劉 偉,戴曉春,黃 毅

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 工程概況

中老鐵路是連接中國(guó)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(wàn)象，正線(xiàn)全長(zhǎng)926 km，是泛亞鐵路中線(xiàn)的重要組成部分，是“一帶一路”倡議標(biāo)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(duì)高差達(dá)700 m以上， 兩岸與深切河谷構(gòu)成明顯的“V”形地貌， 為全線(xiàn)河谷最深， 高差最大地段。兩岸基巖為泥巖、砂巖、頁(yè)巖夾煤層，受構(gòu)造影響斷層附近巖體較破碎，風(fēng)化帶較厚，巖層產(chǎn)狀紊亂。橋面距水面高約220 m，橋位處無(wú)通航要求。橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.16g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s[1-2]。

橋上線(xiàn)路等級(jí)為Ⅰ級(jí)，雙線(xiàn)，線(xiàn)間距4.2 m，有砟軌道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度160 km/h，設(shè)計(jì)活載為“中-活載”。

針對(duì)元江大橋“V”形峽谷的地形特點(diǎn)，依據(jù)目前的鐵路橋梁建設(shè)技術(shù)，拱橋外形優(yōu)美，斜拉橋剛勁有力且跨度適應(yīng)性較好，梁橋構(gòu)造簡(jiǎn)潔，這3種橋式均可適應(yīng)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(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性相對(duì)更好。元江河谷地貌見(jiàn)圖1。

圖1 元江河谷地貌

2 橋式方案比選

2.1 工程特點(diǎn)與建設(shè)條件

結(jié)合橋區(qū)的地理位置、線(xiàn)路高程、地形特征、地質(zhì)條件和環(huán)境現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)自然條件、交通條件、場(chǎng)地條件的分析，元江大橋的建設(shè)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(xiàn)路高程控制，橋高238 m。

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

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

(4)高烈度地震區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.16g。

(5)地質(zhì)條件復(fù)雜。下伏基巖為泥巖、砂巖、頁(yè)巖夾煤層、砂巖夾煤線(xiàn)，W3強(qiáng)風(fēng)化層深度達(dá)50～60 m，W2中風(fēng)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(fēng)景區(qū)”。該風(fēng)景區(qū)是以昆磨高速公路大跨度預(yù)應(yīng)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(jià)以及整體景觀(guān)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(qiáng)度、剛度并結(jié)合經(jīng)濟(jì)性、安全性、耐久性和施工等因素，對(duì)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(jìn)行綜合比較。

2.2.1 上承式拱橋方案

對(duì)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(qiáng)風(fēng)化帶深厚等因素可能成為重要的制約因素。特此對(duì)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(jìn)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(xiàn)，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(xiàn)保持在對(duì)應(yīng)拱肋平面內(nèi)。主拱采用嵌巖式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)縱向長(zhǎng)80 m，高度24 m，橫向?qū)挾? m，基礎(chǔ)斷面采用空心截面，基礎(chǔ)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(chǎng)制造，現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)采用隧道式開(kāi)挖方式進(jìn)行開(kāi)挖?？傆娩摿繛?3 949 t，拱座基礎(chǔ)圬工46 152 m3，工期預(yù)計(jì)42個(gè)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(xiàn)，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(chǔ)長(zhǎng)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(jìn)行施工，主拱圈鋼構(gòu)件在工廠(chǎng)制造，運(yùn)輸至工地進(jìn)行安裝，懸拼由兩岸同時(shí)進(jìn)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(chǔ)圬工56 640 m3，工期預(yù)計(jì)為46個(gè)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(xiàn)，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?；炷凉叭ζ矫鏋椤癤”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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，并通過(guò)2×58 m預(yù)應(yīng)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(guò)橫梁連接。拱座采用斜豎撐組合基礎(chǔ)，斜撐與水平面成35°，截面尺寸為12 m×12 m，長(zhǎng)度為100 m，豎撐總長(zhǎng)度為90 m。

拱座為斜豎撐組合基礎(chǔ)，斜撐施工采用隧道式開(kāi)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(jìn)行施工。懸拼由兩岸同時(shí)進(jìn)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(chǔ)圬工56 640 m3，因?yàn)楣叭ν獍炷潦┕さ膹?fù)雜性，工期預(yù)計(jì)為56個(gè)月，工程概算約6.1億元。

上述3種拱橋均能滿(mǎn)足430 m大跨度拱橋的受力和行車(chē)要求，在施工周期、工程造價(jià)上各有優(yōu)缺點(diǎn)，但都因拱座處基巖破碎，強(qiáng)風(fēng)化層厚，使得結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。具體比較結(jié)果見(jiàn)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(diǎn)，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(shè)置支座約束豎向及橫向位移，縱橋向設(shè)置速度鎖定裝置與粘滯性阻尼器，以減少制動(dòng)力與地震荷載的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。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(zhǎng)度13.5 m。主桁采用焊接整體節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式，最大板厚50 mm。主桁與橋面系均采用Q370qD級(jí)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(chǔ)采用28根φ3.0 m的鉆孔樁，樁長(zhǎng)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(yù)計(jì)為41個(gè)月。總用鋼量為16 789.0 t，工程概算約6.1億元。

鋼桁梁斜拉橋在受力、行車(chē)性能上均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，抗震性能也不錯(cuò)。其主要缺點(diǎn)是整體景觀(guān)與地形不協(xié)調(diào)，后期養(yǎng)護(hù)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(duì)于在偏遠(yuǎn)山區(qū)修建大跨度纜索結(jié)構(gòu)橋梁，后期的養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營(yíng)工作量及成本比較高，特別是在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)思路下，提出了(108+152+249+152+108) m上承式連續(xù)鋼桁梁方案，見(jiàn)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?yàn)樽兏叨壬铣惺竭B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(xiàn)勻順過(guò)渡。主桁采用“N”形及“K”形桁架，一般布置為“N”形桁架，支點(diǎn)附近桁高較高時(shí)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(gè)節(jié)間設(shè)置鋼橫梁5道，主桁下弦桿節(jié)間設(shè)置交叉式平聯(lián)。為提高結(jié)構(gòu)橫向剛度，每個(gè)節(jié)間均設(shè)橫向連接系[7-12]。

對(duì)于鋼桁梁方案，墩高139，154 m兩個(gè)主墩的剛度控制、抗震性能及景觀(guān)效果是設(shè)計(jì)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(guān)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(chǔ)采用35根φ2.8 m鉆孔樁群樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)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(chǎng)內(nèi)制造完畢后，運(yùn)輸至橋位處進(jìn)行懸臂拼裝。懸拼由兩岸同時(shí)進(jìn)行，直至主橋合龍。施工工期為42個(gè)月。總用鋼量17 468.0 t，墩身及基礎(chǔ)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(yǔ)

(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(jià)低且后期養(yǎng)護(hù)維修工作量少，結(jié)構(gòu)輕盈美觀(guān)，與當(dāng)?shù)亍案邩蚬珗@”的人文歷史高度契合，無(wú)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(duì)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(hù)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(duì)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(kāi)工建設(shè)，2020年7月主橋鋼桁梁合龍，將于2021年12月建成通車(chē)。建成后將成為目前國(guó)內(nèi)最大跨度的鐵路鋼桁梁橋，3號(hào)橋墩為目前世界最高的鐵路橋墩。