南广铁路西江特大桥的技术创新

徐升桥，彭岚平，张 华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

南广铁路西江特大桥是新建铁路南宁至广州线桂平至肇庆东段的控制性工程，设计速度250 km/h，大桥里程范围为IDK378+453.8～IDK379+072.1，小里程侧接飞鹰隧道，大里程侧接小湘1号隧道。大桥全长618.3 m，桥跨布置(图1)为(41.2+486+49.1)m+1-32 m预应力混凝土简支梁，主桥为中承式钢箱提篮拱桥，为目前世界上最大跨度的高速铁路拱桥。

该桥所处位置地理条件复杂，施工难度极大，具有钢箱拱肋构件加工精度要求严、安装线形控制难度大、水深(60～80 m)流急、施工场地狭窄、地形地貌及地质条件复杂、主跨钢箱拱大悬臂拼装风险大等特点。

图1 西江特大桥总体布置(单位:m)

2 总体方案研究

2.1 总体设计方案

西江特大桥位于三榕峡上游的小湘收费站附近，江面宽度约410 m，最大水深约80 m。西江深切地表，形成峡谷。广州侧位于G321国道旁山坡上，紧接小湘1号隧道，自然坡度约55°;南宁侧山体自然坡度约35°。桥址处西江为Ⅱ级航道，船舶吨级2 000 t，按Ⅰ级2排2列通航的航道等级进行设计，双向通航孔净宽210 m，上底宽183 m，净高18 m。

桥址位于西江转折处，受通航和行洪条件限制，要求主桥一跨过河;根据地形与地质条件进行技术经济比选，确定跨度486 m的推力式钢箱提篮拱桥作为桥式方案，并对以下技术问题进行了重点研究［1-2］:

(1)对拱肋内倾角(包括平行拱)、拱轴系数、桥面系与拱肋的连接方式等进行综合的计算分析比较，研究确定大桥的主要设计参数［3］和结构尺寸。

(2)由于提篮拱拱肋存在内倾角，对拱肋与横撑的不同连接构造方案进行研究，充分考虑结构的受力性能及疲劳性能，确定拱肋与横撑连接构造。

(3)对主纵梁、次纵梁、小纵梁、横梁等构件的连接方式、受力性能、疲劳性能进行研究，确定桥面系的结构构造和纵横梁间的连接方式，提出确保桥面板抗裂性能的耐久性措施。

主桥为主跨486 m(计算跨径450 m)的钢箱提篮拱桥，矢跨比为1/4，拱轴系数m=1.8，拱肋内倾角为4.8°，桥面距拱顶71.7 m，拱脚处拱肋横向中心距为34.0 m，拱顶处为15.17 m。肋肋横截面见图2。

拱肋为变高度钢箱结构，拱脚处拱肋截面径向高度为15.1 m，拱顶截面径向高度为9.1 m。拱肋为陀螺形截面，拱肋横截面下端为倒梯形截面，腹板径向高度为4 m;上端为矩形截面，腹板径向高度在5～11 m间变化，在拱顶为单室截面，拱脚为双室截面，中间水平板按等分腹板设置。

桥面系采用钢纵横梁与钢筋混凝土桥面板的结合梁体系［4，5］，主纵梁横向中心距为20 m，在拱肋与主纵梁相交处设置阻尼器;横梁间距为9～12 m，横梁与主纵梁间除上翼缘采用工地对接焊外均为高强螺栓连接。桥面板由厚20 cm的混凝土预制板+20 cm厚后浇混凝土层组成，预制板置于钢纵、横梁上翼缘顶面。

图2 拱肋横截面(单位:mm)

拱肋与钢主纵梁间采用镀锌平行钢丝束吊杆，吊杆上端锚固在拱肋顶面，吊杆通过锚拉板锚固于钢主纵梁顶面，便于吊杆的安装、检查维修和更换。

2.2 总体施工方案

西江特大桥为中承式钢箱提篮拱桥，其总体施工方案［1，6-9］是大桥建设需要确定的重大技术决策之一。以下主要对“边段竖转+中段提升”、“缆索吊机节段悬拼”方案进行综合比选。

(1)“边段竖转+中段提升”方案

拱肋分为三大段在拼装场地进行组拼，其中拱肋边段水平投影长度为 166 m，弦长 194 m，质量为7 000 t，拱肋中段水平投影长度为 108 m，质量为2 900 t。三大段拱肋分别通过大吨位驳船运至相应位置，拱肋边段采用竖转施工，边段竖转到位后，利用边段拱肋顶端安装的拱上吊架，整体提升拱肋中段。拱肋合龙后，再进行吊杆安装和桥面系施工。拱肋施工示意见图3。

图3 拱肋“边段竖转+中段提升”方案及各阶段索力示意

(2)缆索吊机节段悬拼方案

主拱肋开始3个节段利用5 000 kN浮吊安装，其余节段采用“缆索吊机节段悬拼”施工，两岸主拱肋横梁至桥台范围内的“钢纵横梁+桥面板”采用缆索吊机先水上整体提升，再在支架上纵向滑移的施工方法完成，而主拱肋横梁之间的“钢纵横梁+桥面板”和所有吊杆均采用缆索吊机直接架设完成(图4)。

(3)方案比较及确定

图4 缆索吊机节段悬拼方案示意(单位:m)

以上方案优缺点比较见表1，各方案均面临共同的难题:塔架高度高，受力大，规模庞大;后锚的设计和施工，尤其是南宁侧，地质条件差，后锚碇设计和施工难度大，工程量庞大。

表1 钢箱拱拱肋施工方案优缺点

综合考虑2个施工方案的优缺点和施工单位的技术储备、经验，确定采用“缆索吊机节段悬拼”的施工方案。

3 新型拱座基础

3.1 技术难点

(1)水文气象条件复杂

桥位地处西江三榕峡90°急弯处，江面宽410 m，河床最大深度约80 m，均为裸露岩，无覆盖层。每年5～9月份为西江主汛期，西江洪水落差大，一夜之间洪水位上升最大达到7～8 m。

(2)地形地貌条件复杂

两岸拱座均位于55°陡峭山体坡脚处，南宁岸拱座底位于常水位以下34 m处，广州岸拱座底位于常水位以下17 m处。

结合锚碇以及桥台施工，南宁岸拱座从上到下山体开挖深度大，开挖支护难度非常大;广州岸拱座位于G321国道与西江之间，需在沿江侧做止水围堰，围堰一半位于岸上，一半位于水中，施工难度大。

3.2 设计方案和分析

全桥共4个主拱基础(拱座)，在恒载+活载工况下，每 个 拱 座 承 受 轴 力1.613 7×105kN， 弯矩4.9×105kN·m。

综合分析所有钻孔揭示的地层情况，考虑到地层的风化不均匀性，减少基坑的面积以及深基坑开挖对山体稳定的不利影响，主拱基础采用新型“拱座+矩形挖井”(图5)的结构形式，承担主拱拱肋传来的巨大水平推力和弯矩。挖井截面为14 m×5 m，南宁侧长27 m，广州侧长10 m。

图5 主拱基础轮廓(单位:mm)

由于南宁侧地质情况复杂，岩石破碎，拱座采用沉井方案进行施工，沉井既作为拱座结构的一部分，同时还作为其下挖井的可靠防护结构，并方便拱肋预埋段的安装、定位。拱座沉井下沉就位后，开始进行挖井施工，挖井采用“锚杆+内支撑”方案施工，挖井混凝土浇筑完毕后，再浇筑沉井内拱座混凝土，形成“拱座+方桩”的基础受力体系。

(1)拱座基础的计算分析(以南宁侧为例)

采用铁路桩基设计程序B89按变截面桩进行计算，并用Midas软件对截面位移、剪力、弯矩及桩侧土压力进行复核计算，由Midas计算的主拱基础截面的剪力、桩侧土压力如图6、图7所示。

图6 主拱基础截面的剪力

图7 主拱基础截面的桩侧土压力

从图6可以推出本桥拱座承担水平推力的65%、方桩承担水平推力的35%;由图7结果可看出桩侧土压力满足规范要求(容许桩侧土压力1 216 kPa)。通过对B89和Midas的计算结果进行对比，发现两者的桩身内力(弯矩和剪力)相差不大，但是两者计算桩侧土压力和桩侧位移有较大差别，这是由于 B89与Midas关于桩侧土计算宽度的不同引起的。

(2)沉井计算

由于沉井只作为拱座的施工方法，因此只对沉井进行下沉时的受力计算。沉井共分4节，底节沉井高6 m，第二节至顶节沉井高度依次为5.4 m、6 m、6 m，底节设隔墙，采用钢刃脚。如图8、图9所示。

图8 拱座沉井结构立面(单位:mm)

图9 沉井底节平面(单位:mm)

第1节沉井下沉系数1.89，第2节沉井下沉系数2.07，第3节沉井下沉系数(压重2 600 kN)2.12，第四节沉井下沉系数(压重4 170 kN)2.15，均大于1.8可顺利下沉;沉井到位后封闭刃脚得到基底土压力:463 kPa＜容许承载力1 760 kPa。

由于底节沉井有隔墙，下沉过程中底节沉井对其他节沉井有约束作用，与普通沉井受力模式有所不同，因此需建立实体模型(表2)进行分析。

表2 沉井局部应力与配筋

3.3 拱座深基坑支护工艺研究

对南宁侧拱座基坑，取垂直于基坑长轴方向的剖面为数值模型的xz平面，沿长轴方向为y方向，在y方向取2 m为模型厚度，作为平面应变问题进行计算。

有限差分模型如图10所示，模型为80 m×2 m×80 m，其中坐标原点位于基坑顶部中心，Z轴方向向下，坑底坐标为-27 m，模型底部坐标为-80 m。共建有12 960个六面体单元，19 926个网格节点。基坑底面以上为中风化岩体，基坑底面以下为弱风化岩体。

基坑沿西江下游侧的锚杆取8 m，沿上游侧的锚杆取5 m，支撑梁间距5 m布置，共设置6根支撑梁。

本次数值计算中所用的力学模型为Ubiquitous-Joint模型，充分考虑了因岩体中存在层面而导致的显著各向异性。Ubiquitous-Joint模型是Mohr-Coulomb模型的衍生模型，它适用于那些在剪应力下屈服，但剪应力只取决于最大、最小主应力，而第二主应力对屈服不产生影响的材料。计算中所用的主要岩体参数如表3所示。

图10 网格模型及岩体分组

图11 基坑施加主动支护力

表3 岩体的Ubiquitous-Joint模型主要参数

(1)支护方案

方案1—基坑开挖不加支护。

方案2—基坑开挖加8 m(下游侧)和5 m(上游侧)锚杆支护。

方案3—基坑开挖加15 m(下游侧)和5 m(上游侧)锚杆支护。

方案4—方案3的基础上+支撑梁支护。

方案5—方案3的基础上同时施加主动力支护。

(2)计算分析

为有效控制基坑开挖的稳定性，工况五采用施加主动支护力的方式进行模拟分析，所加的主动支护力如图11所示。基坑上部3对支护力的取值为F1=1 000 kN，基坑下部 3对支护力的取值为F2=3 000 kN。

图12显示基坑开挖后在方案5“锚杆支护+主动支护力”的工况下，上游和下游侧坑壁剪切破坏塑性区均大量减少，但在下游坑壁深1 m范围内有个别活性剪切塑性破坏区，上游坑壁没有活性塑性区。

图13的位移矢量图显示，加主动支护力后基坑的位移为2.9 mm，与方案2的4.15 mm相比有大幅减小。

(3)分析结论

经过5种方案的计算分析，在基坑开挖不加支护的情况下，基坑侧壁出现大面积剪切破坏塑性区，基坑有向内垮塌的趋势，很不稳定;仅在方案5的支护下，极大减少了基坑侧壁的塑性破坏区，坑顶位移较小，基坑较为稳定，因此采用方案5作为实施的基坑开挖支护方案。

图12 工况5基坑塑性区分布

图13 工况5基坑位移矢量图

4 抗风与列车走行性能

在特大跨度高速铁路钢箱拱设计中，大桥的抗风性能与列车走行能力是一对矛盾:为保证高速列车运营的舒适度和安全性，要求承重的拱肋刚度大(即拱肋截面高度较高)，而大尺寸的钢箱拱肋必然存在风的涡激振动问题。

西江特大桥桥拱肋为箱形断面，截面宽度为5 m，拱顶处截面高8 m、拱脚处拱肋截面高15 m，截面形状比上海卢浦大桥更钝，双钢箱拱肋的涡振问题突出。

通过采用将混凝土桥面板厚度加厚至40 cm的设计方案，较好地解决了这一技术难题。经全桥风洞试验验证，主拱合龙状态下施工扣塔、扣索可以增加主拱稳定性，减小在低风速下发生涡振的可能性;成桥状态下主梁的重力有利于抑制拱肋涡振的发生，同时改善了大桥的高速列车行车乘客舒适度和安全性能。

4.1 抗风性能

(1)拱肋存在涡激共振现象

在成桥状态下，本阶段研究发现在5‰阻尼比条件下，涡振振幅仅存在低风速段(20～30 m/s)明显涡振锁定区间，其中涡振最大幅值7.21 cm(单幅，实桥响应)低于最大许用振幅值(10 cm)。主拱拱肋跨中和四分点涡振位移在成桥状态下各种工况试验结果如图14、图15所示。

图14 四分点竖弯振幅

图15 跨中竖弯振幅

(2)实测两种结构状态风效抖振位移响应

肇庆西江特大桥在全桥成桥状态和拱肋合龙状态下，多种风攻角、风偏角和流场条件组合工况中，主拱拱肋跨中和四分点在设计风速下最大位移试验结果分别如表4～表5所示。其中成桥状态和拱肋合龙状态最大侧向位移均出现在台风B类流场主拱跨中位置，分别达到22.38 cm和30.71 cm。

表4 西江特大桥全桥成桥状态位移响应最大值cm

表5 西江特大桥拱肋合龙状态位移响应最大值cm

(3)三维静风稳定性验算

肇庆西江特大桥在全桥成桥状态均匀流场条件下，弹塑性失稳出现在132 m/s(表6);拱肋合龙状态均匀流场条件下，弹塑性失稳出现在116.2 m/s(表7);均远远大于10 m高度处检验风速46 m/s。

表6 西江特大桥成桥状态拱肋和主梁跨中静风稳定失效时最大位移

表7 西江特大桥拱肋合龙状态拱肋跨中静风稳定失效时最大位移

4.2 列车走行性能

(1)跨中最大垂向振动加速度均小于0.35g、横向振动加速度均小于0.14g。

(2)货车以120 km/h速度通过时:边主梁最大动挠度为 74.317 mm，轨道处桥面最大动挠度为73.773 mm，两者相差不大，说明桥面系结构具有足够的抗扭刚度，自身变形量很小;边主梁及桥面的最大横向动位移为1.319 mm，拱梁交界处最大横向动位移为0.369 mm，墩顶最大横向动位移为0.549 mm。所有工况下桥梁动力系数最大为1.214，由于横向位移和加速度均较小，可认为结构的横向动力响应均不大。

(3)当德国ICE3高速列车、CRH2动车组以及东风4机车+K2货车通过桥梁时，所有工况下的轮重减载率、脱轨系数和轮轴横向力均小于限值，行车安全性满足要求。

(4)采用美国六级谱作为轨道不平顺样本，K2货车以70～100 km/h通过桥梁时列车平稳性达到优或良，110～120 km/h时列车运行平稳性达到合格。

(5)采用德国低干扰谱作为轨道不平顺样本，CRH2动车组、德国ICE3列车在所有工况下乘坐舒适度达到优良。

综上所述，南广铁路西江特大桥满足货物列车120 km/h车速运行、CRH2和德国ICE3列车300 km/h安全舒适运行。

5 新型空间吊索设计与试验

由于吊索线形为空间结构，为便于运营过程中吊杆的养护维修及更换，采用锚拉板(图16)作为索梁间的锚固构造，要求吊索锚固构造能适应转角变化及±500 mm的调节量，同时满足三向变位的空间锚固要求。

图16 索梁锚固构造(单位:mm)

针对该型吊索安装特点，对大吨位空间吊索锚固构造进行创新优化设计。受吊索集中荷载作用，该处构造复杂、几何突变严重、焊接拘束度大并存在承受Z向应力焊接接头，在应力集中、焊接缺陷及巨大的静、活载作用等因素影响下，对层状撕裂问题、抗疲劳性能和静力承载能力等均通过试验予以了验证。

6 锚碇与山体稳定分析

全桥共设扣索塔架2台，用于辅助拱肋悬臂拼装。其后锚碇每座扣塔对应4个，缆塔对应2个。西江特大桥扣、缆塔后锚碇为岩锚体系，主要由混凝土锚碇体和预应力锚索组成(图17)，预应力锚索长30～70 m。

图17 预应力岩锚

锚碇施工时必须先除去表面浮土，直至碎石土层，要求地基承载力不得小于500 kPa;预应力锚索按1 200 kN锁定，先张拉竖向预应力锚索，后张拉斜预应力锚索，张拉后需严格按照规范试拉，合格后，方可投入使用。

两岸边坡坡体的岩性较差，特别是南宁岸边坡的稳定性较差，锚碇需要提供的拉拔载荷大，大桥施工中锚碇的安全及边坡的稳定关系到大桥建设的成败，其技术复杂程度在我国大跨度桥梁施工中罕见，因此利用地质力学理论对锚碇及边坡稳定性分析，确定预应力锚索各项参数。

6.1 锚碇区边坡地质条件

采用工程地质测绘、钻探、钻孔摄像等研究手段，查明了西江特大桥锚碇区边坡的工程地质条件，确定了岩土计算参数。

6.2 南宁岸锚碇与边坡稳定性数值分析

边坡三维稳定性分析，包括边坡的整体稳定性分析和局部稳定性分析(即通常的弹塑性分析)。分析软件采用岩土工程分析软件Flac3D和边坡稳定性分析软件Slide。除了用Flac3D进行弹塑性分析外，还用Flac3D的强度折减算法进行边坡整体稳定性分析，以求得稳定性安全系数和滑动面。

强度折减法和极限平衡法分析结果表明，天然状态、锚固和大桥施工等工况下边坡稳定性安全系数都大于1.20，潜在滑动面主要发生在强风化岩体和中风化岩体中，具体见表8。

表8 各工况下稳定性安全系数

从计算过程来看，锚固段设在潜在滑动体范围以外，大桥施工不会引起边坡稳定性安全系数下降，边坡整体稳定。

各种工况下的岩体应力见表9。

表9 各工况特征量值

从最大主应力和最小主应力分析，锚固和大桥施工引起应力重新分布变化量不大，有利于边坡和锚碇稳定。

边坡弹塑性分析表明，锚索施加预应力引起位移最大值约为1.30 mm，方向向坡内，出现在锚碇平台上;大桥施工后位移最大值约为0.42 mm，方向向坡外，出现在NX2锚碇锚索锚固段附近岩体中。从位移看，计算结果收敛，有利于边坡和锚碇稳定。

7 结语

参建单位先后攻克桥梁两岸高达120 m、总土方量逾60万m3的上山“天路”修筑等难题，开发了水下光滑陡峭岩石基础围堰设计与施工、大型混凝土沉井在破碎岩层条件下的下沉、临江面施工水位以下30 m的止水及深基坑开挖与安全防护技术、大截面钢箱提篮拱拱肋高精度合龙等新技术，确保了西江特大桥安全、有序、成功合龙，在桥梁的结构形式、跨度、构造和施工工艺等方面将我国铁路桥梁的建设技术提高到一个新水平。

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