郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥主桥结构设计与施工

王海峰

(中铁上海工程局集团建筑工程有限公司，上海 201906)

0 引言

随着国家经济蓬勃发展，大跨度拱桥结构越来越多地出现在工程建设中，而截至目前大跨度拱桥大多应用在公路及普速铁路中，如宜昌香溪长江公路大桥、沪蓉西高速公路支井河特大桥、杭瑞高速公路总溪河大桥等公路工程，大瑞铁路大保段澜沧江特大桥(140km/h)、渝贵铁路夜郎河双线特大桥(200km/h)等为普速铁路；而在高速铁路建设中采用大跨度拱桥结构的并不多见，据不完全统计，目前仅有沪昆客专贵州段北盘江特大桥(250km/h)为高速铁路大跨度拱桥。

奉节梅溪河双线特大桥在设计速度350km/h的郑万高速铁路中采用大跨度拱桥结构，必然会遇到诸多技术挑战及施工难点，如地形地质条件复杂、抗风抗震性能要求高、拱桥横向刚度要求大、施工组织困难、干扰多、难度大、风险高等。

1 工程背景

1.1 工程概况

新建郑州—万州铁路重庆段站前工程土建4标奉节梅溪河双线特大桥，位于重庆市奉节县境内、长江支流梅溪河河口上游1.5km处，桥梁全长687.8m，设计速度350km/h，是郑万铁路全线重点控制工程。

其主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，拱跨340m，一孔跨越梅溪河，无铰拱结构，拱圈设计钢桁拱肋劲性骨架，主弦钢管内压注C60自密实无收缩混凝土，拱圈外包C55补偿收缩混凝土。拱座采用水平桩+竖直桩分离式嵌固基础，交界墩为双柱式空心墩，拱上共11根立柱，拱上主梁为3联(4孔/联)连续梁。小里程郑州端引桥2×65m T构连续梁，大里程万州端引桥(44+72+44)m连续梁+24m简支梁。全桥总体布置如图1所示。

图1 全桥总体立面布置(单位：m)

1.2 地形地质

梅溪河为U字形河谷地貌，地形起伏大，地面高程140.000～480.000m，部分为陡坎地形，两岸边坡陡峭，自然坡度25°～60°，河面宽度约为280m。桥址区域地表有部分碎石土层及人工填土，以下为强、弱风化泥质灰岩层。

1.3 水文气候

梅溪河为II级航道，受长江三峡蓄水倒灌影响，蓄水后最高水位为173.450m。每年10月至次年2月，三峡蓄水位为最髙水位，水位在172.000～173.450m，较稳定；2月水位开始回落，4月底回落至145.000m，5—9月中旬水位维持在143.000～145.000m，9—10月水位逐渐上涨至最高水位。各类地下水均接收大气降雨补给，向梅溪河排泄，河水无侵蚀性。奉节县位于四川盆地东部边缘，属中亚热带暖湿东南季风气候，年平均气温16.5℃。

针对冶炼厂铜锍杂质铅较高的问题，本文系统分析了杂质铅的走向及分布，并对吹炼渣含铜、CaO/Fe值、渣中SiO2含量及渣温度重要工艺参数的影响进行了研究，研究结果认为铜闪速吹炼较为合理、有效的工艺控制条件和解决办法包括以下几个方面。

2 主要技术标准

铁路等级，高速铁路；设计速度，350km/h；线路数目，双线，线间距5m；线路参数，直线，线路纵坡0.3%；二期恒载，147.25kN/m；轨道类型，60kg/m重型轨，钢轨高17.6cm；轨道结构，CRTSⅠ型双块式无砟轨道；环境类别，碳化环境T1级、T2级；设计使用寿命100年。

3 主桥结构设计

3.1 拱座基础设计

拱座采用水平桩+竖直桩分离式嵌固基础，水平桩主要承受拱跨结构的水平推力，竖直桩主要承受竖向荷载，由拱座承台连接形成整体，该结构传力路径清晰、造型新颖独特，不仅能适应地形、地质及X 形拱圈构造，而且大幅度减小了坡面土方开挖，避免扩展基础大开挖施工对坡面植被及周围环境的破坏。全桥共计异形拱座承台4个、小倾角水平桩4根、大直径变截面竖直桩24根。拱座基础模型如图2所示，拱座基础平、立面如图3所示。

图2 拱座基础模型示意

图3 拱座基础平、立面(单位：cm)

水平桩为小倾角结构，桩身纵向水平下倾10°。每个拱座承台后方对应设置1根水平桩，桩身长度根据地质情况确定，保证桩端岩体能承受拱跨结构的水平推力，确保拱座基础稳定。J1号拱座水平桩左侧长23m，右侧长30m；J2号拱座水平桩左、右侧长均为15m。水平桩标准横断面尺寸为宽6m、高7m(含拱部圆弧高度)，桩端2m长度断面高度加高为8m，标准断面到桩端加高断面之间设置8m长的过渡段，拱部圆弧曲率半径为5m。水平桩混凝土采用C40补偿收缩混凝土，边墙及拱部主筋双肢并置排列，内部横、竖连接筋梅花形密集布置，作业空间狭小。

竖直桩为大直径变截面结构，桩顶9m部分桩径为3.2m，以下部分桩径为2.8m，桩长在17～25.5m，单个拱座承台有6根竖直桩，共24根，按柱桩设计。桩基φ32主筋沿径向双肢并置排列，在变径位置桩身尺寸折线陡变、钢筋笼尺寸线性渐变。

由于提篮拱桥在两岸拱脚处设计为X形岔开结构，每个拱座设计2个独立承台，即全桥共有4个拱座承台。拱座承台设计为不规则形状，底面为正方形，长18.2m，宽11.7m；顺桥向两侧面竖直，前、后面呈倾斜状，均斜向后方，导致拱座承台水平投影长度为20.2m，承台总高度为14.18m。

3.2 拱圈设计

3.2.1主拱圈结构

主拱圈设计采用钢管混凝土劲性骨架+外包混凝土结构，计算跨径340m，矢高74m，矢跨比1/4.595，拱轴系数m=3.2。拱肋为变宽变高钢桁拱架结构，主弦管及横梁弦管内压注C60自密实无收缩混凝土，拱圈外包C55补偿收缩混凝土。

主拱圈平面呈提篮形布置，分为拱脚分叉段和拱顶合并段，从拱脚到拱圈分叉处由两肢单箱单室组成，拱顶合并为单箱3室截面，分叉段半跨采用3道横梁连接。拱圈箱体高度按1.5次抛物线变化，外缘高度由拱脚处高11m渐变至拱顶处高6m。拱轴z轴立面采用悬链线，y轴竖面整体内倾3.48°，形成拱脚分叉的X形结构，拱脚处两肢横向中心距16m，拱顶横向中心距7m，分叉段单肢拱圈箱体外缘宽度为5m。不同区段拱圈箱体的顶、底、腹板的厚度不尽相同，厚度变化采用线性渐变方式过渡处理，变厚过渡段设置在拱肋横梁位置，顶板厚度80～120cm、底板厚度80～140cm、腹板厚度70～100cm。

3.2.2无铰拱结构

拱脚处劲性骨架主弦管埋入拱座承台内3m，预留长约3m伸出承台斜面，与拱肋骨架节段连接。拱脚7m范围内采用钢筋混凝土实体结构包裹劲性骨架，形成无铰拱结构，并在拱座承台中设置纵向预应力束连接拱脚，防止拱脚处拱圈顶板出现受拉裂缝。

3.2.3结构设计分析

X形拱圈的横向刚度较大，能适应大跨度高速铁路对拱桥结构横向刚度的需求，拱圈外包混凝土总体采用分环分段施工。拱圈外包横向分环施工，使得先期施工的底板对后期施工的腹板及顶板可起到支撑作用，从而减少劲性骨架受力；外包纵向分段施工不仅使拱圈受力更均匀，而且增加工作面，加快施工进度。通过对拱圈施工、运营各阶段进行模拟计算分析，保证了拱圈结构安全。

3.3 拱座交界墩及拱上立柱

3.3.1拱座交界墩

拱座交界墩采用双柱式空心墩，近似为A字形，双柱内倾相交至墩顶，中间设置3道空心横梁，J1号墩高72.809m(含墩顶盖梁)，J2号墩高73.879m，墩底实体段高3.0m。墩顶平面尺寸为顺桥向6.0m、横桥向9.0m，墩身顺桥向按直坡设计，J1号呈4.647°倾斜，J2号呈4.554°倾斜。单肢墩柱截面尺寸为3.5m×6.0m，墩身顺桥向壁厚1.0m，横桥向壁厚0.7m；空心横梁截面5.0m×2.5m(宽×高)，横梁壁厚均为0.5m。为方便脱模，盖梁、墩柱及横梁均设置R=30cm的圆角。

3.3.2拱上立柱

拱上共11个立柱，其中Z1～Z3，Z9～Z11为双柱式空心墩，墩身结构类似于拱座交界墩，根据墩身高度分别设置0～2个横梁，其中Z1立柱高46.4m、Z2立柱高27.2m、Z3立柱高14m、Z9立柱高14.5m、Z10立柱高27.9m、Z11立柱高47.3m。Z4，Z8为实体墩，Z4立柱高5.5m、Z8立柱高5.8m；Z5～Z7立柱不设柱身，高度均在3m以下。

3.4 拱上主梁

拱上主梁为3联连续梁，4孔/联，中间1联跨径布置(29.5+2×29.6+29.5)m，两侧边联跨径布置(30.3+2×29.6+29.5)m。拱上主梁为预应力钢筋混凝土箱梁结构，梁高3.035m，桥面宽12.6m，底板宽6.7m，标准横断面处顶、底板厚30cm、腹板厚45cm，支座附近顶、底、腹板均加厚。

4 施工方案

首先进行边坡支护及拱座基础施工，然后采用缆索吊机斜拉扣挂法从两岸对称安装钢拱肋节段至拱顶合龙，之后压注管内混凝土、施工拱圈外包混凝土，最后施工拱上立柱及主梁，总体遵循主桥拱肋及引桥平行施工、缆索吊机施工与主引桥互不干涉的原则。

4.1 拱座基础施工

依托实际地形条件修建施工便道至拱座位置，根据地形、地质特点对边坡进行区域划分，采用分级开挖、分区支护的组合支护方案进行拱座基坑开挖及边坡支护。考虑附近既有结构物较多，拱座水平桩及竖直桩要求非爆开挖，竖直桩采用人机结合套钻成孔工艺施工，大型钢筋笼内外主筋分解安装，按水下灌注工艺成桩，水平桩参照隧道施工采用上下台阶法开挖，拱座承台分层浇筑施工，专门设计定位支架安装拱脚预埋段，保证安装精度。

4.2 拱圈施工

受地形限制，采用缆索吊机进行钢拱肋吊装，并辅助后续的拱圈外包、拱上立柱及连续梁施工。根据现场条件及桥梁结构特点，选用额定起重150t的双塔3跨结构缆索吊机，并据此合理划分钢拱肋节段，共分32节段、48个吊装单元(拱脚预埋段及拱顶合龙段除外)。钢拱肋在厂内分段加工，主弦钢管以折代曲制作，采用3+1整体轮次匹配拼装，然后船运至现场通过缆索吊机吊装，采用斜拉扣挂法从拱脚向拱顶对称安装拱肋节段、在拱顶实现强迫合龙。

拱肋合龙后，按先下弦后上弦、先内侧后外侧的顺序，由拱脚向拱顶连续均衡对称顶升压注管内混凝土。采用原位支架法浇筑拱脚实体段，按“纵向分段、横向分环”的顺序采用吊架法施工拱圈外包混凝土。

4.3 交界墩及拱上结构施工

拱座交界墩及拱上立柱采用翻模法施工，交界墩施工配置塔式起重机及垂直电梯等设备辅助，拱上立柱施工则利用缆索吊机辅助。

拱上两侧边联主梁借助墩侧预埋牛腿，采用无落地式支撑体系现浇施工；中间1联主梁在拱圈混凝土上搭设满堂支架施工。

5 主要施工难点

5.1 难点1：施工组织复杂

桥址地形复杂，起伏较大，两岸边坡陡峭，施工场地狭小，修建便道困难；地处三峡水库自然保护区，水土保持、环境保护要求高；缆索系统及扣挂系统与塔式起重机、主引桥结构、临时设施及复杂地形之间相互交织，整体施工组织难度大。

5.2 难点2：拱座基坑及边坡防护施工

拱座毗邻梅溪河，位于河岸陡坡上，基坑底面至坡顶平缓区域高差50～60m，坡度达1∶0.75，拱座基坑开挖及边坡防护施工难度大。

5.3 难点3：大直径变截面竖直桩施工

拱座竖直桩设计为大直径变截面结构，桩顶9m部分桩径3.2m，以下部分桩径2.8m。桩身处于泥质灰岩弱风化层，设计要求非爆开挖，成孔难度大；每年9月至次年4月底为三峡库区蓄洪期，竖直桩成孔施工受河水水位影响大。

5.4 难点4：小倾角水平桩施工

水平桩截面宽6m、高7～8m，断面尺寸小，普通挖掘机在洞内回转困难，处于弱风化岩层，开挖掘进施工难度大；水平桩纵向下倾10°，且内部钢筋复杂，混凝土浇筑振捣施工难度大。

5.5 难点5：钢拱肋加工制造

主拱肋为变宽变高钢桁拱架结构，拱轴为悬链线，拱脚分叉，采用横梁连接，拱顶合并成整体，竖面整体内倾3.48°，结构庞大的拱肋节段加工及匹配拼装制作难度大，而提篮拱桥的双向曲线构造更加大了制造线形的控制难度。节段制造精度直接影响现场安装难度及成桥线形效果，因此钢拱肋制造线形精度控制是本工程重中之重。

5.6 难点6：缆索吊机设计

结合桥址地形特点进行大跨度缆索吊机结构形式的选型设计，依据拱肋节段自重确定其额定起升能力，合理布置牵引索、起重索的走线方式，据此进行绳索系统、缆塔塔架、基础锚碇的设计验算，最后规划卷扬机布置与电气化控制系统设计。缆索吊机结构复杂、承载力大、安全风险高，加之各类绳索空中穿梭交织，缆索吊机设计难度大。

5.7 难点7：扣挂系统设计

钢拱肋采用斜拉扣挂法分节段安装，拱肋节段线形、扣塔变形及扣锚索索力随各节段安装过程相互影响变化，效应逐次叠加，如何保证施工全过程的应力位移可控、施工安全可靠，且实现合龙前拱肋线形与目标线形吻合、达到一次张拉的目的是本工程难点。因地形导致的锚索横向不对称布置更增加了索力优化设计及施工过程控制的难度，扣挂系统整体设计的技术含量高、难度大。

5.8 难点8：管内混凝土压注

拱肋合龙后采用顶升法压注管内混凝土，拱跨340m、矢高74m，要保证大跨拱桥两侧对称均衡、一次性连续顶升成功，工艺技术要求高、施工组织难度大。

5.9 难点9：拱圈外包混凝土施工

拱脚分叉段为单箱单室结构，拱顶合并段为单箱3室结构，拱圈外包模板支撑体系设计是难点，外包混凝土分环分段施工难度大、安全风险高。

5.10 难点10：拱上连续梁施工

拱上共计3联(4孔/联)连续梁，跨中1联借用拱圈外包结构作为支撑，采用满堂支架法施工。两侧边联距拱圈垂直最大高差近70m，不利于搭设支架，采用设置墩侧牛腿、无落地式支撑体系现浇施工，双层贝雷梁支撑结构一跨式跨越。高空支撑体系设计、安装及拆除施工难度大，安全风险高。

6 结语

设计速度350km/h的郑万铁路奉节梅溪河双线特大桥，作为目前国内外跨度最大的无砟轨道高速铁路拱桥，是大跨度拱桥结构发展的又一次突破。鉴于众多技术挑战和施工难点，本桥设计采用双向桩分离式拱座基础、X形钢管混凝土劲性骨架+外包混凝土拱圈等特殊结构，加之现场合理的施工组织及正确的工艺指导，有效解决了诸多难题。本桥于2017年4月正式开工建设，预计于2021年6月全线建成。