太洪長江大橋建設方案研究

陳奉民，張麗娟，鄭升寶，熊　揚

(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設計院，重慶　401121； 2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司重慶分公司，重慶　400020)

太洪長江大橋建設方案研究

陳奉民1，張麗娟2，鄭升寶1，熊揚1

(1.重慶市交通規(guī)劃勘察設計院，重慶401121； 2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司重慶分公司，重慶400020)

摘要：太洪長江大橋是重慶市主城區(qū)近郊一座高速公路特大型跨江橋梁，橋址臨近御臨河長江匯流口，2次跨越運營鐵路。針對該橋區(qū)域內的建設條件，介紹太洪長江大橋的前期橋型方案構思研究，并對橋型方案和關鍵結構等內容進行比選，提出可行性方案，其可為大跨度跨江橋梁設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：長江大橋；橋型方案；構思；比選；景觀

1工程概況

1.1橋梁概況

太洪長江大橋為重慶市南川至兩江新區(qū)高速公路上的關鍵控制性工程，位于長江洛磧水道與爐子梁水道連接處，在巴南區(qū)及兩江新區(qū)所轄的木洞—麻柳嘴—珞磧江段于御臨河口附近太洪崗位置跨越長江及渝利鐵路(上、下行線)，長江上游航道里程樁號約610 km。太洪長江大橋地理位置如圖1所示。

圖1　太洪長江大橋地理位置

1.2技術標準

太洪長江大橋各項技術指標見表1。

2建設條件

2.1地形地貌

橋址區(qū)屬川東平行嶺谷構造侵蝕、剝蝕河谷地貌，橋軸線處長江河谷寬約1 000 m，河面寬約700～800 m。全橋址軸線地面高程在315.40～142.47～274.12 m區(qū)間變化，長江南岸斜坡地形較陡，地形坡角一般為28°～38°；北岸沿橋址走線為一山脊，地形相對較平緩，沿軸線方向地形坡角一般為5°～15°，垂直軸線方向凹槽內地形坡角一般為18°～30°。

2.2工程地質

橋址區(qū)位于洛磧向斜西翼，地層呈單斜產出，分布地層主要為第4系殘坡積層、沖洪積層及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組地層，下伏基巖主要為泥巖、砂巖，局部夾薄層粉砂巖。北岸岸坡為順向坡巖層傾角35°，整體地形坡角20°，其總體坡角小于巖層傾角，故整體穩(wěn)定。南岸工程影響深度范圍內基巖巖性主要為軟質泥巖，岸坡整體穩(wěn)定。橋址場地類別總體為Ⅰ類，屬抗震有利地段，僅北岸局部地段屬抗震不利地段，場地地震特征周期0.35 s。橋址區(qū)無特殊性巖土，也未發(fā)現斷層、泥石流和滑坡等不良地質現象[1]。

表1　太洪長江大橋主要技術指標

注：高程采用1985國家高程基準系統(tǒng)。

2.3氣候氣象

橋址區(qū)地處中緯地帶，屬中亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明。多年平均氣溫18.5 ℃，最低月(1月)平均氣溫7.7 ℃，極端最高氣溫43.0 ℃，極端最低氣溫-3.6 ℃，最大平均日溫差11.9 ℃。年平均風速1.3 m/s，最大風速26.7 m/s，主風向為NW。年平均相對濕度為79%。

2.4河流水文

橋址區(qū)河流主要為長江及其支流御臨河。長江河段順直平緩，河床平坦開闊，屬三峽工程浸沒區(qū)，庫區(qū)回水浸沒現象普遍。橋址區(qū)水位周期內具有大水位落差(±40 m)的特點，統(tǒng)計資料揭示，最高水位達190 m以上，最低水位在150 m左右，故設計最高水位取194.00 m(1/300)。水位、流速及流量主要受三峽大壩運行調度、季節(jié)降水及上游徑流的影響。根據三峽設計調度方案，每年5月末降低水位至防洪限制水位145 m；6—9月維持145 m的水位運行；10月開始蓄水至正常蓄水位175 m；11月至次年4月維持在較高水位?？菟?160 m水位左右)河面寬度約700 m，豐水期(175 m水位左右)約800 m。

御臨河于橋軸線上游約510 m匯入長江，不滿足內河通航關于過河建筑物的一般性要求，應采取工程措施或設1跨跨過通航水域[2]。

2.5河勢

橋址區(qū)河段河槽單一，河道順直微彎，橋軸線上游北岸有御臨河匯入，上游河心的大爐子梁將航道分為左、右兩漕，左漕(北岸)為主航漕，水流條件良好。橋址區(qū)河段天然狀態(tài)表現為典型山區(qū)河流特征，河床及河岸邊界約束較強，灘槽穩(wěn)定，近幾十年河床沖淤變化并不明顯。三峽水庫正常蓄水以后，橋址區(qū)河段的回流、緩流區(qū)域將出現累積性淤積的趨勢，對深槽影響較小，對河勢穩(wěn)定影響甚微，近年來深泓位置基本穩(wěn)定[3]。

2.6通航

從橋址區(qū)河段的通航條件、航運發(fā)展規(guī)劃等綜合考慮，設計代表船隊確定為文獻[2]中Ⅰ-(2)級中的三排二列船隊，設計代表船型采用5 000噸級貨船。橋梁軸線法向與水流流向最大夾角為8°，相對橋軸線法向橫向流速為0.48 m/s，經加寬計算，單孔單向通航孔凈寬論證為201 m，單孔雙向通航凈寬為402 m。通航凈高根據標準取為18 m，且結合三峽庫區(qū)船舶大型化的趨勢以及庫區(qū)橋梁通航凈空高度實際，設計按24 m預留[4]。

2.7鐵路

橋址區(qū)北岸跨越渝懷鐵路上、下行線，上行線在該段以明線路基形式通過，下行線以隧道形式下穿。太洪長江大橋與鐵路交叉關系如圖2所示。

圖2　太洪長江大橋與鐵路交叉示意

3橋型方案構思

3.1總體設計原則

太洪長江大橋橋型方案及孔跨布置主要受長江兩岸高速公路接線高程、通航行洪、施工水位及鐵路線位等因素限制。在充分調研周邊城市發(fā)展規(guī)劃、路網與河道規(guī)劃、河床形態(tài)特征、工程及水文地質、氣候氣象、通航防洪、鐵路現狀與規(guī)劃以及歷史人文等建設條件[5]的基礎上，本著設計一座具有地標性跨越長江橋梁的思想，貫徹“安全至上、以人為本”及“全壽命周期”的設計理念，總體設計系統(tǒng)規(guī)劃了大橋的建設及運營管養(yǎng)方案，力求結構安全、耐久、適用、環(huán)保、經濟和美觀[6]。

3.2主橋(含主引橋)跨徑選擇

主橋主跨跨徑選擇主要考慮了建設規(guī)模、通航水域寬度、工程地質以及大水位差條件下的施工組織等因素。在滿足航道有效凈寬的前提下，減小船舶撞擊主塔墩的風險，并控制長江豐水期高水位條件下降低建設施工投入成本，這些因素決定了該橋跨度的下限；控制橋梁規(guī)模、節(jié)約工程投資等因素又決定了主跨的合理可接受上限。

跨徑擬定時，根據通航水域枯水期的河面寬度，考慮一定的航道富余，從工程節(jié)約角度選取了滿足功能要求的主跨徑720 m；同時考慮豐水期河面寬度，基于避免深水基礎的思路選取了808 m主跨徑方案。選取的2個跨徑均能1跨越過通航區(qū)域且均通過通航及行洪論證，其中前者南岸主塔處在160 m水位附近，后者2主塔均處在175 m水位附近。

需要指出的是，北岸主塔位置(圖2)前緣距航道航標凈距約20 m，后緣距渝懷鐵路上行線約45 m，若位置南移則影響航道安全并增大了船撞風險，北移則基礎開挖由于陡坡地形及順層基巖的限制必然直接影響鐵路運營安全。因此，2個主跨徑方案中，北岸主塔位置相對固定。

此外，考慮主引橋(或主橋邊跨)需跨越渝懷鐵路，故為保證施工及運營安全，選用了2跨120 m的T型剛構等跨越方案。

3.3橋型方案構思

根據以上分析并綜合國內外橋梁發(fā)展水平、技術能力及實際經驗，認為超過700 m跨度的拱橋和梁橋已不適應，而可供選擇的橋型主要有懸索橋、斜拉橋等纜索承重體系。結合太洪長江大橋的建設條件共擬定了6個方案進行定性比較分析，見表2。

表2　太洪長江大橋初擬方案

注：主跨808 m未擬定斜拉橋方案主要原因在于南岸引橋段較短，邊中跨比不足0.2，常規(guī)斜拉橋方案已不適應。

3.3.1懸索體系方案分析

針對808 m的主跨擬定了方案A(單跨雙鉸懸索橋+T構)和方案B(雙跨雙鉸懸索橋)2種方案，兩者的主要區(qū)別在于跨越渝懷鐵路采用T構或帶單邊跨懸索的結構形式。后經過技術經濟比較和綜合研究后舍棄了方案B。

針對720 m的主跨考慮了方案C(單跨雙鉸懸索橋+雙T構)和方案D(3跨連續(xù)懸索橋)并對2種方案進行了比選。兩者的主要區(qū)別是橋梁跨越渝懷鐵路及河漫灘區(qū)是采用雙T構還是帶雙邊跨懸索結構，后經綜合研究后放棄了方案D。懸索體系簡圖如圖3所示。

圖3　懸索體系簡圖[7]

3.3.2斜拉體系方案分析

針對720 m的主跨還提出了方案E(7跨連續(xù)混合梁斜拉橋)和方案F(5跨連續(xù)鋼箱梁斜拉橋)并對2個方案進行了比選。兩者的主要區(qū)別是主梁結構形式及輔助墩的設置方式，后經綜合比選舍棄了方案E。斜拉體系簡圖如圖4所示。

圖4　斜拉體系簡圖[7]

4橋型方案研究

4.1橋型方案擬定

針對太洪長江大橋主橋懸索體系方案A和方案C、斜拉體系方案E進行進一步的經濟技術比選。擬定方案1～3，橋型概略布置如圖5所示。

方案1：主跨808 m單跨雙鉸鋼箱梁懸索橋。

方案2：主跨720 m七跨連續(xù)混合梁斜拉橋。

方案3：主跨720 m單跨雙鉸鋼箱加勁梁懸索橋。

圖5　橋型概略布置

4.2鋼箱加勁梁懸索橋方案

懸索橋方案為傳統(tǒng)地錨式懸索橋，考慮是否設置深水基礎，選擇方案1和方案3進行同精度比較。方案1跨徑布置為4×40 m+808 m+2×120 m+10×30 m，方案2跨徑布置為2×120 m+720 m+2×120 m+7×30 m，2個方案主橋均采用單跨雙鉸懸索橋，主纜矢跨比為1∶10，吊索標準間距12 m；主橋標準橫斷面如圖6所示；橋塔采用鋼筋混凝土門型構造，南岸錨碇為隧道式，北岸錨碇為三角框架重力式。方案1北岸主引橋采用T型剛構，方案3南、北岸主引橋均采用T型剛構。

圖6　懸索橋方案橋梁標準橫斷面

由于橋址處風速較大，加勁梁采用抗風性能較好的流線型扁平鋼箱梁，梁高3.0 m，梁寬38.2 m(含吊索區(qū))，方案1和方案3高跨比分別為1/269.3、1/240.0，高寬比分別為1/12.7、1/18.8。鋼箱梁標準段長12 m，內設4道實體式橫隔板，端梁段局部設縱隔板2道，鋼材采用Q345D。正交異性橋面板板厚推薦采用16 mm，加勁肋采用U肋，頂板U肋高度取為280 mm，板厚取為8 mm；底板U肋高度取為250 mm，板厚取為6 mm。橋面鋪裝采用7.5 cm(SMA10+GA10)澆注式瀝青混凝土結構形式。

南岸錨碇錨體區(qū)域為完整性泥巖，屬軟巖或較軟巖，遇水極易軟化；圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。 采用的隧道錨屬淺埋，其技術難點為：1) 張拉荷載下圍巖極限承載能力等物理力學特性的掌握；2) 張拉荷載下錨碇體及圍巖體的變形狀態(tài)以及穩(wěn)定性的定量判斷；3) 設計壽命周期內隧道錨的防排水及防腐除濕等耐久性設計問題。若能處理好以上技術問題，則隧道錨在造價、環(huán)保等方面具有明顯技術優(yōu)勢。

在類似建設條件下，在建的重慶幾江長江大橋北錨碇、萬州駙馬長江大橋南錨碇及已建成的鵝公巖長江大橋、豐都長江大橋、忠縣長江大橋等均采用了類似結構。長期觀測表明，隧道錨底面處于長江高水位以上的如豐都長江大橋，其南岸錨碇等滲水情況不突出；處于平均水位以下的如忠縣長江大橋、萬州長江大橋，其錨碇則滲水現象嚴重。由于太洪長江大橋南岸錨碇區(qū)域遠高于長江水位，故采用隧道錨形式，無論從技術合理性還是結構耐久性等方面看均是合理可行的。

另外，針對該橋南岸錨碇還構建了實體縮尺模型進行現場大剪切、錨碇拉拔、圍巖物理力學特性原位測試等試驗研究，并在試驗數據基礎上完善了錨碇選型及構造優(yōu)化設計，且還采取措施對地面滲水問題進行了處理。

4.3混合梁斜拉橋方案

主橋孔跨布置為74 m+74 m+102 m+720 m+102 m+74 m+74 m，結構形式采取雙塔雙索面斜拉橋，墩塔固結，塔梁分離，半漂浮體系。主梁采用鋼箱梁與PC箱梁縱向組合的混合梁結構，結合部位設在中跨，其中，中跨PC梁長2×97.5 m，鋼箱梁長525 m，邊跨采用PC主梁。主塔采用花瓶形索塔，索塔處設置橫向限位支座，縱向設置阻尼限位裝置，邊跨各設置2個輔助墩，邊墩、輔助墩設置豎向支座。索面按扇形布置，每個索面50對索，橫橋向標準索距33.6 m，順橋向邊跨標準索距10.5 m，邊跨尾索區(qū)索距為6 m；中跨混凝土梁段標準索距10.5 m，鋼箱梁段標準索距16 m。主橋標準橫斷面如圖7所示。

經研究比較，確定鋼混結合段采用 “鋼格室+PBL 鍵+預應力”的結構[8]，以使主梁剛度過渡比較均勻，應力擴散良好。結合段鋼結構部分長10.5 m，其中，鋼箱梁端部加強段長4.2 m，鋼混結合段長4.0 m，混凝土連接段長2.3 m。鋼格室為箱形封閉結構，長2.5 m，高0.85 m，標準寬度為0.9 m。鋼格室腹板及抗剪鋼板上開有長圓孔，孔中穿Φ20 mm鋼筋并與包裹混凝土一起形成鋼筋混凝土剪力鍵(PBL鍵)。鋼格室通過鋼箱梁加強段與鋼箱梁連接，其內填充C55微膨脹混凝土。鋼箱梁加強段長4.2 m，采用在U肋中間加設T形加勁的方式設置。為保證鋼混凝土結合段與PC箱梁緊密結合，在結合段設置預應力鋼束。

圖7　斜拉橋標準橫斷面

由于主橋邊跨高度大，且北岸上跨既有渝懷鐵路，現澆支架搭設及鐵路防護難度大，故橋塔兩側97.5 m混凝土主梁采用掛籃對稱懸臂澆筑施工，邊跨剩余段混凝土主梁搭架現澆施工；鋼箱梁分節(jié)段在工廠制造，船運至橋下吊裝安裝；南岸橋塔承臺基礎采用雙壁鋼圍堰法施工，橋塔塔身采用自動液壓爬模法施工。

4.4橋型方案比選

太洪長江大橋橋型方案綜合比選見表3。

由表3可知，方案1雖造價略高，但其適應性較好，降低了施工及運營中的風險，并符合科學發(fā)展的要求，故本次研究確定采用方案1作為實施方案。

5橋梁景觀構思

太洪長江大橋方案研究時還進行了環(huán)境調查與分析、總體景觀、主體造型以及構件與附屬設施造型等專項景觀設計，確立了橋梁主體造型、構件造型以及色彩涂裝。下面簡要介紹橋塔的景觀造型理念。

橋塔造型如圖8所示，其主題為“開拓之門、希望之門”，塔柱與上橫梁為弧線造型，整體造型像“天”字又似“開”字，剛硬高雅的橋塔豎線造型與背景山體曲線相融合，象征山城及兩江新區(qū)人民開天辟地、不畏艱險、向著希望永不止步的奮斗精神。

圖8　橋塔及橫梁景觀造型構想圖

6結束語

本文結合太洪長江大橋橋址區(qū)地形、地質、水文、通航和建設等要求，對其方案構思、跨徑選擇及橋型方案進行了論證研究，最終確定采用主跨808 m單跨鋼箱加勁梁懸索橋方案。該方案景觀效果好，施工技術成熟可靠，符合科學發(fā)展的要求。根據對該橋建設條件及技術特點的分析，同步開展了淺埋軟質泥巖區(qū)隧道式錨碇專項原位實驗、風場參數觀測及抗風關鍵技術、防船撞、工程場地地震安全性評價等專題研究，以期能在設計一件令公眾滿意的作品的同時，推動我國在山區(qū)跨江大跨懸索橋設計和施工關鍵技術方面的進步。

表3　太洪長江大橋橋型方案綜合比選

參 考 文 獻

[1]重慶蜀通巖土工程有限公司. 太洪長江大橋(K線)工程地質初步勘察報告[R].重慶：重慶蜀通巖土工程有限公司，2015.

[2]國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB 50139—2004內河通航標準[S]．北京: 中國計劃出版社，2004．

[3]重慶西科水運工程咨詢中心．太洪長江大橋防洪評價報告[R]．重慶：重慶西科水運工程咨詢中心，2015.

[4]重慶西科水運工程咨詢中心．太洪長江大橋航道通航條件影響評價報告[R]．重慶：重慶西科水運工程咨詢中心，2015.

[5]姜友生. 公路橋涵設計手冊:橋梁總體設計[M]．北京: 人民交通出版社，2012．

[6]中交公路規(guī)劃設計院有限公司．JTG D60—2015公路橋涵設計通用規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社，2015．

[7][丹]尼爾斯J.吉姆辛.纜索支承橋梁：概念與設計(第二版)[M].金增洪，譯．北京: 人民交通出版社，2002．

[8]張建軍，李松，高安榮，等．鄂東長江大橋鋼-混結合段施工關鍵技術方案[J]．橋梁建設，2009(增1)：27-31．

Research on Construction Schemes of Taihong Yangtze River Bridge

CHEN Fengming1, ZHANG Lijuan2, ZHENG Shengbao1, XIONG Yang1

Abstract:Taihong Yangtze Bridge is a super-large cross-river bridge on expressway in suburbs of Chongqing metro area, and the bridge site is close to the junction of Yulin River and Yangtze River and crosses an operating railway twice. In allusion to the construction conditions in the area of the bridge, this paper introduces the research on bridge types at early stage of Taihong Yangtze River Bridge project, compares and selects tbridge types and key structures and proposes a feasible scheme. The research in this paper provides a reference for design of large-span cross-river bridges.

Keywords:Yangtze River Bridge; scheme for bridge type; conception; comparison and selection, landscape

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.016

收稿日期：2016-01-15

作者簡介：陳奉民(1979-)，男，山東省淄博市人，碩士，高工。

文章編號：1009-6477(2016)03-0066-07中圖分類號：U442.5

文獻標識碼：A