中老鐵路元江大橋橋式方案研究

劉 偉,戴曉春,黃 毅

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 工程概況

中老鐵路是連接中國與老撾之間的一條鐵路，北起玉溪市，經(jīng)西雙版納、中老邊境口岸磨憨，經(jīng)老撾瑯勃拉邦至萬象，正線全長926 km，是泛亞鐵路中線的重要組成部分，是“一帶一路”倡議標志性工程。

元江大橋位于云南省元江縣城附近，跨越元江河谷，下游1.2 km為昆磨高速公路。谷底高程300～400 m，河谷兩岸高程在1 100～1 700 m，自然橫坡15°～60°， 部分地段岸坡近直立， 相對高差達700 m以上， 兩岸與深切河谷構(gòu)成明顯的“V”形地貌， 為全線河谷最深， 高差最大地段。兩岸基巖為泥巖、砂巖、頁巖夾煤層，受構(gòu)造影響斷層附近巖體較破碎，風化帶較厚，巖層產(chǎn)狀紊亂。橋面距水面高約220 m，橋位處無通航要求。橋址區(qū)地震動峰值加速度為0.16g，地震動反應譜特征周期為0.45 s[1-2]。

橋上線路等級為Ⅰ級，雙線，線間距4.2 m，有砟軌道，設計行車速度160 km/h，設計活載為“中-活載”。

針對元江大橋“V”形峽谷的地形特點，依據(jù)目前的鐵路橋梁建設技術(shù)，拱橋外形優(yōu)美，斜拉橋剛勁有力且跨度適應性較好，梁橋構(gòu)造簡潔，這3種橋式均可適應峽谷地形。大跨度拱橋一般適用于地質(zhì)條件較好的地區(qū)[3]，斜拉橋和梁橋方案對地質(zhì)的適應性相對更好。元江河谷地貌見圖1。

圖1 元江河谷地貌

2 橋式方案比選

2.1 工程特點與建設條件

結(jié)合橋區(qū)的地理位置、線路高程、地形特征、地質(zhì)條件和環(huán)境現(xiàn)狀，通過對自然條件、交通條件、場地條件的分析，元江大橋的建設條件有以下主要特征。

(1)橋區(qū)呈典型的“V”形峽谷地貌，兩岸坡較陡峻，受線路高程控制，橋高238 m。

(2)交通運輸條件較好。橋址距昆磨高速公路直線距離1.2 km，兩岸均有鄉(xiāng)村道路通達。

(3)施工場地條件相對較好。玉溪端岸坡頂?shù)匦屋^平緩，可布置大型施工場地。

(4)高烈度地震區(qū)，地震動峰值加速度為0.16g。

(5)地質(zhì)條件復雜。下伏基巖為泥巖、砂巖、頁巖夾煤層、砂巖夾煤線，W3強風化層深度達50～60 m，W2中風化層的基本承載力為0.45 MPa。

(6)橋區(qū)屬于元江縣的“世界第一高橋旅游風景區(qū)”。該風景區(qū)是以昆磨高速公路大跨度預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)超高橋墩為主題背景。

綜合上述分析，地形地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)抗震性能、工程造價以及整體景觀成為元江大橋合理橋式方案選擇的控制性因素。

2.2 橋式方案比較

考慮結(jié)構(gòu)強度、剛度并結(jié)合經(jīng)濟性、安全性、耐久性和施工等因素，對上承式拱橋、鋼桁梁斜拉橋和連續(xù)鋼桁梁橋3種橋式方案進行綜合比較。

2.2.1 上承式拱橋方案

對于深切“V”形峽谷，上承式拱橋總是首選的橋式方案，但下伏基巖巖體破碎，強風化帶深厚等因素可能成為重要的制約因素。特此對主跨430 m的鋼桁拱橋、鋼管混凝土拱橋和鋼筋混凝土拱橋3種方案進行比較。

(1)430 m上承式鋼桁拱橋(圖2)

圖2 上承式鋼桁拱橋立面布置(單位：cm)

拱圈跨度為430 m，矢跨比1/4.06，拱圈立面為懸鏈線，拱軸系數(shù)2.0。拱圈為提籃鋼桁拱結(jié)構(gòu)，由左右兩片鋼拱肋結(jié)構(gòu)和平聯(lián)及橫聯(lián)組成(圖3)。每片拱肋上、下弦桿截面寬2.4 m，高2.8 m，板厚最大54 mm。拱肋內(nèi)傾5.842°，拱肋寬12～34 m，拱肋高10～16 m。拱上梁為14 m×38.1 m連續(xù)鋼-混結(jié)合梁。拱上墩采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，由墩頂橫梁、墩柱和墩柱橫聯(lián)組成，墩柱中心線保持在對應拱肋平面內(nèi)。主拱采用嵌巖式基礎，基礎縱向長80 m，高度24 m，橫向?qū)挾? m，基礎斷面采用空心截面，基礎立面傾角60°。交界墩墩高108 m，采用矩形鋼筋混凝土空心墩。

圖3 鋼桁拱橋拱圈斷面(單位：cm)

主拱圈在工廠制造，現(xiàn)場采用纜索吊裝懸臂拼裝法施工。拱上鋼混結(jié)合梁采用吊裝結(jié)合頂推就位，拱座嵌巖式基礎采用隧道式開挖方式進行開挖?？傆娩摿繛?3 949 t，拱座基礎圬工46 152 m3，工期預計42個月，工程概算約7.0億元。

(2)430 m上承式鋼管拱橋

拱圈跨度為430 m，矢跨比1/4.06。拱圈立面為懸鏈線，拱軸系數(shù)2.5。拱圈為兩片拱肋，每片肋由4肢φ1 600 mm鋼管構(gòu)成，內(nèi)灌C60微膨脹混凝土，橫向內(nèi)傾5.842°(圖4)。拱肋寬為12～34 m，拱肋高為11～17 m。主拱嵌巖式基礎長85 m，高24 m，橫向?qū)?0 m，立面傾角60°。拱上結(jié)合梁、拱上墩、交界墩等構(gòu)造均與鋼桁拱方案一致[4]。

圖4 鋼管混凝土拱橋拱圈斷面(單位：cm)

主拱圈采用纜索吊裝懸臂拼裝法進行施工，主拱圈鋼構(gòu)件在工廠制造，運輸至工地進行安裝，懸拼由兩岸同時進行，在拱頂處合龍形成穩(wěn)定的拱圈，然后灌注管內(nèi)C60混凝土。該方案總用鋼量為19 116 t，拱座基礎圬工56 640 m3，工期預計為46個月，工程概算約6.4億元。

(3)430 m上承式鋼筋混凝土拱橋(圖5)

圖5 鋼筋混凝土拱橋布置(單位：cm)

拱圈跨度為430 m，矢跨比1/4.06。拱圈立面為懸鏈線，拱軸系數(shù)選2.0。拱圈勁性骨架每片肋由6肢φ700×20 mm的鋼管構(gòu)成，管內(nèi)壓注C60微膨脹混凝土。混凝土拱圈平面為“X”形，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室拱肋組成，其余為單箱三室截面，拱腳兩肋中心距32 m，單肋寬8 m，跨中中心距8.0 m，單肋寬5 m，拱圈高度為9.0～13.0 m，兩側(cè)拱肋均向內(nèi)傾斜6.582°(圖6)。拱上梁采用2-(4×42) m預應力混凝土連續(xù)梁，并通過2×58 m預應力混凝土T構(gòu)與引橋銜接。

圖6 拱肋截面(單位：cm)

拱上墩采用雙柱式鋼筋混凝土剛架墩，柱間通過橫梁連接。拱座采用斜豎撐組合基礎，斜撐與水平面成35°，截面尺寸為12 m×12 m，長度為100 m，豎撐總長度為90 m。

拱座為斜豎撐組合基礎，斜撐施工采用隧道式開挖，豎撐施工采用挖孔樁方式。勁性骨架采用纜索吊裝斜拉懸臂拼裝法進行施工。懸拼由兩岸同時進行，待勁性骨架合龍后，按照先下弦、后上弦，先外側(cè)、后內(nèi)側(cè)的順序，采用頂升法壓注鋼管內(nèi)混凝土。外包混凝土拱圈分步驟澆筑，先澆筑邊箱底板混凝土，然后澆筑邊箱腹板、頂板混凝土，再澆筑中箱底板混凝土、頂板混凝土，直至拱圈施工完成。

該方案總用鋼量為5 757 t，拱座基礎圬工56 640 m3，因為拱圈外包混凝土施工的復雜性，工期預計為56個月，工程概算約6.1億元。

上述3種拱橋均能滿足430 m大跨度拱橋的受力和行車要求，在施工周期、工程造價上各有優(yōu)缺點，但都因拱座處基巖破碎，強風化層厚，使得結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性存在一定的風險。具體比較結(jié)果見表1。

表1 拱橋方案綜合比較分析

2.2.2 斜拉橋方案

為避免推力拱結(jié)構(gòu)在本橋上的缺點，提出了主跨405 m高低塔鋼桁梁斜拉橋方案,如圖7所示。

圖7 鋼桁斜拉橋方案布置(單位：cm)

主橋采用(81+162+405+135+54) m高低塔鋼桁方案，半漂浮體系。主梁與橋塔之間設置支座約束豎向及橫向位移，縱橋向設置速度鎖定裝置與粘滯性阻尼器，以減少制動力與地震荷載的結(jié)構(gòu)動力響應。主梁采用平行弦鋼桁梁，“N”形桁架，桁寬18 m，桁高14 m，節(jié)間長度13.5 m。主桁采用焊接整體節(jié)點結(jié)構(gòu)形式，最大板厚50 mm。主桁與橋面系均采用Q370qD級鋼材。主桁下弦平面采用正交異性整體鋼橋面結(jié)構(gòu)。斜拉索采用1 770 MPa的鍍鋅平行鋼絲，雙索面扇形布置[5-6]。

橋塔采用鋼筋混凝土菱形塔，高度分別為245 m和242 m?；A采用28根φ3.0 m的鉆孔樁，樁長64～88 m。

橋塔塔柱采用爬模法施工鋼桁梁利用斜拉索懸拼施工。施工工期預計為41個月?？傆娩摿繛?6 789.0 t，工程概算約6.1億元。

鋼桁梁斜拉橋在受力、行車性能上均能滿足設計要求，抗震性能也不錯。其主要缺點是整體景觀與地形不協(xié)調(diào)，后期養(yǎng)護維修工作量大。

2.2.3 連續(xù)鋼桁梁方案

大跨度斜拉橋的建造技術(shù)比較成熟，但對于在偏遠山區(qū)修建大跨度纜索結(jié)構(gòu)橋梁，后期的養(yǎng)護維修、運營工作量及成本比較高，特別是在設計的100年全壽命周期內(nèi)，斜拉索需要更換2～3次。因此，考慮把主跨跨度減小，取消斜拉索，鋼桁梁采用上承式變高結(jié)構(gòu)，斜拉橋高塔結(jié)構(gòu)移至鋼桁梁下方改為超高橋墩。在此設計思路下，提出了(108+152+249+152+108) m上承式連續(xù)鋼桁梁方案，見圖8。

圖8 變高度上承式連續(xù)鋼桁梁方案主橋布置(單位：cm)

主橋為變高度上承式連續(xù)鋼桁梁，桁寬16.0 m，桁高16～36 m，鋼桁梁下弦采用圓曲線勻順過渡。主桁采用“N”形及“K”形桁架，一般布置為“N”形桁架，支點附近桁高較高時布置為“K”形桁架。主桁節(jié)間距為13.5，15 m。橋面采用正交異性板整體鋼橋面結(jié)構(gòu)，每個節(jié)間設置鋼橫梁5道，主桁下弦桿節(jié)間設置交叉式平聯(lián)。為提高結(jié)構(gòu)橫向剛度，每個節(jié)間均設橫向連接系[7-12]。

對于鋼桁梁方案，墩高139，154 m兩個主墩的剛度控制、抗震性能及景觀效果是設計關(guān)鍵[13]，為此，創(chuàng)新地采用帶鋼結(jié)構(gòu)橫聯(lián)的C40鋼筋混凝土雙柱式空心墩[14-20](圖9)，單柱墩頸圓弧直徑9.0 m[12]，墩頂壁厚80 cm。墩身縱向及橫向外坡40∶1，內(nèi)坡60∶1，交叉形鋼結(jié)構(gòu)橫聯(lián)采用H形構(gòu)件，材質(zhì)為Q345qD。該方案既減少了墩身圬工又有效地提高了剛度，外觀效果輕盈通透[6-7]。

圖9 帶鋼結(jié)構(gòu)橫聯(lián)雙柱式橋墩構(gòu)造(單位：cm)

主墩基礎采用35根φ2.8 m鉆孔樁群樁基礎，樁長為56～76 m。

本橋鋼梁采用吊索塔架輔助懸臂拼裝法施工。桿件單元在工廠內(nèi)制造完畢后，運輸至橋位處進行懸臂拼裝。懸拼由兩岸同時進行，直至主橋合龍。施工工期為42個月。總用鋼量17 468.0 t，墩身及基礎圬工118 110 m3，工程概算約5.7億元。

2.2.4 方案綜合比選(表2)

表2 橋式方案綜合比較分析

3 結(jié)語

(108+152+249+152+108) m上承式連續(xù)鋼桁梁方案建造技術(shù)成熟、工程造價低且后期養(yǎng)護維修工作量少，結(jié)構(gòu)輕盈美觀，與當?shù)亍案邩蚬珗@”的人文歷史高度契合，無疑是中老鐵路元江大橋的最優(yōu)方案。上承式鋼桁梁方案避免了推力拱橋結(jié)構(gòu)對軟弱地基的潛在威脅，也避免了纜索體系橋梁的定期換索、維護的工作量，是綜合考慮全壽命周期成本的工程典范。本研究結(jié)論對于深溝峽谷區(qū)、高烈度地震區(qū)大跨度鐵路橋梁的橋式方案優(yōu)選有較好的借鑒意義。

元江大橋于2016年3月開工建設，2020年7月主橋鋼桁梁合龍，將于2021年12月建成通車。建成后將成為目前國內(nèi)最大跨度的鐵路鋼桁梁橋，3號橋墩為目前世界最高的鐵路橋墩。