京張高鐵官廳水庫特大橋總體設(shè)計及創(chuàng)新技術(shù)

金 令，李 輝，高靜青，夏 龍

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 工程概況

1.1 簡介

北京至張家口鐵路位于北京市西北、河北省北部，線路起自北京北站，經(jīng)北京市海淀區(qū)、昌平區(qū)、延慶縣，跨官廳水庫，河北省懷來縣、下花園區(qū)、宣化區(qū)，西迄張家口南站，正線全長173.964 km，橋隧比例為66%。官廳水庫特大橋為京張高鐵“一橋兩隧”中的“一橋”，跨越北京市備用水源地、一級水源保護(hù)區(qū)官廳水庫，是全線重點工程。

1.2 基礎(chǔ)資料

1.2.1 地理位置

擬建官廳水庫特大橋橫跨官廳水庫，距水庫大壩約16.7 km，橋址處水面寬約800 m，見圖1。

圖1 橋址平面示意

橋位下游(西側(cè))約70 m為京藏高速公路官廳湖特大橋，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形梁，跨度布置為(65+10×110+65)m[1]。

橋位上游(東側(cè))約1.7 km處為既有京包鐵路媯水河特大橋5-128 m鋼桁梁橋[2]，以及在建懷來城市道路工程跨越官廳水庫的主跨720 m懸索橋。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭示，橋址區(qū)范圍地層除人工填土外，主要有第四系全新統(tǒng)湖積層，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層及第四系上更新統(tǒng)湖積層。

1.2.3 橋渡水文

水庫的正常蓄水位高程為479.0 m，1/100頻率洪水位高程為481.82 m，1/300頻率洪水位高程為482.82 m。壩前最高洪水位高程為488.62 m。設(shè)計洪水流量11 450 m3/s。橋位處水深約10 m，本橋為全線最大水深橋梁。

1.2.4 氣象條件

橋址區(qū)屬于寒溫帶半干旱性氣候區(qū)，冬季受強大的蒙古高氣壓控制，冬季漫長寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多風(fēng)沙。年平均氣溫10.5 ℃，最冷一月平均氣溫-6.7 ℃；極端最高氣溫40.3 ℃，極端最低氣溫-21.7 ℃；全年平均風(fēng)速約2.6 m/s，最大風(fēng)速24.0 m/s。

1.2.5 地震動參數(shù)

根據(jù)《北京至張家口城際鐵路工程場地地震安全性評價報告》，本工程設(shè)計基本地震加速度值為0.211g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.5 s。

1.3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：客運專線。

(2)設(shè)計速度：350 km/h

(3)線路情況：雙線(5.0 m線間距)、直線。

(4)軌道類型：CRTSⅠ型無砟軌道。

(5)設(shè)計荷載：ZK荷載。

(6)設(shè)計洪水頻率：1/300。

2 設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)問題

老京張鐵路是我國自主修建的第一條干線鐵路[3-4]，新老京張鐵路見證了我國自主修建鐵路的百年歷程與進(jìn)步。同時京張高鐵也是國家舉辦國際盛會—冬季奧運會的重要配套基礎(chǔ)設(shè)施，備受矚目。根據(jù)工程特點，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

(1)水源保護(hù)區(qū)鋼橋環(huán)保技術(shù)。主橋跨越北京市備用水源地、一級水源保護(hù)區(qū)官廳水庫庫區(qū)，環(huán)保要求極為嚴(yán)苛。橋梁建設(shè)要將環(huán)境保護(hù)融入全過程，在設(shè)計、施工、運營各個階段貫徹環(huán)保，與生態(tài)環(huán)境和諧共存。

(2)無砟軌道長大鋼橋關(guān)鍵技術(shù)。為保障冬奧會賽事安排，要求京張高鐵全程運行時間不超過50 min，受控于北京市區(qū)、崇禮山區(qū)無法達(dá)速，中間區(qū)段必須達(dá)到350 km/h速度，官廳水庫大橋正好位于該高速段落。目前世界上運行速度達(dá)到350 km/h的最長鋼橋為單跨140 m[5]，而官廳水庫大橋主橋鋼梁長度達(dá)880 m，且為多聯(lián)多跨結(jié)構(gòu)，需要攻克無砟軌道長大鋼橋技術(shù)，才能保證350 km/h高速行車安全又舒適。

(3)智能維養(yǎng)技術(shù)。曲弦鋼梁在同等剛度條件下具有經(jīng)濟性優(yōu)勢，造型也比平弦柔和，但給檢修工作帶來一定困難：常規(guī)鋼桁梁上弦檢查車不適用。結(jié)合京張高鐵智能化建設(shè)，提出曲弦桁架橋智能檢查車輛技術(shù)。

3 橋梁總體設(shè)計及技術(shù)創(chuàng)新

3.1 總體設(shè)計

作為奧運工程，官廳水庫特大橋的設(shè)計秉承綠色京張、人文京張的建設(shè)理念，在橋梁孔跨、橋式選擇、縱斷面設(shè)計等多方面進(jìn)行專題研究和專項設(shè)計。

3.1.1 主橋孔跨決定的依據(jù)

本橋與既有公路橋基本平行，且相距較近，橋梁孔跨的布置原則主要是比照既有公路橋橋墩位置對孔布置。既有公路橋主橋為(65+10×110+65)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，考慮到本橋橋位處水面略窄，本線在上報水利部門審批時將主橋壓縮為8孔，獲得批準(zhǔn)后將主橋孔跨確定為8孔110 m，布置見圖2。

3.1.2 主橋橋式選擇

官廳水庫特大橋原定采用系桿拱橋，之后為了協(xié)調(diào)建設(shè)工期，同時給高速列車提供更好的行車條件，最終采用曲弦鋼桁梁橋式[6]，以便快速施工并提高剛度。其輪廓外形與拱橋相近，采用多孔布置，線條柔美而有韻律，古典中融合現(xiàn)代技術(shù)，充分體現(xiàn)人文京張設(shè)計理念。

3.1.3 橋梁縱斷面設(shè)計環(huán)保專項設(shè)計

由于官廳水庫為北京市備用水源地、一級水源保護(hù)區(qū)，不允許橋面初期雨水進(jìn)入庫區(qū)，以避免造成水體污染。為此考慮，以主橋中間為頂點，往兩側(cè)分別設(shè)置2.0‰的上坡段及-2.0‰的下坡段，以25 000 m半徑豎曲線銜接，以便初期雨水利用縱坡重力式排放。

3.1.4 全橋孔跨布置

綜合上述條件，確定官廳水庫大橋全長9 077.89 m，全橋孔跨布置為：36-31.5 m簡支箱梁+1-23.5 m簡支箱梁+1-31.5 m簡支箱梁+1-(40+64+40)m連續(xù)梁+3-31.5 m簡支箱梁+3-23.5 m簡支箱梁+69-31.5 m簡支箱梁+1-23.5 m簡支箱梁+110-31.5 m簡支箱梁+8-110 m鋼桁梁+21-31.5 m簡支箱梁+1-23.5 m簡支箱梁+1-31.5 m簡支箱梁[7]。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 上部結(jié)構(gòu)

采用8孔有豎桿整體節(jié)點三角桁架下承式簡支鋼桁梁，上弦采用變高度桁式，近似拱形，見圖3。鋼梁計算跨度108 m，梁長109.7 m，主桁支點桁高11.0 m，跨中桁高19.0 m，桁寬13.8 m，節(jié)間長10.8 m。橋面系采用正交異性鋼橋面板[8]，鋼橋面板上擋砟墻內(nèi)側(cè)鋪設(shè)20 cm厚鋼筋混凝土板[9]，見圖4。

圖3 立面布置

圖4 橫截面布置(單位：mm)

(1)主桁

斜桿截面形式部分采用□形截面，部分采用H形截面。端斜桿為□形截面，桿件內(nèi)寬900 mm，高1 320 mm，板厚40 mm；其他腹桿外寬900 mm，高680 mm或720 mm，板厚16～28 mm。

主桁上、下弦桿節(jié)點均采用整體節(jié)點形式。上、下弦桿均采用四面拼接，除端斜桿采用四面拼接外其余腹桿均插入節(jié)點板內(nèi)拼接。主桁拼接采用M30高強度螺栓。

主桁預(yù)拱度的設(shè)置是通過調(diào)整上弦桿長度來實現(xiàn)的。

(2)橋面系

橋面系為正交異性整體鋼橋面板[10]。橫梁均采用倒“T”形截面，支點處設(shè)置端橫梁；其他節(jié)點處設(shè)節(jié)點橫梁，間距10.8 m；相臨節(jié)點橫梁間設(shè)3片節(jié)間橫梁。每線鐵路下設(shè)2道縱梁，間距1.5 m，縱梁采用倒T形截面。

鋼橋面板板厚16 mm，縱向采用U形加勁肋和板式加勁肋。橋面板與主桁的連接在工地現(xiàn)場完成。橋面板頂板連接采用焊接，縱橫梁腹板、底板和橋面板縱肋連接采用M24高強度螺栓拼接。橋面板混凝土采用工地現(xiàn)澆施工。

(3)聯(lián)結(jié)系

聯(lián)結(jié)系包括上平縱聯(lián)、橋門架及中間橫聯(lián)。上平縱聯(lián)由斜桿、橫撐組成，采用交叉形，除橋門架處撐桿采用箱形截面外，其余上平縱聯(lián)截面均為焊接工字形截面。為降低高強螺栓延遲斷裂對高速列車的潛在傷害風(fēng)險，限界上方聯(lián)結(jié)系采用全焊連接設(shè)計[11]。

3.2.2 下部橋墩基礎(chǔ)

主墩采用雙柱式矩形截面橋墩，每個墩柱橫橋向4.0 m，順橋向5.0 m；距墩頂3.1 m處設(shè)置系梁，梁高1.6 m，寬4.5 m；樁基采用15根φ2.5 m樁。如圖5所示。

圖5 主墩構(gòu)造(單位：cm)

邊墩采用雙柱+單柱式矩形截面橋墩，主橋側(cè)墩橫橋向4.0 m，順橋向4.0 m；引橋側(cè)墩橫橋向6.3 m，順橋向2.0 m；樁基采用12根φ2.5 m樁[12]。

3.2.3 連接構(gòu)造

鋼梁與下部結(jié)構(gòu)均采用球型鋼支座連接，每孔梁設(shè)置固定支座、縱向活動支座、橫向活動支座、多向活動支座各1套[13]。由于橋墩采用延性設(shè)計，為確?？拐鹦阅埽瑱M向活動支座在活動范圍外設(shè)有限位。

橋址位于高震區(qū)，采用延性抗震設(shè)計的雙柱橋墩位移較大，為防止極端地震工況下主引橋結(jié)構(gòu)之間的相互沖擊作用，在交界墩處設(shè)置有阻尼器[14]，全橋共4套。

3.3 主要施工方法

水中區(qū)域設(shè)置臨時棧橋，主橋水中橋墩基礎(chǔ)利用棧橋搭設(shè)水中平臺施工，鋼梁采用設(shè)置前導(dǎo)梁的長聯(lián)頂推法施工。主要步驟如下：如圖6所示，在張家口岸引橋側(cè)搭設(shè)拼裝支架，利用龍門吊拼裝首兩孔主梁及導(dǎo)梁，并在兩聯(lián)鋼梁之間安裝臨時連接；頂推兩孔鋼梁移出拼裝支架，拼裝剩余兩孔鋼梁及臨時連接；4孔鋼梁同時向中間墩進(jìn)行頂推，以此拼裝剩余鋼梁，直至8孔鋼梁頂推完畢；拆除導(dǎo)梁和臨時連接；鋼梁落架，施工橋面系及附屬[15]。

圖6 張家口側(cè)鋼梁拼裝與滑移支架布置

3.4 技術(shù)創(chuàng)新

官廳水庫特大橋的設(shè)計建造融合了多項先進(jìn)技術(shù)，充分體現(xiàn)了綠色京張、智能京張的理念。

3.4.1 無砟軌道長大鋼桁梁橋技術(shù)

為滿足無砟軌道鋪設(shè)條件，橋梁設(shè)計采取了對應(yīng)措施，采用曲弦桁架結(jié)構(gòu)使主橋具備良好的整體剛度，通過鋼-混組合技術(shù)[16]提升橋面局部剛度，給無砟軌道板的連接提供了良好的條件。

如圖7所示，軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、WJ-8B型扣件、道床板、限位凹槽、混凝土底座等組成。道床板和底座均采用C40鋼筋混凝土現(xiàn)場澆筑，等長、等寬分塊設(shè)計(在主桁架節(jié)點處斷開)，主橋上道床板長度有5 300、4 245 mm兩種類型。鋼橋面上設(shè)20 cm厚混凝土板，無砟軌道底座通過預(yù)留鋼筋與橋面連接成整體。

圖7 無砟軌道構(gòu)造(單位：mm)

通過該技術(shù)，軌道形態(tài)得到較好的保持，車橋耦合動力分析顯示橋軌共同作用滿足規(guī)范要求。

3.4.2 超耐候鋼橋防腐涂裝技術(shù)

主橋鋼結(jié)構(gòu)采用超耐候防腐涂裝技術(shù)[17-18]，提高耐候性能，最大程度地延長涂裝體系壽命，減少橋梁全壽命期內(nèi)重新涂裝次數(shù)，以降低鋼橋涂裝作業(yè)產(chǎn)生的各種污染。

3.4.3 長壽命橋面雨水收集系統(tǒng)

為避免對水庫水體造成污染，主橋設(shè)置橋面雨水收集系統(tǒng)，可將橋面雨水收集后排入兩岸的沉淀/蒸發(fā)池。雨水收集系統(tǒng)采用由不銹鋼復(fù)合鋼板[19-20]制成的新型開放式結(jié)構(gòu)，有效避免常規(guī)排水管堵塞、凍漲、破裂、老化等一系列問題，大幅降低漏水概率且易于清理維護(hù)。設(shè)計使用壽命與主體結(jié)構(gòu)相同，遠(yuǎn)高于PVC排水管3～5年的壽命。

3.4.4 長壽命過渡板支座

考慮橋梁梁縫處過渡板支座檢修困難，研究設(shè)計了超長壽命過渡板支座，通過采用耐腐蝕材料和設(shè)置潤滑脂替換結(jié)構(gòu)[21]，提高其可靠性，將過渡板支座維護(hù)量降至最低。

3.4.5 曲弦桁架橋智能檢查車技術(shù)

為解決曲弦鋼桁梁橋的檢查維修，配套研發(fā)了曲弦桁架智能檢查車輛，可在最大坡度46°曲弦上行走自如，搭載機器視覺技術(shù)可對大橋主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行無人無損巡查，發(fā)現(xiàn)問題后能為養(yǎng)護(hù)人員提供2.5 kN荷載的維修平臺，非檢修期可自主裝卸至平板車回庫貯存保養(yǎng)，綜合技術(shù)領(lǐng)先國外同類產(chǎn)品。

3.4.6 環(huán)保施工技術(shù)

(1)采用設(shè)置長導(dǎo)梁的整體頂推架設(shè)施工方案，取消臨時墩，盡可能削減庫區(qū)水中臨時工程。

(2)為避免對庫區(qū)原有地形地貌的破壞，水中臨時工程均采用鋼結(jié)構(gòu)，工程修建完成后全部予以拆除。

(3)在水中施工平臺上集成設(shè)置全封閉泥漿循環(huán)池[22]，防止泥漿進(jìn)入水庫污染水體。

4 結(jié)語

官廳水庫特大橋通過環(huán)保施工、超耐候鋼橋防腐涂裝、長壽命橋面雨水收集系統(tǒng)等環(huán)保技術(shù)，滿足了鋼橋在高等級水源保護(hù)區(qū)的建設(shè)、運營維護(hù)要求；所采用的無砟軌道長大鋼桁梁橋技術(shù)實現(xiàn)了350 km/h設(shè)計速度，是目前國內(nèi)最長的無砟軌道鋼桁梁橋；通過曲弦桁架橋智能檢查車技術(shù)研發(fā)，積極探索橋梁維養(yǎng)新模式。官廳水庫特大橋于2017年年底完成鋼梁架設(shè)，2019年12月建成通車，為2022年北京冬奧會的交通出行提供保障。