中老铁路元江大桥桥式方案研究

刘 伟,戴晓春,黄 毅

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 工程概况

中老铁路是连接中国与老挝之间的一条铁路，北起玉溪市，经西双版纳、中老边境口岸磨憨，经老挝琅勃拉邦至万象，正线全长926 km，是泛亚铁路中线的重要组成部分，是“一带一路”倡议标志性工程。

元江大桥位于云南省元江县城附近，跨越元江河谷，下游1.2 km为昆磨高速公路。谷底高程300～400 m，河谷两岸高程在1 100～1 700 m，自然横坡15°～60°， 部分地段岸坡近直立， 相对高差达700 m以上， 两岸与深切河谷构成明显的“V”形地貌， 为全线河谷最深， 高差最大地段。两岸基岩为泥岩、砂岩、页岩夹煤层，受构造影响断层附近岩体较破碎，风化带较厚，岩层产状紊乱。桥面距水面高约220 m，桥位处无通航要求。桥址区地震动峰值加速度为0.16g，地震动反应谱特征周期为0.45 s[1-2]。

桥上线路等级为Ⅰ级，双线，线间距4.2 m，有砟轨道，设计行车速度160 km/h，设计活载为“中-活载”。

针对元江大桥“V”形峡谷的地形特点，依据目前的铁路桥梁建设技术，拱桥外形优美，斜拉桥刚劲有力且跨度适应性较好，梁桥构造简洁，这3种桥式均可适应峡谷地形。大跨度拱桥一般适用于地质条件较好的地区[3]，斜拉桥和梁桥方案对地质的适应性相对更好。元江河谷地貌见图1。

图1 元江河谷地貌

2 桥式方案比选

2.1 工程特点与建设条件

结合桥区的地理位置、线路高程、地形特征、地质条件和环境现状，通过对自然条件、交通条件、场地条件的分析，元江大桥的建设条件有以下主要特征。

(1)桥区呈典型的“V”形峡谷地貌，两岸坡较陡峻，受线路高程控制，桥高238 m。

(2)交通运输条件较好。桥址距昆磨高速公路直线距离1.2 km，两岸均有乡村道路通达。

(3)施工场地条件相对较好。玉溪端岸坡顶地形较平缓，可布置大型施工场地。

(4)高烈度地震区，地震动峰值加速度为0.16g。

(5)地质条件复杂。下伏基岩为泥岩、砂岩、页岩夹煤层、砂岩夹煤线，W3强风化层深度达50～60 m，W2中风化层的基本承载力为0.45 MPa。

(6)桥区属于元江县的“世界第一高桥旅游风景区”。该风景区是以昆磨高速公路大跨度预应力混凝土连续刚构超高桥墩为主题背景。

综合上述分析，地形地质条件、结构抗震性能、工程造价以及整体景观成为元江大桥合理桥式方案选择的控制性因素。

2.2 桥式方案比较

考虑结构强度、刚度并结合经济性、安全性、耐久性和施工等因素，对上承式拱桥、钢桁梁斜拉桥和连续钢桁梁桥3种桥式方案进行综合比较。

2.2.1 上承式拱桥方案

对于深切“V”形峡谷，上承式拱桥总是首选的桥式方案，但下伏基岩岩体破碎，强风化带深厚等因素可能成为重要的制约因素。特此对主跨430 m的钢桁拱桥、钢管混凝土拱桥和钢筋混凝土拱桥3种方案进行比较。

(1)430 m上承式钢桁拱桥(图2)

图2 上承式钢桁拱桥立面布置(单位：cm)

拱圈跨度为430 m，矢跨比1/4.06，拱圈立面为悬链线，拱轴系数2.0。拱圈为提篮钢桁拱结构，由左右两片钢拱肋结构和平联及横联组成(图3)。每片拱肋上、下弦杆截面宽2.4 m，高2.8 m，板厚最大54 mm。拱肋内倾5.842°，拱肋宽12～34 m，拱肋高10～16 m。拱上梁为14 m×38.1 m连续钢-混结合梁。拱上墩采用钢桁架结构，由墩顶横梁、墩柱和墩柱横联组成，墩柱中心线保持在对应拱肋平面内。主拱采用嵌岩式基础，基础纵向长80 m，高度24 m，横向宽度8 m，基础断面采用空心截面，基础立面倾角60°。交界墩墩高108 m，采用矩形钢筋混凝土空心墩。

图3 钢桁拱桥拱圈断面(单位：cm)

主拱圈在工厂制造，现场采用缆索吊装悬臂拼装法施工。拱上钢混结合梁采用吊装结合顶推就位，拱座嵌岩式基础采用隧道式开挖方式进行开挖。总用钢量为23 949 t，拱座基础圬工46 152 m3，工期预计42个月，工程概算约7.0亿元。

(2)430 m上承式钢管拱桥

拱圈跨度为430 m，矢跨比1/4.06。拱圈立面为悬链线，拱轴系数2.5。拱圈为两片拱肋，每片肋由4肢φ1 600 mm钢管构成，内灌C60微膨胀混凝土，横向内倾5.842°(图4)。拱肋宽为12～34 m，拱肋高为11～17 m。主拱嵌岩式基础长85 m，高24 m，横向宽10 m，立面倾角60°。拱上结合梁、拱上墩、交界墩等构造均与钢桁拱方案一致[4]。

图4 钢管混凝土拱桥拱圈断面(单位：cm)

主拱圈采用缆索吊装悬臂拼装法进行施工，主拱圈钢构件在工厂制造，运输至工地进行安装，悬拼由两岸同时进行，在拱顶处合龙形成稳定的拱圈，然后灌注管内C60混凝土。该方案总用钢量为19 116 t，拱座基础圬工56 640 m3，工期预计为46个月，工程概算约6.4亿元。

(3)430 m上承式钢筋混凝土拱桥(图5)

图5 钢筋混凝土拱桥布置(单位：cm)

拱圈跨度为430 m，矢跨比1/4.06。拱圈立面为悬链线，拱轴系数选2.0。拱圈劲性骨架每片肋由6肢φ700×20 mm的钢管构成，管内压注C60微膨胀混凝土。混凝土拱圈平面为“X”形，从拱脚到拱圈分叉处由两肢单箱单室拱肋组成，其余为单箱三室截面，拱脚两肋中心距32 m，单肋宽8 m，跨中中心距8.0 m，单肋宽5 m，拱圈高度为9.0～13.0 m，两侧拱肋均向内倾斜6.582°(图6)。拱上梁采用2-(4×42) m预应力混凝土连续梁，并通过2×58 m预应力混凝土T构与引桥衔接。

图6 拱肋截面(单位：cm)

拱上墩采用双柱式钢筋混凝土刚架墩，柱间通过横梁连接。拱座采用斜竖撑组合基础，斜撑与水平面成35°，截面尺寸为12 m×12 m，长度为100 m，竖撑总长度为90 m。

拱座为斜竖撑组合基础，斜撑施工采用隧道式开挖，竖撑施工采用挖孔桩方式。劲性骨架采用缆索吊装斜拉悬臂拼装法进行施工。悬拼由两岸同时进行，待劲性骨架合龙后，按照先下弦、后上弦，先外侧、后内侧的顺序，采用顶升法压注钢管内混凝土。外包混凝土拱圈分步骤浇筑，先浇筑边箱底板混凝土，然后浇筑边箱腹板、顶板混凝土，再浇筑中箱底板混凝土、顶板混凝土，直至拱圈施工完成。

该方案总用钢量为5 757 t，拱座基础圬工56 640 m3，因为拱圈外包混凝土施工的复杂性，工期预计为56个月，工程概算约6.1亿元。

上述3种拱桥均能满足430 m大跨度拱桥的受力和行车要求，在施工周期、工程造价上各有优缺点，但都因拱座处基岩破碎，强风化层厚，使得结构的整体稳定性存在一定的风险。具体比较结果见表1。

表1 拱桥方案综合比较分析

2.2.2 斜拉桥方案

为避免推力拱结构在本桥上的缺点，提出了主跨405 m高低塔钢桁梁斜拉桥方案,如图7所示。

图7 钢桁斜拉桥方案布置(单位：cm)

主桥采用(81+162+405+135+54) m高低塔钢桁方案，半漂浮体系。主梁与桥塔之间设置支座约束竖向及横向位移，纵桥向设置速度锁定装置与粘滞性阻尼器，以减少制动力与地震荷载的结构动力响应。主梁采用平行弦钢桁梁，“N”形桁架，桁宽18 m，桁高14 m，节间长度13.5 m。主桁采用焊接整体节点结构形式，最大板厚50 mm。主桁与桥面系均采用Q370qD级钢材。主桁下弦平面采用正交异性整体钢桥面结构。斜拉索采用1 770 MPa的镀锌平行钢丝，双索面扇形布置[5-6]。

桥塔采用钢筋混凝土菱形塔，高度分别为245 m和242 m。基础采用28根φ3.0 m的钻孔桩，桩长64～88 m。

桥塔塔柱采用爬模法施工钢桁梁利用斜拉索悬拼施工。施工工期预计为41个月。总用钢量为16 789.0 t，工程概算约6.1亿元。

钢桁梁斜拉桥在受力、行车性能上均能满足设计要求，抗震性能也不错。其主要缺点是整体景观与地形不协调，后期养护维修工作量大。

2.2.3 连续钢桁梁方案

大跨度斜拉桥的建造技术比较成熟，但对于在偏远山区修建大跨度缆索结构桥梁，后期的养护维修、运营工作量及成本比较高，特别是在设计的100年全寿命周期内，斜拉索需要更换2～3次。因此，考虑把主跨跨度减小，取消斜拉索，钢桁梁采用上承式变高结构，斜拉桥高塔结构移至钢桁梁下方改为超高桥墩。在此设计思路下，提出了(108+152+249+152+108) m上承式连续钢桁梁方案，见图8。

图8 变高度上承式连续钢桁梁方案主桥布置(单位：cm)

主桥为变高度上承式连续钢桁梁，桁宽16.0 m，桁高16～36 m，钢桁梁下弦采用圆曲线匀顺过渡。主桁采用“N”形及“K”形桁架，一般布置为“N”形桁架，支点附近桁高较高时布置为“K”形桁架。主桁节间距为13.5，15 m。桥面采用正交异性板整体钢桥面结构，每个节间设置钢横梁5道，主桁下弦杆节间设置交叉式平联。为提高结构横向刚度，每个节间均设横向连接系[7-12]。

对于钢桁梁方案，墩高139，154 m两个主墩的刚度控制、抗震性能及景观效果是设计关键[13]，为此，创新地采用带钢结构横联的C40钢筋混凝土双柱式空心墩[14-20](图9)，单柱墩颈圆弧直径9.0 m[12]，墩顶壁厚80 cm。墩身纵向及横向外坡40∶1，内坡60∶1，交叉形钢结构横联采用H形构件，材质为Q345qD。该方案既减少了墩身圬工又有效地提高了刚度，外观效果轻盈通透[6-7]。

图9 带钢结构横联双柱式桥墩构造(单位：cm)

主墩基础采用35根φ2.8 m钻孔桩群桩基础，桩长为56～76 m。

本桥钢梁采用吊索塔架辅助悬臂拼装法施工。杆件单元在工厂内制造完毕后，运输至桥位处进行悬臂拼装。悬拼由两岸同时进行，直至主桥合龙。施工工期为42个月。总用钢量17 468.0 t，墩身及基础圬工118 110 m3，工程概算约5.7亿元。

2.2.4 方案综合比选(表2)

表2 桥式方案综合比较分析

3 结语

(108+152+249+152+108) m上承式连续钢桁梁方案建造技术成熟、工程造价低且后期养护维修工作量少，结构轻盈美观，与当地“高桥公园”的人文历史高度契合，无疑是中老铁路元江大桥的最优方案。上承式钢桁梁方案避免了推力拱桥结构对软弱地基的潜在威胁，也避免了缆索体系桥梁的定期换索、维护的工作量，是综合考虑全寿命周期成本的工程典范。本研究结论对于深沟峡谷区、高烈度地震区大跨度铁路桥梁的桥式方案优选有较好的借鉴意义。

元江大桥于2016年3月开工建设，2020年7月主桥钢桁梁合龙，将于2021年12月建成通车。建成后将成为目前国内最大跨度的铁路钢桁梁桥，3号桥墩为目前世界最高的铁路桥墩。