福州至厦门高速铁路桥梁总体设计

王德志，杨 恒，曾甲华，吴 成，寇延春

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 工程概况

新建铁路福州至厦门高速铁路是我国沿海客运通道的重要组成部分，正线北起福州站(含)南至漳州站(含)，连接福州、莆田、泉州、厦门、漳州等海峡西岸经济发达地区，线路全长277.5 km，桥梁长度181.1 km，桥长占比65%[1]。

1.1 自然条件

河流水系：沿线经过的主要水系有闽江水系、木兰溪、晋江、泉州水系、厦门水系及九龙江等。闽江是福建省第一大河，九龙江是福建省第二大河，同时跨越湄洲及泉州海湾两大海湾。

气象特征：线路所经闽东南沿海地区，属东南亚热带气候，雨量充沛，年平均气温在18～21.5 ℃，7～9月为台风季节，平均每年受台风影响5～6次，极端风速可达65 m/s。

工程地质：沿线海域、滩涂及海积平原区主要发育厚层冲海积相淤泥、淤泥质土，以及稍密饱和的粉细砂层，夹砂砾、卵石；河流阶地、丘(山)间谷地区主要为软～硬塑粉质黏土夹粗砂、砾卵石层等；福州、莆田段下伏基岩主要为凝灰岩、凝灰熔岩；莆田以南地区下伏基岩主要为花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩等。

沿线Ⅱ类场地条件下基本地震动峰值加速度划分以莆田为界，莆田以北0.10g，莆田以南0.15g，相应的地震动反应谱特征周期值分别为0.40 s和0.45 s。

1.2 建设条件

跨越的通航河流主要有乌龙江、木兰溪、湄洲湾、泉州湾、安海湾及九龙江等，铁路孔跨需满足相应的通航净空尺度要求。

沿线公路、道路交通发达，全线重要交叉127处，主要跨越渔平高速、G324国道、沈海高速、湄渝高速、泉州绕城高速、厦蓉高速等。沿线经过福建省经济最发达地区，城市规划和城市交通路网对铁路建设影响较大。

跨越的铁路主要有福厦铁路、向莆铁路、厦深铁路、湄洲湾港口支线、漳泉肖铁路、鹰厦铁路及港尾支线等共15处，对铁路建设影响较大。

沿线跨越的管线主要有成品油管道、天然气管道、输水管道、国防光缆、通信光缆等，沿线部分地段通道位置与管线位置冲突。

1.3 主要技术标准

(1)铁路等级：高速铁路[2]。(2)轨道类型：无缝线路，有砟轨道。(3)正线数目：双线，线间距5.0 m。(4)设计速度：350 km/h。(5)最小曲线半径：7 000 m。(6)设计活载：ZK标准活载。(7)设计洪水(潮水)频率为1/100，感潮河段考虑潮位与洪水位的组合。

2 主要设计原则[2]

2.1 桥式方案

常用跨度简支梁以32 m、24 m梁跨度为主，在使用24 m调整32 m桥跨时，采用与32 m等高箱梁的处理措施。施工以预制架设为主，当受地形条件、交通和施工组织等因素限制无法预制架设施工时，结合地形和墩高条件，采用移动模架或支架现浇施工。

上跨高速公路时均预留双向8车道扩建条件，并满足公路安全评估的要求。跨越河堤宜一孔跨越，确有困难时，桥墩设在背水坡，相关措施满足防洪评估的要求。跨越通航河流，应满足通航论证的要求。

跨越既有铁路、在建铁路或规划铁路时，根据斜交角大小、采取一孔跨越或门式墩方案，施工期间尽可能减少对既有铁路行车的影响。施工安全限界应在既有铁路设施外侧2 m以上。

尽量减少轨道伸缩调节器的设置，大跨桥梁温度跨尽量控制在200 m以内。

2.2 梁部

标准简支梁采用《时速350 km客运专线铁路无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》[通桥(2016)2322A]，联络线及动走线采用《时速160 km客货共线铁路预制有砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁》[通桥(2014)2131、2132、2133]。

位于车站渡线区、咽喉区、联络线等道岔区段上的桥梁，采用道岔连续梁。

为满足通航、防洪要求及跨越铁路、高等级公路的需要，可以采用大跨度连续梁、连续梁拱及刚构拱等特殊结构。

全线均采用无涂装耐候钢球型钢支座，部分支座根据结构受力需要特殊设计。

2.3 墩台及基础

一般区间正线客运专线墩高小于20 m的桥墩，采用流线形圆端型实体桥墩，墩高20～26 m采用斜坡实体桥墩；墩高大于26 m采用圆端形空心墩；水文桥梁与水流夹角较小时采用单圆柱墩，其线刚度需满足相关规定。正线、联络线及动走线均采用矩形空心桥台。

桥梁基础有扩大基础和桩基础两种类型。当基坑开挖深度小于5 m，且基底承载力σ0≥350 kPa，沉降计算满足要求时，可采用扩大基础。桩基一般选择承载力较高的岩层、砂卵石层、硬塑黏土层等作为桩底持力层。

滨海软土地区桥涵设计需要检算桥墩刚度、基础沉降、桥台稳定等，并采取地基处理措施提高基础抗力，控制基础变形。

2.4 桥面附属工程

正线桥面布置、桥面附属构造、排水体系、伸缩缝、综合接地等均按《客运专线铁路常用跨度梁桥面附属设施》[通桥(2016)8388A]图办理。

联络线及动走线附属工程采用《时速160 km、200 km客货共线铁路常用跨度箱梁桥面附属设施》[通桥(2014)8188]。

2.5 耐久性[3]

针对本项目环境特点，开展了混凝土结构附加防腐措施的机理和高性能耐候钢防腐研究，根据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB10005—2010)的相关规定，制定了适合本线的耐久性实施细则，包括高性能混凝土、耐海洋大气钢及混凝土防腐蚀附加强化措施等。

(1)结构强化措施：采用高性能混凝土，提高混凝土强度等级，加大混凝土钢筋保护层厚度，控制混凝土裂缝的宽度。

(2)防腐附加措施：浪溅区和水位变动区混凝土采取表面涂装，即柔性氟碳面漆+环氧树脂中间漆+环氧封闭底漆涂装体系。

(3)钢结构防腐：泉州湾跨海大桥主桥钢锚梁采用镍系高性能耐候钢，初期锈层稳定化处理，后期服役免涂装维护。其余所有外露钢构件均进行热浸锌或采用重涂装防腐体系处理。

3 桥梁技术特点

3.1 建设条件复杂

(1)台风多发地区；(2)海上深水施工；(3)深厚软基、滨海滩涂地层；(4)地形地貌复杂，道路管线交叉众多；(5)跨越或临近既有铁路安全风险大。

3.2 桥梁类型较多

多种类型大跨度斜拉桥、系杆拱桥、连续梁(刚构)、无支座整体式刚构、大跨度简支梁以及梁拱组合等桥式在本项目中得到合理运用。如表1所示。不含福州南高架站连续梁，特殊结构联数185联，总长37.7 km；特殊结构长度占桥梁总长度的20%。

表1 福州至厦门高速铁路桥梁类型

3.3 复杂大跨桥梁多

主跨432 m高低塔四线混合梁斜拉桥，主跨400 m和300 m钢混结合梁斜拉桥，主跨224 m混凝土矮塔斜拉桥，以及主跨2 m×145 m混凝土独塔斜拉桥等。全线超过100 m(含)大跨结构共50处。主要特殊大跨桥梁结构如表2所示。

表2 福州至厦门高速铁路主要特殊大跨度桥梁统计

3.4 桥梁结构体系创新运用

全线复杂大跨桥梁结构跨越乌龙江采用主跨432 m大跨度四线铁路混合梁斜拉桥[4]，不对称高低塔结构；泉州湾跨海大桥主桥采用主跨400 m全组合梁体系斜拉桥[5]，引桥采用3-70 m无支座整体式刚构桥梁，相邻结构通过临时锁定再解除的悬臂施工方案；湄洲湾跨海大桥引桥采用40 m大跨度标准简支梁，预制架设施工；木兰溪特大桥主桥采用无砟轨道独塔混凝土斜拉桥，裸塔转体施工；此外本线还采用了主跨224 m和180 m的矮塔加劲混凝土连续梁(刚构)斜拉桥，以及主跨160 m刚构拱等众多结构创新体系。

3.5 桥梁新技术合理应用

针对高湿高盐的海洋强腐蚀环境，全线开展了混凝土和钢结构耐久性技术研究，率先在我国海洋大气环境使用免涂装高性能耐候钢；无支座整体式刚构桥梁，全桥不设支座，边墩与中墩均与主梁固结形成刚架结构，结构抗震性能好，经济合理；为减少对既有铁路的影响，邻近铁路桥塔采用裸塔转体施工方案；针对大跨斜拉桥结构开展风-车-线-桥耦合振动研究，同时考虑温度变形对轨道的影响；此外还开展大跨桥梁BIM技术、桥梁健康监测研究等。

4 大跨度桥梁

4.1 四线高低塔斜拉桥——乌龙江特大桥

由于受到新建福州南站站位及下游水源保护区控制，桥位选择在既有G324国道公路桥与既有福厦铁路桥之间跨越乌龙江，多桥并置。内河Ⅳ级航道，通航净空120 m×8 m。最高通航水位采用10年一遇洪水位4.57 m，最低通航水位-1.74 m。

结合河道两侧山体地形条件及一孔跨越乌龙江通航水域的要求，主桥采用(72+109+432+56+56) m高低塔双索面混合梁斜拉桥。桥式布置见图1。

图1 乌龙江特大桥主桥桥式立面布置(单位：m)

技术标准：左侧正线双线，右侧动走线双线，四线铁路，线间距(5+5+5) m；设计活载160 km/h；有砟轨道。

主梁为边跨混凝土梁和中跨钢箱梁相结合的混合梁形式，双主梁箱形截面，梁宽29.1 m，箱梁高度4.0 m，钢-混凝土结合段总长15.5 m。钢箱梁为正交异性板结构，斜拉索采用抗拉标准强度1 770 MPa镀锌平行钢丝拉索，空间双索面体系，扇形布置。钢箱梁采用TB/T1527《铁路钢桥保护涂装及涂料供货技术条件》第Ⅴ套涂装体系，钢锚梁采用普通耐候钢。

H形桥塔，单箱单室截面，塔底以上索塔全高分别为170 m、128.5 m[6]，两侧索塔塔顶高差为41.5 m。高桥塔处设置纵向固定支座及纵向阻尼器，矮桥塔处设纵向活动支座及阻尼器[7]。

4.2 独塔混凝土斜拉桥——木兰溪特大桥

线路小角度跨越沈海高速公路，且临近既有福厦线。采用独塔双索面混凝土斜拉桥[8-9]，桥跨布置为(29.3+145+145+29.3) m，全长350 m；双线，曲线，无砟轨道；塔梁墩固结体系。桥式布置见图2。

图2 木兰溪特大桥主桥桥式立面布置(单位：m)

主梁采用预应力混凝土等高箱形截面，单箱三室，全宽18 m，梁高3.8 m。斜拉索采用抗拉标准强度1 860 MPa钢绞线拉索，空间双索面体系，扇形布置，全桥共34对斜拉索(68根)。桥塔采用花瓶式，桥面以上塔高70 m，主梁采用节段悬臂施工。

经多方案研究比选，邻近铁路桥塔采用裸塔转体施工方案[10-11]，桥塔距离既有线结构外缘的最小距离由5.9 m提高至13.1 m，主梁外缘距离既有线结构最小净距8.8 m，改善了施工条件，减少了对既有铁路的影响。

4.3 混凝土矮塔斜拉桥——雷公山特大桥

主桥小角度跨越沈海高速公路，部分位于曲线上。桥跨布置：(40+120+224+120+40) m预应力混凝土矮塔斜拉桥[12]，全长465.4 m；双线，有砟轨道；塔梁固结、墩梁分离。桥式布置见图3。

图3 雷公山特大桥主桥桥式立面布置(单位：m)

梁体边跨直线段及中跨中梁高6.0 m，中支点梁高13.0 m，梁高按圆曲线变化，箱梁顶宽14.3 m，底宽11.2 m，单箱双室直腹板截面。直立式桥塔，桥面以上塔高44.0 m，矩形实体截面。单丝涂覆环氧涂层钢绞线，空间双索面体系；梁上索间距8.0 m，36对斜拉索，分丝管索鞍[13]。跨越高速公路采用封闭式挂篮悬臂浇筑施工。

4.4 钢混组合梁斜拉桥——泉州湾跨海特大桥[5，14]

在既有泉州绕城高速公路大桥下游85 m(轴心间距)处，与公路桥并行跨越泉州湾，跨海部分桥梁长度8.5 km。通航等级代表船型为5 000 t级杂货船，兼顾10 000万t级杂货船通航要求，单孔双向净宽280.50 m×净高44.72 m，最高通航水位4.30 m。

主桥采用(70+130+400+130+70) m双塔双索面钢-混结合梁斜拉桥，半漂浮体系，桥长800 m，双线、有砟；主梁全长采用混凝土桥面板+槽形钢箱梁的结合梁结构[15]，封闭箱形断面形式，主梁含风嘴全宽21 m，梁高4.25 m。桥式布置见图4。

图4 泉州湾跨海特大桥主桥桥式立面布置(单位：m)

索塔采用带曲线造型的H形混凝土桥塔，塔底以上索塔全高为160.254 m。斜拉索采用抗拉标准强度1 770 MPa环氧涂层平行钢丝拉索，空间双索面体系，扇形布置，全桥共72对斜拉索(144根)。钢锚梁采用采用Ni系高性能耐海洋大气腐蚀钢，表面不涂装，靠其自身生成致密稳定的钝化锈层，实现全寿命期的长效防腐。

4.5 钢混组合梁斜拉桥——安海湾特大桥

于既有泉厦漳城市联盟高速公路安海湾特大桥下游68 m(轴心间距)处，与公路桥并行跨越安海湾，通航2 000 t级杂货船，要求单孔双向通航净宽最小为215.2 m，净高为31.15 m，最高通航水位4.43 m。

主桥采用(40+135+300+135+40) m双塔双索面叠合梁斜拉桥，全长650 m；双线无缝线路[16]，有砟。主梁全长采用混凝土桥面板+槽形钢箱梁的叠合梁结构，封闭箱形断面形式，主梁含风嘴全宽21 m，梁高4.25 m。桥式布置见图5。

图5 安海湾特大桥主桥桥式立面布置(单位：m)

索塔采用带曲线造型的H形混凝土桥塔，塔底以上索塔全高为126.9 m，斜拉索采用环氧涂层平行钢丝拉索，空间双索面体系，扇形布置，全桥共52对斜拉索。

4.6 刚构矮塔斜拉桥——湄洲湾跨海特大桥

湄洲湾规划单向通航3 000 t，桥跨布置为(96+180+96) m刚构矮塔斜拉桥[17-18]，梁长373.6 m，双线、无砟。桥式布置见图6。

图6 湄洲湾跨海特大桥主桥桥式立面布置(单位：m)

主梁采用后张法预应力混凝土结构[19]，边跨直线段及中跨跨中梁高为5.0 m，中支点梁高为10.0 m，梁高按圆曲线变化，箱梁顶宽14.1 m，底宽11.0 m，单箱双室直腹板截面。

索塔采用双柱式桥塔形式，矩形实体截面，桥面以上塔高30.0 m，单丝涂覆环氧涂层钢绞线拉索体系，空间双索面体系。斜拉索梁上间距8.0 m，斜拉索在塔端采用分丝管索鞍贯通，间距为1.0 m，斜拉索规格分61-7φ5 mm、55-7φ5 mm两种。

主墩采用双肢墩柱，单肢为实心矩形截面，顺桥向为2.4 m，两墩壁中心距6.6 m；横桥向等宽度15.1 m。

5 结语

福厦铁路建设条件、桥梁结构以及施工都是非常复杂的，在满足铁路使用功能的前提下，力求安全适用、经济美观、结构创新[20]。以此为指导思想，结合桥址处建设条件，确定桥式方案和桥梁结构，同时积极采用新技术、新结构、新工艺、新材料，创新和丰富我国高速铁路桥梁结构技术。福厦铁路桥梁的建设，必将对我国东部沿海高铁建设产生积极的影响。