏角3°，主纜中跨為平行纜，間距25 m。主梁采用上承式鋼桁梁，主塔采用鉆石形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩主塔均采用群樁基礎，兩岸錨碇均采用隧道錨結(jié)構(gòu)。

主梁在主塔橫梁處、橋臺位置均設置豎向支座與橫向抗風支座，在主塔下橫梁及橋臺處縱向設置8套黏滯阻尼器，在主塔下弦桿及橋臺每個橫向支座處設置有4個橫向阻尼器。全橋總體布置如圖3所示。

圖3 色曲特大橋總體布置(單位：m)

5.1.2 主橋結(jié)構(gòu)

雙線有砟軌道，線間距9.8 m，橋面總寬17.07 m，橋面弦桿外沿總寬26.4 m。橋梁橫斷面如圖4所示。

圖4 色曲特大橋加勁梁斷面(單位：cm)

加勁梁主桁架中心間距25 m，采用帶豎桿的華倫形桁架。桁高12 m，節(jié)間距10 m，全橋共102個節(jié)間，鋼梁材質(zhì)采用Q370qE，上弦采用整體節(jié)點，下弦除橋塔支點附近采用整體節(jié)點外，其余均采用散拼節(jié)點。橋面系中間行車區(qū)域采用正交異性鋼橋面結(jié)構(gòu)。

橋塔采用鉆石形索塔，塔高分別為175.0、178.0 m，塔頂索橫向中心距25.0 m，設上、下2道橫梁。橫梁采用單室矩形截面，上橫梁寬8.0 m×高7.0 m，下橫梁寬9.0 m×高9.0 m。塔柱采用單室截面，昌都側(cè)橫向?qū)挾?～10 m，縱向?qū)挾?～12.5 m，林芝側(cè)橫向?qū)挾?～11 m，縱向?qū)挾?～12.6 m。橋塔構(gòu)造如圖5所示。

圖5 色曲特大橋橋塔構(gòu)造(單位：cm)

主塔基礎采用32根φ3.0 m鉆孔樁，承臺尺寸46.8 m×25.8 m×6 m，承臺頂設置高3 m塔座。

主纜采用標準抗拉強度為1 960 MPa的鋼絲，索股為184根91絲φ5.9 mm，采用PPWS(即預制平行絲股)法架設。吊索采用標準抗拉強度為1 770 MPa平行鋼絲束，標準間距10 m，每吊點設置2根吊索，吊索上端采用銷接式，全橋共兩種規(guī)格，端吊索為211根，普通吊索為151根。

主索鞍鞍體采用全鑄結(jié)構(gòu)，鞍體長6.4 m×寬3.49 m×高3.8 m，總質(zhì)量128 t，鞍槽底半徑8.467 m。散索鞍為滾軸式結(jié)構(gòu)，長6 m×寬4.46 m×高2.52 m。

兩側(cè)均采用隧道錨，昌都岸前錨室軸線長度40 m，錨塞體軸線長55 m，后錨室軸線長度3 m。主纜通過段長度分別為57，63 m。林芝岸前錨室軸線長度40 m，錨塞體軸線長40 m，后錨室軸線長度3 m，主纜通過段長度63 m。

5.1.3 技術特點(表4)

表4 色曲特大橋主要技術指標

色曲特大橋結(jié)構(gòu)復雜、技術難點較多，圍繞抗風、抗震、行車安全等關鍵技術問題開展了一系列專項研究及試驗。如圖6所示。

圖6 色曲特大橋?qū)ｍ椦芯?/p>

抗風性能研究：開展橋址區(qū)風特性現(xiàn)場觀測統(tǒng)計分析研究，切實掌握了工程所在地的風環(huán)境和風特性參數(shù)。分別基于規(guī)范風速標準、統(tǒng)計公式法和區(qū)域地形CFD分析推算橋位處橋梁設計基準風速，并對不同方法分析結(jié)果進行相互比較，確定了大橋的設計風速標準。建立節(jié)段模型進行了風洞試驗研究，評價了橋梁的抗風性能，并進一步進行全橋風洞試驗研究。

抗震性能研究：進行一致激勵和多點激勵的地震響應計算，分析高烈度地震區(qū)大跨橋梁的抗震性能，提出了合理的減震方案。

行車安全研究：開展了車-橋耦合以及風-車-橋溝壑動力仿真分析，評價了設計時速下橋梁的動力性能及車輛安全性、平穩(wěn)性和舒適性。同時開展了軌道形位分析，進一步評估剛度及行車安全性。

橋塔溫致效應研究：針對高原高寒峽谷區(qū)的橋塔在復雜氣候和地理環(huán)境下的溫致裂縫以及混凝土碳化展開系統(tǒng)的研究，分析橋塔的溫致效應，有針對性地提出橋塔截面抗裂優(yōu)化措施。

錨體承載能力分析：對隧道錨錨體和圍巖相互作用體系進行了三維彈塑性模擬和長期穩(wěn)定性計算，初步評價了錨體的承載能力，同時開展隧道錨原位試驗研究。

5.2 易貢藏布大橋[10-15]

5.2.1 橋式方案

易貢藏布大橋位于林芝市波密縣通麥鎮(zhèn)附近，為跨越易貢藏布和305省道而設。地震動峰值加速度為0.25g，特征周期為0.45 s。受地形、泥石流、近活動斷層地震等因素所限，經(jīng)方案比選，采用主跨310 m的中承式鋼桁拱跨越易貢藏布，橋梁全長355.6 m，主梁孔跨布置為(18+18+18+252+18+21) m，橋高95 m。雙線有砟軌道，線間距5～9.8 m，全橋立面布置如圖7所示。

圖7 易貢藏布大橋總體布置(單位：m)

5.2.2 主橋結(jié)構(gòu)

拱肋跨度310 m，矢高77.5 m，矢跨比1/4。拱桁為變高度“N”形桁架，拱頂桁高8 m，拱腳桁高13 m，拱肋一般節(jié)間長度9 m。拱肋橫向內(nèi)傾3.673°，拱頂中心距10.4 m，拱腳處中心距21.4 m，拱肋構(gòu)造如圖8所示。

圖8 易貢藏布大橋拱肋構(gòu)造(單位：cm)

橋面寬15.5 m，縱梁中心距14.4 m，橋面系采用正交異性板體系，頂板采用不銹鋼復合鋼板，基層為16 mm厚Q370qD鋼板，面層為3 mm厚不銹鋼板。標準段順橋向9 m設置一處工字形大橫梁，大橫梁間設置間距3.0 m工字形小橫梁，端橫梁采用箱形截面橫梁。橋面布置如圖9所示。

圖9 5 m線間距橫斷面布置(單位：mm)

吊桿采用標準抗拉強度1 860 MPa的鋼絞線，間距9 m，按雙吊桿設計，全橋設置25對，型號為15-22、37兩種。最長、最短吊桿長度分別為48.6，10.7 m。

5.2.3 技術特點(表5、表6)

表5 易貢藏布大橋主要剛度指標

表6 易貢藏布大橋桿件應力指標

橋位處于高山峽谷近斷層高烈度地震區(qū)，兩側(cè)岸坡危巖落石嚴重，針對關鍵控制因素開展了橋址區(qū)風特性現(xiàn)場觀測，并據(jù)此進行風-車-橋耦合動力仿真分析，評價了橋梁的動力性能及車輛安全性、平穩(wěn)性、舒適性。開展抗震性能研究，采用了減震榫+減隔震支座的抗震設計。研究采用橋隧一體化的防護措施；完成了場地地災評估研究、場地地震安全性評價、局部場地地形效應影響地震動參數(shù)確定研究、岸坡穩(wěn)定性評價、工程場地風參數(shù)研究、工程建設安全風險評估研究、易貢湖綜合治理工程對易貢藏布大橋影響評估等多個專題研究。開展了大跨拱橋合理結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)選型、橋面系、施工方案以及基于BIM技術的全過程虛擬仿真研究，提出面向設計、科學合理的解決方案。

5.3 瓤打曲特大橋[16-21]

5.3.1 橋式方案

為跨越瓤打曲而設，雙線無砟軌道，線間距9.8 m，橋址處地震動峰值加速度為0.25g，特征周期為0.40 s，橋高77 m。經(jīng)方案比選，采用主跨246 m雙排單索面矮塔斜拉橋，孔跨布置為(124+246+124) m矮塔斜拉橋+2×44 m T構(gòu)。主橋為塔墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)體系，橋塔為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為預應力混凝土箱梁。全橋立面布置如圖10所示。

圖10 瓤打曲大橋總體布置(單位：m)

5.3.2 主橋結(jié)構(gòu)

塔高47 m，上部為實體段，下部為矩形空心截面，截面為(5.0～7.0) m(縱向)×(3.6～4.6) m(橫向)的矩形，橋塔上部直坡，下部橫向放坡比例60∶1，縱向放坡比例30∶1?？紤]泥石流影響采用橋墩圓端形空心橋墩，墩頂尺寸為8.0 m(縱)×11.0 m(橫)，墩身縱向外坡35∶1、內(nèi)坡55∶1，橫向采用二次放坡，上段外坡35∶1、內(nèi)坡55∶1，下段外坡5∶1、內(nèi)坡55∶1。主墩采用柔性防撞體系。橋塔墩構(gòu)造如圖11所示。

圖11 瓤打曲大橋橋塔及橋墩構(gòu)造(單位：cm)

斜拉索采用雙排單索面扇形布置，橋塔根部附近主梁無索區(qū)長32 m，主梁有索區(qū)長142 m，跨中無索區(qū)長38 m。塔上索距1.2 m，梁上索距8.0 m，斜拉索在橋塔上采用分絲管索鞍式錨固。斜拉索采用標準強度1 860 MPa環(huán)氧噴涂鋼絞線成品索，規(guī)格為M250-43、M250-61、M250-73。

主梁采用單箱雙室斜腹板，梁高6.0～13.0 m，梁體下緣按1.8次拋物線變化。箱梁頂寬17.1 m，底寬8.628～11.172 m，箱梁頂板厚0.5 m，底板厚0.5～1.5 m，腹板厚0.5～0.9 m。瓤打曲大橋跨中主梁斷面見圖12。

圖12 瓤打曲大橋跨中主梁斷面(單位：cm)

5.3.3 技術特點(表7)

表7 瓤打曲大橋主要技術指標

充分利用9.8 m的線間距空間采用單索面體系，減小了橋塔體量。采用塔墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)體系減少了大噸位支座設置數(shù)量。主墩置于主溝槽之外，減輕了橋墩遭受泥石流沖擊效應。上部梁體采用斜腹板減輕梁體重力、提高索梁荷載占比，采用新型減隔震體系等措施，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

6 結(jié)語

介紹了川藏鐵路昌都至林芝段的全線工程概況、建設條件、橋梁建造面臨的問題，針對具體環(huán)境確定了主要設計原則，重點對色曲特大橋、易貢藏布大橋、瓤打曲大橋進行了詳細介紹，探討了川藏鐵路建造大跨懸索橋、拱橋、斜拉橋的技術特點和技術難點。

按照高起點、高標準、高質(zhì)量的建設要求，面對復雜、艱險的建設環(huán)境，川藏鐵路昌都至林芝段的橋梁從橋位選擇和方案設計都采用了環(huán)境匹配度高、技術可行且具有良好的經(jīng)濟性和耐久性的設計方案。全線所有橋梁針對近斷層、高烈度地震都專門進行了抗震性能分析和抗震設計。大跨度懸索橋、拱橋、斜拉橋的設計不僅考慮了結(jié)構(gòu)本身的安全性和適用性，也考慮了薄弱的交通條件和惡劣的氣候環(huán)境影響，開展了多項專題研究，解決了川藏鐵路復雜艱險環(huán)境中建設大跨橋梁的技術難題。