复杂艰险山区高速铁路桥梁设计技术

2020-05-08陈克坚谢海清何庭国许志艳

高速铁路技术 2020年2期

陈克坚谢海清何庭国许志艳

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

随着我国新时代“西部大开发”和“交通强国”战略的推进，高速铁路网逐步由平原丘陵地区向复杂艰险山区拓展，至2025年，高速铁路通车里程将达到3.8万km，其中复杂艰险山区高速铁路约1.5万km，占比约39.5%。复杂艰险山区地形起伏大、交通不便、施工场地狭窄，且地质复杂、地震频发、危岩落石和泥石流广泛分布，加之高速铁路安全性、稳定性和平顺性要求高，给高速铁路桥梁设计带来了巨大的挑战。

本文结合贵广、云桂、沪昆、渝利等共约 2 300 km典型山区高速铁路的设计经验和相关科学研究，对复杂艰险山区高速铁路桥梁设计面临的高墩大跨桥选型、高烈度地震区桥梁设计、峡谷风环境高速行车安全保障技术、高陡边坡墩台防护、危岩落石防治、泥石流防治等关键技术进行总结，为复杂艰险山区高速铁路桥梁设计提供借鉴[1]。

1 高墩大跨桥梁选型技术

1.1 大跨桥型跨径范围及适用条件

高墩大跨桥梁桥型方案选择考虑的主要因素有：①桥梁须保持高平顺性，以满足列车高速运行安全性和旅客乘坐舒适性的要求。因此，首先应考虑结构刚度大，后期变形小的桥型方案；②复杂艰险山区沟壑纵横、地质复杂、运输不便、施工场地狭窄、后期运营养护维修困难，桥型结构方案和施工方法的选择应适应艰险山区的建设及运营养护条件；③高墩大跨桥联长常受无砟轨道温度联长控制，联长超过200 m的桥梁需研究设置钢轨伸缩调节器，设置钢轨伸缩调节器的桥梁，桥上线路纵坡宜控制在6‰以下。

铁路悬索桥自身刚度提升困难且温度变形大，能否满足列车高速行驶有待进一步研究。因此，目前适用于复杂艰险山区高速铁路大跨度桥梁的主要桥型有梁式桥、组合结构桥、拱桥和斜拉桥。根据各桥型的跨越能力和受力特点，并结合我国艰险山区高速铁路大跨度桥梁的工程实践，提出大跨梁式桥、组合结构桥、拱桥和斜拉桥的跨径范围和适用条件，如表1所示。

1.2 桥梁选型原则

复杂艰险山区地形起伏较大，高速铁路桥式方案选择应结合桥位处地形、地质条件，并经技术经济综合比选确定，桥型选择一般原则如下：

(1)墩高在60 m以下时，一般采用简支梁桥通过；墩高小于150 m、跨度不大于200 m时，一般采用大跨连续梁或连续刚构桥通过；跨越U型宽谷时，可考虑多跨长联预应力混凝土刚构-连续组合桥。

表1 高速铁路各大跨桥型跨径范围及适用条件表

(2)当跨度超过200 m时，一般采用斜拉加劲或拱加劲PC梁式组合结构桥，以减小残余徐变变形，保证桥面的高平顺性。

(3)跨越V型深切峡谷地形且桥位较高时，优先考虑采用上承式拱桥通过，桥位应选择边坡稳定且地质条件较好的区域。

(4)当线路跨越通航要求较高的江河或山区U型深谷且梁式桥、拱桥无法满足要求时，宜选用大跨度斜拉桥。

1.3 典型桥梁

近年来，我国在复杂艰险山区高速铁路高墩大跨PC梁式桥、混凝土拱桥、钢桁斜拉桥等方面开展了系统研究，取得了多项技术突破，建成了一批具有代表性的大跨度桥梁[2]，如表2所示。如首次采用A型桥墩、最大墩高139 m的渝利铁路蔡家沟大桥，目前世界第一大跨混凝土拱桥、主跨445 m的沪昆高速铁路北盘江大桥等，大幅提高了复杂艰险山区高速铁路绕避灾害的能力和选线自由度。

表2 复杂艰险山区高速铁路大跨度桥梁一览表(部分)

2 桥梁抗震及减隔震技术

复杂艰险山区地震频发，地震烈度高、活动断层广泛分布，桥梁抗震问题突出。针对存在问题，我国在桥梁抗震方面开展了铁路工程结构物抗震设计标准与方法、9度地震区高速铁路桥梁设计及减隔震设计等系列研究[3-4]。

2.1 桥墩延性限值及损伤状态

基于对欧、日、美抗震规范[5-7]中关于延性分类的分析，结合模型试验，提出了我国铁路桥墩不同抗震设防等级的桥梁延性限值，并与损伤状态对应起来，解决了不同抗震设防等级桥梁的性能控制设计问题。桥墩抗震延性限值及损伤状态如表3所示[8]。

表3 桥墩抗震延性限值及损伤状态表

2.2 九度地震区桥梁设计

高烈度地震对桥梁极为不利，桥梁一旦破坏，修复较为困难，因此高速铁路穿越九度地震区应优先选用路基通过。必须以桥梁方案通过时，应严格控制桥梁规模和桥墩桥台高度，优先选用便于修复的标准跨度简支梁桥。如沪昆高速铁路在云南马龙至昆明间穿越南北向小江断裂带，该断裂带是历史上强震集中而又频发的地区，地震动峰值加速度大于0.40 g，沪昆高速铁路从小江断裂带南部穿越，涉及桥梁15座，共计 7 421.3 m。为保证高速铁路运营安全，设计开展了九度地震区高速铁路梁型、跨度比选和减隔震支座、防落梁措施等系列研究，最终选用了24 m标准预应力混凝土简支箱梁，梁部设置了纵、横、竖三向限位装置，并采用了研发的摩擦摆式减隔震支座，满足了九度地震区桥梁抗震的设计要求。

2.3 减隔震技术及措施

桥梁减隔震设计方法主要有以下几种：①延长结构周期，减小结构地震反应；②增设阻尼器装置耗散能量；③采用限位装置限制结构位移[9]，其基本原理如图1所示。目前常采用的摩擦单摆支座、橡胶隔震支座、软钢阻尼支座、高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、速度锁定器、粘滞阻尼器等减隔震措施，均基于上述原理设计。

图1 桥梁减隔震设计基本原理图

减隔震装置选取应结合其结构、力学性能和环境条件综合考虑，除延长周期和增加阻尼外，还应从正常使用性能、经济性、耐久性等方面全方位进行比较。减隔震技术的主要适用条件为：①桥梁下部结构高度变化不规则，刚度分配不均匀；②场地条件较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率；③根据铁路桥墩的特点，建议单线铁路简支梁桥墩高小于40 m、双线铁路简支梁桥墩高小于45 m时，采用减隔震措施。

3 峡谷风环境高速行车安全保障技术

3.1 环境风速对高速铁路列车运行的影响

复杂艰险山区峡谷环境风场收缩效应显著，瞬时风速大，风场紊乱。列车在强侧风环境下运行时，空气阻力、升力、侧向力迅速增加，产生较强的倾覆力矩，严重影响车辆的横向稳定性和列车运行安全。鉴于此，日本、德国、瑞典等国家均规定了不同风速下列车运行速度的限值，我国《铁路技术管理规程》(高速铁路部分)第343 条对大风天气高速铁路行车的速度作了规定，如表4所示。

表4 环境风速对动车组列车运行速度的影响表

3.2 桥面导风栏杆技术

为保障峡谷大风环境下高速铁路桥上列车的运行安全，设计研发了一种新型桥面导风栏杆结构，该结构具有导风、挡风功能，既保障了桥上高速列车的运行安全，又降低了风屏障对桥梁抗风性能的影响，且兼具栏杆的功能，经济高效地解决了峡谷横风对桥上高速行车安全的影响。导风栏杆结构及安装断面如图2所示。

图2 导风栏杆结构及安装断面图(mm)

该导风栏杆已成功运用于沪昆高速铁路北盘江大桥和云桂铁路南盘江大桥。北盘江大桥为主跨445 m上承式混凝土拱桥，桥面距离谷底300 m，桥位处风速达25 m/s，若不设置风屏障，桥上列车需按时速 200 km限速运行。设置导风栏杆结构后，通过风洞试验和风-车-桥耦合动力响应分析，得到车体竖向加速度最大值为1.15 m/s2，车体横向加速度最大值为0.962 m/s2，脱轨系数最大值为0.560，减载率最大值为0.472，均满足规范要求。桥面风速25 m/s及以下时，列车可按设计时速350 km运行，无需限速，同时满足旅客乘坐舒适的要求。

4 高陡边坡桥墩防护技术

复杂艰险山区高速铁路桥梁基础多位于陡坡上，基础开挖边坡高陡，地质复杂，加之山区雨季较多，易发生基坑边坡坍塌。部分傍山桥墩设置于中厚覆盖层或强风化层中，存在山体边坡蠕变现象，严重时将影响高速铁路桥梁施工和运营安全，设计时应引起高度重视。因此，桥墩和基础设计时，应尽量减小基础埋置深度，抬高基坑底面，减少对既有山体的扰动，同时加强桥墩基坑开挖纵向、横向边坡的防护设计。

高陡边坡基坑开挖防护主要有以下几种情况：①在桥墩靠山侧，一般采用按永久边坡坡率清方后，设置喷混凝土支护或喷锚支护的方式进行防护；②对于存在坍落、塌滑的坡面，采用在靠山侧设置预加固桩(钢筋混凝土抗滑桩)、喷射混凝土封闭护坡、混凝土挂网喷锚、锚杆框架梁或锚索等方式进行防护；③存在顺层、岩堆、滑坡等不良地质体时，应根据具体的地形地质情况进行设计和检算，采用清方、抗滑桩、锚杆、锚索等方式进行综合防护。

4.1 边坡纵向防护

沪昆高速铁路北盘江大桥桥位处岸坡陡峻，特别是上海岸拱座附近，综合坡率约为50°，局部坡率达72°。为尽可能减小对既有山体的扰动，2号拱座基础采用台阶式开挖，将基坑防护底面尽量抬高，并在靠山侧坡脚设置锚固桩。通过在坡面增设锚杆和锚索的方式将刷坡率由1∶0.75调整为1∶0.55，大幅降低了对既有山体的开挖。同时，在1、2号墩间采用65 m大跨梁，避免了将1号桥墩设置于刷坡体上。采用纵向边坡综合防护措施后，基坑刷坡高度为96.8 m，刷坡长度为78.3 m。2号拱座基坑开挖纵向防护示意如图3所示。

图3 北盘江大桥上海岸基坑开挖防护示意图(m)

4.2 边坡横向防护

复杂艰险山区高速铁路桥梁横向防护主要包括墩台基础基坑开挖横向防护和桥梁范围山体整体横向防护。墩台基坑开挖横向防护处理措施与桥墩纵向防护基本相同。当桥梁傍山布置时，若山体坡面存在中厚覆盖层或破碎强风化层、顺层或潜在滑坡时，需对桥梁范围山体整体进行横向预加固防护。以某复杂艰险山区高速铁路桥梁为例，该桥地处两断层夹持带，山体基岩极为破碎、风化层厚度达35 m，且桥梁位于侧沟深切的“倒三角”楔形陡坡上方。受重力作用，该斜坡存在向下方沟谷潜在蠕变的趋势。为保证高速铁路运营安全，必须对全桥横向潜在的蠕变体进行防护。设计时，在推测蠕滑面前缘设锚索桩，沿坡面自下而上设置四个锚索框架梁加固区，以防止边坡蠕变导致的桥墩偏移，横向防护示意如图4所示。

图4 高速铁路桥梁横向防护示意图

5 危岩落石防治技术

危岩落石灾害是高山峡谷地区一种常见的地质灾害类型。山区陡坡地段经常会形成崩塌、落石、岩堆等不良地质，同时隧道进出口高陡边坡在雨水、地震等自然灾害以及施工刷坡、爆破等作用下，也会形成危岩、落石、崩塌等，危及高速铁路施工和运营安全。高速铁路线路应尽量绕避大型危岩落石区域及危岩落石集中地段或以隧道通过，当必须以明线工程通过危岩落石及崩塌地段时，应尽可能从危害相对较小地段或骑山脊通过，以降低高速铁路建设和运营安全风险。

危岩落石处理的总体思路为：首先通过野外调绘查明危岩落石分布范围、位置、类型及稳定程度，再分别采取清除、支挡、主动和被动防护等措施进行整治，对于无法清除的危岩，采取预警措施消除落石给高速列车带来的危害。危岩落石一般采用清、固、拦、挡的综合整治措施：①对较大危岩落石区，采取主动窗帘式防护网或锚索加固；②对单独大体积危岩落石，采取锚索及锚杆加固；③对小规模危石，采取锚杆加固或清除；④清、固处理后仍存在零星小块落石风险的地段，采用拦石墙、被动拦石网或明洞、棚洞在线路上方作遮盖防护。危岩落石综合防治措施如图5所示。

图5 危岩落石综合防治措施图

复杂艰险山区高速铁路桥隧占比常高达线路全长的80%～90%以上，且多桥隧相连，其危岩落石防治一般采用隧道口明洞接长的方式。在隧道口明洞接长条件受地形、地质条件限制时，常考虑设置棚洞防护，如成昆、内昆、宝成等铁路均采用了钢筋混凝土防护棚洞。近两年开展了危岩落石地段桥梁和棚洞一体化技术的研究，将桥梁结构和棚洞结构结合在一起，以增加棚洞的防护范围，合理降低棚洞的工程造价，进一步提高了山区铁路危岩落石防治技术的综合水平，保障了高速铁路的运营安全。梁支承棚洞结构为典型的桥棚一体化结构，其结构模型如图6所示。

图6 梁支承棚洞结构模型图

6 泥石流防治技术

泥石流是复杂艰险山区高速铁路常见的不良地质环境，与地形、地质构造和暴雨径流条件的关系十分密切。山区最常见的为沟谷型泥石流[10-11]，具有明显的物源区、流通区和堆积区，即上游为形成区，中游为流通区，下游为沉积区。根据泥石流特征，可按以下原则进行防治：①对于特大型、大型泥石流，采用线路绕避或隧道深埋通过；②对于中型泥石流，不能绕避时应选择在流通区或沉积区内采用桥梁跨越，并根据泥石流流量、规模和堆积高度，合理选择桥梁孔跨、净空。③跨越泥石流流通区时，应采用大跨一跨跨越；④沉积区为宽浅型沟槽时，采用桥梁一跨跨越泥石流主沟，并对边滩桥墩设置防护墩。

泥石流对高速铁路桥梁的危害主要有：①泥石流及其携带的大量块石和漂砾冲击桥墩，造成桥墩断裂、垮塌、倾倒等；②泥石流冲刷、淘蚀墩台基础，导致基础沉陷变形；③泥石流在桥下淤积，堵塞桥涵，引起桥梁净空和排导断面不足，漫流淤埋桥梁。依据泥石流对铁路桥梁的危害方式，总结提出了导流、稳坡、拦挡、固床、停淤等工程防治措施和林业、农业、牧业等生物防治措施，泥石流灾害综合防治措施如图7所示。