千米跨度高速铁路悬索桥建造技术现状与展望

李迎九

（中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

0 引言

随着经济社会的发展，我国高速铁路和大跨度桥梁建设进入了新时代，为满足跨江越海工程的建设需要，一大批大跨度的铁路悬索桥正在规划建设。由于悬索桥柔性结构体系能否满足铁路高速行车对结构刚度的要求一直存在争议，铁路悬索桥发展较公路滞后，但也在稳步发展中。美国和日本是开展铁路（轨道交通）悬索桥建设较早的国家。美国的布鲁克林桥、曼哈顿大桥均承载城市轻轨，列车活载较小，行驶速度较低；日本建造了多座大跨度铁路悬索桥，在主跨跨度、设计荷载以及列车运行速度方面较美国早期铁路悬索桥均有较大突破。目前世界上已建成的主跨超千米的铁路悬索桥主要有1988年建成的日本南备赞濑户大桥[1]、1966年建成并于1999年增设铁路的葡萄牙4月25日桥[2]以及1997年建成的主跨为1377 m的中国香港青马大桥[3]，这些大桥列车运行时速均不高于180 km。

近年来，我国大跨度铁路悬索桥在借鉴国外建设经验的基础上开始付诸实践，目前在建的铁路或轻轨悬索桥有3座，分别是主跨660 m、设计时速120 km的丽香铁路金沙江大桥[4]，主跨600 m、设计时速80 km的重庆轨道环线鹅公岩大桥[5]和主跨达1092 m的连镇铁路五峰山长江大桥[6]。其中，五峰山长江大桥为公铁两用桥，铁路为4线，设计时速250 km；公路双向8车道，设计时速100 km，具有荷载大、主跨长、设计速度高的特点，该工程的实施将我国铁路悬索桥的建设提升到国际先进水平。随着我国中长期铁路网规划的实施，千米跨度高速铁路悬索桥建造技术研究的重要性和必要性将更加突出。

1 技术难点

铁路桥梁具有荷载大、列车运行速度高、轨面平顺性要求严、结构振动强烈等显著特点，因此，千米跨度高速铁路悬索桥的设计和建造在结构设计及施工技术方面均存在急需解决的技术难点。

1.1 结构设计方面

（1）结构竖、横向刚度的合理取值。悬索桥属于柔性结构体系，为确保列车（尤其是高速列车）安全平稳运行，超千米跨度悬索桥的合理刚度及其结构构造是设计必须解决的首要问题。

（2）结构的设计荷载模式。对于超大跨度多线铁路专用或公铁两用悬索桥，其铁路荷载加载方式、多线折减系数以及公铁荷载组合系数均是结构设计的关键参数，目前尚未出台相应的技术规范。

（3）铁路桥面结构及其受力性能。铁路桥面要有足够的稳定性和耐久性以满足列车走行性要求，需要进一步研究大位移梁端伸缩装置与钢轨伸缩调节器等技术手段予以实现。

（4）超大跨度铁路悬索桥的抗风、抗震性能问题。

（5）超高强度钢丝、超高性能混凝土等高性能材料的研究应用。

1.2 施工技术方面

（1）锚碇超大基础施工及其监控，复杂地质条件下主塔基础的施工。

（2）大直径主缆的缠丝和架设。

（3）超重钢梁节段的架设和结构施工控制。

（4）复合钢板铁路桥面结构焊接工艺及检测方法。

此外，由于国内外尚无千米跨度高速铁路悬索桥建成通车的先例，其验收标准规范和运维技术基本还是空白，也需抓紧进行针对性研究：一是施工各阶段和成桥结构质量评定和验收标准以及桥梁静动力检定试验方案；二是基于运营的全生命周期养护维修和健康管理。

2 结构刚度

千米跨度悬索桥应用于铁路尤其是高速铁路，其最重要的控制因素是合理确定结构的竖向和横向刚度。悬索桥的竖向刚度主要来自于加劲梁的竖向弯曲刚度和主缆拉力产生的重力刚度，随着结构跨度的增大及其质量的增加，加劲梁弯曲刚度的贡献率逐渐减小，而主缆重力刚度的贡献率则逐渐增加，有效减小了加劲梁的挠度；结构横向刚度主要取决于加劲梁的横向弯曲刚度。因此，控制悬索桥刚度的主要因素有桥梁跨度、主缆截面、矢跨比、加劲梁截面及桥塔抗推刚度。

对于千米跨度高速铁路悬索桥，现有铁路桥梁设计规范的刚度标准已不再适用，而结构刚度的合理取值是一项重要的技术问题，需针对具体结构，通过动力响应分析并参考国内外工程实践经验予以确定。日本在20世纪80年代连续建成通车的几座大跨度明桥面铁路悬索桥的竖、横向刚度见表1，其列车实际运行速度最高达180 km/h，运营30年来效果良好。国外铁路悬索桥活载竖向挠跨比基本为1/300～1/400，横向有车风作用下横向挠跨比为1/380～1/600，横向强风作用下横向挠跨比为1/100～1/200。我国公路悬索桥设计规范[7]关于竖、横向刚度规定：加劲梁由车道荷载频遇值引起的最大竖向挠度值不宜大于跨径的1/250，频遇系数取1；加劲梁在风荷载作用下，最大横向位移不宜大于跨径的1/150。目前，我国铁路悬索桥建议竖、横向挠跨比见表2[8]。

表1 日本铁路悬索桥竖、横向刚度

表2 我国铁路悬索桥建议竖、横向挠跨比

可根据表2建议刚度标准进行结构设计，再采用车-轨-桥系统耦合动力学理论，针对具体的结构设计方案和运行列车，分别进行车-线-桥和风-车-线-桥系统空间耦合振动计算，并根据动力仿真分析得到的列车安全性及乘客乘坐舒适性指标，综合判断结构刚度的合理性及不同风速条件下的列车运营安全车速阈值。鉴于千米跨度高速铁路悬索桥设计刚度合理取值的极端重要性和复杂性，应采用动力仿真与实桥试验相结合的方式深入开展超大跨度铁路悬索桥竖、横向及其扭转刚度等动力设计参数的研究。

3 主要受力构件

3.1 主缆

主缆是悬索桥最重要的受力构件之一，对于千米跨度高速铁路悬索桥，结构恒载与活载都较大，主缆受力大，因而所需直径亦较大。主缆的直径和强度的合理匹配、主缆强度安全系数的选择、大直径主缆挤紧及缠丝设备是目前的研究重点。

日本明石海峡大桥采用2根直径1.12 m主缆，每根主缆由290根索股构成，每根索股长度约4645 m、质量约92 t，索股由127根直径5.23 mm的预制平行高强钢丝组成，钢丝抗拉强度为1800 MPa。由于该桥的恒载达到总荷载的91%，恒载所占比率高，因此在活载作用下，应力幅度变化较小，主缆设计安全系数从2.5降至2.2。意大利墨西拿海峡大桥设计主缆直径为1.271 m，由349束127根直径5.4 mm的预制平行钢丝索股构成，抗拉强度为1860 MPa，每根索股长度约5290 m，质量约121 t。全桥共布置4根平行主缆，单侧2根主缆中心距为2 m，上、下游主缆中心距为52 m，西西里岛和卡拉布里亚侧边跨主缆分别追加8束和12束索股。该桥的恒载达到总荷载的78%，在主要荷载组合作用下主缆强度安全系数为2.12。我国在建的五峰山长江大桥采用2根直径1.3 m主缆，每根主缆由352根索股构成，索股由127根直径5.5 mm的预制平行镀锌高强钢丝组成，钢丝抗拉强度不小于1860 MPa，每根索股长度约2000 m，质量约48.7 t。该桥的恒载约占总荷载的82%，在主要荷载组合作用下主缆强度安全系数采用2.2。综合千米跨度悬索桥主缆应用现状，并考虑千米跨度高速铁路悬索桥恒载所占比率增大的特点，其主缆设计时可采用合适的强度安全系数，如2.2～2.3，而不必采用传统公路悬索桥的强度安全系数2.5。此外，应加强超高强度钢丝（如标准强度1960 MPa以上）的研发和应用，并综合考虑钢丝强度提高后对桥梁主体结构本身进一步优化的可能，根据主缆承受拉力的大小，亦可考虑采用多根主缆。根据目前的悬索桥施工技术条件与水平、索夹铸造与机加工工艺，一般控制主缆直径不超过1.3 m为宜，施工中应选择合理的主缆索股牵引机架设方案，采用高精度的控制测量技术，确保主缆线形满足设计及规范要求，同时研制适用于超大直径主缆挤紧及缠丝的设备，确保主缆的施工质量。

主缆作为不可更换的永久构件，其耐久性决定整个大桥的使用寿命，防腐措施与除湿系统是避免主缆钢丝产生腐蚀破坏、确保主缆耐久性的关键。主缆防护构造可采用传统防护涂装体系，即磷化底漆+不干性密封膏（不干性防护腻子）+φ4 mm镀锌低碳钢丝+磷化（环氧云铁）底漆+密封剂+聚氨脂面漆，也可参考JTGT D65—05—2015《公路悬索桥设计规范》第16.3.1和16.3.2条的规定进行耐久性设计，同时应进一步加强新的防腐材料和技术的研发，建立更为可靠的主缆防护体系。

3.2 锚碇

锚碇是悬索桥主缆的锚固体，是支承主缆的重要部分，也是悬索桥的关键受力构件之一。受力上主要是保证抗滑稳定性及重力式锚碇的抗倾覆安全，地基承载力与结构受力均需满足要求。锚碇可分为重力式、隧道式和岩锚，其中重力式锚碇基础可采用扩大基础、沉井基础、地下连续墙基础等，应根据桥址处地质、地形条件与经济性选择合适的锚碇与基础形式。日本明石海峡大桥两端均采用重力式锚碇，神户岸锚碇采用环形地下连续墙基础，淡路岛岸锚碇基础由于覆盖层较薄，海面以下20 m是花岗岩，因而采用明挖基础。我国在建的五峰山长江大桥北锚碇位于冲击平原区，地形较平坦，覆盖层以粉砂和粉细砂为主，采用沉井基础（见图1）；南锚碇位于五峰山山坳冲沟处，覆盖层以粉质黏土为主，基底为微风化凝灰质砂岩，采用圆形钢筋混凝土扩大基础，充分利用岩体强度，基础底面呈台阶布置。日本明石海峡大桥沉井基础面积率先突破5000 m2；我国沪通长江大桥沉井基础为5100 m2，五峰山长江大桥则达到7200 m2，其沉井长100.7 m、宽72.1 m、高56.0 m，标准壁厚2.0 m，隔墙厚1.3 m，中间共设置48个矩形井孔，是目前世界上平面面积最大的沉井。

图1 五峰山长江大桥北锚碇沉井基础

针对大型沉井施工过程中的关键力学问题，有必要开展沉井基础摩阻力、沉井基础突沉和翻砂机理、沉井位移及转角计算方法等研究，提高沉井基础计算理论水平。在沉井的下沉施工中，通常采用下沉系数K来评判施工中沉井能否顺利下沉，其中，沉井外侧摩阻力、刃脚埋深摩阻力及井底端阻力是影响下沉系数计算准确性的主要因素，其取值相对复杂，并且不同的侧壁形式、刃脚尺寸、土体特性以及降水或空气幕等助沉措施又进一步加剧了摩阻力计算的复杂性，因此，下沉系数K难以准确计算。采用信息化手段对沉井下沉过程中的结构应力、土压力、变形等进行实时监测，并根据现场监测数据及时修正各项阻力的计算值是准确计算下沉系数的重要途径。下沉系数K通常按大于1控制，但实际工程中下沉系数为1.03～1.06时，仍常出现滞沉及突沉的现象，下沉系数的合理控制值有待进一步深入研究。

在五峰山长江大桥建设中，沉井施工分3次接高、3次下沉。建立沉井施工全过程监控系统，实时采集沉井几何姿态、结构应力、泥面高程、水位、大堤与电塔沉降等数据，分析变化规律，对施工状态进行评估，对后续施工进行预判，提出预警和应对措施。首沉前，由于沉井基础土质松软，无法承载沉井质量，采用“厚垫层砂桩复合地基”进行首沉前的基础加固处理，创新“沉井排水、十字开槽开挖下沉”工艺；首沉到位后，根据下沉系数和混凝土应力指标，选用“预留核心土滞后开挖法”，即中间预留12个井孔逐渐减少至4个井孔的核心土滞后开挖，始终保持沉井井壁与核心土支撑，安全有效地完成沉井下沉。同时，全面应用三维声呐扫描技术，采用水下三维全景成像声呐系统进行井舱内泥面测量（见图2），将三维声呐扫描泥面标高数据与人工测量泥面标高数据进行对比，配合掌握刃脚埋深情况，实现巨型沉井基础施工控制。此外，针对可能遇到的下沉困难，可在沉井外侧部署空气幕调整侧摩阻力来辅助下沉。

图2 沉井水下地形三维声呐扫描

3.3 桥塔

桥塔同样是支承主缆的重要部分，一般为小偏心受压构件，多采用门式框架钢筋混凝土结构。桥塔的技术关键主要是变形控制、主塔混凝土裂纹和基础的选择与施工。主塔施工阶段变形控制的关键指标是主塔的垂直度及其预抬高量。我国目前施行的TB 10752—2018《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》[9]不包括悬索桥，其第14.2.10条规定，斜拉桥主塔倾斜度的容许偏差为塔高的1/3000，且不大于30 mm或设计要求，顶底面高程容许偏差为±20 mm。JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》[10]第19.3.4条规定，悬索桥索塔倾斜度的容许偏差为塔高的1/3000，且不大于30 mm或设计要求，索鞍底板面高程容许偏差为（+10，-0）mm。对于千米跨度高速铁路悬索桥主塔施工过程中变形可暂时参考《公路桥涵施工技术规范》的相关规定从严控制，并实时监控索塔关键点位的应力，同时加紧研究确定高速铁路悬索桥主塔的偏位控制指标及措施。对于钢筋混凝土超高主塔，局部易产生龟裂、纵向裂纹，其根本原因是混凝土内部温度与表面温度之差和混凝土表面温度与环境温度之差超出允许范围造成的。同时，由于塔柱高，高空风力较大，易造成塔柱养护时水分和热力加速散失，因此，后期拆模后的养护措施至关重要。为降低下横梁及塔柱大体积混凝土温度应力，夏季可采用自动喷淋系统及冷却水和防风设施解决保湿问题，冬季可采用混凝土养护系统有效解决混凝土降温期因表面降温过快导致的内表温差过大的问题，起到很好的“外保内散”效果。同时，可在上下层混凝土间预埋防裂网，减小上下层混凝土温度应力的影响。对桥塔基础可根据不同的建设条件和经济性选用桩基础、沉井基础或扩大基础等，在建的五峰山长江大桥主塔，采用左右塔柱分离式承台、群桩基础，共计布置67根φ2.8 m钻孔桩，由于上、下游岩面埋深差异较大，上、下游钻孔桩采用长短桩设计。超大直径超长桩基施工中如何保证桩基施工质量、加快施工进度，需结合工程实际进行重点研究，针对不同岩石特性、不同岩面角度，进行钻孔机械比选，合理选择不同地层中泥浆的控制指标和钻进参数。

3.4 加劲梁

图3 日本南备赞濑户大桥加劲梁截面

图4 五峰山长江大桥主桥加劲梁截面

图5 意大利墨西拿海峡大桥加劲梁截面

从桥梁建造的经济性和结构设计的合理性、有效性考虑，悬索桥宜采用公铁合建的模式。公铁分层合建的加劲梁一般采用钢桁梁，而同层合建结构的加劲梁多采用钢箱梁，从提高加劲梁的竖向刚度和确保铁路列车及公路车辆运行安全角度考虑，千米跨度高速铁路悬索桥宜选用公铁分层合建的模式。日本南备赞濑户大桥，上层设4车道公路，下层设4线铁路（见图3）；我国在建的五峰山长江大桥，上层设8车道高速公路，下层设4线铁路（见图4）。双层布置能为列车提供较大的行车空间，公铁可使用独立的系统互不干扰，方便分离养护，加劲梁高较大，梁体刚度大，有利于满足列车走行性要求。同层合建一般将铁路布置在中间，如已完成设计的意大利墨西拿海峡大桥（见图5），其较大的桥面宽度提供较好的结构横向刚度；我国香港青马大桥则为上层桥面布置双向6车道公路，下层桥面布置2车道公路与2线轨道交通（见图6）。

图6 青马大桥加劲梁截面

钢加劲梁宜采用工厂制造、现场整节段吊装的方式进行安装，其中超重钢桁梁节段的架设为其施工关键。加劲梁施工精细化控制要统筹考虑钢梁架设是否携带铁路二期恒载、中跨桁梁临时连接方式和主梁拼接时机、边跨与中跨钢桁梁连接方案、主梁线形等影响因素和控制指标，并重点研究确立应对措施。对于钢结构主梁，考虑无应力尺寸的制作可能会出现误差，还需针对钢梁的制造进行全过程控制，可根据已制作桥梁构件的误差分析情况，在后批次或现场拼装过程中采取改进措施来减少误差。此外，由于桥面线形由加劲梁及主缆的线形共同确定，还需进行主缆与主梁线形的耦合关系分析，使成桥桥面更加符合设计成桥线形。

3.5 铁路桥面

铁路桥面结构主要有3种形式，即纵横梁体系明桥面、纵横梁体系有砟桥面、整体有砟桥面。日本20世纪80年代建成并运营的几座公铁两用悬索桥（如南北备赞濑户大桥等）的铁路桥面均采用纵横梁体系明桥面，其列车实际运营最高速度仅为160～180 km/h。整体有砟桥面是我国目前高速铁路大跨度钢桥上应用较为广泛的铁路桥面形式。为减轻结构二期恒载，通常采用正交异性钢桥面板作为道砟槽，钢桥面板顶面两侧与主桁下弦杆的上翼缘连接，桥面参与主梁结构受力。钢桥面板采用不锈钢复合钢桥面，从而有效解决桥面的防腐与耐久性问题。

依据生产工艺，复合钢板可分为爆炸复合和热轧复合。爆炸复合比较适合厚度较大的钢板，受外部条件和气候限制，生产成本较高，桥面平整度控制难度大且易造成振动、噪声和烟尘等环境污染，2014年建成通车的合肥铁路枢纽南环线主跨229.5 m的钢桁梁柔性拱桥道砟范围内采用了爆炸复合的复合钢板（厚14 mm普通钢板+厚3 mm不锈钢板）桥面。热轧复合是将基板和不锈钢板处于物理纯净状态，在高度真空条件下进行轧制而成，具有环境污染小、生产成本较低、生产效率高等特点。对于千米跨度高速铁路悬索桥宜优先考虑采用热轧复合钢板，在建的五峰山长江大桥就是采用热轧复合钢板，铁路桥面顶板厚16 mm，在10 m宽的道砟范围内铁路桥面顶板采用复合钢板，即16 mm厚的Q370qE钢板+3 mm厚的316L不锈钢板；两侧挡砟墙的内侧竖板同样采用复合钢板，即10 mm厚的Q370qE钢板+3 mm厚的316L不锈钢板。复合钢桥面板在施工过程中主要涉及焊接工艺和焊缝检测技术，考虑2种材料的特殊性，焊接需要对基层和复层分别施焊。基于检测效果、效率等考虑，复合焊缝的质量控制主要依靠超声波检测手段。不同材质声波传播的声速差异、材料晶体组织结构差异，会造成声波在异种界面传播的损耗和偏转，可能引起缺欠定位偏差，影响超声波检测评判精度，需要测定入射点、综合声速、综合角度，消除不同声速传播造成的位移。

从已开通运营的正交异型板桥面发生的病害来看，顶板和U肋焊缝位置的损伤占比达60%以上，因此，桥面板U肋的焊接质量是施工控制的关键。针对单侧或双侧部分熔透角焊缝存在的缺陷，应考虑研究应用焊缝全熔透技术，有效改善正交异性钢桥面板抗疲劳性能。同时，对于复合钢板桥面，其疲劳性能是必须解决的重要问题。我国复合钢板桥面构造细节推荐设计曲线和疲劳容许应力幅见表3。加强复合钢板桥面的抗疲劳设计理论和试验研究、完善施工工艺和质量控制措施是下一步的重点工作。

表3 复合钢板桥面构造细节推荐设计曲线和疲劳容许应力幅

4 展望

千米跨度高速铁路悬索桥结构复杂、关键技术多、建造难度大、安全风险高，建造过程管理面临诸多挑战，需要项目参与各方在建造全过程中合力共为、密切协作，为运营期桥面轨道几何状态长期稳定、行车安全平稳奠定坚实基础。针对千米跨度高速铁路悬索桥建造期间面临的关键技术难题，通过开展科研攻关、施工技术方案评审、智能化技术创新实现突破，为全生命周期管理提供强有力的技术支撑。要以形成全生命周期综合管理平台为基本目标，充分运用前沿信息化手段和BIM技术，构建集设计、施工和运维于一体的信息化管理平台，并依托该平台，实现信息的交互共享和技术融合。

实现全生命周期工程建设管理应从以下3个方面开展工作：

（1）在设计阶段，应通过加强对关键技术研究、全生命周期优化设计、耐久性设计、特殊设计、全生命周期技术咨询和基于施工、运营反馈的设计优化等的管理，建立一套完整的设计技术管理构架。

（2）在施工阶段，要加强对施工质量和施工安全的全过程控制，通过推进施工关键技术研究、关键装备的研发，为优化施工方案和施工组织提供技术支撑，加强施工风险分析与控制、施工信息化监测与监控。

（3）加强智能检测技术与装备研发，应考虑应用智能机器人等新一代信息化及机械控制与工业自动化技术，结合千米跨度悬索桥的关键结构和典型部位，全面开展智能检测技术研究，如缆索自动检测机器人、索塔及支座无人机检测技术，具备信息自动无线传输、图像识别等功能。

千米跨度高速铁路悬索桥设计和建造技术复杂，要在工程实践中进一步树立全生命周期管理理念，通过完善结构设计理论、创新建设管理模式、探索新的工艺工法、建立健康监测系统[11]、创建新的运营维护技术标准、加强信息化应用等综合方法，统筹建造全过程的项目管理，并通过运维中的数据分析进一步检验和完善设计理论。针对千米跨度高速铁路悬索桥建造面临的主要问题，提出解决问题的建议和方案，同时提出需深入研究解决的难题，为类似桥梁的建造提供借鉴和参考，并为今后进一步研究指明了方向。