山區(qū)高速鐵路跨江河大橋方案研究

何一凡

（中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)已成為全球最大的高速鐵路國(guó)家。在建設(shè)山區(qū)高速鐵路的過(guò)程中，跨江河處橋梁的選位及孔跨布置則成為了線位控制的重要因素，因此山區(qū)高速鐵路跨江河大橋的方案研究是非常必要的。

1 橋址選位要求研究

在已定線路大方向的前提下，技術(shù)復(fù)雜的特大型橋梁的橋位應(yīng)根據(jù)河流形態(tài)、地質(zhì)特點(diǎn)、通航條件、地面設(shè)施、施工布局以及與地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)系，在較大范圍內(nèi)作全面比選確定。當(dāng)方案比選結(jié)果條件相當(dāng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用水文、地質(zhì)及地形條件較好的橋位。橋位選擇應(yīng)按《鐵路水文規(guī)范》執(zhí)行，通過(guò)長(zhǎng)期的研究總結(jié)出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

（1）主槽流向與河流總的趨向一致的較長(zhǎng)河段是較適宜的橋位。如河灣已發(fā)展到直逼河谷的基本岸邊，橋位則宜在河灣頂部中間部分，不宜在較近的兩河灣之間的直線過(guò)渡段選擇橋位，以防河床的演變。

（2）在平原游蕩河段上的橋位，宜選在兩岸有依托的較長(zhǎng)束窄段上，如岸壁為崖坎或具有抗沖能力的土質(zhì)地段。

（3）在有水害的河流上進(jìn)行橋位選擇時(shí)應(yīng)盡可能在泛濫寬度較窄的中游河段上通過(guò)，以盡量縮短泛區(qū)分洪橋和河灘路堤的長(zhǎng)度。

（4）線路在水庫(kù)壩址下游通過(guò)時(shí)，應(yīng)滿足水庫(kù)管理區(qū)范圍安全管理?xiàng)l例的相關(guān)要求，如水庫(kù)的校核洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)低于橋梁洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)，或壩體質(zhì)量明顯有問(wèn)題時(shí)，應(yīng)研究線路繞避水庫(kù)方案。若無(wú)法繞避時(shí)，除按河流天然狀況設(shè)計(jì)外，并應(yīng)適當(dāng)考慮潰壩可能對(duì)橋涵造成的不利影響。

（5）線路在峽谷陡坡地帶、水庫(kù)地區(qū)跨河時(shí)，應(yīng)徹底查明兩岸巖層風(fēng)化程度、覆蓋層厚度、穩(wěn)定性以及水庫(kù)坍岸線等地質(zhì)情況，以便據(jù)此決定橋位方案。

2 橋梁基本情況簡(jiǎn)介

新建南寧至深圳鐵路玉林至岑溪（桂粵省界）段，線路長(zhǎng)度84.970km，設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h。容縣北流河特大橋位于廣西省玉林市北流市容西鎮(zhèn)東部，橋址范圍內(nèi)處于丘陵山區(qū)、地勢(shì)起伏，多為低矮山丘，沿線植被較為茂盛，多為低矮灌木，沿線有零散村落分布，有村道相連。空地多開(kāi)辟為農(nóng)田和旱地。兩側(cè)橋臺(tái)位于山坡，地勢(shì)較陡。

橋址處跨越北流河，河流與線路大里程夾角為90 度。北流河被稱為古代南方水上絲綢之路，是難得一見(jiàn)向北流的河流，流域面積9359 平方公里，多年平均年徑流量80.1 億立方米，干流長(zhǎng)259 公里，河道坡降0.47‰。橋址區(qū)的巖土層按其成因分類(lèi)主要有：第四系全新統(tǒng)坡積層（Qel+dl）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、下伏基巖主要為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D1l1）灰?guī)r。橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，橋梁建設(shè)位置處的北流河為規(guī)劃Ⅳ級(jí)航道，通行1000 噸級(jí)單船及2×500噸船隊(duì)，100年一遇洪水水位為82.70m，橋梁梁底最低標(biāo)高為100.074m，高于洪水位17.374m。根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，Ⅳ級(jí)航道通航凈高不小于8m。最小通航凈寬單向通航孔不小于45m，雙向通航孔不小于90m。

3 橋梁設(shè)計(jì)方案研究

3.1 從橋梁工程角度分析

北流河，珠江流域西江的一級(jí)支流，為北流市、容縣境內(nèi)的最大河流。南深鐵路玉岑段跨越北流河，橋址位于容縣水文站上游3.25km處，橋址處北流河集水面積F＝2831km2，百年流量為Q1%=4340m3/s，百年水位H1%=82.7m，對(duì)應(yīng)流速V1%=3.15m/s。

根據(jù)北流河航道管理部門(mén)要求，北流河為規(guī)劃Ⅳ航道，通航凈高需要8m，通航凈寬90m。根據(jù)北流河水利防洪管理部門(mén)要求，橋梁等跨河建筑物對(duì)河道的阻水比不能超過(guò)7%。

（1）橋跨方案比較。方案一：線位與河道夾角約90°，采用（70+125+70）m 連續(xù)梁方案跨越北流河，如圖1 所示。橋址處河道順直，水流平穩(wěn)，對(duì)跨河橋梁橋墩的沖刷影響較小，根據(jù)壅水分析計(jì)算成果，發(fā)生100 年一遇洪水時(shí)，橋梁阻水比為4.31%，對(duì)河道行洪影響較小，河道沖刷對(duì)橋梁影響也較小。該處橋位最優(yōu)，線路與河流正交，河道寬最窄，對(duì)河道的影響最小。

圖1 方案一橋址平面

方案二：線位與河道斜角53°，結(jié)合通航凈空要求和防洪阻水比要求，只要一跨過(guò)河，需增加跨度為（112+224+112）m 連續(xù)梁+鋼管拱組合橋梁，如圖2所示?？琰c(diǎn)位于河道彎道，河道彎折，水流紊亂，不推薦該橋址。特別是西側(cè)河岸，處于彎道迎水面，河道沖刷較大，該處橋墩需設(shè)于河岸上。

圖2 方案二橋址平面

方案三：線位與河道斜角49°，由于橋位距離下游600m 為既有公路橋，兩座橋橋位距離不滿足四級(jí)航道代表船型的3 分鐘航程距離，該處橋位需要一跨過(guò)江，橋墩不能侵入最高通航水位范圍水面，結(jié)合通航凈空要求和防洪阻水比要求，采用一跨過(guò)河，需增加跨度為（112+238+112）m 連續(xù)梁+鋼管拱組合橋梁，如圖3 所示。其跨點(diǎn)位于河道彎道，河道彎折，水流紊亂，不推薦該橋址。

圖3 方案三橋址平面

方案二、方案三，由于溫度跨達(dá)到336m，無(wú)砟軌道需要在橋上安裝鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)和維護(hù)都造成一定不良影響。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014）9.7.1 條：線路、橋梁、軌道應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置數(shù)量和位置應(yīng)經(jīng)過(guò)軌道和橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算后，結(jié)合運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。

（2）施工風(fēng)險(xiǎn)比較。除方案三外，橋址處均位于巖溶區(qū)，橋址區(qū)巖溶主要屬于淺覆蓋型巖溶區(qū)，局部為深覆蓋型，下伏基巖主要為泥盆系灰?guī)r。橋址區(qū)不良地質(zhì)主要為巖溶、巖溶塌陷、溶溝溶槽。

橋梁方案應(yīng)盡量減少水中基礎(chǔ)，方案二方案三橋梁跨度較大，河岸邊樁基明顯增多，由24 根直徑2.2m 鉆孔樁增加為40 根直徑2.5m 樁基，增加了水中基礎(chǔ)工程施工風(fēng)險(xiǎn)。

表1 為橋梁方案對(duì)比。從橋梁工程角度分析，在橋跨方案、施工風(fēng)險(xiǎn)等方面，方案一跨北流河橋位是相對(duì)最優(yōu)的。

表1 橋梁方案對(duì)比

3.2 從工程地質(zhì)角度分析

（1）工程地質(zhì)條件：跨河地段地層主要為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組（D1l1）灰?guī)r，不良地質(zhì)主要為巖溶。

該區(qū)域內(nèi)可溶巖主要屬于淺覆蓋型巖溶區(qū)，局部為深覆蓋型，下伏基巖主要為泥盆系灰?guī)r，在已實(shí)施的269 個(gè)鉆孔中，見(jiàn)溶洞總數(shù)140 個(gè)，見(jiàn)溶洞的鉆孔99個(gè)，鉆孔見(jiàn)洞率為36.80%，線巖溶率6.81%，無(wú)充填物溶洞73個(gè)，全充填、半充填溶洞67個(gè)，充填物主要為可塑粉質(zhì)黏土，夾少量灰?guī)r碎石。根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10027-2012）中的附錄E，結(jié)合《廣西巖土工程勘察規(guī)范》（DBJ/T45-002-2011）中的表11.1.3判定，場(chǎng)址區(qū)巖溶主要屬淺覆蓋型，巖溶整體中等發(fā)育。

（2）鐵路工程地質(zhì)選線原則：據(jù)TB10027-2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》第54頁(yè)規(guī)定，線路應(yīng)繞避或以大交角（垂直）通過(guò)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地帶，構(gòu)造發(fā)育帶、地表塌陷、土洞分布密集帶，可溶巖石與非可溶巖的接觸帶，巖溶水富集區(qū)及排泄區(qū)。

據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》第515 頁(yè)規(guī)定，線路宜盡量設(shè)法繞避處于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段、具網(wǎng)狀洞穴和巨大空洞的巖溶地區(qū)，若不能繞避時(shí)，應(yīng)避免順可溶巖與非可溶巖的接觸帶、有利于巖溶發(fā)育的褶皺軸和斷裂帶交匯處以及巖溶水富集區(qū)排泄區(qū)，并選擇其最窄、最易于采取工程措施處，以最大交角（垂直）通過(guò)。

（3）根據(jù)詳細(xì)勘察，方案一未發(fā)現(xiàn)地表有明顯巖溶塌陷現(xiàn)象，已查明北流河橋址區(qū)巖溶整體弱發(fā)育。其中小里程大跨墩臺(tái)，線巖溶率為2.21%，為弱發(fā)育，大里程大跨墩臺(tái)無(wú)溶洞，為不發(fā)育。

（4）工程施工的難度及環(huán)境影響。北流河巖溶地區(qū)橋梁多為樁基，在樁基施工過(guò)程中容易出現(xiàn)塌孔、掉鉆等事故，常用的樁基處理措施為注漿，會(huì)對(duì)周邊地下水及河流農(nóng)田等造成污染，具體表現(xiàn)為如下：

①在巖溶地區(qū)成樁，由于施工不恰當(dāng)，會(huì)造成坍孔、斜孔、彎孔、漏漿、埋鉆、掉鉆、卡鉆等各種各樣的施工事故，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢，延誤工期，經(jīng)濟(jì)損失巨大等情況。

②巖溶地區(qū)常見(jiàn)的處理措施為注漿，注漿效果不可控，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定溶洞注漿的充填情況，溶洞越發(fā)育，工程的風(fēng)險(xiǎn)就越高。

③注漿措施會(huì)對(duì)地下水造成污染，泥漿可能會(huì)隨著地下水流動(dòng)排至北流河中，或者污染周邊居民的水井生活用水及造成農(nóng)田返漿，溶洞越發(fā)育，注漿量越大，對(duì)環(huán)境造成的污染越大。

根據(jù)方案一已揭示的巖溶情況，基巖完整，樁基施工安全性高，工程實(shí)施難度小；巖溶發(fā)育不需要進(jìn)行特別巖溶處理，如注漿，對(duì)周邊環(huán)境影響小，甚至無(wú)影響。

綜上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)巖溶區(qū)工程地質(zhì)選線要求，結(jié)合現(xiàn)工程地質(zhì)選線結(jié)果及已查明的地質(zhì)情況，從工程地質(zhì)角度分析，方案一跨北流河橋位是相對(duì)最優(yōu)的。橋址總體布置圖如圖4所示。

圖4 橋址總體布置圖

4 主橋方案設(shè)計(jì)

4.1 橋跨布置

山區(qū)高速鐵路橋梁孔跨布置需考慮到橋址處于丘陵山區(qū)、地勢(shì)起伏，不改變既有河流的天然狀態(tài)，并且作為永久性建筑，選擇與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)一致的橋式和橋梁結(jié)構(gòu)方案，盡可能做到景觀的協(xié)調(diào)，結(jié)合防洪和通航要求，避免河道中心立墩，采用主跨125m跨越北流河航道。

4.2 橋型比選

基于主跨125m橋梁跨度，考慮連續(xù)剛構(gòu)橋和系桿拱橋兩種橋型方案進(jìn)行比選。連續(xù)剛構(gòu)橋優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大，承載能力高，施工工藝較為成熟，造價(jià)相對(duì)較低；缺點(diǎn)是梁高和結(jié)構(gòu)尺寸較大，混凝土灌注量大。系桿拱橋方案優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大，抗彎能力強(qiáng)，外觀較為美觀；缺點(diǎn)是施工難度高，需要精密的施工工藝及設(shè)備，材料用量多，造價(jià)相對(duì)較高。

考慮到本橋主要受通航凈高影響，選擇連續(xù)剛構(gòu)橋方案既能滿足通航凈空要求、施工風(fēng)險(xiǎn)低且能節(jié)約投資，因此選擇（70+125+70）m連續(xù)剛構(gòu)橋方案。

4.3 上部結(jié)構(gòu)

連續(xù)剛構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，梁寬12.6m，中支點(diǎn)梁高9.415m，邊跨直線段及中跨跨中梁高5.415m，梁體為單箱單室、變高度、變截面、直腹板箱梁截面。底板、腹板、頂板局部向內(nèi)側(cè)加厚，均按直線線性變化。全橋共設(shè)5 道橫隔梁，分別設(shè)于中支點(diǎn)、端支點(diǎn)、中跨跨中。中支點(diǎn)處設(shè)置厚2.4m 的橫隔梁，邊支點(diǎn)處設(shè)置厚1.75m 的橫隔梁，中跨跨中處設(shè)置厚0.6m 的橫隔梁。橫隔梁沒(méi)有孔洞，供檢查人員通過(guò)。

采用該橋型方案結(jié)構(gòu)造型簡(jiǎn)潔、受力合理、施工工藝成熟且造價(jià)經(jīng)濟(jì)，綜合考慮比較為最優(yōu)方案。

4.4 橋墩及基礎(chǔ)

連續(xù)梁主跨邊墩采用圓端型實(shí)體墩，墩高分別為23.5m、21.5m，墩壁順橋向?qū)?.8m，橫橋向?qū)?1m，主墩基礎(chǔ)采用φ2.2m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，考慮到山區(qū)高速鐵路的特殊性以及諸多限制因素的情況下，橋梁方案采用（70+125+70）m 連續(xù)剛構(gòu)橋型是最合理經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)以上研究，山區(qū)高速鐵路跨江河大橋方案的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分考慮各方面條件全面比選后確定。