陳克堅 謝海清 何庭國 許志艷

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著我國新時代“西部大開發(fā)”和“交通強國”戰(zhàn)略的推進，高速鐵路網(wǎng)逐步由平原丘陵地區(qū)向復雜艱險山區(qū)拓展，至2025年，高速鐵路通車里程將達到3.8萬km，其中復雜艱險山區(qū)高速鐵路約1.5萬km，占比約39.5%。復雜艱險山區(qū)地形起伏大、交通不便、施工場地狹窄，且地質(zhì)復雜、地震頻發(fā)、危巖落石和泥石流廣泛分布，加之高速鐵路安全性、穩(wěn)定性和平順性要求高，給高速鐵路橋梁設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合貴廣、云桂、滬昆、渝利等共約 2 300 km典型山區(qū)高速鐵路的設計經(jīng)驗和相關科學研究，對復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設計面臨的高墩大跨橋選型、高烈度地震區(qū)橋梁設計、峽谷風環(huán)境高速行車安全保障技術、高陡邊坡墩臺防護、危巖落石防治、泥石流防治等關鍵技術進行總結(jié)，為復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設計提供借鑒[1]。

1 高墩大跨橋梁選型技術

1.1 大跨橋型跨徑范圍及適用條件

高墩大跨橋梁橋型方案選擇考慮的主要因素有：①橋梁須保持高平順性，以滿足列車高速運行安全性和旅客乘坐舒適性的要求。因此，首先應考慮結(jié)構剛度大，后期變形小的橋型方案；②復雜艱險山區(qū)溝壑縱橫、地質(zhì)復雜、運輸不便、施工場地狹窄、后期運營養(yǎng)護維修困難，橋型結(jié)構方案和施工方法的選擇應適應艱險山區(qū)的建設及運營養(yǎng)護條件；③高墩大跨橋聯(lián)長常受無砟軌道溫度聯(lián)長控制，聯(lián)長超過200 m的橋梁需研究設置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，設置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的橋梁，橋上線路縱坡宜控制在6‰以下。

鐵路懸索橋自身剛度提升困難且溫度變形大，能否滿足列車高速行駛有待進一步研究。因此，目前適用于復雜艱險山區(qū)高速鐵路大跨度橋梁的主要橋型有梁式橋、組合結(jié)構橋、拱橋和斜拉橋。根據(jù)各橋型的跨越能力和受力特點，并結(jié)合我國艱險山區(qū)高速鐵路大跨度橋梁的工程實踐，提出大跨梁式橋、組合結(jié)構橋、拱橋和斜拉橋的跨徑范圍和適用條件，如表1所示。

1.2 橋梁選型原則

復雜艱險山區(qū)地形起伏較大，高速鐵路橋式方案選擇應結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)條件，并經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比選確定，橋型選擇一般原則如下：

(1)墩高在60 m以下時，一般采用簡支梁橋通過；墩高小于150 m、跨度不大于200 m時，一般采用大跨連續(xù)梁或連續(xù)剛構橋通過；跨越U型寬谷時，可考慮多跨長聯(lián)預應力混凝土剛構-連續(xù)組合橋。

表1 高速鐵路各大跨橋型跨徑范圍及適用條件表

(2)當跨度超過200 m時，一般采用斜拉加勁或拱加勁PC梁式組合結(jié)構橋，以減小殘余徐變變形，保證橋面的高平順性。

(3)跨越V型深切峽谷地形且橋位較高時，優(yōu)先考慮采用上承式拱橋通過，橋位應選擇邊坡穩(wěn)定且地質(zhì)條件較好的區(qū)域。

(4)當線路跨越通航要求較高的江河或山區(qū)U型深谷且梁式橋、拱橋無法滿足要求時，宜選用大跨度斜拉橋。

1.3 典型橋梁

近年來，我國在復雜艱險山區(qū)高速鐵路高墩大跨PC梁式橋、混凝土拱橋、鋼桁斜拉橋等方面開展了系統(tǒng)研究，取得了多項技術突破，建成了一批具有代表性的大跨度橋梁[2]，如表2所示。如首次采用A型橋墩、最大墩高139 m的渝利鐵路蔡家溝大橋，目前世界第一大跨混凝土拱橋、主跨445 m的滬昆高速鐵路北盤江大橋等，大幅提高了復雜艱險山區(qū)高速鐵路繞避災害的能力和選線自由度。

表2 復雜艱險山區(qū)高速鐵路大跨度橋梁一覽表(部分)

2 橋梁抗震及減隔震技術

復雜艱險山區(qū)地震頻發(fā)，地震烈度高、活動斷層廣泛分布，橋梁抗震問題突出。針對存在問題，我國在橋梁抗震方面開展了鐵路工程結(jié)構物抗震設計標準與方法、9度地震區(qū)高速鐵路橋梁設計及減隔震設計等系列研究[3-4]。

2.1 橋墩延性限值及損傷狀態(tài)

基于對歐、日、美抗震規(guī)范[5-7]中關于延性分類的分析，結(jié)合模型試驗，提出了我國鐵路橋墩不同抗震設防等級的橋梁延性限值，并與損傷狀態(tài)對應起來，解決了不同抗震設防等級橋梁的性能控制設計問題。橋墩抗震延性限值及損傷狀態(tài)如表3所示[8]。

表3 橋墩抗震延性限值及損傷狀態(tài)表

2.2 九度地震區(qū)橋梁設計

高烈度地震對橋梁極為不利，橋梁一旦破壞，修復較為困難，因此高速鐵路穿越九度地震區(qū)應優(yōu)先選用路基通過。必須以橋梁方案通過時，應嚴格控制橋梁規(guī)模和橋墩橋臺高度，優(yōu)先選用便于修復的標準跨度簡支梁橋。如滬昆高速鐵路在云南馬龍至昆明間穿越南北向小江斷裂帶，該斷裂帶是歷史上強震集中而又頻發(fā)的地區(qū)，地震動峰值加速度大于0.40 g，滬昆高速鐵路從小江斷裂帶南部穿越，涉及橋梁15座，共計 7 421.3 m。為保證高速鐵路運營安全，設計開展了九度地震區(qū)高速鐵路梁型、跨度比選和減隔震支座、防落梁措施等系列研究，最終選用了24 m標準預應力混凝土簡支箱梁，梁部設置了縱、橫、豎三向限位裝置，并采用了研發(fā)的摩擦擺式減隔震支座，滿足了九度地震區(qū)橋梁抗震的設計要求。

2.3 減隔震技術及措施

橋梁減隔震設計方法主要有以下幾種：①延長結(jié)構周期，減小結(jié)構地震反應；②增設阻尼器裝置耗散能量；③采用限位裝置限制結(jié)構位移[9]，其基本原理如圖1所示。目前常采用的摩擦單擺支座、橡膠隔震支座、軟鋼阻尼支座、高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、速度鎖定器、粘滯阻尼器等減隔震措施，均基于上述原理設計。

圖1 橋梁減隔震設計基本原理圖

減隔震裝置選取應結(jié)合其結(jié)構、力學性能和環(huán)境條件綜合考慮，除延長周期和增加阻尼外，還應從正常使用性能、經(jīng)濟性、耐久性等方面全方位進行比較。減隔震技術的主要適用條件為：①橋梁下部結(jié)構高度變化不規(guī)則，剛度分配不均勻；②場地條件較好，預期地面運動特性具有較高的卓越頻率；③根據(jù)鐵路橋墩的特點，建議單線鐵路簡支梁橋墩高小于40 m、雙線鐵路簡支梁橋墩高小于45 m時，采用減隔震措施。

3 峽谷風環(huán)境高速行車安全保障技術

3.1 環(huán)境風速對高速鐵路列車運行的影響

復雜艱險山區(qū)峽谷環(huán)境風場收縮效應顯著，瞬時風速大，風場紊亂。列車在強側(cè)風環(huán)境下運行時，空氣阻力、升力、側(cè)向力迅速增加，產(chǎn)生較強的傾覆力矩，嚴重影響車輛的橫向穩(wěn)定性和列車運行安全。鑒于此，日本、德國、瑞典等國家均規(guī)定了不同風速下列車運行速度的限值，我國《鐵路技術管理規(guī)程》(高速鐵路部分)第343 條對大風天氣高速鐵路行車的速度作了規(guī)定，如表4所示。

表4 環(huán)境風速對動車組列車運行速度的影響表

3.2 橋面導風欄桿技術

為保障峽谷大風環(huán)境下高速鐵路橋上列車的運行安全，設計研發(fā)了一種新型橋面導風欄桿結(jié)構，該結(jié)構具有導風、擋風功能，既保障了橋上高速列車的運行安全，又降低了風屏障對橋梁抗風性能的影響，且兼具欄桿的功能，經(jīng)濟高效地解決了峽谷橫風對橋上高速行車安全的影響。導風欄桿結(jié)構及安裝斷面如圖2所示。

圖2 導風欄桿結(jié)構及安裝斷面圖(mm)

該導風欄桿已成功運用于滬昆高速鐵路北盤江大橋和云桂鐵路南盤江大橋。北盤江大橋為主跨445 m上承式混凝土拱橋，橋面距離谷底300 m，橋位處風速達25 m/s，若不設置風屏障，橋上列車需按時速 200 km限速運行。設置導風欄桿結(jié)構后，通過風洞試驗和風-車-橋耦合動力響應分析，得到車體豎向加速度最大值為1.15 m/s2，車體橫向加速度最大值為0.962 m/s2，脫軌系數(shù)最大值為0.560，減載率最大值為0.472，均滿足規(guī)范要求。橋面風速25 m/s及以下時，列車可按設計時速350 km運行，無需限速，同時滿足旅客乘坐舒適的要求。

4 高陡邊坡橋墩防護技術

復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁基礎多位于陡坡上，基礎開挖邊坡高陡，地質(zhì)復雜，加之山區(qū)雨季較多，易發(fā)生基坑邊坡坍塌。部分傍山橋墩設置于中厚覆蓋層或強風化層中，存在山體邊坡蠕變現(xiàn)象，嚴重時將影響高速鐵路橋梁施工和運營安全，設計時應引起高度重視。因此，橋墩和基礎設計時，應盡量減小基礎埋置深度，抬高基坑底面，減少對既有山體的擾動，同時加強橋墩基坑開挖縱向、橫向邊坡的防護設計。

高陡邊坡基坑開挖防護主要有以下幾種情況：①在橋墩靠山側(cè)，一般采用按永久邊坡坡率清方后，設置噴混凝土支護或噴錨支護的方式進行防護；②對于存在坍落、塌滑的坡面，采用在靠山側(cè)設置預加固樁(鋼筋混凝土抗滑樁)、噴射混凝土封閉護坡、混凝土掛網(wǎng)噴錨、錨桿框架梁或錨索等方式進行防護；③存在順層、巖堆、滑坡等不良地質(zhì)體時，應根據(jù)具體的地形地質(zhì)情況進行設計和檢算，采用清方、抗滑樁、錨桿、錨索等方式進行綜合防護。

4.1 邊坡縱向防護

滬昆高速鐵路北盤江大橋橋位處岸坡陡峻，特別是上海岸拱座附近，綜合坡率約為50°，局部坡率達72°。為盡可能減小對既有山體的擾動，2號拱座基礎采用臺階式開挖，將基坑防護底面盡量抬高，并在靠山側(cè)坡腳設置錨固樁。通過在坡面增設錨桿和錨索的方式將刷坡率由1∶0.75調(diào)整為1∶0.55，大幅降低了對既有山體的開挖。同時，在1、2號墩間采用65 m大跨梁，避免了將1號橋墩設置于刷坡體上。采用縱向邊坡綜合防護措施后，基坑刷坡高度為96.8 m，刷坡長度為78.3 m。2號拱座基坑開挖縱向防護示意如圖3所示。

圖3 北盤江大橋上海岸基坑開挖防護示意圖(m)

4.2 邊坡橫向防護

復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁橫向防護主要包括墩臺基礎基坑開挖橫向防護和橋梁范圍山體整體橫向防護。墩臺基坑開挖橫向防護處理措施與橋墩縱向防護基本相同。當橋梁傍山布置時，若山體坡面存在中厚覆蓋層或破碎強風化層、順層或潛在滑坡時，需對橋梁范圍山體整體進行橫向預加固防護。以某復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁為例，該橋地處兩斷層夾持帶，山體基巖極為破碎、風化層厚度達35 m，且橋梁位于側(cè)溝深切的“倒三角”楔形陡坡上方。受重力作用，該斜坡存在向下方溝谷潛在蠕變的趨勢。為保證高速鐵路運營安全，必須對全橋橫向潛在的蠕變體進行防護。設計時，在推測蠕滑面前緣設錨索樁，沿坡面自下而上設置四個錨索框架梁加固區(qū)，以防止邊坡蠕變導致的橋墩偏移，橫向防護示意如圖4所示。

圖4 高速鐵路橋梁橫向防護示意圖

5 危巖落石防治技術

危巖落石災害是高山峽谷地區(qū)一種常見的地質(zhì)災害類型。山區(qū)陡坡地段經(jīng)常會形成崩塌、落石、巖堆等不良地質(zhì)，同時隧道進出口高陡邊坡在雨水、地震等自然災害以及施工刷坡、爆破等作用下，也會形成危巖、落石、崩塌等，危及高速鐵路施工和運營安全。高速鐵路線路應盡量繞避大型危巖落石區(qū)域及危巖落石集中地段或以隧道通過，當必須以明線工程通過危巖落石及崩塌地段時，應盡可能從危害相對較小地段或騎山脊通過，以降低高速鐵路建設和運營安全風險。

危巖落石處理的總體思路為：首先通過野外調(diào)繪查明危巖落石分布范圍、位置、類型及穩(wěn)定程度，再分別采取清除、支擋、主動和被動防護等措施進行整治，對于無法清除的危巖，采取預警措施消除落石給高速列車帶來的危害。危巖落石一般采用清、固、攔、擋的綜合整治措施：①對較大危巖落石區(qū)，采取主動窗簾式防護網(wǎng)或錨索加固；②對單獨大體積危巖落石，采取錨索及錨桿加固；③對小規(guī)模危石，采取錨桿加固或清除；④清、固處理后仍存在零星小塊落石風險的地段，采用攔石墻、被動攔石網(wǎng)或明洞、棚洞在線路上方作遮蓋防護。危巖落石綜合防治措施如圖5所示。

圖5 危巖落石綜合防治措施圖

復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋隧占比常高達線路全長的80%～90%以上，且多橋隧相連，其危巖落石防治一般采用隧道口明洞接長的方式。在隧道口明洞接長條件受地形、地質(zhì)條件限制時，常考慮設置棚洞防護，如成昆、內(nèi)昆、寶成等鐵路均采用了鋼筋混凝土防護棚洞。近兩年開展了危巖落石地段橋梁和棚洞一體化技術的研究，將橋梁結(jié)構和棚洞結(jié)構結(jié)合在一起，以增加棚洞的防護范圍，合理降低棚洞的工程造價，進一步提高了山區(qū)鐵路危巖落石防治技術的綜合水平，保障了高速鐵路的運營安全。梁支承棚洞結(jié)構為典型的橋棚一體化結(jié)構，其結(jié)構模型如圖6所示。

圖6 梁支承棚洞結(jié)構模型圖

6 泥石流防治技術

泥石流是復雜艱險山區(qū)高速鐵路常見的不良地質(zhì)環(huán)境，與地形、地質(zhì)構造和暴雨徑流條件的關系十分密切。山區(qū)最常見的為溝谷型泥石流[10-11]，具有明顯的物源區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，即上游為形成區(qū)，中游為流通區(qū)，下游為沉積區(qū)。根據(jù)泥石流特征，可按以下原則進行防治：①對于特大型、大型泥石流，采用線路繞避或隧道深埋通過；②對于中型泥石流，不能繞避時應選擇在流通區(qū)或沉積區(qū)內(nèi)采用橋梁跨越，并根據(jù)泥石流流量、規(guī)模和堆積高度，合理選擇橋梁孔跨、凈空。③跨越泥石流流通區(qū)時，應采用大跨一跨跨越；④沉積區(qū)為寬淺型溝槽時，采用橋梁一跨跨越泥石流主溝，并對邊灘橋墩設置防護墩。

泥石流對高速鐵路橋梁的危害主要有：①泥石流及其攜帶的大量塊石和漂礫沖擊橋墩，造成橋墩斷裂、垮塌、傾倒等；②泥石流沖刷、淘蝕墩臺基礎，導致基礎沉陷變形；③泥石流在橋下淤積，堵塞橋涵，引起橋梁凈空和排導斷面不足，漫流淤埋橋梁。依據(jù)泥石流對鐵路橋梁的危害方式，總結(jié)提出了導流、穩(wěn)坡、攔擋、固床、停淤等工程防治措施和林業(yè)、農(nóng)業(yè)、牧業(yè)等生物防治措施，泥石流災害綜合防治措施如圖7所示。

圖7 泥石流綜合防治措施圖

復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁跨越泥石流溝時，在泥石流溝上游采用攔擋，橋下采用疏導等措施，可有效減小泥石流大塊石和流體對橋墩的沖擊破壞，減小橋下淤積和沖刷，保障高速鐵路的運營安全。

7 結(jié)束語

本文總結(jié)了我國近10年來復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設計的實踐經(jīng)驗，為復雜艱險山區(qū)高速鐵路橋梁設計提供了重要的技術支撐，并可為供川藏、滇藏等鐵路建設參考借鑒。