高速铁路桥梁跨越黄河大堤设计方案研究

尹贻新，温登钦，孙洪斌

济青高速铁路有限公司，济南250014

1 工程概况

本文分析的拟建桥梁位于黄河下游河段，根据黄河桥渡水文分析及地方设站要求，设计单位研究了多种跨越黄河线位。黄河水利委员会规定，黄河下游河段桥梁容许间距为6 km。经过综合比选，最终跨越黄河线位为自长清工业区北侧通过后折向南，然后并行新建国道西侧走行设长清高速铁路，出站后跨越济平干渠与黄河。

黄河东大堤外侧紧邻济平干渠，此处线路位于曲率半径5.5 km的曲线上，满足TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［1］、TB 10098—2017《铁路线路设计规范》［2］要求。线路轴线与黄河大堤、济平干渠夹角均为132°。曲线条件及黄河大堤、济平干渠对桥梁方案影响较大，根据控制条件，分别对跨黄河大堤斜拉桥方案、连续梁桥方案进行研究。

2 斜拉桥方案

根据GB 50286—2013《堤防工程设计规范》［3］、山东省涉水建设项目等规范要求，采用（40+54+220+54+40）m斜拉桥方案，主跨220 m一跨跨越黄河大堤及济平干渠，大堤上不设置桥墩。

2.1 结构设计

参照国内外同类型高速铁路斜拉桥，综合考虑结构受力及景观效果，桥塔采用花瓶形桥塔，主梁横截面为单箱三室混凝土箱梁，采用半漂浮体系，塔梁处布置纵向活动支座并设置纵向阻尼器，全桥长410.3 m，见图1。

图1 斜拉桥方案（单位：m）

该线列车运营最高速度为350 km/h。参照文献［4］的方法计算混凝土加劲梁、桥塔等的强度和刚度，均满足TB 10621—2014要求。

2.2 动力特性及列车走行性分析

由于轨道不平顺、外部荷载等激励作用，列车在桥梁上运行时会导致桥梁结构产生振动，桥梁振动反作用于列车，车桥相互耦合形成一个时变系统［5］。该桥位于小半径曲线区段，桥梁跨径较大，此种条件下车桥耦合振动问题较为突出［6］。为确保高速铁路运营安全，需进行斜拉桥动力特性及高速列车走行性计算分析。

2.2.1 车辆（包括机车）空间振动分析模型

对车辆、机车空间振动建立计算模型。将轮对、转向架和车体简化为理想刚体；所有弹簧均满足胡克定律，蠕滑力不计非线性作用，弹簧阻尼按黏滞阻尼考虑；轮对与轨道在铅垂方向不分离［7］。车体、构架均按5个空间振动自由度计算，分别为摇头、横摆、横滚、点头、浮沉；轮对考虑摇头、横摆2个空间振动自由度。根据上述假定，四轴车辆按23个空间振动自由度计算，六轴机车按27个空间振动自由度计算［8］。振动分析模型见图2。

图2 车辆（机车）空间振动分析模型

2.2.2 桥梁空间振动分析模型

采用空间梁单元对全桥建立模型，斜拉桥有限元计算模型见图3。

图3 斜拉桥有限元计算模型

利用Winkler地基梁模拟斜拉桥桩基，采用m法通过土弹簧施加桩基与土体之间的力。土弹簧的刚度参照大堤土工试验资料及TB 10093—2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》［9］取值。根据动力学势能驻值原理和“对号入座”法则［10-12］，建立桥梁质量、刚度、阻尼等矩阵。

2.2.3 桥梁动力特性计算结果

根据斜拉桥有限元模型，计算桥梁的各阶自振频率，并对桥梁的各阶振型特点进行分析，见表1。

表1 桥梁自振特性

2.2.4 列车-桥梁时变系统空间振动响应计算结果

列车运营过程中的平稳性、安全性，以及列车在桥梁上运行时桥梁动力响应等，是评价车-桥系统振动性能时需要考虑的主要内容［13］。依据车桥耦合计算原理及有限元模型，按列车编组及行车速度分别计算CRH3高速列车在斜拉桥上运行时车-桥系统空间动力响应。列车编组见表2。

表2 列车编组

计算在250～350 km/h（运营速度段）、375～420 km/h（检算速度段）下车-桥系统空间耦合振动，桥梁和列车动力响应计算结果分别见表3和表4。

表3 桥梁动力响应计算结果

表4 列车动力响应计算结果

2.2.5 计算结果分析

由表3和表4可知：①当CRH3高速列车以250～350 km/h通过斜拉桥时，桥梁、列车各项计算结果均满足规范要求［14］。乘车舒适度小于2.75 m/s2，达到良好及以上；②当CRH3高速列车以375～420 km/h通过斜拉桥时，桥梁、列车各项计算结果均满足规范要求［14］。乘车舒适度大于2.75 m/s2但小于3.00 m/s2，达到合格及以上，但列车的轮重减载率超限。

3 连续梁桥方案

由于车体加速度、乘车舒适性等各项指标随梁体刚度的减小而增大［15］，为保证高速铁路运行性能，提高桥梁的耐久性，减少高速铁路运营阶段的维修养护工作量，拟采用桥梁刚度较大的连续梁桥方案。考虑到大跨度桥梁结构在纵向附加荷载作用下，轨道和桥梁会产生相对位移，使得钢轨中产生很大的纵向附加力［16］。为避免在高速铁路曲线桥上设置钢轨伸缩调节器，同时考虑尽量降低桥墩对黄河大堤、济平干渠的影响，采用（70+115+115+70）m预应力混凝土连续梁桥（图4）跨越黄河大堤，连续梁支座及跨中截面见图5。

图4 连续梁桥方案（单位：m）

图5 连续梁支座及跨中截面（单位：m）

3.1 方案概述

当曲线半径大于3 km时，轮重减载率随曲线半径变化的影响较小［17］。连续梁位于曲线半径大于等于5.5 km的曲线上时，桥梁强度、刚度满足要求即可保证列车的走行性和乘坐舒适性［18］。通过对连续梁桥桥墩、梁体进行计算，连续梁桥结构强度、刚度均满足规范要求。根据连续梁桥运行性能研究结果［19］和已建成通车的高速铁路动态检测报告、桥梁动力性能分析报告［20-23］可知，在曲线半径大于等于5.5 km的技术条件下，主跨大于等于115 m的连续梁桥和列车动力响应均满足规范要求。

该方案主墩设置于黄河大堤背水坡，桥梁建设不能影响现有河道整治和大堤近期规划，防洪影响评价报告已获得黄河水利委员会批复。根据文献［3］及防洪评价报告的要求，对设置桥墩的堤防需进行大堤的渗流稳定性、抗滑稳定性计算分析。

3.2 河道概况

桥位所在河段为1855年黄河在河南省兰考县铜瓦厢决口夺大清河改道后形成的。经过多年治理，该河段现已成为人工控制的弯曲性河段，两岸由险工、控导工程控制河势，中水河槽相对稳定，河道平均纵比降为0.1‰。由于拟建桥梁上下游距险工和护滩工程较近，线位处右岸为控导工程，受两岸工程控制，河势、堤防均较稳定。

3.3 渗流稳定性计算

根据地质资料及桥墩布置情况，选择黄河大堤桥墩断面为计算断面，分别计算黄河大堤以及增设桥墩后的渗流稳定性。

3.3.1 土层参数

表5 黄河大堤土层物理力学指标

3.3.2 边界条件

根据黄河水利委员会已批复的防洪评价报告，小浪底水库运用后对三门峡以上来水可以有效拦蓄。根据防洪调度预案，当桥位上游遇到10 000 m3/s大洪水时，东平湖分洪区等要进行分洪、滞洪运用，控制桥位处百年一遇及以上频率洪水的流量均为10 000 m3/s。因黄河下游临黄大堤属于Ⅰ级堤防，考虑到支流洪水遭遇的特殊情况，则控制桥位处堤防的百年一遇及以上频率防洪流量为11 000 m3/s。根据河道比降、设计洪水水面比降及桥位处河道断面，可推导出设计流量对应的设计防洪水位。临黄河侧设计防洪水位为39.40 m，背黄河侧济平干渠设计水位为31.48 m。

3.3.3 允许渗透坡降

土体发生流土破坏，其临界渗透坡降采用太沙基公式［24］计算，即

式中：Jcr为土的临界渗透坡降；Gs为土的颗粒比重；n为土的孔隙率。

土的允许渗透坡降J允=Jcr/K，K为安全系数。

3.3.4 计算方法及结果

应用理正软件土坝渗流分析模块对黄河大堤桥墩处断面土体按平面有限单元法进行渗流稳定计算。根据流体力学原理中土体与液体不可压缩的假定，符合达西定律的二向渗流水头函数拉普拉斯方程为

式中：x和z为坐标；h为水头函数，kx、kz均为渗透系数。

渗流等势图见图6，渗流稳定计算结果见表6。可见，增设桥墩后大堤渗流稳定性不满足要求。

图6 渗流等势图

表6 渗流稳定计算结果

3.3.5 防渗加固措施

在黄河大堤上增设桥墩后，堤防土体会产生渗流破坏。采用深层搅拌桩截渗墙措施可以有效提高大堤渗流稳定性［25-27］。因此，初步考虑在桥墩处一定范围内于黄河大堤堤顶增设深层搅拌桩截渗墙，初拟墙体有效厚度0.4 m，距临黄河侧堤肩2 m，墙顶高程高于设计洪水位的超高不小于1 m，墙底高程低于桥墩承台底0.5 m。为避免截渗墙端头发生集中绕渗破坏，截渗墙向河道上下游均延伸50 m。防渗加固后断面渗流等势图见图7。增设桥墩并采取加固措施后，出逸比降为0.39，黄河大堤未发生破坏，渗流稳定性满足要求。

图7 防渗加固后断面渗流等势图

为确保增设桥墩后大堤渗流稳定性，防止桥墩及承台四周土质因施工松动造成渗水问题，在堤身增设深层搅拌桩截渗墙的基础上，桥墩及承台四周设置防渗黏土环进行防渗处理［28］。防渗黏土环厚2.0 m，底部低于承台底0.5 m，顶部高出堤身浸润线0.5 m。

3.3.6 防渗加固施工

深层搅拌桩截渗墙施工采用三轴水泥搅拌桩机，采用一次钻进、一次提升、两拌两喷的方法施工。施工中应严格按配合比制作浆液，注浆量由调速器进行实时监控。为确保截渗墙施工质量，应定期测量齿片外径并及时修复，保证墙体的均匀度。施工过程中须严格控制桩位和垂直度，保证幅间套接质量和墙体的整体连续性。

3.4 抗滑稳定性计算

在渗流稳定性计算分析的基础上，考虑在桥墩处一定范围内于大堤堤顶增设深层搅拌桩截渗墙，进行堤防抗滑稳定性计算分析。计算断面、计算参数及边界条件与渗流稳定性计算相同。

3.4.1 计算工况

设计堤段为Ⅰ级堤防，根据GB 50286—2013的要求，土堤抗滑稳定性应包括正常、非常运用条件。正常运用条件：设计洪水位下的临河、背河堤坡；设计洪水位骤降期的临河堤坡，安全系数不应小于1.3。非常运用条件：施工期临河、背河堤坡，临黄河侧取施工期间相应水位；背黄河侧水位与济平干渠渠底平，安全系数不应小于1.2。

3.4.2 计算方法及结果

抗滑稳定性分析采用理正软件土石坝边坡稳定分析程序计算。按网格布置多个圆弧滑裂面，按瑞典圆弧法计算，用最优化原理搜索出相应最小安全系数值的临界弧，从而计算出最小安全系数。抗滑稳定性计算结果见表7。可见，大堤增设桥墩后各计算工况下抗滑稳定性满足要求。

表7 抗滑稳定性计算结果

综上，考虑高速铁路运行安全并预留一定的安全储备以及减少桥梁结构后期的维修养护工作量，经技术经济比选，推荐采用连续梁桥方案。

4 结论

1）当CRH3高速列车以运营速度通过斜拉桥时，斜拉桥动力响应、CRH3高速列车竖向振动加速度、横向振动加速度、列车运行安全性均满足规范要求。当CRH3高速列车以检算速度通过斜拉桥时轮重减载率超限。

2）采取深层搅拌桩截渗墙加固措施可避免黄河大堤发生渗流破坏，大堤增设桥墩后抗滑稳定性满足要求。

3）采用在大堤上设置桥墩的连续梁桥方案，满足了高速铁路运行要求，并在大堤堤顶增设深层搅拌桩截渗墙，提高了大堤渗流稳定性和抗滑稳定性。推荐采用连续梁桥方案。