郭 輝，嚴(yán)乃杰，胡所亭，趙欣欣，潘永杰，肖 鑫，朱 穎

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

引言

在早期建成寶成、黔桂、成昆、南昆、內(nèi)昆和遂渝等艱險(xiǎn)山區(qū)普速鐵路的基礎(chǔ)上，近年來，我國又相繼建成宜萬鐵路和貴廣、蘭新、成渝、滬昆、成貴等高速鐵路，在艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路減災(zāi)選線、空天地綜合勘察技術(shù)和艱險(xiǎn)山區(qū)高速鐵路構(gòu)筑物設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)等方面取得了系統(tǒng)性成果，為艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路安全建造奠定了基礎(chǔ)[1-2]。山區(qū)地形地勢(shì)復(fù)雜，橋梁是山區(qū)鐵路主要承載結(jié)構(gòu)之一，如貴廣高鐵全長857 km，橋梁510座，占總長29.8%；成渝高鐵全長308 km，橋梁309座，占總長54.7%；成貴高鐵全長632 km，橋梁468座，占總長34.6%。西部艱險(xiǎn)山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)形式以連續(xù)梁(剛構(gòu))、拱橋等為主，如表1所示。依托西南山區(qū)鐵路建設(shè)，我國已在橋梁結(jié)構(gòu)選型、高烈度地震區(qū)橋梁設(shè)計(jì)與減隔震技術(shù)、峽谷風(fēng)環(huán)境高速鐵路橋上行車安全以及危巖落石防護(hù)、泥石流沖刷計(jì)算等方面取得了系列成果，為艱險(xiǎn)山區(qū)橋梁的安全建造和運(yùn)維提供了支撐[3-5]。

表1 我國西南山區(qū)代表性的大跨度鐵路橋梁

川藏鐵路沿線具有“地質(zhì)地形復(fù)雜、氣候條件惡劣、山地災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)環(huán)境脆弱”四大顯著環(huán)境特征，線路穿越橫斷山、念青唐古拉山、喜馬拉雅山等三大山脈、8座高山，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、易貢藏布等7條大江大河，沿線分布多條地質(zhì)斷裂帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，多年凍土、高寒缺氧、崩塌、滑坡、近斷層地震、峽谷風(fēng)等給沿線鐵路橋梁建設(shè)和運(yùn)維帶來極大挑戰(zhàn)。本文在系統(tǒng)梳理川藏鐵路雅安至林芝段沿線大跨度橋梁面臨挑戰(zhàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來開展的系列研究，提出應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的若干對(duì)策建議，為川藏鐵路大跨度橋梁的安全高質(zhì)量建造和運(yùn)維提供參考。

1 工程概況

新建川藏鐵路雅安至林芝段新建正線長度為1 011.01 km。其中，新建橋梁91座，總長度120 km，占新建線路長度的11.9%。川藏鐵路為Ⅰ級(jí)雙線鐵路，客貨共線，設(shè)計(jì)速度為120～200 km/h，最大坡度30‰，牽引質(zhì)量2 000～3 000 t。

川藏鐵路大跨度橋梁以懸索橋、拱橋和斜拉橋?yàn)橹?，此外，還有部分鋼-混結(jié)合梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋等。目前主跨200 m以上的大跨度橋梁共有10座，其中，拱橋5座、懸索橋3座、斜拉橋1座、剛構(gòu)組合橋1座，具體如表2所示[6]。

表2 川藏鐵路雅安至林芝段10座重點(diǎn)橋梁

2 艱險(xiǎn)環(huán)境下橋梁面臨的挑戰(zhàn)

2.1 橋址區(qū)艱險(xiǎn)環(huán)境特征

新建雅安至林芝段地貌形態(tài)主要受青藏高原地貌隆升的影響，以丘狀高原及構(gòu)造侵蝕形成的深切峽谷地貌為總體特征。從四川盆地到青藏高原，相對(duì)高差達(dá)3 000 m以上，為地災(zāi)形成提供了巨大的勢(shì)能條件；強(qiáng)烈的板塊碰撞擠壓隆升，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震頻發(fā)、高溫水熱活躍、高地應(yīng)力分布廣泛，為地災(zāi)的發(fā)育提供了強(qiáng)大的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)條件。內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用下，區(qū)域內(nèi)山地災(zāi)害頻發(fā)，具有速度快、規(guī)模大、類型多的特征。沿線屬高寒大溫差的高原氣候特征，垂直分帶顯著、晝夜溫差大、寒凍風(fēng)化作用強(qiáng)烈。

從地形地貌看，沿線大跨度橋梁多位于“V”形峽谷區(qū)，屬構(gòu)造高原區(qū)高山峽谷地貌，地形受江河切割較深，山高谷深、溝谷深切、地形陡峻且起伏大。兩側(cè)自然坡度一般在30°～59°，部分橋位邊坡坡度達(dá)60°、70°以上。沿線地質(zhì)災(zāi)害主要包括巨型滑坡、高位崩塌、落石、泥石流、巖堆、巖屑坡、河岸沖刷、順層巖質(zhì)邊坡等，尤其以崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重。從氣候環(huán)境特征來看，川西高原多為高山峽谷，相對(duì)高差較大，最高氣溫達(dá)35～40 ℃，最低氣溫可達(dá)-15～-20 ℃，部分地區(qū)晝夜溫差達(dá)30～35 ℃。川東高原區(qū)屬高原海洋性氣候和大陸性氣候，最高氣溫可達(dá)30 ℃，最低氣溫可降至-20～-30 ℃。沿線日照時(shí)間長，紫外線強(qiáng)烈。部分橋位處峽谷風(fēng)強(qiáng)烈，其中大渡河特大橋基于實(shí)測(cè)結(jié)果的橋面設(shè)計(jì)風(fēng)速達(dá)41.7 m/s。從地震動(dòng)特性看，線路穿越橫斷山區(qū)的高山深谷，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、深大斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、地震頻繁強(qiáng)烈，沿線地震動(dòng)峰值加速度以0.1g～0.3g為主，局部為0.4g，橋梁受近斷層地震的影響顯著。

2.2 大跨度橋梁建造和運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)

2.2.1 復(fù)雜環(huán)境橋梁耐久性退化機(jī)理與長期保持

影響混凝土梁耐久性退化的主要因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要包括：混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度、水灰比和密實(shí)度、水泥品種、強(qiáng)度等級(jí)和用量、外加劑類型、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件外形尺寸、混凝土和鋼筋的應(yīng)力大小、裂縫等；外部因素主要包括：氣候、潮濕程度、高溫、氯離子侵蝕、化學(xué)介質(zhì)侵蝕，還有凍融、磨蝕破壞等[7]。由于影響因素眾多，針對(duì)高原艱險(xiǎn)山區(qū)混凝土梁性能退化的機(jī)理尚需開展深入研究。

鋼梁表面涂層容易與空氣中的氧和水分子發(fā)生反應(yīng)。強(qiáng)紫外線會(huì)加速涂層的老化，在強(qiáng)烈的陽光直射下，會(huì)導(dǎo)致梁體表面溫度過高，涂膜中溶劑揮發(fā)過快，涂層成膜過程中容易出現(xiàn)橘皮、開裂，甚至粉化等劣化現(xiàn)象[8]。大跨度索支撐橋梁的纜索體系PE護(hù)套等同樣易受強(qiáng)紫外線影響而引起老化[9]。此外，鋼橋連接一般采用高強(qiáng)度螺栓連接或焊接，連接部位的現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量也會(huì)影響鋼橋整體結(jié)構(gòu)的耐久性。

除材料、結(jié)構(gòu)層面的耐久性挑戰(zhàn)外，橋梁-軌道結(jié)構(gòu)體系特別是鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與梁端伸縮裝置和有砟道床，在列車荷載、大溫差環(huán)境下長期反復(fù)作用和橋梁空間變形的影響下，易產(chǎn)生道床粉化、軌枕空吊、剛度突變等病害，影響線-橋系統(tǒng)的長期性能穩(wěn)定。

2.2.2 峽谷風(fēng)環(huán)境下的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)和行車性能

受地形地貌、大氣流動(dòng)等影響，川藏鐵路沿線峽谷區(qū)風(fēng)環(huán)境復(fù)雜。峽谷風(fēng)與常規(guī)風(fēng)場(chǎng)差異性顯著，具有平均風(fēng)速高、湍流強(qiáng)度大、風(fēng)攻角大、陣風(fēng)系數(shù)高等特點(diǎn)[10]，且不同峽谷區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)特性差異性大，現(xiàn)行規(guī)范無法完全滿足峽谷特殊風(fēng)環(huán)境的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)需求。川藏鐵路沿線多座大跨度橋梁位于深切“V”形峽谷區(qū)，橋梁跨度大，橋面距離谷底高差大，致使橋面風(fēng)速高、風(fēng)攻角大，加之大跨度橋梁結(jié)構(gòu)較柔、阻尼比小，已有研究表明在正攻角時(shí)主梁易產(chǎn)生渦激振動(dòng)等問題。近年來國內(nèi)外多座服役大跨度懸索橋先后出現(xiàn)渦激振動(dòng)使得這一問題成為關(guān)注焦點(diǎn)，而鐵路懸索橋渦激振動(dòng)及其控制研究更少。此外，大跨度橋梁跨越深切峽谷時(shí)往往與相鄰隧道相接，橋隧過渡區(qū)范圍受局部地形影響導(dǎo)致溫度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)分布特性復(fù)雜，對(duì)該區(qū)域的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和行車性能需專門考慮。復(fù)雜的強(qiáng)風(fēng)環(huán)境易導(dǎo)致橋上列車的脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力等指標(biāo)超限，影響行車安全。除運(yùn)營期間的抗風(fēng)問題外，復(fù)雜環(huán)境大跨度橋梁分段施工期間的抗風(fēng)穩(wěn)定性也面臨一定挑戰(zhàn)。

2.2.3 近斷層地震作用下的橋梁結(jié)構(gòu)與行車安全

近斷層地震具有高能量脈動(dòng)特點(diǎn)，地震斷層具有顯著的方向性和滑移性，其中方向性效應(yīng)出現(xiàn)在垂直于斷層方向上，表現(xiàn)為加速度幅值很大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞大。然而，近斷層鐵路橋梁的建造案例較少，針對(duì)近斷層地震動(dòng)特性及其產(chǎn)生機(jī)理、近斷層鐵路橋梁的損傷失效機(jī)制、以及近斷層地震下列車脫軌原因等的研究成果仍較匱乏。近年來針對(duì)橋梁減隔震設(shè)計(jì)、橋梁抗震韌性、地震作用下高速鐵路車-軌-橋系統(tǒng)安全等的研究成為熱點(diǎn)[11-14]，但可以直接用于川藏鐵路近斷層地震作用下橋梁抗震設(shè)計(jì)的成果較少，針對(duì)震時(shí)、震后的行車安全控制仍有待進(jìn)一步研究。

2.2.4 高原峽谷橋梁施工安全與質(zhì)量控制

川藏鐵路高原深切峽谷特殊復(fù)雜環(huán)境給鐵路大跨度橋梁施工帶來較大挑戰(zhàn)[15]。從目前的橋型來看，川藏鐵路10座大跨度橋梁有3座均為鋼桁梁懸索橋；4座拱橋中有3座鋼桁拱橋、1座免涂裝耐候鋼管混凝土拱橋[16]。我國已經(jīng)積累了一定的山區(qū)鐵路懸索橋和拱橋施工經(jīng)驗(yàn)，但因?yàn)槭┕きh(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等存在差別，川藏鐵路大跨度橋梁的施工又有其自身特點(diǎn)，面臨一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)如下。

(1)3座鋼桁梁懸索橋的跨度大，千米級(jí)山區(qū)鐵路懸索橋?yàn)槭澜缡状谓ㄔ?，面臨邊坡陡峭、巖體破碎、風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜、高寒缺氧和紫外線強(qiáng)、日溫差大等惡劣的外部施工環(huán)境，橋梁施工具有施工工藝復(fù)雜、施工周期長等特點(diǎn)。

(2)山體陡峻斜坡上施工場(chǎng)地狹小、交通不變，臨建設(shè)施建設(shè)難度較大，給基礎(chǔ)施工帶來困難。大渡河橋兩混凝土索塔基礎(chǔ)采用變直徑鋼管混凝土/混凝土鉆孔樁，最大樁徑為3.5 m，如何保證變直徑樁基的成孔質(zhì)量，需重點(diǎn)考慮。懸索橋錨碇均采用隧道錨，隧道錨與正線隧道的間距較小，施工存在相互影響；長導(dǎo)洞大坡度破碎巖隧道錨施工機(jī)械設(shè)備的快速進(jìn)出洞和出渣效率、大斷面圍巖施工期結(jié)構(gòu)安全等面臨挑戰(zhàn)。

(3)高原、大溫差環(huán)境下混凝土索塔液壓爬模施工期間如何應(yīng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)、混凝土開裂等問題也需重點(diǎn)考慮，大渡河橋索塔最大高度達(dá)265 m，高塔混凝土施工質(zhì)量控制難度大。

(4)深切峽谷風(fēng)場(chǎng)對(duì)主纜架設(shè)及其線形控制具有直接影響。大渡河特大橋主纜為空間纜，在大溫差、日照及風(fēng)力作用下存在自然扭曲，線形控制難度大；主纜鋼絲強(qiáng)度首次采用2 100 MPa，明顯高于金沙江特大橋和五峰山長江大橋的1870 MPa級(jí)主纜鋼絲強(qiáng)度，主纜制造的質(zhì)量控制也面臨一定挑戰(zhàn)。

(5)大渡河橋跨中鋼桁梁節(jié)段采用纜索吊裝，單個(gè)吊裝節(jié)段長20 m，質(zhì)量達(dá)650 t，由于鐵路懸索橋二期恒載重，空纜線形、成梁線形和成橋線形的高差相差較大，道砟容重、線形施工誤差及線形控制方案等對(duì)后期軌道線形具有直接影響，需充分考慮。

(6)川藏鐵路4座拱橋的跨度與已建橋梁基本相當(dāng)，最大跨度為500 m。我國在山區(qū)各類型拱橋建設(shè)方面已積累了較為豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，纜索吊機(jī)斜拉扣掛法施工技術(shù)水平已較成熟。但如何保證川藏鐵路極端環(huán)境下的施工質(zhì)量和安全，仍需開展重點(diǎn)研究。

2.2.5 高原艱險(xiǎn)環(huán)境橋梁運(yùn)營維護(hù)和應(yīng)急處置

鐵路橋梁投入運(yùn)營后，其服役狀態(tài)與外部環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工材料和工藝、竣工狀態(tài)、運(yùn)營情況、養(yǎng)護(hù)維修方式和頻度等密切相關(guān)。如何進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的有效采集、分析和應(yīng)用，并通過設(shè)備故障診斷、預(yù)測(cè)分析和健康管理提升設(shè)備維護(hù)管理的科學(xué)性，國內(nèi)外尚沒有成熟的先例可循。川藏鐵路沿線橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施共同組成一個(gè)巨系統(tǒng)，共同為上部軌道提供可靠支撐，并直接影響軌道形位；上部列車荷載則通過軌道結(jié)構(gòu)的傳遞作用于下部橋梁。準(zhǔn)確考慮外部復(fù)雜環(huán)境的車-線-橋耦合系統(tǒng)響應(yīng)、線-橋一體化性能評(píng)估較為困難。而針對(duì)極端災(zāi)害條件下可能發(fā)生的橋梁關(guān)鍵部位損傷乃至倒塌、列車脫軌等極端情況，災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急救援則還面臨著更多挑戰(zhàn)。

以上從橋梁耐久性、深切峽谷強(qiáng)風(fēng)的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)與行車性能、近斷層地震下的橋梁結(jié)構(gòu)安全與行車安全、高原峽谷橋梁施工安全與質(zhì)量控制、高原艱險(xiǎn)環(huán)境橋梁的運(yùn)營維護(hù)和應(yīng)急處置等五大方面，梳理了川藏鐵路大跨度橋梁面臨的系列挑戰(zhàn)，可作為制定技術(shù)對(duì)策的基礎(chǔ)。

3 對(duì)策和建議

將川藏鐵路橋梁作為川藏鐵路基礎(chǔ)設(shè)施復(fù)雜巨系統(tǒng)下的一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行考慮，按系統(tǒng)工程學(xué)思想，以橋梁子系統(tǒng)為上部軌道提供可靠支撐和滿足行車安全平穩(wěn)的性能需求為中心，考慮川藏極端環(huán)境，以“安全、適用、耐久、韌性”為性能目標(biāo)，構(gòu)建涵蓋設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等全生命周期的橋梁關(guān)鍵技術(shù)體系，為大跨度橋梁在生命周期各階段提供相應(yīng)技術(shù)對(duì)策指導(dǎo)。其總體架構(gòu)如圖1所示。基本思路為：橋梁應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮安全、適用、耐久和韌性的性能目標(biāo)要求，同時(shí)考慮施工最不利工況和運(yùn)營維護(hù)設(shè)計(jì)，其中，安全性包含結(jié)構(gòu)安全和行車安全兩個(gè)層面；適用性從結(jié)構(gòu)滿足正常工作條件下的使用功能需求、保證行車平穩(wěn)性方面對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、振動(dòng)指標(biāo)等進(jìn)行控制，在此過程中應(yīng)考慮梁-軌協(xié)同設(shè)計(jì)；耐久性建議從材料、結(jié)構(gòu)和體系3個(gè)維度分別進(jìn)行考慮，以實(shí)現(xiàn)性能的長期保持；韌性是評(píng)價(jià)川藏鐵路橋梁在遭遇極端災(zāi)害破壞后，通過人工干預(yù)，結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力，包含結(jié)構(gòu)自身抗災(zāi)能力、備災(zāi)能力和恢復(fù)能力。

圖1 川藏鐵路大跨度橋梁建造和運(yùn)營維護(hù)總體技術(shù)框架

分別從橋梁耐久性與長期性能保持、橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)及橋上行車性能、橋梁抗震設(shè)計(jì)與行車安全、橋梁施工安全與質(zhì)量控制、橋梁安全運(yùn)營與管理維護(hù)等五大方面闡述建造和運(yùn)維技術(shù)對(duì)策。

3.1 橋梁耐久性與長期性能保持

川藏鐵路沿線主要城市處于大溫差環(huán)境，最大日溫差可達(dá)27 ℃以上。在現(xiàn)有鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的六類環(huán)境類別及作用等級(jí)基礎(chǔ)上，研究提出大溫差環(huán)境，給出其作用等級(jí)(W1，晝夜溫差≥25 ℃，年作用天數(shù)≥10 d，位于雅江、巴塘和昌都)，在混凝土橋梁耐久性設(shè)計(jì)過程中充分考慮溫差影響。具體的橋梁耐久性對(duì)策包括：(1)合理選擇混凝土材料及配合比，研發(fā)專門外加劑；(2)保證混凝土保護(hù)層厚度；(3)做好混凝土表面涂裝設(shè)計(jì)；(4)從結(jié)構(gòu)和體系層面做好防排水設(shè)計(jì)和梁端伸縮縫設(shè)計(jì)。

針對(duì)鋼梁結(jié)構(gòu)，國鐵集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)及構(gòu)件保護(hù)涂裝與涂料 第1部分：鋼梁》(Q/CR 749.1—2020)以經(jīng)1年暴露后低碳鋼或鋅的單位面積上質(zhì)量損失(g/m2)和厚度損失(μm)為分類標(biāo)準(zhǔn)，將大氣腐蝕環(huán)境分為C1～C5、CX六個(gè)級(jí)別，規(guī)定了鐵路鋼梁(包括鋼拱、鋼管混凝土拱、鋼索塔等橋梁主體結(jié)構(gòu))的初始涂裝、涂膜劣化后的重新涂裝和維護(hù)性涂裝等內(nèi)容，而標(biāo)準(zhǔn)第2、3部分分別對(duì)支座、附屬鋼結(jié)構(gòu)的涂裝與涂料進(jìn)行了規(guī)定，較既有標(biāo)準(zhǔn)更為具體。考慮川藏鐵路沿線環(huán)境，需根據(jù)大氣腐蝕環(huán)境、紫外線輻射強(qiáng)度和暴曬試驗(yàn)等綜合確定腐蝕等級(jí)，選擇適宜橋址環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)表層涂裝體系。

除考慮耐久性好的涂裝體系外，耐候鋼及配套耐候高強(qiáng)度螺栓也是橋梁鋼結(jié)構(gòu)的選擇。通過開展鐵路免涂裝高性能耐候鋼板選材、制造、耐候鋼橋構(gòu)造細(xì)節(jié)研究，以及配套的耐候鋼高強(qiáng)度螺栓試制與試驗(yàn)、安裝施擰工藝(數(shù)控定扭矩電動(dòng)扳手及施工管理系統(tǒng))等研究，耐候鋼及耐候高強(qiáng)度螺栓已在川藏鐵路拉薩—林芝段的臧木雅魯藏布江大橋?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。見圖2。

圖2 高強(qiáng)度螺栓連接施工管理系統(tǒng)及其現(xiàn)場(chǎng)施工

針對(duì)川藏鐵路雅安—林芝段的鋼橋設(shè)計(jì)，應(yīng)首先根據(jù)沿線環(huán)境特征、橋型特點(diǎn)、全生命周期成本等做好涂裝高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)和免涂裝耐候鋼的方案比選，對(duì)免涂裝耐候鋼，應(yīng)進(jìn)一步開展雅安—林芝段沿線環(huán)境特征分類及橋梁用耐候鋼適應(yīng)性研究、橋梁用高性能耐候鋼性能指標(biāo)試驗(yàn)(耐候性、母材力學(xué)性能、焊接性能、疲勞與斷裂韌性)、焊材及焊接工藝、免涂裝耐候鋼橋銹蝕層折減計(jì)算/關(guān)鍵構(gòu)造疲勞試驗(yàn)/構(gòu)造細(xì)節(jié)防排水設(shè)計(jì)等、耐候支座、大直徑耐候高強(qiáng)螺栓深化研究，以及鐵路免涂裝耐候鋼橋的養(yǎng)護(hù)維修關(guān)鍵技術(shù)研究。

橋梁長期性能保持除需關(guān)注結(jié)構(gòu)自身的耐久性以外，還應(yīng)充分考慮大溫差條件下的橋上無縫線路設(shè)計(jì)和梁-軌協(xié)同設(shè)計(jì)。特別針對(duì)沿線多座千米級(jí)的鐵路鋼桁懸索橋，由于大溫差對(duì)于加勁梁豎向撓度變形影響非常明顯[17]，加勁梁的大撓曲變形將影響橋上軌道的幾何狀態(tài)，需要通過建立懸索橋上無縫線路的梁軌相互作用模型，分析伸縮、撓曲、制動(dòng)和斷軌工況條件下的橋梁和鋼軌的受力及變形特征，進(jìn)一步在大溫差條件下考慮鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、列車入橋方式、阻尼器、梁端空間變位等特殊因素對(duì)軌道狀態(tài)的影響。

對(duì)于大跨度鐵路橋梁，梁端區(qū)域軌道狀態(tài)對(duì)行車性能具有直接影響，是影響線-橋長期性能保持的關(guān)鍵。為降低鋼軌縱向力，需設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與梁端伸縮裝置，通過開展系列研究，提出了基于性能的梁-軌一體化伸縮裝置設(shè)計(jì)方法[18]，針對(duì)主引橋過渡區(qū)域剛度存在不均勻性、大日溫差條件下引起的梁端縱向往復(fù)伸縮位移及累積位移、梁端區(qū)域行車性能等問題，需要從梁縫區(qū)橋梁-軌道-伸縮裝置的一體化設(shè)計(jì)(含梁端變位控制、道床穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與伸縮裝置整體剛度設(shè)計(jì)等)、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與梁端伸縮裝置的縱向伸縮協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、梁端區(qū)域車-線-橋耦合振動(dòng)特性等方面開展精細(xì)化設(shè)計(jì)和研究。見圖3。

圖3 鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器與梁端伸縮裝置(應(yīng)用實(shí)例)

3.2 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)及橋上行車性能

大跨度橋梁剛度低、阻尼比小，在深切峽谷需采用提高橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的技術(shù)，主要包括：(1)增設(shè)氣動(dòng)措施；(2)附加阻尼措施；(3)增加結(jié)構(gòu)措施等。首先，應(yīng)根據(jù)橋位風(fēng)環(huán)境、橋型、跨徑等因素選擇合適的橋梁結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件氣動(dòng)外形，當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)通過優(yōu)化構(gòu)件氣動(dòng)外形、增設(shè)氣動(dòng)措施、附加阻尼裝置、改變結(jié)構(gòu)體系或剛度等措施予以滿足。以上措施的效果主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)川藏鐵路大跨度橋梁，需考慮深切峽谷地形對(duì)橋位風(fēng)環(huán)境的影響，如橋隧過渡區(qū)局部地形風(fēng)場(chǎng)，除運(yùn)營階段外，有必要考慮橋梁施工階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性。針對(duì)大跨度懸索橋阻尼比偏低可能引起渦激振動(dòng)的情況，在風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)考慮低阻尼比工況(0.2%～0.6%)，并通過阻尼調(diào)整措施予以解決。進(jìn)一步結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)、風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析等手段，分析豎向和扭轉(zhuǎn)渦振振幅對(duì)行車性能的影響，研究鐵路懸索橋渦激振動(dòng)控制技術(shù)。

對(duì)于強(qiáng)橫風(fēng)作用下車輛的安全措施，主要包括：(1)優(yōu)化車輛斷面形狀；(2)通過強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制列車運(yùn)行速度；(3)設(shè)置風(fēng)屏障?，F(xiàn)代高速列車的飛速發(fā)展使得通過增加列車牽引質(zhì)量、優(yōu)化列車外形等手段來提高列車安全性能的余地已經(jīng)越來越小。在保證安全的前提下最大程度地提高運(yùn)營效率，目前各國普遍采用的防風(fēng)措施是在強(qiáng)風(fēng)路段設(shè)立防風(fēng)柵，并廣泛應(yīng)用強(qiáng)風(fēng)預(yù)警系統(tǒng)。強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的行車性能需通過風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析、考慮車-橋-風(fēng)屏障系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)等手段進(jìn)行驗(yàn)證。同時(shí)提出不同風(fēng)速等級(jí)下的車速閾值。

針對(duì)川藏沿線橋位日溫差較大的情況，尚需考慮風(fēng)、溫度耦合作用的情況。針對(duì)風(fēng)、溫度等復(fù)雜環(huán)境因素耦合作用對(duì)橋上行車的影響，高芒芒等提出采用弦測(cè)法控制橋面靜態(tài)不平順，用于指導(dǎo)大跨橋梁剛度設(shè)計(jì)以及車-橋耦合振動(dòng)方面的研究[19]。

3.3 橋梁抗震設(shè)計(jì)與行車安全

提高近斷層橋梁抗震性能的措施主要包括：(1)采用與地形地貌相匹配的合理結(jié)構(gòu)形式，避免地震激勵(lì)下可能的共振效應(yīng)，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)；(2)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，對(duì)主要抗側(cè)力構(gòu)件如橋塔、橋墩等的配筋配箍進(jìn)行加強(qiáng)，以提升其在強(qiáng)震下的變形延性能力；(3)采用減隔震措施、耗能減震裝置等，增加結(jié)構(gòu)阻尼和耗能能力，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)[20]；(4)開展近斷層地震下的橋上行車安全保障措施研究，在已開發(fā)完成的高速鐵路地震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化拓展其針對(duì)川藏鐵路近斷層地震預(yù)警監(jiān)測(cè)功能[21]；(5)深入調(diào)研日本等地震多發(fā)國家震時(shí)列車脫軌災(zāi)害，從橋梁-軌道體系角度研究近斷層地震作用下軌道變形-列車脫軌機(jī)理，提出防止列車傾覆乃至落橋等的防護(hù)措施，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證[22]。

3.4 橋梁施工安全與質(zhì)量控制

為保證川藏鐵路大跨度橋梁施工安全與質(zhì)量，建議重點(diǎn)開展以下幾方面的研究。

(1)開展針對(duì)施工工藝、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的施工方案研究比選。在充分考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和條件的前提下(詳細(xì)地勘資料、工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)、橋位風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)觀測(cè)等)[23]，編制施工組織設(shè)計(jì)文件，結(jié)合類似工程案例，對(duì)不同的施工方案從施工質(zhì)量可靠性、技術(shù)可行性(施工安全、技術(shù)成熟)、工程造價(jià)等方面進(jìn)行比選，選擇安全合理、經(jīng)濟(jì)可行的施工方案。方案比選時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮各類施工臨建設(shè)施和防護(hù)措施的建設(shè)。

(2)建立完善的施工全過程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。既有工程經(jīng)驗(yàn)表明，大跨度橋梁的最不利工況可能出現(xiàn)在施工階段而非運(yùn)營階段。針對(duì)懸索橋、拱橋及斜拉橋等大跨度橋梁開展不同施工階段的風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估，結(jié)合有限元分析等手段充分考慮各種不利條件下的結(jié)構(gòu)受力和變形特性。考慮現(xiàn)場(chǎng)施工過程變化，建立動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警機(jī)制。

(3)針對(duì)大跨度鐵路橋梁的樁基礎(chǔ)，需研究陡峻斜坡、破碎巖體區(qū)的樁基鉆孔平臺(tái)以及保證成孔、成樁質(zhì)量的施工信息化控制系統(tǒng)，做好樁基礎(chǔ)施工安全和質(zhì)量管理。針對(duì)大跨度鐵路懸索橋的隧道錨，研發(fā)針對(duì)川藏鐵路長導(dǎo)洞、大坡度、破碎巖隧道錨的成套智能化施工裝備和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速開挖及出渣、錨塞體混凝土灌注質(zhì)量控制、施工全過程自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

(4)針對(duì)大跨度鐵路懸索橋和斜拉橋混凝土索塔施工，研究高原、高寒、大溫差環(huán)境下的高塔高性能混凝土制備和泵送施工技術(shù)，如研發(fā)專用低熱硅酸鹽水泥，通過添加黏度改性劑配制降黏混凝土，提高混凝土的可泵性等[24]。研發(fā)智能防風(fēng)抗風(fēng)液壓爬模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，提高爬升效率。

(5)針對(duì)千米級(jí)山區(qū)鐵路懸索橋的纜索體系施工，應(yīng)通過施工精細(xì)化控制確定合理空纜線形，通過增設(shè)抗風(fēng)纜等措施實(shí)現(xiàn)主纜抗風(fēng)安全，合理確定索夾螺桿的張拉時(shí)機(jī)、保證螺栓預(yù)緊力。大渡河橋采用空間主纜，主纜強(qiáng)度達(dá)2 100 MPa，應(yīng)通過高質(zhì)量盤條、抗扭轉(zhuǎn)及疲勞試驗(yàn)等保證主纜制造質(zhì)量，同時(shí)研究針對(duì)空間主纜的成套施工技術(shù)，確保施工精度。由于主纜在溫度變化作用下對(duì)加勁梁線形影響很大，為準(zhǔn)確掌握其規(guī)律，建議開展“智能索”研究，提前在主纜索股中布設(shè)溫度傳感元件，掌握主纜溫度場(chǎng)與加勁梁線形之間的變化規(guī)律，為后期安全運(yùn)營奠定基礎(chǔ)。主纜是懸索橋的生命線，面對(duì)川藏鐵路惡劣環(huán)境下的“百年工程”要求，應(yīng)切實(shí)保證主纜防護(hù)與除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工。

(6)針對(duì)大跨度鐵路懸索橋的加勁梁的制造與施工，建議鋼桁梁在工廠進(jìn)行單元制造，現(xiàn)場(chǎng)鋼梁預(yù)拼場(chǎng)節(jié)段整體拼裝，通過虛擬預(yù)拼裝技術(shù)提高拼裝精度和質(zhì)量(圖4)。為減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，建議采用整節(jié)段鋼桁梁，通過纜索吊機(jī)起吊安裝。針對(duì)大跨度鐵路拱橋拱圈施工，應(yīng)借助BIM虛擬建造和有限元分析，通過合理分節(jié)和施工過程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)快速成拱。

圖4 鋼桁桿件精度管理與節(jié)段虛擬預(yù)拼裝

(7)開展面向軌道線形的大跨度橋梁主梁線形控制目標(biāo)及誤差控制研究，明確主梁成橋線形。在懸索橋加勁梁分階段施工過程中，做好鋼梁節(jié)段的精確稱重和道砟稱重，充分考慮結(jié)構(gòu)自重對(duì)橋梁線形的影響，通過分析每階段的施工誤差，對(duì)加勁梁線形進(jìn)行合理調(diào)控，從而確保主梁線形滿足成橋線形和軌道線形的要求。對(duì)斜拉橋、拱橋的施工線形控制，其對(duì)溫度變化雖不如懸索橋敏感，但同樣應(yīng)作為重點(diǎn)控制內(nèi)容考慮。由于大跨度橋梁施工過程復(fù)雜，應(yīng)通過施工監(jiān)控系統(tǒng)做好施工全過程的數(shù)據(jù)管理(圖5)。

圖5 基于BIM的大跨度橋梁施工監(jiān)控系統(tǒng)

3.5 橋梁安全運(yùn)營與管理維護(hù)

準(zhǔn)確把握川藏鐵路沿線橋梁運(yùn)營期的服役狀態(tài)和特殊惡劣環(huán)境下橋梁劣化機(jī)理，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全、橋上行車安全平穩(wěn)和制定合理養(yǎng)修計(jì)劃非常關(guān)鍵，需借助現(xiàn)代化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)技術(shù)和管理手段，在基于多源數(shù)據(jù)的橋梁分析評(píng)估和養(yǎng)修決策、橋梁災(zāi)害預(yù)警與救援等方面開展深入研究和應(yīng)用。

橋梁健康監(jiān)測(cè)是目前大跨度橋梁運(yùn)營管理的手段之一，與人工巡檢、定期檢測(cè)等共同組成橋梁的檢、監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。國內(nèi)近年來針對(duì)大跨度鐵路拱橋、斜拉橋和懸索橋開展了檢測(cè)、監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、1/3倍頻程譜等的橋梁整體損傷預(yù)警方法，在支座、斜拉索及吊索、梁端伸縮裝置等的檢監(jiān)測(cè)和評(píng)估方面也取得應(yīng)用性成果。在橋梁表觀缺陷檢測(cè)、監(jiān)測(cè)方面，研發(fā)了基于移動(dòng)攝像的橋梁外觀自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的橋梁高強(qiáng)螺栓缺失圖像識(shí)別方法(圖6)。以上研究成果為指導(dǎo)橋梁的安全運(yùn)營與管理維護(hù)提供了借鑒，為進(jìn)一步深入研究奠定了基礎(chǔ)。考慮到川藏鐵路大跨度橋梁的復(fù)雜服役環(huán)境，簡單實(shí)用的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、環(huán)境-荷載耦合作用下的橋梁結(jié)構(gòu)性能退化機(jī)理、線-橋一體化檢測(cè)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)等方面仍需開展進(jìn)一步研究。

圖6 鐵路橋梁高強(qiáng)螺栓缺失圖像識(shí)別

在運(yùn)營管理方面，融合軌道周期性檢測(cè)數(shù)據(jù)、橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和日常巡檢數(shù)據(jù)等，通過評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)線橋服役狀態(tài)，制定合理的健康管理對(duì)策，是未來大跨度鐵路橋梁養(yǎng)護(hù)維修發(fā)展的趨勢(shì)，以上述核心技術(shù)為支撐而搭建的故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)(PHM，Prognostic and Health Management)，其關(guān)鍵技術(shù)體系如圖7所示。該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和視情維修進(jìn)行RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性)鐵路管理。該管理系統(tǒng)首次在京滬高鐵南京大勝關(guān)長江大橋嘗試應(yīng)用[25]。PHM系統(tǒng)的核心仍是基于檢測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深度挖掘的線橋狀態(tài)評(píng)估、預(yù)測(cè)和養(yǎng)修管理，是決定系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵。盡管PHM系統(tǒng)在航空航天、機(jī)車車輛等領(lǐng)域已部署實(shí)施，但橋梁-軌道系統(tǒng)在響應(yīng)特征、外部激勵(lì)源、敏感指標(biāo)等方面存在明顯區(qū)別。針對(duì)川藏鐵路橋梁運(yùn)營期管理，有必要開展針對(duì)性研究，建立橋梁-軌道-檢測(cè)車一體化檢監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖7 大跨度鐵路橋梁故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM)關(guān)鍵技術(shù)體系

針對(duì)運(yùn)營期可能遭遇的極端突發(fā)災(zāi)害，如近斷層地震造成的橋梁關(guān)鍵部位損傷、泥石流及滑坡等引起的結(jié)構(gòu)破壞以及由此導(dǎo)致的列車脫軌等災(zāi)害，尚需進(jìn)一步考慮橋梁災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急救援?？紤]突發(fā)災(zāi)害的特殊性，需開展基于信息化的災(zāi)害監(jiān)測(cè)與應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)的研究。首先，通過在前端布設(shè)專門的災(zāi)害監(jiān)測(cè)元件(低功耗表面傾斜儀、高頻檢波器、地震加速度計(jì)、高清攝像頭等)、穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)傳輸單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和災(zāi)害及時(shí)預(yù)警；其次，研究結(jié)構(gòu)損傷、災(zāi)害對(duì)行車安全的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和閾值；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)行車安全控制方面，研究建立穩(wěn)定、安全、可靠的行車安全控制機(jī)制；以上災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息、閾值指標(biāo)和行車安全控制應(yīng)統(tǒng)籌考慮，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成、高效和聯(lián)動(dòng)分析，以及快速?zèng)Q策。在應(yīng)急救援措施方面，需在充分考慮各類極端災(zāi)害基礎(chǔ)上開展專項(xiàng)研究，在應(yīng)急救援通道設(shè)計(jì)和疏散方案、應(yīng)急救援工程措施和關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的應(yīng)急救援技術(shù)、應(yīng)急救援一體化管理系統(tǒng)等方面進(jìn)行深入攻關(guān)，確保人員安全、車輛安全和線-橋系統(tǒng)的快速修復(fù)和搶通，提高系統(tǒng)韌性。

綜上所述，考慮到川藏鐵路橋梁運(yùn)營維護(hù)的復(fù)雜性，應(yīng)在大橋建設(shè)階段就提前組織橋梁運(yùn)營維護(hù)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)，運(yùn)維設(shè)計(jì)應(yīng)遵循RAMS的理念，通過關(guān)鍵技術(shù)問題科研攻關(guān)，形成一套完善的適應(yīng)川藏鐵路大跨度橋梁的檢養(yǎng)修體系，滿足安全、適用、耐久和韌性的要求。

4 結(jié)語

以川藏鐵路大跨度橋梁為工程背景，梳理了橋址區(qū)環(huán)境特征，分析了高原高寒復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境下橋梁建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與長期性能保持、橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)及橋上行車性能、橋梁抗震設(shè)計(jì)與行車安全、橋梁施工安全與質(zhì)量控制、橋梁安全運(yùn)營與管理維護(hù)等提出了相關(guān)對(duì)策和建議，主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下。

(1)考慮大橋設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營全生命周期，從材料、結(jié)構(gòu)和體系維度，梳理川藏鐵路大跨度橋梁面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，并在橋梁-軌道體系層面提出了大溫差等復(fù)雜惡劣環(huán)境下長期性能保持、鐵路懸索橋渦激振動(dòng)控制、近斷層地震下的車-軌-橋系統(tǒng)安全、考慮軌道線形的橋梁施工全過程控制、線-橋一體化性能評(píng)估等關(guān)鍵問題。

(2)以橋梁為上部軌道提供可靠支撐和滿足行車安全平穩(wěn)的性能需求為中心，從“安全、適用、耐久、韌性”的性能目標(biāo)出發(fā)，同時(shí)考慮設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的內(nèi)在聯(lián)系，提出川藏鐵路大跨度橋梁建造和運(yùn)營維護(hù)的總體技術(shù)框架。

(3)考慮川藏鐵路復(fù)雜惡劣環(huán)境，在橋梁耐久性與長期性能保持方面，提出了大溫差環(huán)境類別、混凝土及鋼橋的耐久性設(shè)計(jì)以及大溫差條件下的橋上無縫線路設(shè)計(jì)和梁-軌協(xié)同設(shè)計(jì)建議；在橋梁抗風(fēng)與橋上行車性能方面，提出了低阻尼比條件下的風(fēng)致振動(dòng)及其控制措施，以及針對(duì)鐵路懸索橋渦激振動(dòng)控制的研究方法；在橋梁抗震設(shè)計(jì)與行車安全方面，提出了橋型選擇、延性設(shè)計(jì)、減隔震措施、地震預(yù)警監(jiān)測(cè)、列車脫軌機(jī)理和防護(hù)措施等技術(shù)對(duì)策。

(4)在橋梁施工安全與質(zhì)量控制方面，指出施工方案比選應(yīng)充分考慮環(huán)境、臨建設(shè)施和防護(hù)設(shè)施；施工風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)做到定量和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；應(yīng)重視溫度、風(fēng)等環(huán)境持續(xù)監(jiān)測(cè)，并研發(fā)適應(yīng)高原惡劣環(huán)境的高端施工裝備以及智能信息化控制系統(tǒng)；主梁線形控制應(yīng)考慮軌道線形要求。

(5)橋梁安全運(yùn)營與管理維護(hù)方面，通過橋梁運(yùn)營維護(hù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)，持續(xù)開展橋梁健康監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)與健康管理方面的深化研究，以大數(shù)據(jù)作為支撐，研究環(huán)境-荷載耦合作用下橋梁性能退化機(jī)理，同時(shí)通過線-橋一體化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)性能演化規(guī)律的深刻認(rèn)識(shí)，以更好實(shí)現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)修。提出開展基于信息化的災(zāi)害監(jiān)測(cè)與應(yīng)急救援關(guān)鍵技術(shù)的研究思路，以提高系統(tǒng)韌性。