福厦客运专线乌龙江特大桥主桥方案研究

任 征

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程概况

乌龙江特大桥为新建福州至厦门客运专线铁路重点控制工程，线路由福州南站引出，位于福州市浚边村、新建村，自乌龙江北岸清凉山西侧出发，承载四线铁路跨越G324国道、福平铁路施工便道和乌龙江，到达乌龙江南岸的金牛山。桥位处附近的河段顺直，岸边无淤积。

1.1 工程地质

桥址区上覆土层主要为第四系人工填土层填筑土、素填土；第四系全新统冲海积层粗砂、粗圆砾土、卵石土；第四系残坡积层粉质黏土；层面埋深0.6～7.2 m。下伏基岩主要为侏罗系上统凝灰岩，弱风化，块状构造，节理较发育，岩体较完整，层面埋深3.7～12.0 m，广泛分布于整个桥址区。

桥址区内无地质构造，地表水、地下水存在CO2侵蚀，化学环境作用等级为H2、无硫酸盐侵蚀、酸性侵蚀、镁盐侵蚀，无盐类结晶破坏；仅根据氯离子含量判定，无氯盐侵蚀性。

1.2 水文及地震

桥位处附近河段顺直，岸边无淤积，测时水面宽约430 m，为国家内河Ⅳ级航道。索塔基础处水深6.7～20 m。桥位所在河段为感潮河段，水位受潮汐影响，三百年一遇洪水高潮位为5.38 m，百年一遇洪水高潮位为5.08 m，历年最高水位Hmax=4.61 m，历年最低水位Hmin=-2.39 m。

桥址区地震动峰值加速度值为0.10g(相当于抗震设防烈度7度)，地震动反应谱特征周期为0.65 s。

1.3 邻近建筑物

桥梁位于在建福平铁路乌龙江特大桥(下游114.7 m，轴心距离)和G324国道乌龙江公路大桥(上游61 m，铁路中心至公路桥边)之间，上下游各250 m范围内已有4座桥梁。

(1)福厦铁路乌龙江特大桥：在本桥上游约170 m处，全长868.178 m。孔跨布置为5-32 m简支箱梁+(80+3×144+80) m连续梁+3-32 m简支箱梁。跨越乌龙江主航道采用(80+3×144+80) m连续梁。

(2)在建福平铁路乌龙江特大桥：在本桥上游约115 m处，在乌龙江小里程方向分为左线、右线两个单线桥，左线及江上双线主桥桥长875.315 m，右线桥桥长417.585 m。跨乌龙江主航道采用(144+288+144) m刚构斜拉桥。

(3)乌龙江公路大桥：为G324国道跨乌龙江公路桥，在本桥下游约70 m处，桥长548 m，孔跨布置为：(52+3×144+52) m，主跨均为钢筋混凝土T构，各刚构间采用33 m简支挂梁连接。

(4)乌龙江公路大桥(新建复线桥)：为G324国道跨乌龙江公路桥，在本桥下游约120 m处，桥长640 m，孔跨布置为：(80+3×144+80) m连续梁+2-25 m简支梁。

2 主要技术标准

(1)铁路等级：客运专线。

(2)轨道类型：无缝线路，有砟轨道。

(3)线路数目：四线，左侧为正线双线，右侧为动车走行线双线。

(4)线间距：(5+5+5) m。

(5)速度目标值：正线160 km/h，动走线80 km/h。

(6)设计活载：ZK活载。

3 主桥孔跨布置的边界条件

福厦铁路正线(双线)自福州南站新建高速场引出，上跨既有福州南动车所、三江路后，到达乌龙江北岸G324国道乌龙江大桥与福平铁路乌龙江特大桥之间。动车走行线(双线)于福州南站南咽喉分别接轨，在乌龙江北岸与客运专线正线四线并行，而后修建乌龙江特大桥(四线)自北向南跨越乌龙江。

3.1 通航条件

桥址处河道为乌龙江窄口河段，水面宽约430 m，附近约300 m河段目前已建、在建有4座大桥，不满足与既有桥梁相隔距离，两座水上过河建筑物靠近布置相邻边缘距离应控制在50 m以内的和靠近布置的水上过河建筑物的数量不宜超过2座的规范要求[1]。桥位附近多条航道，且航道转弯，不利船舶控制。因此桥区通航条件十分复杂，根据规范应采取加大通航孔跨度或一孔跨过通航水域的措施。乌龙江大桥桥位平面见图1。

图1 乌龙江特大桥桥位平面

考虑拟建大桥河段附近桥梁较多，桥墩林立，通航条件较差，形成通航论证意见如下：“采用一孔跨过通航水域，建议拟建福厦客运专线乌龙江特大桥主通航孔设置432 m(3个144 m并为一跨)以上”，并考虑邻近桥梁的对孔布置(特别是与福平铁路桥的厦门侧索塔的对齐)，以获得良好的景观效果和视角通透性[2]。

3.2 桥位地形条件

桥位处乌龙江的河道为闽江南港最窄段，水域宽约430 m。乌龙江北岸有清凉山，山势较陡，线路采用隧道穿过。紧贴山脚为既有G324国道，道路大多为开挖山体形成。乌龙江南岸(大里程侧)有金牛山，山势亦较为陡峭。若边跨进行山体开挖，由于山体为浅埋岩层，开挖难度、工程量均较大。因此，两侧边跨布置长度应尽量不进入山体，尤其大里程侧边跨布置跨度不宜超过112 m。

3.3 既有道路条件

乌龙江北岸紧贴清凉山山脚为既有G324国道，道路正宽23 m，与铁路线斜交角度约45°，距北岸(小里程)主墩中心115～180 m，为开挖山体形成。根据地方意见，G324国道交通繁忙，道路行车条件、接线条件、地形条件均较差，不具备道路改移条件，施工期间原则上不容许过多影响道路交通。因此，小里程侧孔跨布置范围不大于181 m，且应考虑尽量减少桥梁施工对既有G324国道的影响，应以不小于69 m孔跨跨越G324国道。

3.4 线路纵坡条件

线路小里程侧轨面高度主要受跨越G324国道净空及福州站车站高程控制，大里程侧轨面高度受下穿福平铁路净空控制，不具备平坡布置条件。因此，线路纵坡采用以主跨中心为变坡点的对称人字坡布置，两侧均以2.8‰坡度布置(满足桥梁梁端设置轨道温度伸缩调节器纵坡不大于3‰的要求)。

3.5 线路平面条件(图2)

曲线小里程直线边为车站直线边，位置、方向根据既有福州南站确定，曲线大里程直线边为乌龙江特大桥，位置、方向根据既有公路桥、福平铁路桥确定。同时，小里程侧线路平面受小里程侧隧道控制，隧道出口距小里程侧索塔中心距离仅246 m，需满足隧道出口处相邻正线与动走线最小线间距8.5 m的要求。

基于上述线路布置条件，乌龙江特大桥桥址处线路平面布置方案为：乌龙江特大桥起始桥台之间的正线平面位于直线上，但动走线在距北岸(小里程)主墩中心138.8 m处往小里程方向进入缓和曲线和圆曲线段。四线铁路线间距布置为5.0 m+5.0 m+5.0 m，曲线段相邻正线、动走线至小里程侧桥台(距小里程侧索塔中心182 m)间距变宽范围为0～0.43 m。

图2 线路平面布置限制条件示意

3.6 机场限空条件

乌龙江特大桥小里程侧主塔中心距某机场跑道端部最小距离为8.2 km，距福州长乐国际机场跑道最小距离为26.4 km，位于机场限空范围内。依据机场净空有关规定[3-4]，并经民航福建监管局审核，乌龙江特大桥建筑最高高程190.0 m，距设计水位(高程4.52 m)高差约185.5 m[5]。

4 桥式方案

桥式方案选择以适用经济、结构合理、造型美观为主要原则，依据桥位地形地质条件、通航防洪要求、线路布置、既有道路要求等建桥条件，选择合适的桥式方案。结合主桥孔跨布置的边界条件分析，福厦客运专线乌龙江特大桥主桥需采用432 m主跨跨越乌龙江航道；小里程侧边跨布置最大范围为181 m，且需采用不小于69 m孔跨跨越既有G324国道；为尽量避免山体开挖，大里程侧边跨布置最大范围为112 m。

本桥主跨432 m较大，且承载四线铁路，若采用拱桥方案，则存在用钢量大，造价高昂，施工难度、风险较大等不利因素，因此不予考虑[6-8]。调研资料表明，国内外已建成邻近432 m主跨范围铁路(公铁两用)桥梁多采用斜拉桥，见表1。同时，考虑到桥位两侧的清凉山和金牛山的地质条件较好，若采用悬索桥方案则两个锚碇均可采用隧道锚，施工方便、传力可靠[9]。因此，本桥主要研究了斜拉桥和悬索桥方案。

表1 国内外已建成主跨邻近432 m铁路(公铁两用)桥梁统计(不完全统计)

4.1 高低塔混合梁斜拉桥方案(图3)

依据建桥条件限制，乌龙江特大桥如采用斜拉桥方案，则孔跨布置拟定为：主跨采用432 m跨越乌龙江航道；小里程侧边跨采用72 m上跨既有G324国道，孔跨布置为(72+109) m；大里程侧边跨采用(56+56) m布置，尽量避免山体开挖；全桥孔跨布置为(72+109+432+56+56) m，桥梁全长739.9 m(含两侧桥台)。

依据孔跨布置，小里程侧边跨长181 m，边中跨比0.42；大里程侧边跨长112 m，边中跨比0.26；两侧边跨非对称性突出，且大里程侧边中跨比值较小，且承载四线铁路压重需求大，不适宜采用等高塔斜拉桥。因此，为适应孔跨布置的非对称性，考虑边跨压重需求，拟采用(72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉桥方案。主梁采用边跨混凝土箱梁、中跨钢箱梁的混合梁形式，相较于钢箱梁或钢桁梁主梁，边跨采用整体混凝土箱梁，一方面可充分发挥混凝土箱梁自重、刚度大的特点，提高边跨压重作用、减小梁端转角，增强边跨对桥塔的锚固作用，提高桥式结构整体竖向刚度，使结构体系受力更为合理；另一方面也大幅减少了主梁钢结构用量，有效降低工程造价，具有较好的经济性[10-11]。

图3 (72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉桥桥式布置(单位：m)

大里程侧桥塔轨底以上塔高98.9 m，承台以上塔高128.5 m；小里程侧桥塔轨底以上塔高140.4 m，承台以上塔高170.0 m，塔顶高程174.0 m(不含避雷设施高度6 m)；两侧塔高差值为41.5 m。距机场净空要求的乌龙江特大桥建筑最高高程190.0 m尚有10 m的距离，满足桥塔施工吊机操作空间要求。

主梁除小里程侧梁端97.9 m范围和大里程侧梁端132.9 m范围采用预应力混凝土梁外，其余部分均采用钢箱梁。

钢箱梁采用带风嘴的闭合双主梁箱形截面，两侧单室为钢锚箱，外侧为外挂风嘴。钢箱梁桥面宽度26.0 m，含风嘴全宽29.1 m，箱梁高度4.0 m。钢箱梁节段标准长12 m，每隔3 m设置1道实腹横隔板。如图4所示。

混凝土箱梁采用与钢箱梁相同的单箱单室等高截面，截面全宽29.2 m，中心处梁高4.0 m，顶板、底板厚度均为40 cm。箱内横隔板标准布置间距为4.0 m一道，部分区域根据受力及结构要求布置2.5～3.0 m一道。如图5所示。

主要施工方案为：边跨混凝土箱梁采用支架逐段现浇施工，钢箱梁采用整节段吊装后顶推就位施工；中跨钢箱梁采用桥面吊机悬臂拼装法施工。边跨现浇支架高度5～25 m，跨G324国道段高度12 m，采用防护棚支架，以保证公路运营安全。全桥施工总工期预计约39个月。

4.2 钢桁梁悬索桥方案

主桥采用3跨连续单跨悬吊上承式钢桁梁悬索桥，桥梁全长514 m。主缆3跨布置为(95+432+126) m，加劲梁3跨布置为(41+432+41) m。小里程侧接(70+70) m T构跨越G324国道，大里程侧接2-32 m简支箱梁。主缆垂跨比1/10.8，矢高40 m。中跨吊索布置(20+28×14+20) m=432 m。

两岸均采用隧道式锚碇。前锚室长30 m，锚塞体长40 m。福州侧隧道锚倾角45°，漳州侧隧道锚倾角39゜，采用散索鞍支墩作为主缆转向和散开支承。桥塔采用双柱式门式框架结构，两侧塔柱高均为85 m。如图6所示。

图4 钢箱梁标准横断面(单位：cm)

图5 混凝土箱梁标准横断面(单位：cm)

图6 悬索桥方案桥式立面布置(单位：cm)

钢梁采用带竖杆的平行华伦式桁架。节间长6.0 m、7.0 m两种，桁高8 m，横宽25.5 m。下弦平面设置“K”形纵向联接系，断面节点间设置倒“V”形横向连接系。上弦杆、下弦杆、斜腹杆均采用箱形截面，竖腹杆采用工形截面。桥面采用正交异性板钢桥面结构，按纵横梁体系设计。如图7所示。

主要施工方案为：隧道锚采用控爆台阶法开挖；主缆采用牵引法架设，再利用主缆从跨中向两侧对称吊装施工钢桁梁主梁。小里程侧(70+70) m T构采用带安全防护对称悬臂浇筑施工，大里程侧2-32 m简支箱梁采用支架现浇施工。全桥施工总工期预计约46个月。

图7 钢桁梁横断面(单位：cm)

4.3 方案比选

两方案比较分析结果如表2所示。两方案均较好地适应了复杂的建桥条件，工程技术可行。钢桁梁悬索桥方案受力体系明确，结构大气美观，但主梁采用钢桁梁，施工周期较长，后期维修养护工作量较大，造价较高[12-13]。高低塔混合梁斜拉桥方案受力体系明确、结构优美、刚度条件良好；主梁采用混合梁形式，具有结构合理、适应高低塔短边跨受力特点(边跨混凝土梁自重大)等优点，相较悬索桥方案节省了大量投资，确定为推荐方案[14-15]。

表2 主桥方案综合比较

5 结论

福厦客运专线乌龙江特大桥建桥条件复杂，线路、通航、孔跨、塔高布置等方面受限条件较多，采用悬索桥和斜拉桥方案均技术可行。(72+109+432+56+56) m高低塔混合梁斜拉桥方案很好地适应了建桥条件，满足各方面限制要求，且有效减小了大里程侧边跨布置长度(仅112 m)，大幅减少了山体开挖工程量，通过采用混合梁主梁形式，充分发挥了边跨混凝土主梁的性能。桥式布置合理、结构受力明确、桥型简洁美观，施工快捷方便，具有突出的工点适应性和经济性。经综合比选，福厦客运专线乌龙江特大桥选定为高低塔混合梁斜拉桥。桥梁建成后，将成为世界上首座大跨度四线铁路高低塔混合梁斜拉桥。

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