川藏铁路昌都至林芝段桥梁设计研究

康 炜,李 侠,文 强,乔雷涛,王 辉,周友权

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

1.1 概述

新建川藏铁路昌都至林芝段线路在昌都市加卡经开区设昌都站后跨澜沧江，向西穿浪拉山，在昌都邦达机场北设邦达站，后穿果拉山、跨怒江、穿伯舒拉岭和多木格，于林芝市波密县嘎朗镇设波密站，出站向西北方向，沿帕隆藏布右岸穿易贡山，至通麦小镇设站，跨易贡藏布后折向西南，跨东久曲、穿色季拉山，跨尼洋河后至林芝站，线路长度379.034 km。桥梁全长36.579 km/20座，占线路长度的9.66%。如图1所示。

图1 川藏铁路昌都至林芝段线路平面示意

1.2 建设条件

1.2.1 地形地貌

川藏铁路昌都至林芝段位于青藏高原东南部，线路依次穿越他念他翁山、伯舒拉岭、色季拉山，总体地势西高东低，呈三起三伏形态。地势急剧隆升抬起，河流快速强烈下切，为典型的“V”形高山峡谷地貌，自东向西划分为横断山高山峡谷区及藏东南高山峡谷区两个地貌单元。河谷狭长幽深，两侧山峰高耸，切割深度可达1 000～3 000 m以上。冰川、冰湖、冰碛地貌及冰冻风化地貌发育。如图2所示。

图2 川藏铁路昌都至林芝段沿线地形地势示意

1.2.2 河流水系特征及水文

沿线主要涉及澜沧江、怒江、雅鲁藏布江三大水系，线路跨越澜沧江及支流色曲，怒江及其支流玉曲、德曲、康玉曲、巴曲，雅鲁藏布江支流波堆藏布、易贡藏布、东久曲、尼洋曲。

1.2.3 气象

以伯舒拉岭为界线，东侧昌都地区属高原亚温带亚湿润气候，夏季气候温和湿润，冬季气候寒冷干燥，年温差小，日温差大，整体以寒冷为主。西侧林芝地区属温带湿润半湿润季风气候，气候温暖湿润。主要气象特征值见表1。

表1 昌都至林芝段主要气象特征值

1.2.4 沿线地质

沿线地层岩性复杂，其中昌都—伯舒拉岭段主要以新生界、中生界、古生界及元古界地层为主，岩性主要为片岩、大理岩、板岩、变质砂岩等变质岩及泥岩、砂岩等沉积岩。伯舒拉岭—林芝段主要以念青唐古拉山岩群的片麻岩为主，喜马拉雅山期、燕山期花岗岩大面积侵入。

线路经过区域共有澜沧江断裂、怒江断裂、羊达—亚许断裂、边坝—洛隆断裂、嘉黎断裂、西兴拉断裂和米林断裂等7条活动断裂，距线路较近。抗震设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2g～0.33g，特征周期为0.40～0.70 s。

1.3 主要技术标准

铁路等级：Ⅰ级

正线数目：双线

设计行车速度：120～200 km/h

轨道类型：有砟、无砟轨道

设计荷载：ZKH活载

1.4 桥梁分布概况

本段桥梁全长36.579 km/20座，分布情况见表2、表3。

表2 川藏铁路昌都至林芝段桥涵分布

表3 川藏铁路昌都至林芝段重点桥梁

3 桥梁建造面临的主要问题

多样、大型、频发的地质灾害对桥位选择带来巨大困难，多座大跨度桥梁存在一位难找的局面。复杂的地形、显著高差、深切的峡谷对桥型选取较为单一。近断层、高烈度地震给抗震设计提出新要求，恶劣的气候条件对桥梁的耐久性要求更高，薄弱的交通基础设施对桥梁设计、建造及维护提出了新的更高要求。桥梁总体呈现“量少体大、种类繁多、一桥一议”的特点，涵盖悬索、斜拉、拱、梁、组合结构等各种桥型，既有千米级的悬索桥，也有近断层300 m以上大跨拱桥；既有跨越冰川泥石流区的近百米高桥，也有近场高烈度长周期的车站桥；既有干旱强紫外线区的大跨混凝土刚构，也有植被茂密温润潮湿区的钢桁加劲拱，还有海拔4 000 m以上大日温差桥梁；既贯通天险峡谷，也跨越澜沧江、怒江、雅鲁藏布江的一级支流，几乎挑战世界桥梁工程的极限[1]。近年来，悬索桥、拱桥等大跨桥梁的设计和建造在铁路建设中已经得到广泛应用，但在川藏铁路这样的复杂艰险环境中应用尚属首次。[1-2]

4 桥梁主要设计原则

4.1 桥位

针对本线的特点，在遵循“地质选线”“减灾选线”的基本原则下，桥位选择主要按绕避不良地质区域、地质风险点及远离活动断裂带，结合地形条件减少基础开挖及边坡整治规模，减少环境影响，充分考虑施工场地及运输条件，考虑堰塞湖溃坝或蓄水影响[2]。

4.2 桥式方案

对于不受地形、地质所限地段的桥梁，常用跨度采用24，32 m预制架设简支箱梁，跨越波堆藏布、尼洋河主河槽段落采用48 m简支箱梁，当跨越深切“V”形沟谷、桥较高、行洪受限、有立交要求时，采用大跨桥梁结构，主要有色曲特大桥(主跨880 m)、怒江特大桥(主跨1 000 m)、康玉曲大桥(主跨160 m)、瓤打曲大桥(主跨246 m)、茶隆隆巴曲大桥(主跨168 m)、易贡藏布大桥(主跨310 m)、东久曲大桥(主跨400 m)多座大跨度桥梁。桥式方案的选择充分考虑了运输条件、少维护、景观设计的要求[3-5]。

4.3 上部结构

常用跨度简支梁采用通桥川藏(2021)2235系列简支箱梁，预制架设施工，河道内48 m简支箱梁采用节段拼装法施工。大跨度连续梁、连续刚构、矮塔斜拉桥等混凝土桥梁采用悬臂浇筑施工，大跨度悬索桥、拱加劲简支钢桁、中承式钢桁拱采用工厂加工、现场组拼的施工方法。

4.4 下部结构

常规桥梁桥墩采用圆端形桥墩，矩形桥台，基础采用直径1.0～1.5 m桩基础，个别基岩出露位置采用明挖扩大基础。大跨桥梁桥墩、桥塔等根据需求特殊设计，基础均采用直径1.8～3.0 m桩基础。

4.5 桥梁抗震

本段75%桥梁位于近断层的高烈度地震区，对距活动断层15 km范围内的非简支结构、地震动峰值加速度≥0.3g的桥梁及距活动断层1 km的桥梁，均进行了场地地震安全性评价。对于动峰值加速度0.2g且场地特征周期大于0.45 s、动峰值加速度大于0.2g的简支结构采用减隔震设计，减隔震支座销钉剪断力按1.1倍多遇地震设计。9度地震区和8度地震区场地长周期的桥梁，采用减隔震支座+钢阻尼器限位装置的综合减隔震方案。对于大跨度桥梁按E1、E2两阶段设计，E1作用下结构无损伤处于弹性状态，E2作用下主要构件无损伤处于弹性状态，次重要构件可修复性损伤弹塑性状态，连接构件允许发生损伤破坏。

4.6 地质灾害防治

本段桥梁80%位于深切峡谷中，桥隧相连，主要地质灾害为危岩落石和泥石流。对于桥梁两岸山体的危岩落石除采用清除、加固、主被动防护、拦石墙等防护措施外，还采用了明洞接长或设置防护棚洞的方式。对于泥石流沟采用桥下疏浚排导、桥墩防护等措施。

4.7 耐久性

本段桥梁所处环境海拔高、年温差小日温差大、紫外线强，为确保工程设计寿命不小于100年，混凝土结构采用高性能混凝土。为控制结构裂缝宽度，混凝土采用低热硅酸盐水泥，选择适宜的钢筋保护层厚度，并按耐久性规范对不同结构部位选择合适的混凝土等级，个别部位涂装柔性防腐材料。外露大体积混凝土施工时考虑在其表面涂装保温涂层技术，预应力结构采用智能灌浆技术保证管道灌浆质量，伸缩缝采用易更换产品。钢结构采用长效涂装体系。

5 3座大跨桥梁研究及技术特点

5.1 色曲特大桥[6-9]5.1.1 桥式方案

桥址区位于昌都市加卡经济开发区境内，为跨色曲而设。桥位处为典型的“V”形深切河谷地形，河谷下部狭窄，坡岸陡峭，自然岸坡45°以上，线路距谷底近400 m。经方案比选，采用主跨880 m的悬索桥一跨跨越色曲河谷。

主梁跨度布置为(70+880+70) m悬索桥+(32+24) m混凝土简支箱梁，全桥长1 103.8 m。主缆跨度为(190+880+230) m，垂跨比1/9，主缆边跨在桥塔处水平偏角3°，主缆中跨为平行缆，间距25 m。主梁采用上承式钢桁梁，主塔采用钻石形钢筋混凝土结构，两主塔均采用群桩基础，两岸锚碇均采用隧道锚结构。

主梁在主塔横梁处、桥台位置均设置竖向支座与横向抗风支座，在主塔下横梁及桥台处纵向设置8套黏滞阻尼器，在主塔下弦杆及桥台每个横向支座处设置有4个横向阻尼器。全桥总体布置如图3所示。

图3 色曲特大桥总体布置(单位：m)

5.1.2 主桥结构

双线有砟轨道，线间距9.8 m，桥面总宽17.07 m，桥面弦杆外沿总宽26.4 m。桥梁横断面如图4所示。

图4 色曲特大桥加劲梁断面(单位：cm)

加劲梁主桁架中心间距25 m，采用带竖杆的华伦形桁架。桁高12 m，节间距10 m，全桥共102个节间，钢梁材质采用Q370qE，上弦采用整体节点，下弦除桥塔支点附近采用整体节点外，其余均采用散拼节点。桥面系中间行车区域采用正交异性钢桥面结构。

桥塔采用钻石形索塔，塔高分别为175.0、178.0 m，塔顶索横向中心距25.0 m，设上、下2道横梁。横梁采用单室矩形截面，上横梁宽8.0 m×高7.0 m，下横梁宽9.0 m×高9.0 m。塔柱采用单室截面，昌都侧横向宽度7～10 m，纵向宽度9～12.5 m，林芝侧横向宽度7～11 m，纵向宽度9～12.6 m。桥塔构造如图5所示。

图5 色曲特大桥桥塔构造(单位：cm)

主塔基础采用32根φ3.0 m钻孔桩，承台尺寸46.8 m×25.8 m×6 m，承台顶设置高3 m塔座。

主缆采用标准抗拉强度为1 960 MPa的钢丝，索股为184根91丝φ5.9 mm，采用PPWS(即预制平行丝股)法架设。吊索采用标准抗拉强度为1 770 MPa平行钢丝束，标准间距10 m，每吊点设置2根吊索，吊索上端采用销接式，全桥共两种规格，端吊索为211根，普通吊索为151根。

主索鞍鞍体采用全铸结构，鞍体长6.4 m×宽3.49 m×高3.8 m，总质量128 t，鞍槽底半径8.467 m。散索鞍为滚轴式结构，长6 m×宽4.46 m×高2.52 m。

两侧均采用隧道锚，昌都岸前锚室轴线长度40 m，锚塞体轴线长55 m，后锚室轴线长度3 m。主缆通过段长度分别为57，63 m。林芝岸前锚室轴线长度40 m，锚塞体轴线长40 m，后锚室轴线长度3 m，主缆通过段长度63 m。

5.1.3 技术特点(表4)

表4 色曲特大桥主要技术指标

色曲特大桥结构复杂、技术难点较多，围绕抗风、抗震、行车安全等关键技术问题开展了一系列专项研究及试验。如图6所示。

图6 色曲特大桥专项研究

抗风性能研究：开展桥址区风特性现场观测统计分析研究，切实掌握了工程所在地的风环境和风特性参数。分别基于规范风速标准、统计公式法和区域地形CFD分析推算桥位处桥梁设计基准风速，并对不同方法分析结果进行相互比较，确定了大桥的设计风速标准。建立节段模型进行了风洞试验研究，评价了桥梁的抗风性能，并进一步进行全桥风洞试验研究。

抗震性能研究：进行一致激励和多点激励的地震响应计算，分析高烈度地震区大跨桥梁的抗震性能，提出了合理的减震方案。

行车安全研究：开展了车-桥耦合以及风-车-桥沟壑动力仿真分析，评价了设计时速下桥梁的动力性能及车辆安全性、平稳性和舒适性。同时开展了轨道形位分析，进一步评估刚度及行车安全性。

桥塔温致效应研究：针对高原高寒峡谷区的桥塔在复杂气候和地理环境下的温致裂缝以及混凝土碳化展开系统的研究，分析桥塔的温致效应，有针对性地提出桥塔截面抗裂优化措施。

锚体承载能力分析：对隧道锚锚体和围岩相互作用体系进行了三维弹塑性模拟和长期稳定性计算，初步评价了锚体的承载能力，同时开展隧道锚原位试验研究。

5.2 易贡藏布大桥[10-15]

5.2.1 桥式方案

易贡藏布大桥位于林芝市波密县通麦镇附近，为跨越易贡藏布和305省道而设。地震动峰值加速度为0.25g，特征周期为0.45 s。受地形、泥石流、近活动断层地震等因素所限，经方案比选，采用主跨310 m的中承式钢桁拱跨越易贡藏布，桥梁全长355.6 m，主梁孔跨布置为(18+18+18+252+18+21) m，桥高95 m。双线有砟轨道，线间距5～9.8 m，全桥立面布置如图7所示。

图7 易贡藏布大桥总体布置(单位：m)

5.2.2 主桥结构

拱肋跨度310 m，矢高77.5 m，矢跨比1/4。拱桁为变高度“N”形桁架，拱顶桁高8 m，拱脚桁高13 m，拱肋一般节间长度9 m。拱肋横向内倾3.673°，拱顶中心距10.4 m，拱脚处中心距21.4 m，拱肋构造如图8所示。

图8 易贡藏布大桥拱肋构造(单位：cm)

桥面宽15.5 m，纵梁中心距14.4 m，桥面系采用正交异性板体系，顶板采用不锈钢复合钢板，基层为16 mm厚Q370qD钢板，面层为3 mm厚不锈钢板。标准段顺桥向9 m设置一处工字形大横梁，大横梁间设置间距3.0 m工字形小横梁，端横梁采用箱形截面横梁。桥面布置如图9所示。

图9 5 m线间距横断面布置(单位：mm)

吊杆采用标准抗拉强度1 860 MPa的钢绞线，间距9 m，按双吊杆设计，全桥设置25对，型号为15-22、37两种。最长、最短吊杆长度分别为48.6，10.7 m。

5.2.3 技术特点(表5、表6)

表5 易贡藏布大桥主要刚度指标

表6 易贡藏布大桥杆件应力指标

桥位处于高山峡谷近断层高烈度地震区，两侧岸坡危岩落石严重，针对关键控制因素开展了桥址区风特性现场观测，并据此进行风-车-桥耦合动力仿真分析，评价了桥梁的动力性能及车辆安全性、平稳性、舒适性。开展抗震性能研究，采用了减震榫+减隔震支座的抗震设计。研究采用桥隧一体化的防护措施；完成了场地地灾评估研究、场地地震安全性评价、局部场地地形效应影响地震动参数确定研究、岸坡稳定性评价、工程场地风参数研究、工程建设安全风险评估研究、易贡湖综合治理工程对易贡藏布大桥影响评估等多个专题研究。开展了大跨拱桥合理结构形式及结构参数选型、桥面系、施工方案以及基于BIM技术的全过程虚拟仿真研究，提出面向设计、科学合理的解决方案。

5.3 瓤打曲特大桥[16-21]

5.3.1 桥式方案

为跨越瓤打曲而设，双线无砟轨道，线间距9.8 m，桥址处地震动峰值加速度为0.25g，特征周期为0.40 s，桥高77 m。经方案比选，采用主跨246 m双排单索面矮塔斜拉桥，孔跨布置为(124+246+124) m矮塔斜拉桥+2×44 m T构。主桥为塔墩梁固结的连续刚构体系，桥塔为钢筋混凝土结构，主梁为预应力混凝土箱梁。全桥立面布置如图10所示。

图10 瓤打曲大桥总体布置(单位：m)

5.3.2 主桥结构

塔高47 m，上部为实体段，下部为矩形空心截面，截面为(5.0～7.0) m(纵向)×(3.6～4.6) m(横向)的矩形，桥塔上部直坡，下部横向放坡比例60∶1，纵向放坡比例30∶1。考虑泥石流影响采用桥墩圆端形空心桥墩，墩顶尺寸为8.0 m(纵)×11.0 m(横)，墩身纵向外坡35∶1、内坡55∶1，横向采用二次放坡，上段外坡35∶1、内坡55∶1，下段外坡5∶1、内坡55∶1。主墩采用柔性防撞体系。桥塔墩构造如图11所示。

图11 瓤打曲大桥桥塔及桥墩构造(单位：cm)

斜拉索采用双排单索面扇形布置，桥塔根部附近主梁无索区长32 m，主梁有索区长142 m，跨中无索区长38 m。塔上索距1.2 m，梁上索距8.0 m，斜拉索在桥塔上采用分丝管索鞍式锚固。斜拉索采用标准强度1 860 MPa环氧喷涂钢绞线成品索，规格为M250-43、M250-61、M250-73。

主梁采用单箱双室斜腹板，梁高6.0～13.0 m，梁体下缘按1.8次抛物线变化。箱梁顶宽17.1 m，底宽8.628～11.172 m，箱梁顶板厚0.5 m，底板厚0.5～1.5 m，腹板厚0.5～0.9 m。瓤打曲大桥跨中主梁断面见图12。

图12 瓤打曲大桥跨中主梁断面(单位：cm)

5.3.3 技术特点(表7)

表7 瓤打曲大桥主要技术指标

充分利用9.8 m的线间距空间采用单索面体系，减小了桥塔体量。采用塔墩梁固结的连续刚构体系减少了大吨位支座设置数量。主墩置于主沟槽之外，减轻了桥墩遭受泥石流冲击效应。上部梁体采用斜腹板减轻梁体重力、提高索梁荷载占比，采用新型减隔震体系等措施，提高结构抗震性能。

6 结语

介绍了川藏铁路昌都至林芝段的全线工程概况、建设条件、桥梁建造面临的问题，针对具体环境确定了主要设计原则，重点对色曲特大桥、易贡藏布大桥、瓤打曲大桥进行了详细介绍，探讨了川藏铁路建造大跨悬索桥、拱桥、斜拉桥的技术特点和技术难点。

按照高起点、高标准、高质量的建设要求，面对复杂、艰险的建设环境，川藏铁路昌都至林芝段的桥梁从桥位选择和方案设计都采用了环境匹配度高、技术可行且具有良好的经济性和耐久性的设计方案。全线所有桥梁针对近断层、高烈度地震都专门进行了抗震性能分析和抗震设计。大跨度悬索桥、拱桥、斜拉桥的设计不仅考虑了结构本身的安全性和适用性，也考虑了薄弱的交通条件和恶劣的气候环境影响，开展了多项专题研究，解决了川藏铁路复杂艰险环境中建设大跨桥梁的技术难题。