太洪长江大桥建设方案研究

陈奉民，张丽娟，郑升宝，熊　扬

(1.重庆市交通规划勘察设计院，重庆　401121； 2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司重庆分公司，重庆　400020)

太洪长江大桥建设方案研究

陈奉民1，张丽娟2，郑升宝1，熊扬1

(1.重庆市交通规划勘察设计院，重庆401121； 2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司重庆分公司，重庆400020)

摘要：太洪长江大桥是重庆市主城区近郊一座高速公路特大型跨江桥梁，桥址临近御临河长江汇流口，2次跨越运营铁路。针对该桥区域内的建设条件，介绍太洪长江大桥的前期桥型方案构思研究，并对桥型方案和关键结构等内容进行比选，提出可行性方案，其可为大跨度跨江桥梁设计提供借鉴和参考。

关键词：长江大桥；桥型方案；构思；比选；景观

1工程概况

1.1桥梁概况

太洪长江大桥为重庆市南川至两江新区高速公路上的关键控制性工程，位于长江洛碛水道与炉子梁水道连接处，在巴南区及两江新区所辖的木洞—麻柳嘴—珞碛江段于御临河口附近太洪岗位置跨越长江及渝利铁路(上、下行线)，长江上游航道里程桩号约610 km。太洪长江大桥地理位置如图1所示。

图1　太洪长江大桥地理位置

1.2技术标准

太洪长江大桥各项技术指标见表1。

2建设条件

2.1地形地貌

桥址区属川东平行岭谷构造侵蚀、剥蚀河谷地貌，桥轴线处长江河谷宽约1 000 m，河面宽约700～800 m。全桥址轴线地面高程在315.40～142.47～274.12 m区间变化，长江南岸斜坡地形较陡，地形坡角一般为28°～38°；北岸沿桥址走线为一山脊，地形相对较平缓，沿轴线方向地形坡角一般为5°～15°，垂直轴线方向凹槽内地形坡角一般为18°～30°。

2.2工程地质

桥址区位于洛碛向斜西翼，地层呈单斜产出，分布地层主要为第4系残坡积层、冲洪积层及侏罗系中统沙溪庙组地层，下伏基岩主要为泥岩、砂岩，局部夹薄层粉砂岩。北岸岸坡为顺向坡岩层倾角35°，整体地形坡角20°，其总体坡角小于岩层倾角，故整体稳定。南岸工程影响深度范围内基岩岩性主要为软质泥岩，岸坡整体稳定。桥址场地类别总体为Ⅰ类，属抗震有利地段，仅北岸局部地段属抗震不利地段，场地地震特征周期0.35 s。桥址区无特殊性岩土，也未发现断层、泥石流和滑坡等不良地质现象[1]。

表1　太洪长江大桥主要技术指标

注：高程采用1985国家高程基准系统。

2.3气候气象

桥址区地处中纬地带，属中亚热带湿润季风气候，四季分明。多年平均气温18.5 ℃，最低月(1月)平均气温7.7 ℃，极端最高气温43.0 ℃，极端最低气温-3.6 ℃，最大平均日温差11.9 ℃。年平均风速1.3 m/s，最大风速26.7 m/s，主风向为NW。年平均相对湿度为79%。

2.4河流水文

桥址区河流主要为长江及其支流御临河。长江河段顺直平缓，河床平坦开阔，属三峡工程浸没区，库区回水浸没现象普遍。桥址区水位周期内具有大水位落差(±40 m)的特点，统计资料揭示，最高水位达190 m以上，最低水位在150 m左右，故设计最高水位取194.00 m(1/300)。水位、流速及流量主要受三峡大坝运行调度、季节降水及上游径流的影响。根据三峡设计调度方案，每年5月末降低水位至防洪限制水位145 m；6—9月维持145 m的水位运行；10月开始蓄水至正常蓄水位175 m；11月至次年4月维持在较高水位。枯水期(160 m水位左右)河面宽度约700 m，丰水期(175 m水位左右)约800 m。

御临河于桥轴线上游约510 m汇入长江，不满足内河通航关于过河建筑物的一般性要求，应采取工程措施或设1跨跨过通航水域[2]。

2.5河势

桥址区河段河槽单一，河道顺直微弯，桥轴线上游北岸有御临河汇入，上游河心的大炉子梁将航道分为左、右两漕，左漕(北岸)为主航漕，水流条件良好。桥址区河段天然状态表现为典型山区河流特征，河床及河岸边界约束较强，滩槽稳定，近几十年河床冲淤变化并不明显。三峡水库正常蓄水以后，桥址区河段的回流、缓流区域将出现累积性淤积的趋势，对深槽影响较小，对河势稳定影响甚微，近年来深泓位置基本稳定[3]。

2.6通航

从桥址区河段的通航条件、航运发展规划等综合考虑，设计代表船队确定为文献[2]中Ⅰ-(2)级中的三排二列船队，设计代表船型采用5 000吨级货船。桥梁轴线法向与水流流向最大夹角为8°，相对桥轴线法向横向流速为0.48 m/s，经加宽计算，单孔单向通航孔净宽论证为201 m，单孔双向通航净宽为402 m。通航净高根据标准取为18 m，且结合三峡库区船舶大型化的趋势以及库区桥梁通航净空高度实际，设计按24 m预留[4]。

2.7铁路

桥址区北岸跨越渝怀铁路上、下行线，上行线在该段以明线路基形式通过，下行线以隧道形式下穿。太洪长江大桥与铁路交叉关系如图2所示。

图2　太洪长江大桥与铁路交叉示意

3桥型方案构思

3.1总体设计原则

太洪长江大桥桥型方案及孔跨布置主要受长江两岸高速公路接线高程、通航行洪、施工水位及铁路线位等因素限制。在充分调研周边城市发展规划、路网与河道规划、河床形态特征、工程及水文地质、气候气象、通航防洪、铁路现状与规划以及历史人文等建设条件[5]的基础上，本着设计一座具有地标性跨越长江桥梁的思想，贯彻“安全至上、以人为本”及“全寿命周期”的设计理念，总体设计系统规划了大桥的建设及运营管养方案，力求结构安全、耐久、适用、环保、经济和美观[6]。

3.2主桥(含主引桥)跨径选择

主桥主跨跨径选择主要考虑了建设规模、通航水域宽度、工程地质以及大水位差条件下的施工组织等因素。在满足航道有效净宽的前提下，减小船舶撞击主塔墩的风险，并控制长江丰水期高水位条件下降低建设施工投入成本，这些因素决定了该桥跨度的下限；控制桥梁规模、节约工程投资等因素又决定了主跨的合理可接受上限。

跨径拟定时，根据通航水域枯水期的河面宽度，考虑一定的航道富余，从工程节约角度选取了满足功能要求的主跨径720 m；同时考虑丰水期河面宽度，基于避免深水基础的思路选取了808 m主跨径方案。选取的2个跨径均能1跨越过通航区域且均通过通航及行洪论证，其中前者南岸主塔处在160 m水位附近，后者2主塔均处在175 m水位附近。

需要指出的是，北岸主塔位置(图2)前缘距航道航标净距约20 m，后缘距渝怀铁路上行线约45 m，若位置南移则影响航道安全并增大了船撞风险，北移则基础开挖由于陡坡地形及顺层基岩的限制必然直接影响铁路运营安全。因此，2个主跨径方案中，北岸主塔位置相对固定。

此外，考虑主引桥(或主桥边跨)需跨越渝怀铁路，故为保证施工及运营安全，选用了2跨120 m的T型刚构等跨越方案。

3.3桥型方案构思

根据以上分析并综合国内外桥梁发展水平、技术能力及实际经验，认为超过700 m跨度的拱桥和梁桥已不适应，而可供选择的桥型主要有悬索桥、斜拉桥等缆索承重体系。结合太洪长江大桥的建设条件共拟定了6个方案进行定性比较分析，见表2。

表2　太洪长江大桥初拟方案

注：主跨808 m未拟定斜拉桥方案主要原因在于南岸引桥段较短，边中跨比不足0.2，常规斜拉桥方案已不适应。

3.3.1悬索体系方案分析

针对808 m的主跨拟定了方案A(单跨双铰悬索桥+T构)和方案B(双跨双铰悬索桥)2种方案，两者的主要区别在于跨越渝怀铁路采用T构或带单边跨悬索的结构形式。后经过技术经济比较和综合研究后舍弃了方案B。

针对720 m的主跨考虑了方案C(单跨双铰悬索桥+双T构)和方案D(3跨连续悬索桥)并对2种方案进行了比选。两者的主要区别是桥梁跨越渝怀铁路及河漫滩区是采用双T构还是带双边跨悬索结构，后经综合研究后放弃了方案D。悬索体系简图如图3所示。

图3　悬索体系简图[7]

3.3.2斜拉体系方案分析

针对720 m的主跨还提出了方案E(7跨连续混合梁斜拉桥)和方案F(5跨连续钢箱梁斜拉桥)并对2个方案进行了比选。两者的主要区别是主梁结构形式及辅助墩的设置方式，后经综合比选舍弃了方案E。斜拉体系简图如图4所示。

图4　斜拉体系简图[7]

4桥型方案研究

4.1桥型方案拟定

针对太洪长江大桥主桥悬索体系方案A和方案C、斜拉体系方案E进行进一步的经济技术比选。拟定方案1～3，桥型概略布置如图5所示。

方案1：主跨808 m单跨双铰钢箱梁悬索桥。

方案2：主跨720 m七跨连续混合梁斜拉桥。

方案3：主跨720 m单跨双铰钢箱加劲梁悬索桥。

图5　桥型概略布置

4.2钢箱加劲梁悬索桥方案

悬索桥方案为传统地锚式悬索桥，考虑是否设置深水基础，选择方案1和方案3进行同精度比较。方案1跨径布置为4×40 m+808 m+2×120 m+10×30 m，方案2跨径布置为2×120 m+720 m+2×120 m+7×30 m，2个方案主桥均采用单跨双铰悬索桥，主缆矢跨比为1∶10，吊索标准间距12 m；主桥标准横断面如图6所示；桥塔采用钢筋混凝土门型构造，南岸锚碇为隧道式，北岸锚碇为三角框架重力式。方案1北岸主引桥采用T型刚构，方案3南、北岸主引桥均采用T型刚构。

图6　悬索桥方案桥梁标准横断面

由于桥址处风速较大，加劲梁采用抗风性能较好的流线型扁平钢箱梁，梁高3.0 m，梁宽38.2 m(含吊索区)，方案1和方案3高跨比分别为1/269.3、1/240.0，高宽比分别为1/12.7、1/18.8。钢箱梁标准段长12 m，内设4道实体式横隔板，端梁段局部设纵隔板2道，钢材采用Q345D。正交异性桥面板板厚推荐采用16 mm，加劲肋采用U肋，顶板U肋高度取为280 mm，板厚取为8 mm；底板U肋高度取为250 mm，板厚取为6 mm。桥面铺装采用7.5 cm(SMA10+GA10)浇注式沥青混凝土结构形式。

南岸锚碇锚体区域为完整性泥岩，属软岩或较软岩，遇水极易软化；围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。 采用的隧道锚属浅埋，其技术难点为：1) 张拉荷载下围岩极限承载能力等物理力学特性的掌握；2) 张拉荷载下锚碇体及围岩体的变形状态以及稳定性的定量判断；3) 设计寿命周期内隧道锚的防排水及防腐除湿等耐久性设计问题。若能处理好以上技术问题，则隧道锚在造价、环保等方面具有明显技术优势。

在类似建设条件下，在建的重庆几江长江大桥北锚碇、万州驸马长江大桥南锚碇及已建成的鹅公岩长江大桥、丰都长江大桥、忠县长江大桥等均采用了类似结构。长期观测表明，隧道锚底面处于长江高水位以上的如丰都长江大桥，其南岸锚碇等渗水情况不突出；处于平均水位以下的如忠县长江大桥、万州长江大桥，其锚碇则渗水现象严重。由于太洪长江大桥南岸锚碇区域远高于长江水位，故采用隧道锚形式，无论从技术合理性还是结构耐久性等方面看均是合理可行的。

另外，针对该桥南岸锚碇还构建了实体缩尺模型进行现场大剪切、锚碇拉拔、围岩物理力学特性原位测试等试验研究，并在试验数据基础上完善了锚碇选型及构造优化设计，且还采取措施对地面渗水问题进行了处理。

4.3混合梁斜拉桥方案

主桥孔跨布置为74 m+74 m+102 m+720 m+102 m+74 m+74 m，结构形式采取双塔双索面斜拉桥，墩塔固结，塔梁分离，半漂浮体系。主梁采用钢箱梁与PC箱梁纵向组合的混合梁结构，结合部位设在中跨，其中，中跨PC梁长2×97.5 m，钢箱梁长525 m，边跨采用PC主梁。主塔采用花瓶形索塔，索塔处设置横向限位支座，纵向设置阻尼限位装置，边跨各设置2个辅助墩，边墩、辅助墩设置竖向支座。索面按扇形布置，每个索面50对索，横桥向标准索距33.6 m，顺桥向边跨标准索距10.5 m，边跨尾索区索距为6 m；中跨混凝土梁段标准索距10.5 m，钢箱梁段标准索距16 m。主桥标准横断面如图7所示。

经研究比较，确定钢混结合段采用 “钢格室+PBL 键+预应力”的结构[8]，以使主梁刚度过渡比较均匀，应力扩散良好。结合段钢结构部分长10.5 m，其中，钢箱梁端部加强段长4.2 m，钢混结合段长4.0 m，混凝土连接段长2.3 m。钢格室为箱形封闭结构，长2.5 m，高0.85 m，标准宽度为0.9 m。钢格室腹板及抗剪钢板上开有长圆孔，孔中穿Φ20 mm钢筋并与包裹混凝土一起形成钢筋混凝土剪力键(PBL键)。钢格室通过钢箱梁加强段与钢箱梁连接，其内填充C55微膨胀混凝土。钢箱梁加强段长4.2 m，采用在U肋中间加设T形加劲的方式设置。为保证钢混凝土结合段与PC箱梁紧密结合，在结合段设置预应力钢束。

图7　斜拉桥标准横断面

由于主桥边跨高度大，且北岸上跨既有渝怀铁路，现浇支架搭设及铁路防护难度大，故桥塔两侧97.5 m混凝土主梁采用挂篮对称悬臂浇筑施工，边跨剩余段混凝土主梁搭架现浇施工；钢箱梁分节段在工厂制造，船运至桥下吊装安装；南岸桥塔承台基础采用双壁钢围堰法施工，桥塔塔身采用自动液压爬模法施工。

4.4桥型方案比选

太洪长江大桥桥型方案综合比选见表3。

由表3可知，方案1虽造价略高，但其适应性较好，降低了施工及运营中的风险，并符合科学发展的要求，故本次研究确定采用方案1作为实施方案。

5桥梁景观构思

太洪长江大桥方案研究时还进行了环境调查与分析、总体景观、主体造型以及构件与附属设施造型等专项景观设计，确立了桥梁主体造型、构件造型以及色彩涂装。下面简要介绍桥塔的景观造型理念。

桥塔造型如图8所示，其主题为“开拓之门、希望之门”，塔柱与上横梁为弧线造型，整体造型像“天”字又似“开”字，刚硬高雅的桥塔竖线造型与背景山体曲线相融合，象征山城及两江新区人民开天辟地、不畏艰险、向着希望永不止步的奋斗精神。

图8　桥塔及横梁景观造型构想图

6结束语

本文结合太洪长江大桥桥址区地形、地质、水文、通航和建设等要求，对其方案构思、跨径选择及桥型方案进行了论证研究，最终确定采用主跨808 m单跨钢箱加劲梁悬索桥方案。该方案景观效果好，施工技术成熟可靠，符合科学发展的要求。根据对该桥建设条件及技术特点的分析，同步开展了浅埋软质泥岩区隧道式锚碇专项原位实验、风场参数观测及抗风关键技术、防船撞、工程场地地震安全性评价等专题研究，以期能在设计一件令公众满意的作品的同时，推动我国在山区跨江大跨悬索桥设计和施工关键技术方面的进步。

表3　太洪长江大桥桥型方案综合比选

参 考 文 献

[1]重庆蜀通岩土工程有限公司. 太洪长江大桥(K线)工程地质初步勘察报告[R].重庆：重庆蜀通岩土工程有限公司，2015.

[2]国家质量监督检验检疫总局．GB 50139—2004内河通航标准[S]．北京: 中国计划出版社，2004．

[3]重庆西科水运工程咨询中心．太洪长江大桥防洪评价报告[R]．重庆：重庆西科水运工程咨询中心，2015.

[4]重庆西科水运工程咨询中心．太洪长江大桥航道通航条件影响评价报告[R]．重庆：重庆西科水运工程咨询中心，2015.

[5]姜友生. 公路桥涵设计手册:桥梁总体设计[M]．北京: 人民交通出版社，2012．

[6]中交公路规划设计院有限公司．JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范[S].北京: 人民交通出版社，2015．

[7][丹]尼尔斯J.吉姆辛.缆索支承桥梁：概念与设计(第二版)[M].金增洪，译．北京: 人民交通出版社，2002．

[8]张建军，李松，高安荣，等．鄂东长江大桥钢-混结合段施工关键技术方案[J]．桥梁建设，2009(增1)：27-31．

Research on Construction Schemes of Taihong Yangtze River Bridge

CHEN Fengming1, ZHANG Lijuan2, ZHENG Shengbao1, XIONG Yang1

Abstract:Taihong Yangtze Bridge is a super-large cross-river bridge on expressway in suburbs of Chongqing metro area, and the bridge site is close to the junction of Yulin River and Yangtze River and crosses an operating railway twice. In allusion to the construction conditions in the area of the bridge, this paper introduces the research on bridge types at early stage of Taihong Yangtze River Bridge project, compares and selects tbridge types and key structures and proposes a feasible scheme. The research in this paper provides a reference for design of large-span cross-river bridges.

Keywords:Yangtze River Bridge; scheme for bridge type; conception; comparison and selection, landscape

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.016

收稿日期：2016-01-15

作者简介：陈奉民(1979-)，男，山东省淄博市人，硕士，高工。

文章编号：1009-6477(2016)03-0066-07中图分类号：U442.5

文献标识码：A