隆叙铁路沱江特大桥主桥方案比选研究

刘永锋,高 策,时 代,崔 琛

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

隆黄铁路隆昌至叙永段为国家Ⅰ级铁路，单线，有砟轨道，设计速度120 km/h。沱江特大桥位于泸州市龙马潭区，是隆叙铁路控制工程，桥梁全长2 408.72 m，主桥按一次建成双线设计，主桥两侧部分引桥段落一次建成双线墩台，其余段落按单线设计。

桥址处上游60 m处为隆纳高速公路(厦蓉高速公路)沱江三桥，该桥为5×90 m上承式钢筋混凝土拱桥，1999年建成。桥址下游距拟建渝昆高铁沱江桥2.3 km，距既有沱江六桥4.2 km，距沱江河口(汇入长江)13.3 km。

桥址区主要分布地层主要有第四系人工填土层(Q4ml)素填土、填筑土，第四系全新统残坡积层(Q4el+dl)粉质黏土，第四系全新统坡洪积层(Q4el+dl)粉质黏土，第四系全新统冲洪积层(Q4el+dl)粉质黏土和细圆砾土，下伏侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)砂岩、砂质泥岩和泥质砂岩。

本桥位于中亚热带温润气候区，雨量充沛，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温17.3 ℃，最冷月平均气温7.7 ℃，最热月平均气温28.0 ℃，年平均相对湿度78%，年平均降雨量1 057.0 mm，最大风速为26.0 m/s。

桥址区基本地震动峰值加速度为0.1g，地震烈度为Ⅶ度，反应谱特征周期0.4 s，场地类别为Ⅱ类。

沱江为长江左岸一级支流。沱江穿龙泉山金堂峡，经简阳市、泸州市、资中县、内江市等至泸州市汇入长江。全长712 km。流域面积3.29万km2。沱江流域多年平均降水量1 200 mm，年径流量351亿m3。沱江是四川省最弯曲的河流之一，由于河道平缓，弯曲率大，使洪水渲泄不畅，河道滞洪能力较大。桥址处设计流量Q1%=19 900 m3/s，设计水位H1%=248.97 m。

桥址处河段现状航道等级为Ⅵ级，远期申报Ⅲ级，双向通航，通航水域宽度要求不小于176 m。桥墩计入Ⅳ-(3)级船队撞击力，并需设置桥墩防撞设施。

桥址处沱江河段为长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区实验区范围。桥跨布置应减少工程施工和运行对沱江泸州段的水生生态的影响。

2 桥位比选

结合线路的走向及泸州市城市规划发展条件和设站需求及河道通航、行洪条件、长江上游珍稀特有鱼类自然保护区范围，主要研究了3个桥位方案，如图1所示。

图 1 沱江特大桥桥位比选

桥位1：高速公路西侧方案

线路自泸县进入龙马潭区境内后，先后下穿在建川南城际铁路，跨越厦蓉高速公路互通，穿越泸州市规划地块，跨越沱江，下穿在建渝昆高铁。线路与厦蓉高速公路距离约1.1 km。

桥位2：并行高速公路方案

线路自泸县进入龙马潭区境内后，先后下穿在建川南城际铁路，跨越厦蓉高速公路匝道，跨越沱江，下穿在建渝昆高铁。

桥位3：高速公路东侧方案

线路自泸县进入龙马潭区境内后，先后跨越省道307下穿在建川南城际铁路，穿越泸州市规划地块，下穿在建渝昆高铁，跨越沱江。线路与厦蓉高速公路距离约3.8 km。与渝昆高铁泸州沱江大桥距离约1.3 km。

桥位比选从通道选择、环保要求、站位条件、工程条件等方面进行比较。经比较，桥位2土地利用度最高，对城市规划影响最小，设站条件较为有利，线路相对顺直，故推荐桥位2方案(表1)。

表1 主要技术指标比较

3 桥式方案

根据隆叙铁路沱江桥水生生物影响评价方案咨询会专家咨询意见：一跨跨越保护区范围方案较优，即一跨跨越十年一遇水位水面宽度。对应水面宽度为270.6 m，结合避免压占大里程江边休闲步道的情况，主跨选用292 m。

为跨越沿江路，边跨分别按146 m及155 m跨度进行了布置，为了减小主桥长度降低造价，结合专家意见，推荐采用边跨146 m方案。

结合本桥所处地形、通航、行洪等自然条件及控制因素，可选桥型有矮塔斜拉桥、斜拉桥及连续梁拱组合桥。根据铁路建设工程经验，当主跨为300 m左右时，连续梁拱组合结构[1-3]相对于矮塔斜拉桥经济性不占优势，因此不再进行梁拱组合结构的详细比选。

矮塔斜拉桥是一种介于连续梁桥和斜拉桥之间的一种组合体系桥型，具有塔矮、梁刚、索集中的结构特点。其受力特征是：以主梁承担大部分荷载效应，斜拉索对主梁起加劲作用，承担一部分荷载，相当于一般连续梁桥的体外预应力索。目前国内已建成的铁路矮塔斜拉桥有二十余座。其中福平铁路乌龙江特大桥(143+288+143) m为最大跨度双索面矮塔斜拉桥[4]，赣深铁路剑潭东江特大桥(136+260+136) m为目前国内最大跨度单索面矮塔斜拉桥[5]。

设计中比较了单索面“W”形腹板[6]混凝土梁矮塔斜拉桥(钢管混凝土桥塔)、双索面结合梁斜拉桥、单索面“W”形腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(混凝土桥塔)、双索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(混凝土桥塔)、单索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(混凝土桥塔)等多种桥式方案。

3.1 方案1单索面W形腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(钢管混凝土桥塔)

(1)总体布置(图2、图3)

图2 方案1全桥布置(单位：cm)

图3 方案1桥面布置(单位：cm)

(155+292+155) m单索面预应力混凝土斜拉桥中墩处塔墩梁固结，边墩处设活动支座。梁部为W形腹板预应力混凝土箱梁，桥塔为钢管混凝土桥塔[7-9]，中墩采用钢筋混凝土薄壁墩，设置圆端便于行洪，基础均采用钻孔桩基础，斜拉索采用扇形布置，梁长603.9 m。线路线间距7.7 m。

(2)梁部构造

主梁采用预应力混凝土“W”形截面[10-13]，顶板设横向预应力，有索区内腹板设竖向预应力。主梁顶板宽15.3 m，标准截面底板宽11.7 m；标准截面梁高8 m，中室顶板厚55 cm，底板厚35 cm；边室顶板厚30 cm，底板厚70 cm；外腹板厚55 cm，内腹板厚30 cm；中墩支点处箱梁高15 m，边墩支点处梁高8 m。在中支点处中室设横隔板，厚度为11 m，设置1.2 m×1.6 m过人孔，边支点中室及边室设横隔板，厚度为1.5 m。见图4。

图4 方案1构造(单位：cm)

(3)桥塔构造

主墩、主塔形式采用塔墩梁固结的形式，桥面以上塔高为70 m。桥塔为钢管混凝土结构，采用哑铃形截面，两侧钢管直径为2.5 m，壁厚0.08 m；腹板中心距为2 m，板厚0.08 m。钢管及腹板均采用Q345qD钢，钢管及腹板之间灌注C60混凝土，具体构造见图5。

图5 方案1桥塔截面(单位：cm)

(4)拉索

斜拉索横向为单索面布置，立面为扇形布置，每个桥塔对称设斜拉索11对，主梁上斜拉索纵向间距为8 m，塔上斜拉索横向间距为1 m，竖向间距为0.8～1.26 m，跨中无索区长度为27，斜拉索采用规格55φ15.2 mm、61φ15.2 mm、73φ15.2 mm环氧涂层高强钢绞线，设置双层HDPE外护套，斜拉索采用在桥塔处设置分丝鞍座，鞍座两端设置单侧抗滑锚固装置，张拉端设于主梁内。

(5)下部结构

主墩为圆端形薄壁墩，墩高34 m，薄壁墩双肢间距7.5 m，墩顶纵向壁厚2.5 m，横向14.2 m，墩底纵向壁厚2.5 m，横向15.2 m；中墩采用24φ2.8 m钻孔桩，按摩擦桩设计，桩长35 m，承台尺寸为39.5 m×25.5 m×6 m(横桥向×纵桥向×高度)。

3.2 方案2双索面结合梁斜拉桥

(1)总体布置

该方案为半漂浮体系双塔双索面组合梁斜拉桥[14-17](图6、图7)，跨径布置为(72.65+83.5+292+83.5+72.65) m，梁上索间距为10.0 m，塔上索间距为2.0～4.0 m，共52对拉索。

图6 方案2立面布置(单位：cm)

图7 方案2桥面布置(单位：cm)

主跨292 m一跨跨越沱江，两边跨各设1个辅助墩。交界墩、辅助墩和索塔下横梁上均设纵向活动支座，塔、梁之间沿纵桥向设置液体粘滞阻尼器，以控制梁体纵向位移。

建筑限界采用“时速小于等于160 km的客货共线铁路建筑限界—桥限2”，线间距为4.0 m，线路中心线至挡砟墙内侧距离为2.2 m，至接触网内边缘距离为3.3 m。横桥向拉索间距13.6 m。

(2)梁部构造

主梁采用钢混组合梁断面(图8)，等高布置。主梁高4.5 m，不含风嘴宽14.6 m，含风嘴全宽16.027 m。主梁由槽形钢梁和预制混凝土板组合形成整体。

图8 方案2标准梁段/横隔板段横断面(单位：cm)

槽形钢梁包括4道腹板、3块底板和风嘴，标准段不设顶板，腹板间距为4.6，4.4 m和4.6 m，钢梁标准节段长10.0 m，纵桥向横隔板间距为5.0 m。混凝土板分块预制，标准块沿横桥向宽12.76 m，顺桥向长4.3 m，厚30 cm，支撑位置加厚至50 cm。

横隔板上翼缘满布剪力钉，分块预制的混凝土板，在横隔板位置设70 cm的湿接缝。

钢梁节段长度为10.0 m，横隔板间距为5.0 m，钢梁横隔板和外腹板上缘满布剪力钉，预制混凝土板在钢梁横隔板和外腹板位置设湿接缝，同时在中腹板位置设湿接槽。施工过程中先吊装、焊接钢梁节段，然后吊装预制混凝土板，通过现浇湿接缝和湿接槽将钢梁和混凝土板组合为整体。

(3)桥塔构造

索塔总体构造见图9。总体造型为花瓶形状，总高137.0 m，由上横梁和下横梁划分为上、中、下三部分，其中上塔柱高43.5 m，中塔柱高52.5 m，下塔柱高41.0 m。顺桥向，索塔尺寸由塔顶的6.0 m线性变化至塔底的10.0 m，横桥向，上塔柱宽4.0 m，中塔柱宽度由4.0 m线性变化至5.0 m，下塔柱宽度由5.0 m线性变化至6.0 m。

图9 方案2索塔总体构造(单位：cm)

索塔为空心结构，横断面见图10。

图10 上塔柱、中塔柱截面 (单位：cm)

上塔柱内设置钢锚箱锚固斜拉索。

(4)拉索

全桥共设52对拉索，索采用平行钢丝拉索，规格分别为PES(C)7-139、187、199、253。梁上索间距为10.0 m，塔上索间距为2.0～4.0 m。索梁间通过锚拉板锚固于桥面，塔梁间通过钢锚箱锚固。

(5)下部结构

每个索塔布置24根φ2.5 m的钻孔灌注桩，桩间距为6.8 m，桩长30.0 m。承台尺寸为24.4 m×38.0 m×5.0 m(顺桥向×横桥向×高)，承台上设高度为2.0 m的塔座。

小里程侧交界墩高37.5 m，辅助墩高40.5 m，均采用空心桥墩，基础为9φ1.5 m钻孔灌注桩；大里程侧交界墩高22.0 m，辅助墩高18.8 m，均采用实体桥墩，基础为9φ1.25 m钻孔灌注桩。

3.3 方案3单索面W形腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(混凝土桥塔)

(1)总体布置(图11、图12)

图11 方案3全桥布置(单位：cm)

图12 方案3桥面布置(单位：cm)

(146+292+146) m单索面预应力混凝土斜拉桥中墩处塔墩梁固结，边墩处设活动支座[18-19]。梁部为“W”形腹板预应力混凝土箱梁，钢筋混凝土桥塔[20]，中墩采用钢筋混凝土薄壁墩，设置圆端便于行洪，基础均采用钻孔桩基础，斜拉索采用扇形布置，梁长585.9 m。

(2)梁部构造

主梁采用预应力混凝土W形截面(图13)，顶板设横向预应力，有索区内腹板设竖向预应力。主梁顶板宽15.8 m，标准截面底板宽11.7 m；标准截面梁高8 m，中室顶板厚55 cm，底板厚35 cm；边室顶板厚42 cm，底板厚70 cm；外腹板厚55 cm，内腹板厚30 cm；中墩支点处箱梁高15 m，边墩支点处梁高8 m。在中支点处中室设横隔板，厚度为11 m，设置1.2 m×1.6 m过人孔。

图13 方案3构造(单位：cm)

(3)桥塔构造

主墩、主塔形式采用塔墩梁固结的形式(图14、图15)，桥面以上塔高为60 m。桥塔为钢筋混凝土结构，塔柱横向尺寸3.0 m，塔柱纵向尺寸10 m。

图14 方案3桥塔立面(单位：cm)

图15 方案3桥塔截面(单位：cm)

(4)拉索

斜拉索横向为单索面布置，立面为扇形布置，每个桥塔对称设斜拉索11对，主梁上斜拉索纵向间距为8 m，塔上斜拉索横向间距为1 m，竖向间距为0.8～1.26 m，跨中无索区长度为35，斜拉索采用规格55φ15 mm、61 mm、73φ15 mm环氧涂层高强钢绞线，设置双层HDPE外护套，斜拉索采用在桥塔处设置分丝鞍座，鞍座两端设置单侧抗滑锚固装置，张拉端设于主梁内。

(5)下部结构

主墩为圆端形薄壁墩，墩高34 m，薄壁墩双肢间距7.5 m，墩顶纵向壁厚2.5 m，横向14.2 m，墩底纵向壁厚2.5 m，横向15.2 m；中墩采用30φ2.5 m钻孔桩，按摩擦桩设计，桩长35 m，承台尺寸为35.25 m×29 m×6 m(横桥向×纵桥向×高度)。

3.4 方案4双索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(混凝土桥塔)

(1)总体布置(图16、图17)

图16 方案4全桥布置(单位：cm)

图17 方案4桥面布置(有索区)(单位：cm)

孔跨布置及梁长与方案3相同，全桥孔跨布置为(146+292+146) m双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥，中墩处塔墩梁固结，边墩处设活动支座。梁部采用单箱双室直腹板预应力混凝土箱梁，桥塔为矩形双柱式钢筋混凝土实心塔柱，中墩采用钢筋混凝土双薄壁墩，迎水面设置成圆端形便于行洪，基础均采用钻孔桩基础，斜拉索采用扇形布置。

(2)梁部构造(图18)

图18 方案4跨中、支点截面(单位：cm)

主梁立面尺寸同方案3，全长585.9 m，支点处梁高15 m，跨中梁高8 m，靠近主塔附近55.5 m范围内，梁高采用二次抛物线由8 m变化至15 m。主梁为单箱双室直腹板预应力混凝土箱梁，斜拉索锚固于悬臂板。

箱梁顶板宽13.7 m，底板宽11.7 m，顶板全厚0.42 m，中支点局部加厚至1.1 m，底板厚度跨中0.4 m，中墩两侧55 m范围随梁高二次抛物线变化为1.5 m。腹板厚度由0.55 m分二次折线分别变化至0.65，0.8 m，腹板在中墩两侧加厚至1.2 m。

(3)桥塔构造(图19)

图19 方案4主塔截面(单位：cm)

桥塔采用矩形双柱式钢筋混凝土实心塔柱，顺桥向截面宽度6.0 m，横桥向高度2.8 m，桥面以上塔高60.0 m，桥面以上塔的跨高比为4.87，桥塔与主梁相接处设置倒Y形，下部与中墩宽度基本一致，桥塔四角设置0.4 m倒角。桥塔横向设置横梁，增加结构稳定性。

(4)拉索

斜拉索全桥布置同方案4，全桥共设置22对斜拉索，均梁端张拉，塔端设置分丝管通过。梁上斜拉索纵向间距8 m，塔上拉索间距为1.2 m。横桥向两根拉索间距12.7 m，两拉索面平行布置。

3.5 方案5单索面直腹板混凝土梁矮塔斜拉桥(混凝土桥塔)

(1)总体布置(图20、图21)

图20 方案5全桥布置(单位：cm)

总体布置与方案3相同，全桥孔跨布置为(146+292+146) m单索面矮塔斜拉桥(图21、图22)，全长585.9 m，中墩处塔墩梁固结，边墩处设活动支座。梁部采用直腹板混凝土截面，桥塔为钢筋混凝土实心塔柱，中墩采用钢筋混凝土双薄壁墩，迎水面设置成圆端形便于行洪，基础均采用钻孔桩基础，斜拉索采用扇形布置。

图21 方案5有索区桥面布置(单位：cm)

(2)梁部构造

主梁立面尺寸同方案3，全长585.9 m，支点处梁高15 m，跨中梁高8 m，靠近主塔附近55.5 m范围内，梁高采用二次抛物线由8 m变化至15 m。主梁为单箱三室直腹板预应力混凝土箱梁，斜拉索锚固于中间箱室顶板。

箱梁顶板宽15.8 m，底板宽11.7 m，顶板全厚0.3 m，中支点局部加厚至0.75 m，底板厚度跨中0.35 m，中墩两侧55 m范围随梁高二次抛物线变化为1.5 m。外腹板厚度由0.5 m分2次折线分别变化至0.7，0.95 m，中腹板厚度由0.35 m分2次折线分别变化至0.5，0.65 m。

(3)桥塔构造

桥塔采用圆端形柱式钢筋混凝土实心塔柱，顺桥向截面宽度10.0 m，横桥向高度3.0 m，桥面以上塔高60.0 m，桥面以上塔的跨高比为4.87。

(4)拉索

斜拉索全桥布置同方案4，全桥共设置22对斜拉索，均梁端张拉，塔端设置分丝管通过。梁上斜拉索纵向间距8 m，塔上拉索间距为1.2 m。横桥向两根拉索间距0.9 m，两拉索面平行布置。

4 方案比选

4.1 主要技术指标比较

主要技术指标比较见表2。混凝土矮塔斜拉桥梁部刚度较大，变形较小，相对较优。

表2 各方案主要技术指标比较

4.2 经济性比较

各方案投资及指标情况见图22、图23。

图22 方案投资对比

图23 方案指标对比

根据表2，无论针对主桥或全桥，单索面混凝土梁矮塔斜拉桥经济性明显优于双索面斜拉桥。单索面W形腹板与直腹板对比，W形腹板略省。

4.3 综合比较

综合比较见表3。预应力混凝土梁单索面矮塔斜拉桥技术成熟、施工方便，适应了本项目预留双线条件的特点、经济性佳。单索面W形腹板与直腹板对比，W形腹板略省，且直腹板截面隔板施工较为复杂，综合比较选择方案3采用混凝土桥塔的单索面W形截面混凝土梁矮塔斜拉桥作为推荐方案。

表3 各桥式方案综合比较

5 结论

经过以上比较分析，结合本桥实际情况，桥位方案推荐线路顺直、便于设站、利于当地规划的并行高速公路方案，主桥桥式方案推荐采用适于预留双线条件、造价低、施工方便及景观效果好的(146+292+146) m单索面W形截面混凝土梁矮塔斜拉桥。该方案满足通航、行洪、环保要求，并均获得相关部门批复。本桥建成后将成为国内首座采用W形梁部截面的铁路斜拉桥，也将是国内最大跨度的单索面铁路斜拉桥。