陳軍剛,陳孔令,李志厚,吳華金

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,云南 昆明 650041;2.云南省交通運(yùn)輸廳)

1 項(xiàng)目概況

華麗高速公路屬國家高速公路網(wǎng)G4216成都至麗江高速公路華坪至麗江段高速公路，是云南省高速公路網(wǎng)“三縱三橫，九大通道”中的第一橫華坪～麗江～蘭坪～六庫中的一段，也是國家高速公路網(wǎng)G42上海至成都高速公路成都至麗江聯(lián)絡(luò)線(G4216)的一段，項(xiàng)目全長158.172 km。金安金沙江大橋位于K114+695處，為跨越金沙江而設(shè)，是整個(gè)項(xiàng)目的控制性工程。

2 建設(shè)條件

橋址區(qū)位于麗江市東偏南約20 km，金安橋水電站大壩上游1.38 km處，區(qū)段內(nèi)金沙江河谷呈開闊的“V”形，兩岸岸坡均存在陡緩交接的階梯形特征。華坪岸坡發(fā)育多條切割較淺的沖溝，溝長一般為1.5～4.5 km，溝底寬1～3 m，溝心基巖裸露，均為季節(jié)性流水沖溝；岸坡坡度一般為10°～21°，局部地形受控于緩傾角發(fā)育的凝灰?guī)r夾層及平行和垂直于金沙江的兩組節(jié)理，形成局部20～40 m陡崖。麗江岸屬逆向坡，受地層巖性、產(chǎn)狀、構(gòu)造等多種因素影響，麗江岸岸坡地形相較華坪岸明顯陡峻，江邊段岸坡的地形坡度一般為40°～45°，局部大于50°，且存在多處近直立的陡崖地貌；橋面標(biāo)高200 m以上位置岸坡坡度出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，為一寬緩的斜坡地貌。

橋址區(qū)及其附近8 km范圍內(nèi)規(guī)模較大的斷裂主要有3條：三古斷裂、楚奪洛-大龍?zhí)稊嗔?、各?農(nóng)旗斷裂；除三古斷裂為早中更新世斷裂，其余皆為前第四紀(jì)斷裂，橋址區(qū)及附近范圍無晚更新世以來活動(dòng)的斷裂。區(qū)域內(nèi)地層出露較全，從震旦系～第四系地層均有分布。震旦系以碳酸鹽巖為主，其次為碎屑巖；古生界出露齊全，廣布全區(qū)，主要為碳酸鹽巖、碎屑沉積巖和基性火山噴出巖；中生界全區(qū)均有分布，為碳酸鹽巖、碎屑沉積巖；新生界第三系為一套碎屑沉積巖；第四系主要分布在洼地、緩坡和河谷地帶，成因類型有沖積、洪積、坡積、崩積、湖積和冰磧等，橋位區(qū)不良地質(zhì)主要包括：崩塌、滑塌體，華坪岸為順層坡，岸坡穩(wěn)定問題需重點(diǎn)關(guān)注。

橋位地處滇西北橫斷山縱谷地帶，屬低緯高原山地疾風(fēng)氣候，立體氣候特點(diǎn)突出；全年平均降水量980 mm左右，干濕季分明，5—10月雨季總降水量占全年總降水量的83%左右。多年統(tǒng)計(jì)年平均氣溫為16.9 ℃，月平均最高氣溫為23.8 ℃，月平均最低氣溫為7.7 ℃，極端最高溫為35.6 ℃，極端最低溫為-6 ℃。無霜期為每年3—11月；最大凍土深度39 cm。橋位河谷區(qū)冬季最多風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)，頻率為26%；夏季最多風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，頻率為15%；全年平均最多風(fēng)向?yàn)槠黠L(fēng)，頻率為18%。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1) 道路等級；雙向四車道高速公路。

(2) 計(jì)算行車速度：80 km/h。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)路基寬度：24.5 m。

(4) 主橋桁寬：27 m，在滿足24.5 m路基寬的基礎(chǔ)上，兩邊增設(shè)0.6 m寬檢修道。

(5) 橋梁設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級。

(6) 橋面橫坡：2.0%。

(7) 設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。

(8) 設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：27.2 m/s。

(9) 抗震烈度：8度。橋梁設(shè)計(jì)按專項(xiàng)評測地震動(dòng)參數(shù)研究結(jié)果控制結(jié)構(gòu)抗震，100年超越概率10%(0.28g)和4%(0.45g)兩水準(zhǔn)控制設(shè)計(jì)。

4 橋位、橋軸選擇

4.1 橋位選擇主要考慮因素

華麗高速跨金沙江橋位選擇時(shí)，主要考慮如下因素：

(1) 跨江位置應(yīng)在兩岸接線主要控制點(diǎn)和走廊帶上下游一定范圍內(nèi)。

若橋位距離兩岸接線控制點(diǎn)太遠(yuǎn)，展線過長，則不具現(xiàn)實(shí)意義。

(2) 橋位與麗江壩區(qū)距離近、高差大、地形復(fù)雜，跨江橋面標(biāo)高不宜過小。

金沙江距麗江壩區(qū)直線距離不足20 km，麗江壩區(qū)地面高程約2 400 m，橋位區(qū)金安水電站常水位僅1 418 m，區(qū)段路線短、高差大，此為控制設(shè)計(jì)之一。其次，麗江岸地形陡變起伏大，該岸接線方案以長25 km的長坡隧道群為主，按規(guī)范要求，“長大坡+隧道群”組合設(shè)計(jì)縱坡須控制在3%以內(nèi)(或取值更緩)方合規(guī)、安全。在滿足功能、安全、規(guī)定指標(biāo)前提下，如何取得兩者之間的平衡成為確定跨江橋梁標(biāo)高的控制因素。

(3) 區(qū)域地震烈度高，索結(jié)構(gòu)下塔柱高度需控制在一定范圍內(nèi)。

橋址地處8度高地震烈度區(qū)，橋塔控制設(shè)計(jì)由地震荷載工況決定，在鋼塔使用受限情況下(河谷區(qū)地形復(fù)雜，進(jìn)場、現(xiàn)場拼裝條件均不支持鋼塔方案)，橋梁下塔柱高度不宜太高。資料顯示中國國內(nèi)混凝土橋塔懸索橋下塔柱最高者為貴州壩陵河大橋，下塔柱高91.3 m，但其地震動(dòng)峰值加速度僅為0.05g；國外0.3g以上地區(qū)下塔柱較高者以明石海峽橋(下塔柱高65.5 m)、南北備贊瀨戶橋(下塔柱高62.45 m)頗具代表，但其橋塔又均為鋼塔。結(jié)合同處高地震烈度區(qū)的云南龍江橋(0.3g地區(qū)，下塔柱高度分別為51.8和11.8 m)，該橋下塔柱高度宜控制在70 m以內(nèi)。

(4) 橋梁規(guī)模宜盡量小，以減少橋梁建設(shè)難度。

該橋?qū)?yīng)路基寬僅24.5 m，各橋位布孔方案最小跨徑達(dá)1 200 m，最大者超過1 500 m；橋梁寬跨比小，對于抗風(fēng)效果較差的鋼桁加勁梁方案(鋼桁梁抗風(fēng)效果差于鋼箱梁，但該橋進(jìn)場、場拼條件均不支持鋼箱加勁梁方案)，具有跨徑大、寬跨小的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)難度將面臨諸多專項(xiàng)挑戰(zhàn)。以明石海峽大橋?yàn)槔? 991 m跨徑，35.5 m梁寬，跨寬比為56；但其所用鋼板為屈服強(qiáng)度700 MPa的HT780鋼材，而當(dāng)下中國國內(nèi)廣泛采用的鋼材也僅以Q420鋼材為主；經(jīng)過類比分析后，該橋若在滿足基本跨越前提下，主跨以不大于1 400 m為宜。

4.2 橋位選擇

以橋位選擇主要考慮因素為基礎(chǔ)，沿兩岸接線走廊帶附近河谷上下游20 km范圍內(nèi)進(jìn)行橋位甄選，由上游至下游方向考察橋位依次為：D5線三古橋位、推薦K線增明橋位、D4線中臺橋位、D7/D8線永安橋位；各橋位路線平面分布示意如圖1所示。

圖1 橋位路線平面分布圖

各橋位區(qū)河谷兩岸地形均呈開闊“V”形，橋梁跨徑對橋面高度變化敏感。考慮到各橋位最小跨越距離已達(dá)1 200 m，故橋位論證時(shí)，跨江橋梁均按懸索橋方案進(jìn)行，各橋位方案主要特點(diǎn)如表1所示。

由表1可知：K線增明橋位無論從地形、地質(zhì)、橋梁規(guī)模、兩岸接線和場地條件等方面均較適中，可實(shí)施性強(qiáng)；由此，選定增明橋位為跨江橋位。

4.3 橋軸選擇

橋位確定以后，結(jié)合橋位區(qū)地形、地質(zhì)情況，對5條不同橋軸進(jìn)行了篩選和論證；其平面位置如圖2所示(由上游至下游方向：依次為Z1～Z5橋軸)。其中，華坪岸坡面有一崩塌堆積體(此崩塌體系金安橋水電站修建和運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)依然處于監(jiān)測當(dāng)中)，其影響范圍如圖2所示。

表1 不同橋位主橋主要參數(shù)及特點(diǎn)

圖2 橋軸選擇平面圖

項(xiàng)目前期基于地形和地質(zhì)調(diào)繪成果，擬考慮采用與河谷正交、跨越距離短的Z1橋軸為推薦橋軸：該橋軸麗江岸地形(山體相對飽滿)、地質(zhì)(巖體外露)較好；華坪岸橋塔可立于坡面凸起山包之上；該岸錨碇位置基巖出露，地質(zhì)條件好。隨著地勘工作的不斷深入，發(fā)現(xiàn)該坡面凸包基本由碎石覆蓋層(最深達(dá)69 m)構(gòu)成，“厚覆蓋層+順層坡”的組合使華坪側(cè)岸坡穩(wěn)定問題異常突出，倘若對華坪岸橋塔位置覆蓋層進(jìn)行清方減載，清方量將達(dá)百萬方級以上，經(jīng)濟(jì)可行性差。

Z2橋軸、Z3橋軸考慮利用地形、地質(zhì)條件較好的麗江岸塔錨位置，對華坪岸塔碇位置進(jìn)行調(diào)整選位(其中：Z2橋軸橋塔較Z1向下游方向移動(dòng)約230 m，與Z1橋軸夾角約為8°；Z3橋軸橋塔向下游方向移動(dòng)約500 m，與Z1橋軸夾角約15°)。Z2塔位受限于塔前坡面崩塌臨空面，主橋跨徑為1 380 m；錨碇位置處有一坡面堆積體(崩積、坡積成因，其中以松散崩積物為主，厚度達(dá)42 m，錨碇位置地質(zhì)鉆探中有縮孔現(xiàn)象)，工程穩(wěn)定性差。基于此，對華坪岸塔碇位置繼續(xù)向下游電站大壩方向移動(dòng)形成Z3橋軸，Z3橋軸塔和錨碇位置可有效避開坡面上下游側(cè)崩塌臨空面，且錨碇位置坡面覆蓋層較薄(厚度小于14 m)，形成該橋最終選定橋軸。考慮到Z3橋軸與河谷非絕對正交(約15°斜交)，故有必要在既定華坪岸塔、碇位置情況下，核實(shí)麗江岸有無支承塔錨合理位置之橋軸(橋軸與河谷盡可能正交、減小跨越距離)，由此延伸出Z4、Z5橋軸。Z4、Z5橋軸麗江岸塔位山體兩側(cè)河谷侵蝕較深，山體呈孤凸之勢(Z5橋軸尤甚)、且塔位山體節(jié)理發(fā)育，坡面陡峻、工程穩(wěn)定性差；基本不具進(jìn)一步深入研究的價(jià)值。

由此得出金安金沙江大橋最終橋軸位置為增明橋位Z3橋軸。

5 橋型方案構(gòu)思與選擇

5.1 橋梁選型原則

在橋梁設(shè)計(jì)中除認(rèn)真執(zhí)行“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”的技術(shù)方針外，該橋設(shè)計(jì)時(shí)還遵守了以下原則。

(1) 因地制宜，統(tǒng)籌兼顧。結(jié)合在“三高地區(qū)”建設(shè)峽谷懸索橋布跨特點(diǎn)、兼顧路線規(guī)劃、接線平縱指標(biāo)、隧道規(guī)模等因素，合理選擇橋梁跨徑。充分重視橋位既有建設(shè)條件(如：進(jìn)場道路、場地平整性、水域條件、既有構(gòu)造物等因素)，選取合理橋梁結(jié)構(gòu)形式及實(shí)施方案。

(2) 重視結(jié)構(gòu)耐久性，可檢、可養(yǎng)護(hù)維修、可更換。

(3) 充分利用成熟技術(shù)，推動(dòng)橋梁技術(shù)在山區(qū)的推廣應(yīng)用。

借鑒國內(nèi)外大型橋梁設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，尤其是近期修建的山區(qū)及長江、海灣特大跨徑橋梁的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該橋條件，采用成熟可靠的新技術(shù)、新工藝，進(jìn)一步降低工程規(guī)模和風(fēng)險(xiǎn)，降低造價(jià)，推動(dòng)橋梁技術(shù)在山區(qū)的推廣應(yīng)用。

(4) 重視環(huán)保、節(jié)約，創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程。

(5) 注重景觀，將橋梁結(jié)構(gòu)與環(huán)境融合。

(6) 以人為本，注重人性化設(shè)計(jì)。

5.2 橋型方案概念設(shè)計(jì)

根據(jù)橋址區(qū)地形、地質(zhì)、線位高度等特點(diǎn)，可布置橋型方案主要有懸索橋、斜拉橋、拱橋等大跨結(jié)構(gòu)，在概念設(shè)計(jì)階段，對以上3種橋型均進(jìn)行了總體布設(shè)。

斜拉橋采用主跨720 m的鋼桁加勁梁方案，其主要特點(diǎn)為：橋塔距庫區(qū)水位線近(庫區(qū)水環(huán)保要求高)、橋塔高、跨徑大、麗江岸地形陡峭、出渣難度大；除設(shè)計(jì)需面臨超高墩、超大跨鋼桁斜拉橋的抗風(fēng)/抗震問題外，超高塔墩、長懸臂梁結(jié)構(gòu)施工可行性面臨的不確定因素亦較多，總體而言，斜拉橋方案的可實(shí)施性差。

拱橋按上承式布設(shè)(拱跨跨徑最小)，主橋拱跨達(dá)998 m，對應(yīng)拱座處立柱墩高達(dá)172 m。為減少拱上立柱/引橋高墩的數(shù)量，主拱結(jié)構(gòu)與引橋相接處由剛構(gòu)/T構(gòu)與兩側(cè)主引橋相連。此方案與中國國內(nèi)既有大跨拱結(jié)構(gòu)(目前中國國內(nèi)拱橋結(jié)構(gòu)最大跨徑為552 m重慶朝天門大橋)相比，跨徑突破過大，既有設(shè)計(jì)/施工方面經(jīng)驗(yàn)少，不可預(yù)知風(fēng)險(xiǎn)因素多。

總體而言：斜拉橋、拱橋方案均存在一定程度的不確定性、風(fēng)險(xiǎn)較高，基本不具可行性。相對而言，懸索橋方案可行性大，與現(xiàn)場地形、地質(zhì)條件契合較好，且懸索橋?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)，對該橋所處高地震烈度區(qū)結(jié)構(gòu)抗震也大有裨益；因此，金安金沙江大橋最終采用方案為主跨1 386 m的雙塔單跨懸索橋方案。

5.3 懸索橋設(shè)計(jì)概要

金安金沙江大橋采用1 386 m單跨鋼桁加勁梁懸索橋，華坪岸引橋采用3×40 m+4×36 m兩聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，麗江岸引橋采用一聯(lián)2×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋，橋梁總長度1 720 m(圖3)。主橋采用鋼桁加勁梁懸索橋結(jié)構(gòu)，主纜計(jì)算跨徑為(350+1 350+360) m，屬雙塔單跨結(jié)構(gòu)；主跨跨中設(shè)凸形豎曲線，變坡點(diǎn)前后縱坡分別為+1%、-1%；橫橋向設(shè)雙向2%的排水橫坡；橋面標(biāo)高距橋下水電站庫區(qū)常水位334.96 m。

圖3 懸索橋方案布置圖(單位：m)

大橋主纜矢跨比(f/l)為1/10，采用預(yù)制平行鋼絲索股(PPWS)，兩根主纜橫向中心間距27 m，每根主纜由169股索股組成，每股由127根φ5.25 mm的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲組成，鋼絲極限抗拉強(qiáng)度1 770 MPa。主纜在索夾內(nèi)外的設(shè)計(jì)空隙率分別為17%、19%，索夾內(nèi)外對應(yīng)纜徑分別為844、855 mm。主纜索股錨固系統(tǒng)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線索與合金鋼錨固連接器組合形式，主纜束股經(jīng)散索鞍散開后，由合金鋼錨固連接器連接到錨體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束上。

吊索縱向間距為10.8 m，橫向間距為27 m。每一吊點(diǎn)設(shè)置兩根直徑為60 mm的8×55WS+1WR型鋼絲繩，鋼絲繩抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，最小破斷拉力為2 200 kN。全橋共246個(gè)吊點(diǎn)，492根吊索。鋼絲繩在主纜處跨越索夾上預(yù)留的槽口騎跨在主纜上，下端與鋼桁梁銷接。

鋼桁加勁梁為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，由主桁架、上下平聯(lián)、橫向桁架組成，桿件均為箱形截面，主桁上、下平聯(lián)采用X平聯(lián)。鋼桁高8.8 m，桁寬27 m，節(jié)間長度10.8 m，在每節(jié)間處設(shè)置一道橫向桁架，全橋共計(jì)124個(gè)梁段。正交異性鋼橋面板由橋面板、U形加勁肋、縱向板肋、橫隔梁和倒T形縱梁組成，橋面板厚采用16 mm，U形加勁肋厚度8 mm，橋面鋪裝采用7 cm厚瀝青混凝土。橋面板由6個(gè)縱梁支承在加勁桁架上橫梁上，縱梁為倒T形，標(biāo)準(zhǔn)段橋面板在順橋向每隔2.16 m設(shè)置一道橫隔板，倒T形縱梁與主橫桁架上橫梁的上翼緣板之間設(shè)置拉壓式盆式橡膠支座。正交異性鋼橋面板在橫橋向分為左右兩幅。每幅橋面板4個(gè)節(jié)段作為一聯(lián)，每聯(lián)之間設(shè)有伸縮縫。橋面防撞護(hù)欄采用鋼護(hù)欄，橋兩側(cè)護(hù)欄防撞等級為SS級，路中間分隔帶處對應(yīng)為SAm級。

主塔采用門形框架式混凝土索塔，華坪岸塔高205 m，麗江岸塔高191.5 m，每個(gè)主塔包含兩個(gè)塔柱和兩道柱間橫梁；塔柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為減小主塔風(fēng)荷載阻力系數(shù)，對箱形截面四邊角進(jìn)行切圓處理，上、下橫梁均為預(yù)應(yīng)力箱形截面。索塔基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)，每個(gè)塔柱下設(shè)16根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁。

主索鞍為鑄-焊組合式索鞍，鞍槽用鑄鋼鑄造，底座由鋼板焊成。為減輕吊裝運(yùn)輸重量，將鞍體分成兩半，吊至塔頂后用高強(qiáng)度螺栓拼接；半只鞍體吊裝重量不超過50 t。鞍體下設(shè)不銹鋼板-聚四氟乙烯板滑動(dòng)副，以適應(yīng)施工中的相對位移；索塔頂設(shè)有底座格柵，以便安裝主索鞍。散索鞍同樣采用鑄焊組合式結(jié)構(gòu)，兩岸散索鞍采用擺軸式結(jié)構(gòu)。

兩岸錨碇均采用隧道式錨碇。錨固系統(tǒng)采用布設(shè)靈活、施工方便的前錨式預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨固系統(tǒng)。出于可檢、可修、可換之目的，錨碇錨固系統(tǒng)鋼絞線采用無黏結(jié)可更換式環(huán)氧噴涂鋼絞線。

為減小大橋使用階段產(chǎn)生過大的變形，對加勁梁在縱、橫、豎三個(gè)方向建立約束系統(tǒng)。每個(gè)橋塔處加勁梁梁端設(shè)有兩個(gè)豎向支座，支座為雙向活動(dòng)支座，全橋共計(jì)4個(gè)；鋼桁梁每端設(shè)4個(gè)橫向抗風(fēng)支座，全橋共計(jì)8個(gè)；為減小運(yùn)營期橋梁振動(dòng)、減小地震響應(yīng)，全橋共設(shè)有4個(gè)縱向液體黏滯阻尼器。

6 結(jié)論

云南華麗金安金沙江大橋存在“地形、地質(zhì)條件復(fù)雜、跨徑大、下塔柱高、抗震等級高、施工條件復(fù)雜”等特點(diǎn)，充分反映了西部高地震烈度、復(fù)雜地形山區(qū)橋梁之特點(diǎn)，在橋梁選位、選型過程中頗費(fèi)周折，對該橋進(jìn)行橋位、方案選擇，可得如下結(jié)論：

(1) 地形、地質(zhì)復(fù)雜山區(qū)大跨橋梁對區(qū)域兩岸接線布設(shè)方案影響較大，須協(xié)同綜合系統(tǒng)考慮。

(2) 山區(qū)大跨結(jié)構(gòu)特征構(gòu)造物位置影響因素較多，需在充分研究地形、地質(zhì)基礎(chǔ)上作出合理選擇。

(3) 山區(qū)大跨橋梁選型宜根據(jù)功能需要和橋位環(huán)境綜合確定。該橋位于河谷之間，展示空間有限，橋位方案選擇時(shí)主要基于公路跨越功能之需要，建議采用技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)難度小的技術(shù)方案。