京张高铁官厅水库特大桥总体设计及创新技术

金 令，李 辉，高静青，夏 龙

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 工程概况

1.1 简介

北京至张家口铁路位于北京市西北、河北省北部，线路起自北京北站，经北京市海淀区、昌平区、延庆县，跨官厅水库，河北省怀来县、下花园区、宣化区，西迄张家口南站，正线全长173.964 km，桥隧比例为66%。官厅水库特大桥为京张高铁“一桥两隧”中的“一桥”，跨越北京市备用水源地、一级水源保护区官厅水库，是全线重点工程。

1.2 基础资料

1.2.1 地理位置

拟建官厅水库特大桥横跨官厅水库，距水库大坝约16.7 km，桥址处水面宽约800 m，见图1。

图1 桥址平面示意

桥位下游(西侧)约70 m为京藏高速公路官厅湖特大桥，结构形式为预应力混凝土连续箱形梁，跨度布置为(65+10×110+65)m[1]。

桥位上游(东侧)约1.7 km处为既有京包铁路妫水河特大桥5-128 m钢桁梁桥[2]，以及在建怀来城市道路工程跨越官厅水库的主跨720 m悬索桥。

1.2.2 地质构造

根据野外地质调查及钻孔揭示，桥址区范围地层除人工填土外，主要有第四系全新统湖积层，第四系上更新统冲洪积层及第四系上更新统湖积层。

1.2.3 桥渡水文

水库的正常蓄水位高程为479.0 m，1/100频率洪水位高程为481.82 m，1/300频率洪水位高程为482.82 m。坝前最高洪水位高程为488.62 m。设计洪水流量11 450 m3/s。桥位处水深约10 m，本桥为全线最大水深桥梁。

1.2.4 气象条件

桥址区属于寒温带半干旱性气候区，冬季受强大的蒙古高气压控制，冬季漫长寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多风沙。年平均气温10.5 ℃，最冷一月平均气温-6.7 ℃；极端最高气温40.3 ℃，极端最低气温-21.7 ℃；全年平均风速约2.6 m/s，最大风速24.0 m/s。

1.2.5 地震动参数

根据《北京至张家口城际铁路工程场地地震安全性评价报告》，本工程设计基本地震加速度值为0.211g，地震动反应谱特征周期为0.5 s。

1.3 主要技术标准

(1)铁路等级：客运专线。

(2)设计速度：350 km/h

(3)线路情况：双线(5.0 m线间距)、直线。

(4)轨道类型：CRTSⅠ型无砟轨道。

(5)设计荷载：ZK荷载。

(6)设计洪水频率：1/300。

2 设计关键技术问题

老京张铁路是我国自主修建的第一条干线铁路[3-4]，新老京张铁路见证了我国自主修建铁路的百年历程与进步。同时京张高铁也是国家举办国际盛会—冬季奥运会的重要配套基础设施，备受瞩目。根据工程特点，需要解决以下关键技术问题。

(1)水源保护区钢桥环保技术。主桥跨越北京市备用水源地、一级水源保护区官厅水库库区，环保要求极为严苛。桥梁建设要将环境保护融入全过程，在设计、施工、运营各个阶段贯彻环保，与生态环境和谐共存。

(2)无砟轨道长大钢桥关键技术。为保障冬奥会赛事安排，要求京张高铁全程运行时间不超过50 min，受控于北京市区、崇礼山区无法达速，中间区段必须达到350 km/h速度，官厅水库大桥正好位于该高速段落。目前世界上运行速度达到350 km/h的最长钢桥为单跨140 m[5]，而官厅水库大桥主桥钢梁长度达880 m，且为多联多跨结构，需要攻克无砟轨道长大钢桥技术，才能保证350 km/h高速行车安全又舒适。

(3)智能维养技术。曲弦钢梁在同等刚度条件下具有经济性优势，造型也比平弦柔和，但给检修工作带来一定困难：常规钢桁梁上弦检查车不适用。结合京张高铁智能化建设，提出曲弦桁架桥智能检查车辆技术。

3 桥梁总体设计及技术创新

3.1 总体设计

作为奥运工程，官厅水库特大桥的设计秉承绿色京张、人文京张的建设理念，在桥梁孔跨、桥式选择、纵断面设计等多方面进行专题研究和专项设计。

3.1.1 主桥孔跨决定的依据

本桥与既有公路桥基本平行，且相距较近，桥梁孔跨的布置原则主要是比照既有公路桥桥墩位置对孔布置。既有公路桥主桥为(65+10×110+65)m预应力混凝土连续梁，考虑到本桥桥位处水面略窄，本线在上报水利部门审批时将主桥压缩为8孔，获得批准后将主桥孔跨确定为8孔110 m，布置见图2。

3.1.2 主桥桥式选择

官厅水库特大桥原定采用系杆拱桥，之后为了协调建设工期，同时给高速列车提供更好的行车条件，最终采用曲弦钢桁梁桥式[6]，以便快速施工并提高刚度。其轮廓外形与拱桥相近，采用多孔布置，线条柔美而有韵律，古典中融合现代技术，充分体现人文京张设计理念。

3.1.3 桥梁纵断面设计环保专项设计

由于官厅水库为北京市备用水源地、一级水源保护区，不允许桥面初期雨水进入库区，以避免造成水体污染。为此考虑，以主桥中间为顶点，往两侧分别设置2.0‰的上坡段及-2.0‰的下坡段，以25 000 m半径竖曲线衔接，以便初期雨水利用纵坡重力式排放。

3.1.4 全桥孔跨布置

综合上述条件，确定官厅水库大桥全长9 077.89 m，全桥孔跨布置为：36-31.5 m简支箱梁+1-23.5 m简支箱梁+1-31.5 m简支箱梁+1-(40+64+40)m连续梁+3-31.5 m简支箱梁+3-23.5 m简支箱梁+69-31.5 m简支箱梁+1-23.5 m简支箱梁+110-31.5 m简支箱梁+8-110 m钢桁梁+21-31.5 m简支箱梁+1-23.5 m简支箱梁+1-31.5 m简支箱梁[7]。

3.2 结构设计

3.2.1 上部结构

采用8孔有竖杆整体节点三角桁架下承式简支钢桁梁，上弦采用变高度桁式，近似拱形，见图3。钢梁计算跨度108 m，梁长109.7 m，主桁支点桁高11.0 m，跨中桁高19.0 m，桁宽13.8 m，节间长10.8 m。桥面系采用正交异性钢桥面板[8]，钢桥面板上挡砟墙内侧铺设20 cm厚钢筋混凝土板[9]，见图4。

图3 立面布置

图4 横截面布置(单位：mm)

(1)主桁

斜杆截面形式部分采用□形截面，部分采用H形截面。端斜杆为□形截面，杆件内宽900 mm，高1 320 mm，板厚40 mm；其他腹杆外宽900 mm，高680 mm或720 mm，板厚16～28 mm。

主桁上、下弦杆节点均采用整体节点形式。上、下弦杆均采用四面拼接，除端斜杆采用四面拼接外其余腹杆均插入节点板内拼接。主桁拼接采用M30高强度螺栓。

主桁预拱度的设置是通过调整上弦杆长度来实现的。

(2)桥面系

桥面系为正交异性整体钢桥面板[10]。横梁均采用倒“T”形截面，支点处设置端横梁；其他节点处设节点横梁，间距10.8 m；相临节点横梁间设3片节间横梁。每线铁路下设2道纵梁，间距1.5 m，纵梁采用倒T形截面。

钢桥面板板厚16 mm，纵向采用U形加劲肋和板式加劲肋。桥面板与主桁的连接在工地现场完成。桥面板顶板连接采用焊接，纵横梁腹板、底板和桥面板纵肋连接采用M24高强度螺栓拼接。桥面板混凝土采用工地现浇施工。

(3)联结系

联结系包括上平纵联、桥门架及中间横联。上平纵联由斜杆、横撑组成，采用交叉形，除桥门架处撑杆采用箱形截面外，其余上平纵联截面均为焊接工字形截面。为降低高强螺栓延迟断裂对高速列车的潜在伤害风险，限界上方联结系采用全焊连接设计[11]。

3.2.2 下部桥墩基础

主墩采用双柱式矩形截面桥墩，每个墩柱横桥向4.0 m，顺桥向5.0 m；距墩顶3.1 m处设置系梁，梁高1.6 m，宽4.5 m；桩基采用15根φ2.5 m桩。如图5所示。

图5 主墩构造(单位：cm)

边墩采用双柱+单柱式矩形截面桥墩，主桥侧墩横桥向4.0 m，顺桥向4.0 m；引桥侧墩横桥向6.3 m，顺桥向2.0 m；桩基采用12根φ2.5 m桩[12]。

3.2.3 连接构造

钢梁与下部结构均采用球型钢支座连接，每孔梁设置固定支座、纵向活动支座、横向活动支座、多向活动支座各1套[13]。由于桥墩采用延性设计，为确保抗震性能，横向活动支座在活动范围外设有限位。

桥址位于高震区，采用延性抗震设计的双柱桥墩位移较大，为防止极端地震工况下主引桥结构之间的相互冲击作用，在交界墩处设置有阻尼器[14]，全桥共4套。

3.3 主要施工方法

水中区域设置临时栈桥，主桥水中桥墩基础利用栈桥搭设水中平台施工，钢梁采用设置前导梁的长联顶推法施工。主要步骤如下：如图6所示，在张家口岸引桥侧搭设拼装支架，利用龙门吊拼装首两孔主梁及导梁，并在两联钢梁之间安装临时连接；顶推两孔钢梁移出拼装支架，拼装剩余两孔钢梁及临时连接；4孔钢梁同时向中间墩进行顶推，以此拼装剩余钢梁，直至8孔钢梁顶推完毕；拆除导梁和临时连接；钢梁落架，施工桥面系及附属[15]。

图6 张家口侧钢梁拼装与滑移支架布置

3.4 技术创新

官厅水库特大桥的设计建造融合了多项先进技术，充分体现了绿色京张、智能京张的理念。

3.4.1 无砟轨道长大钢桁梁桥技术

为满足无砟轨道铺设条件，桥梁设计采取了对应措施，采用曲弦桁架结构使主桥具备良好的整体刚度，通过钢-混组合技术[16]提升桥面局部刚度，给无砟轨道板的连接提供了良好的条件。

如图7所示，轨道结构由钢轨、WJ-8B型扣件、道床板、限位凹槽、混凝土底座等组成。道床板和底座均采用C40钢筋混凝土现场浇筑，等长、等宽分块设计(在主桁架节点处断开)，主桥上道床板长度有5 300、4 245 mm两种类型。钢桥面上设20 cm厚混凝土板，无砟轨道底座通过预留钢筋与桥面连接成整体。

图7 无砟轨道构造(单位：mm)

通过该技术，轨道形态得到较好的保持，车桥耦合动力分析显示桥轨共同作用满足规范要求。

3.4.2 超耐候钢桥防腐涂装技术

主桥钢结构采用超耐候防腐涂装技术[17-18]，提高耐候性能，最大程度地延长涂装体系寿命，减少桥梁全寿命期内重新涂装次数，以降低钢桥涂装作业产生的各种污染。

3.4.3 长寿命桥面雨水收集系统

为避免对水库水体造成污染，主桥设置桥面雨水收集系统，可将桥面雨水收集后排入两岸的沉淀/蒸发池。雨水收集系统采用由不锈钢复合钢板[19-20]制成的新型开放式结构，有效避免常规排水管堵塞、冻涨、破裂、老化等一系列问题，大幅降低漏水概率且易于清理维护。设计使用寿命与主体结构相同，远高于PVC排水管3～5年的寿命。

3.4.4 长寿命过渡板支座

考虑桥梁梁缝处过渡板支座检修困难，研究设计了超长寿命过渡板支座，通过采用耐腐蚀材料和设置润滑脂替换结构[21]，提高其可靠性，将过渡板支座维护量降至最低。

3.4.5 曲弦桁架桥智能检查车技术

为解决曲弦钢桁梁桥的检查维修，配套研发了曲弦桁架智能检查车辆，可在最大坡度46°曲弦上行走自如，搭载机器视觉技术可对大桥主体结构进行无人无损巡查，发现问题后能为养护人员提供2.5 kN荷载的维修平台，非检修期可自主装卸至平板车回库贮存保养，综合技术领先国外同类产品。

3.4.6 环保施工技术

(1)采用设置长导梁的整体顶推架设施工方案，取消临时墩，尽可能削减库区水中临时工程。

(2)为避免对库区原有地形地貌的破坏，水中临时工程均采用钢结构，工程修建完成后全部予以拆除。

(3)在水中施工平台上集成设置全封闭泥浆循环池[22]，防止泥浆进入水库污染水体。

4 结语

官厅水库特大桥通过环保施工、超耐候钢桥防腐涂装、长寿命桥面雨水收集系统等环保技术，满足了钢桥在高等级水源保护区的建设、运营维护要求；所采用的无砟轨道长大钢桁梁桥技术实现了350 km/h设计速度，是目前国内最长的无砟轨道钢桁梁桥；通过曲弦桁架桥智能检查车技术研发，积极探索桥梁维养新模式。官厅水库特大桥于2017年年底完成钢梁架设，2019年12月建成通车，为2022年北京冬奥会的交通出行提供保障。