王海峰

(中鐵上海工程局集團建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，大跨度拱橋結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在工程建設(shè)中，而截至目前大跨度拱橋大多應(yīng)用在公路及普速鐵路中，如宜昌香溪長江公路大橋、滬蓉西高速公路支井河特大橋、杭瑞高速公路總溪河大橋等公路工程，大瑞鐵路大保段瀾滄江特大橋(140km/h)、渝貴鐵路夜郎河雙線特大橋(200km/h)等為普速鐵路；而在高速鐵路建設(shè)中采用大跨度拱橋結(jié)構(gòu)的并不多見，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前僅有滬昆客專貴州段北盤江特大橋(250km/h)為高速鐵路大跨度拱橋。

奉節(jié)梅溪河雙線特大橋在設(shè)計速度350km/h的鄭萬高速鐵路中采用大跨度拱橋結(jié)構(gòu)，必然會遇到諸多技術(shù)挑戰(zhàn)及施工難點，如地形地質(zhì)條件復雜、抗風抗震性能要求高、拱橋橫向剛度要求大、施工組織困難、干擾多、難度大、風險高等。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建鄭州—萬州鐵路重慶段站前工程土建4標奉節(jié)梅溪河雙線特大橋，位于重慶市奉節(jié)縣境內(nèi)、長江支流梅溪河河口上游1.5km處，橋梁全長687.8m，設(shè)計速度350km/h，是鄭萬鐵路全線重點控制工程。

其主橋為勁性骨架鋼筋混凝土上承式提籃拱橋，拱跨340m，一孔跨越梅溪河，無鉸拱結(jié)構(gòu)，拱圈設(shè)計鋼桁拱肋勁性骨架，主弦鋼管內(nèi)壓注C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎(chǔ)，交界墩為雙柱式空心墩，拱上共11根立柱，拱上主梁為3聯(lián)(4孔/聯(lián))連續(xù)梁。小里程鄭州端引橋2×65m T構(gòu)連續(xù)梁，大里程萬州端引橋(44+72+44)m連續(xù)梁+24m簡支梁。全橋總體布置如圖1所示。

圖1 全橋總體立面布置(單位：m)

1.2 地形地質(zhì)

梅溪河為U字形河谷地貌，地形起伏大，地面高程140.000～480.000m，部分為陡坎地形，兩岸邊坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面寬度約為280m。橋址區(qū)域地表有部分碎石土層及人工填土，以下為強、弱風化泥質(zhì)灰?guī)r層。

1.3 水文氣候

梅溪河為II級航道，受長江三峽蓄水倒灌影響，蓄水后最高水位為173.450m。每年10月至次年2月，三峽蓄水位為最髙水位，水位在172.000～173.450m，較穩(wěn)定；2月水位開始回落，4月底回落至145.000m，5—9月中旬水位維持在143.000～145.000m，9—10月水位逐漸上漲至最高水位。各類地下水均接收大氣降雨補給，向梅溪河排泄，河水無侵蝕性。奉節(jié)縣位于四川盆地東部邊緣，屬中亞熱帶暖濕東南季風氣候，年平均氣溫16.5℃。

針對冶煉廠銅锍雜質(zhì)鉛較高的問題，本文系統(tǒng)分析了雜質(zhì)鉛的走向及分布，并對吹煉渣含銅、CaO/Fe值、渣中SiO2含量及渣溫度重要工藝參數(shù)的影響進行了研究，研究結(jié)果認為銅閃速吹煉較為合理、有效的工藝控制條件和解決辦法包括以下幾個方面。

2 主要技術(shù)標準

鐵路等級，高速鐵路；設(shè)計速度，350km/h；線路數(shù)目，雙線，線間距5m；線路參數(shù)，直線，線路縱坡0.3%；二期恒載，147.25kN/m；軌道類型，60kg/m重型軌，鋼軌高17.6cm；軌道結(jié)構(gòu)，CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道；環(huán)境類別，碳化環(huán)境T1級、T2級；設(shè)計使用壽命100年。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 拱座基礎(chǔ)設(shè)計

拱座采用水平樁+豎直樁分離式嵌固基礎(chǔ)，水平樁主要承受拱跨結(jié)構(gòu)的水平推力，豎直樁主要承受豎向荷載，由拱座承臺連接形成整體，該結(jié)構(gòu)傳力路徑清晰、造型新穎獨特，不僅能適應(yīng)地形、地質(zhì)及X 形拱圈構(gòu)造，而且大幅度減小了坡面土方開挖，避免擴展基礎(chǔ)大開挖施工對坡面植被及周圍環(huán)境的破壞。全橋共計異形拱座承臺4個、小傾角水平樁4根、大直徑變截面豎直樁24根。拱座基礎(chǔ)模型如圖2所示，拱座基礎(chǔ)平、立面如圖3所示。

圖2 拱座基礎(chǔ)模型示意

圖3 拱座基礎(chǔ)平、立面(單位：cm)

水平樁為小傾角結(jié)構(gòu)，樁身縱向水平下傾10°。每個拱座承臺后方對應(yīng)設(shè)置1根水平樁，樁身長度根據(jù)地質(zhì)情況確定，保證樁端巖體能承受拱跨結(jié)構(gòu)的水平推力，確保拱座基礎(chǔ)穩(wěn)定。J1號拱座水平樁左側(cè)長23m，右側(cè)長30m；J2號拱座水平樁左、右側(cè)長均為15m。水平樁標準橫斷面尺寸為寬6m、高7m(含拱部圓弧高度)，樁端2m長度斷面高度加高為8m，標準斷面到樁端加高斷面之間設(shè)置8m長的過渡段，拱部圓弧曲率半徑為5m。水平樁混凝土采用C40補償收縮混凝土，邊墻及拱部主筋雙肢并置排列，內(nèi)部橫、豎連接筋梅花形密集布置，作業(yè)空間狹小。

豎直樁為大直徑變截面結(jié)構(gòu)，樁頂9m部分樁徑為3.2m，以下部分樁徑為2.8m，樁長在17～25.5m，單個拱座承臺有6根豎直樁，共24根，按柱樁設(shè)計。樁基φ32主筋沿徑向雙肢并置排列，在變徑位置樁身尺寸折線陡變、鋼筋籠尺寸線性漸變。

由于提籃拱橋在兩岸拱腳處設(shè)計為X形岔開結(jié)構(gòu)，每個拱座設(shè)計2個獨立承臺，即全橋共有4個拱座承臺。拱座承臺設(shè)計為不規(guī)則形狀，底面為正方形，長18.2m，寬11.7m；順橋向兩側(cè)面豎直，前、后面呈傾斜狀，均斜向后方，導致拱座承臺水平投影長度為20.2m，承臺總高度為14.18m。

3.2 拱圈設(shè)計

3.2.1主拱圈結(jié)構(gòu)

主拱圈設(shè)計采用鋼管混凝土勁性骨架+外包混凝土結(jié)構(gòu)，計算跨徑340m，矢高74m，矢跨比1/4.595，拱軸系數(shù)m=3.2。拱肋為變寬變高鋼桁拱架結(jié)構(gòu)，主弦管及橫梁弦管內(nèi)壓注C60自密實無收縮混凝土，拱圈外包C55補償收縮混凝土。

主拱圈平面呈提籃形布置，分為拱腳分叉段和拱頂合并段，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室組成，拱頂合并為單箱3室截面，分叉段半跨采用3道橫梁連接。拱圈箱體高度按1.5次拋物線變化，外緣高度由拱腳處高11m漸變至拱頂處高6m。拱軸z軸立面采用懸鏈線，y軸豎面整體內(nèi)傾3.48°，形成拱腳分叉的X形結(jié)構(gòu)，拱腳處兩肢橫向中心距16m，拱頂橫向中心距7m，分叉段單肢拱圈箱體外緣寬度為5m。不同區(qū)段拱圈箱體的頂、底、腹板的厚度不盡相同，厚度變化采用線性漸變方式過渡處理，變厚過渡段設(shè)置在拱肋橫梁位置，頂板厚度80～120cm、底板厚度80～140cm、腹板厚度70～100cm。

3.2.2無鉸拱結(jié)構(gòu)

拱腳處勁性骨架主弦管埋入拱座承臺內(nèi)3m，預留長約3m伸出承臺斜面，與拱肋骨架節(jié)段連接。拱腳7m范圍內(nèi)采用鋼筋混凝土實體結(jié)構(gòu)包裹勁性骨架，形成無鉸拱結(jié)構(gòu)，并在拱座承臺中設(shè)置縱向預應(yīng)力束連接拱腳，防止拱腳處拱圈頂板出現(xiàn)受拉裂縫。

3.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

X形拱圈的橫向剛度較大，能適應(yīng)大跨度高速鐵路對拱橋結(jié)構(gòu)橫向剛度的需求，拱圈外包混凝土總體采用分環(huán)分段施工。拱圈外包橫向分環(huán)施工，使得先期施工的底板對后期施工的腹板及頂板可起到支撐作用，從而減少勁性骨架受力；外包縱向分段施工不僅使拱圈受力更均勻，而且增加工作面，加快施工進度。通過對拱圈施工、運營各階段進行模擬計算分析，保證了拱圈結(jié)構(gòu)安全。

3.3 拱座交界墩及拱上立柱

3.3.1拱座交界墩

拱座交界墩采用雙柱式空心墩，近似為A字形，雙柱內(nèi)傾相交至墩頂，中間設(shè)置3道空心橫梁，J1號墩高72.809m(含墩頂蓋梁)，J2號墩高73.879m，墩底實體段高3.0m。墩頂平面尺寸為順橋向6.0m、橫橋向9.0m，墩身順橋向按直坡設(shè)計，J1號呈4.647°傾斜，J2號呈4.554°傾斜。單肢墩柱截面尺寸為3.5m×6.0m，墩身順橋向壁厚1.0m，橫橋向壁厚0.7m；空心橫梁截面5.0m×2.5m(寬×高)，橫梁壁厚均為0.5m。為方便脫模，蓋梁、墩柱及橫梁均設(shè)置R=30cm的圓角。

3.3.2拱上立柱

拱上共11個立柱，其中Z1～Z3，Z9～Z11為雙柱式空心墩，墩身結(jié)構(gòu)類似于拱座交界墩，根據(jù)墩身高度分別設(shè)置0～2個橫梁，其中Z1立柱高46.4m、Z2立柱高27.2m、Z3立柱高14m、Z9立柱高14.5m、Z10立柱高27.9m、Z11立柱高47.3m。Z4，Z8為實體墩，Z4立柱高5.5m、Z8立柱高5.8m；Z5～Z7立柱不設(shè)柱身，高度均在3m以下。

3.4 拱上主梁

拱上主梁為3聯(lián)連續(xù)梁，4孔/聯(lián)，中間1聯(lián)跨徑布置(29.5+2×29.6+29.5)m，兩側(cè)邊聯(lián)跨徑布置(30.3+2×29.6+29.5)m。拱上主梁為預應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，梁高3.035m，橋面寬12.6m，底板寬6.7m，標準橫斷面處頂、底板厚30cm、腹板厚45cm，支座附近頂、底、腹板均加厚。

4 施工方案

首先進行邊坡支護及拱座基礎(chǔ)施工，然后采用纜索吊機斜拉扣掛法從兩岸對稱安裝鋼拱肋節(jié)段至拱頂合龍，之后壓注管內(nèi)混凝土、施工拱圈外包混凝土，最后施工拱上立柱及主梁，總體遵循主橋拱肋及引橋平行施工、纜索吊機施工與主引橋互不干涉的原則。

4.1 拱座基礎(chǔ)施工

依托實際地形條件修建施工便道至拱座位置，根據(jù)地形、地質(zhì)特點對邊坡進行區(qū)域劃分，采用分級開挖、分區(qū)支護的組合支護方案進行拱座基坑開挖及邊坡支護?？紤]附近既有結(jié)構(gòu)物較多，拱座水平樁及豎直樁要求非爆開挖，豎直樁采用人機結(jié)合套鉆成孔工藝施工，大型鋼筋籠內(nèi)外主筋分解安裝，按水下灌注工藝成樁，水平樁參照隧道施工采用上下臺階法開挖，拱座承臺分層澆筑施工，專門設(shè)計定位支架安裝拱腳預埋段，保證安裝精度。

4.2 拱圈施工

受地形限制，采用纜索吊機進行鋼拱肋吊裝，并輔助后續(xù)的拱圈外包、拱上立柱及連續(xù)梁施工。根據(jù)現(xiàn)場條件及橋梁結(jié)構(gòu)特點，選用額定起重150t的雙塔3跨結(jié)構(gòu)纜索吊機，并據(jù)此合理劃分鋼拱肋節(jié)段，共分32節(jié)段、48個吊裝單元(拱腳預埋段及拱頂合龍段除外)。鋼拱肋在廠內(nèi)分段加工，主弦鋼管以折代曲制作，采用3+1整體輪次匹配拼裝，然后船運至現(xiàn)場通過纜索吊機吊裝，采用斜拉扣掛法從拱腳向拱頂對稱安裝拱肋節(jié)段、在拱頂實現(xiàn)強迫合龍。

拱肋合龍后，按先下弦后上弦、先內(nèi)側(cè)后外側(cè)的順序，由拱腳向拱頂連續(xù)均衡對稱頂升壓注管內(nèi)混凝土。采用原位支架法澆筑拱腳實體段，按“縱向分段、橫向分環(huán)”的順序采用吊架法施工拱圈外包混凝土。

4.3 交界墩及拱上結(jié)構(gòu)施工

拱座交界墩及拱上立柱采用翻模法施工，交界墩施工配置塔式起重機及垂直電梯等設(shè)備輔助，拱上立柱施工則利用纜索吊機輔助。

拱上兩側(cè)邊聯(lián)主梁借助墩側(cè)預埋牛腿，采用無落地式支撐體系現(xiàn)澆施工；中間1聯(lián)主梁在拱圈混凝土上搭設(shè)滿堂支架施工。

5 主要施工難點

5.1 難點1：施工組織復雜

橋址地形復雜，起伏較大，兩岸邊坡陡峭，施工場地狹小，修建便道困難；地處三峽水庫自然保護區(qū)，水土保持、環(huán)境保護要求高；纜索系統(tǒng)及扣掛系統(tǒng)與塔式起重機、主引橋結(jié)構(gòu)、臨時設(shè)施及復雜地形之間相互交織，整體施工組織難度大。

5.2 難點2：拱座基坑及邊坡防護施工

拱座毗鄰梅溪河，位于河岸陡坡上，基坑底面至坡頂平緩區(qū)域高差50～60m，坡度達1∶0.75，拱座基坑開挖及邊坡防護施工難度大。

5.3 難點3：大直徑變截面豎直樁施工

拱座豎直樁設(shè)計為大直徑變截面結(jié)構(gòu)，樁頂9m部分樁徑3.2m，以下部分樁徑2.8m。樁身處于泥質(zhì)灰?guī)r弱風化層，設(shè)計要求非爆開挖，成孔難度大；每年9月至次年4月底為三峽庫區(qū)蓄洪期，豎直樁成孔施工受河水水位影響大。

5.4 難點4：小傾角水平樁施工

水平樁截面寬6m、高7～8m，斷面尺寸小，普通挖掘機在洞內(nèi)回轉(zhuǎn)困難，處于弱風化巖層，開挖掘進施工難度大；水平樁縱向下傾10°，且內(nèi)部鋼筋復雜，混凝土澆筑振搗施工難度大。

5.5 難點5：鋼拱肋加工制造

主拱肋為變寬變高鋼桁拱架結(jié)構(gòu)，拱軸為懸鏈線，拱腳分叉，采用橫梁連接，拱頂合并成整體，豎面整體內(nèi)傾3.48°，結(jié)構(gòu)龐大的拱肋節(jié)段加工及匹配拼裝制作難度大，而提籃拱橋的雙向曲線構(gòu)造更加大了制造線形的控制難度。節(jié)段制造精度直接影響現(xiàn)場安裝難度及成橋線形效果，因此鋼拱肋制造線形精度控制是本工程重中之重。

5.6 難點6：纜索吊機設(shè)計

結(jié)合橋址地形特點進行大跨度纜索吊機結(jié)構(gòu)形式的選型設(shè)計，依據(jù)拱肋節(jié)段自重確定其額定起升能力，合理布置牽引索、起重索的走線方式，據(jù)此進行繩索系統(tǒng)、纜塔塔架、基礎(chǔ)錨碇的設(shè)計驗算，最后規(guī)劃卷揚機布置與電氣化控制系統(tǒng)設(shè)計。纜索吊機結(jié)構(gòu)復雜、承載力大、安全風險高，加之各類繩索空中穿梭交織，纜索吊機設(shè)計難度大。

5.7 難點7：扣掛系統(tǒng)設(shè)計

鋼拱肋采用斜拉扣掛法分節(jié)段安裝，拱肋節(jié)段線形、扣塔變形及扣錨索索力隨各節(jié)段安裝過程相互影響變化，效應(yīng)逐次疊加，如何保證施工全過程的應(yīng)力位移可控、施工安全可靠，且實現(xiàn)合龍前拱肋線形與目標線形吻合、達到一次張拉的目的是本工程難點。因地形導致的錨索橫向不對稱布置更增加了索力優(yōu)化設(shè)計及施工過程控制的難度，扣掛系統(tǒng)整體設(shè)計的技術(shù)含量高、難度大。

5.8 難點8：管內(nèi)混凝土壓注

拱肋合龍后采用頂升法壓注管內(nèi)混凝土，拱跨340m、矢高74m，要保證大跨拱橋兩側(cè)對稱均衡、一次性連續(xù)頂升成功，工藝技術(shù)要求高、施工組織難度大。

5.9 難點9：拱圈外包混凝土施工

拱腳分叉段為單箱單室結(jié)構(gòu)，拱頂合并段為單箱3室結(jié)構(gòu)，拱圈外包模板支撐體系設(shè)計是難點，外包混凝土分環(huán)分段施工難度大、安全風險高。

5.10 難點10：拱上連續(xù)梁施工

拱上共計3聯(lián)(4孔/聯(lián))連續(xù)梁，跨中1聯(lián)借用拱圈外包結(jié)構(gòu)作為支撐，采用滿堂支架法施工。兩側(cè)邊聯(lián)距拱圈垂直最大高差近70m，不利于搭設(shè)支架，采用設(shè)置墩側(cè)牛腿、無落地式支撐體系現(xiàn)澆施工，雙層貝雷梁支撐結(jié)構(gòu)一跨式跨越。高空支撐體系設(shè)計、安裝及拆除施工難度大，安全風險高。

6 結(jié)語

設(shè)計速度350km/h的鄭萬鐵路奉節(jié)梅溪河雙線特大橋，作為目前國內(nèi)外跨度最大的無砟軌道高速鐵路拱橋，是大跨度拱橋結(jié)構(gòu)發(fā)展的又一次突破。鑒于眾多技術(shù)挑戰(zhàn)和施工難點，本橋設(shè)計采用雙向樁分離式拱座基礎(chǔ)、X形鋼管混凝土勁性骨架+外包混凝土拱圈等特殊結(jié)構(gòu)，加之現(xiàn)場合理的施工組織及正確的工藝指導，有效解決了諸多難題。本橋于2017年4月正式開工建設(shè)，預計于2021年6月全線建成。