高速鐵路橋梁跨越黃河大堤設計方案研究

尹貽新，溫登欽，孫洪斌

濟青高速鐵路有限公司，濟南250014

1 工程概況

本文分析的擬建橋梁位于黃河下游河段，根據黃河橋渡水文分析及地方設站要求，設計單位研究了多種跨越黃河線位。黃河水利委員會規定，黃河下游河段橋梁容許間距為6 km。經過綜合比選，最終跨越黃河線位為自長清工業區北側通過后折向南，然后并行新建國道西側走行設長清高速鐵路，出站后跨越濟平干渠與黃河。

黃河東大堤外側緊鄰濟平干渠，此處線路位于曲率半徑5.5 km的曲線上，滿足TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［1］、TB 10098—2017《鐵路線路設計規范》［2］要求。線路軸線與黃河大堤、濟平干渠夾角均為132°。曲線條件及黃河大堤、濟平干渠對橋梁方案影響較大，根據控制條件，分別對跨黃河大堤斜拉橋方案、連續梁橋方案進行研究。

2 斜拉橋方案

根據GB 50286—2013《堤防工程設計規范》［3］、山東省涉水建設項目等規范要求，采用（40+54+220+54+40）m斜拉橋方案，主跨220 m一跨跨越黃河大堤及濟平干渠，大堤上不設置橋墩。

2.1 結構設計

參照國內外同類型高速鐵路斜拉橋，綜合考慮結構受力及景觀效果，橋塔采用花瓶形橋塔，主梁橫截面為單箱三室混凝土箱梁，采用半漂浮體系，塔梁處布置縱向活動支座并設置縱向阻尼器，全橋長410.3 m，見圖1。

圖1 斜拉橋方案（單位：m）

該線列車運營最高速度為350 km/h。參照文獻［4］的方法計算混凝土加勁梁、橋塔等的強度和剛度，均滿足TB 10621—2014要求。

2.2 動力特性及列車走行性分析

由于軌道不平順、外部荷載等激勵作用，列車在橋梁上運行時會導致橋梁結構產生振動，橋梁振動反作用于列車，車橋相互耦合形成一個時變系統［5］。該橋位于小半徑曲線區段，橋梁跨徑較大，此種條件下車橋耦合振動問題較為突出［6］。為確保高速鐵路運營安全，需進行斜拉橋動力特性及高速列車走行性計算分析。

2.2.1 車輛（包括機車）空間振動分析模型

對車輛、機車空間振動建立計算模型。將輪對、轉向架和車體簡化為理想剛體；所有彈簧均滿足胡克定律，蠕滑力不計非線性作用，彈簧阻尼按黏滯阻尼考慮；輪對與軌道在鉛垂方向不分離［7］。車體、構架均按5個空間振動自由度計算，分別為搖頭、橫擺、橫滾、點頭、浮沉；輪對考慮搖頭、橫擺2個空間振動自由度。根據上述假定，四軸車輛按23個空間振動自由度計算，六軸機車按27個空間振動自由度計算［8］。振動分析模型見圖2。

圖2 車輛（機車）空間振動分析模型

2.2.2 橋梁空間振動分析模型

采用空間梁單元對全橋建立模型，斜拉橋有限元計算模型見圖3。

圖3 斜拉橋有限元計算模型

利用Winkler地基梁模擬斜拉橋樁基，采用m法通過土彈簧施加樁基與土體之間的力。土彈簧的剛度參照大堤土工試驗資料及TB 10093—2017《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［9］取值。根據動力學勢能駐值原理和“對號入座”法則［10-12］，建立橋梁質量、剛度、阻尼等矩陣。

2.2.3 橋梁動力特性計算結果

根據斜拉橋有限元模型，計算橋梁的各階自振頻率，并對橋梁的各階振型特點進行分析，見表1。

表1 橋梁自振特性

2.2.4 列車-橋梁時變系統空間振動響應計算結果

列車運營過程中的平穩性、安全性，以及列車在橋梁上運行時橋梁動力響應等，是評價車-橋系統振動性能時需要考慮的主要內容［13］。依據車橋耦合計算原理及有限元模型，按列車編組及行車速度分別計算CRH3高速列車在斜拉橋上運行時車-橋系統空間動力響應。列車編組見表2。

表2 列車編組

計算在250～350 km/h（運營速度段）、375～420 km/h（檢算速度段）下車-橋系統空間耦合振動，橋梁和列車動力響應計算結果分別見表3和表4。

表3 橋梁動力響應計算結果

表4 列車動力響應計算結果

2.2.5 計算結果分析

由表3和表4可知：①當CRH3高速列車以250～350 km/h通過斜拉橋時，橋梁、列車各項計算結果均滿足規范要求［14］。乘車舒適度小于2.75 m/s2，達到良好及以上；②當CRH3高速列車以375～420 km/h通過斜拉橋時，橋梁、列車各項計算結果均滿足規范要求［14］。乘車舒適度大于2.75 m/s2但小于3.00 m/s2，達到合格及以上，但列車的輪重減載率超限。

3 連續梁橋方案

由于車體加速度、乘車舒適性等各項指標隨梁體剛度的減小而增大［15］，為保證高速鐵路運行性能，提高橋梁的耐久性，減少高速鐵路運營階段的維修養護工作量，擬采用橋梁剛度較大的連續梁橋方案。考慮到大跨度橋梁結構在縱向附加荷載作用下，軌道和橋梁會產生相對位移，使得鋼軌中產生很大的縱向附加力［16］。為避免在高速鐵路曲線橋上設置鋼軌伸縮調節器，同時考慮盡量降低橋墩對黃河大堤、濟平干渠的影響，采用（70+115+115+70）m預應力混凝土連續梁橋（圖4）跨越黃河大堤，連續梁支座及跨中截面見圖5。

圖4 連續梁橋方案（單位：m）

圖5 連續梁支座及跨中截面（單位：m）

3.1 方案概述

當曲線半徑大于3 km時，輪重減載率隨曲線半徑變化的影響較小［17］。連續梁位于曲線半徑大于等于5.5 km的曲線上時，橋梁強度、剛度滿足要求即可保證列車的走行性和乘坐舒適性［18］。通過對連續梁橋橋墩、梁體進行計算，連續梁橋結構強度、剛度均滿足規范要求。根據連續梁橋運行性能研究結果［19］和已建成通車的高速鐵路動態檢測報告、橋梁動力性能分析報告［20-23］可知，在曲線半徑大于等于5.5 km的技術條件下，主跨大于等于115 m的連續梁橋和列車動力響應均滿足規范要求。

該方案主墩設置于黃河大堤背水坡，橋梁建設不能影響現有河道整治和大堤近期規劃，防洪影響評價報告已獲得黃河水利委員會批復。根據文獻［3］及防洪評價報告的要求，對設置橋墩的堤防需進行大堤的滲流穩定性、抗滑穩定性計算分析。

3.2 河道概況

橋位所在河段為1855年黃河在河南省蘭考縣銅瓦廂決口奪大清河改道后形成的。經過多年治理，該河段現已成為人工控制的彎曲性河段，兩岸由險工、控導工程控制河勢，中水河槽相對穩定，河道平均縱比降為0.1‰。由于擬建橋梁上下游距險工和護灘工程較近，線位處右岸為控導工程，受兩岸工程控制，河勢、堤防均較穩定。

3.3 滲流穩定性計算

根據地質資料及橋墩布置情況，選擇黃河大堤橋墩斷面為計算斷面，分別計算黃河大堤以及增設橋墩后的滲流穩定性。

3.3.1 土層參數

表5 黃河大堤土層物理力學指標

3.3.2 邊界條件

根據黃河水利委員會已批復的防洪評價報告，小浪底水庫運用后對三門峽以上來水可以有效攔蓄。根據防洪調度預案，當橋位上游遇到10 000 m3/s大洪水時，東平湖分洪區等要進行分洪、滯洪運用，控制橋位處百年一遇及以上頻率洪水的流量均為10 000 m3/s。因黃河下游臨黃大堤屬于Ⅰ級堤防，考慮到支流洪水遭遇的特殊情況，則控制橋位處堤防的百年一遇及以上頻率防洪流量為11 000 m3/s。根據河道比降、設計洪水水面比降及橋位處河道斷面，可推導出設計流量對應的設計防洪水位。臨黃河側設計防洪水位為39.40 m，背黃河側濟平干渠設計水位為31.48 m。

3.3.3 允許滲透坡降

土體發生流土破壞，其臨界滲透坡降采用太沙基公式［24］計算，即

式中：Jcr為土的臨界滲透坡降；Gs為土的顆粒比重；n為土的孔隙率。

土的允許滲透坡降J允=Jcr/K，K為安全系數。

3.3.4 計算方法及結果

應用理正軟件土壩滲流分析模塊對黃河大堤橋墩處斷面土體按平面有限單元法進行滲流穩定計算。根據流體力學原理中土體與液體不可壓縮的假定，符合達西定律的二向滲流水頭函數拉普拉斯方程為

式中：x和z為坐標；h為水頭函數，kx、kz均為滲透系數。

滲流等勢圖見圖6，滲流穩定計算結果見表6。可見，增設橋墩后大堤滲流穩定性不滿足要求。

圖6 滲流等勢圖

表6 滲流穩定計算結果

3.3.5 防滲加固措施

在黃河大堤上增設橋墩后，堤防土體會產生滲流破壞。采用深層攪拌樁截滲墻措施可以有效提高大堤滲流穩定性［25-27］。因此，初步考慮在橋墩處一定范圍內于黃河大堤堤頂增設深層攪拌樁截滲墻，初擬墻體有效厚度0.4 m，距臨黃河側堤肩2 m，墻頂高程高于設計洪水位的超高不小于1 m，墻底高程低于橋墩承臺底0.5 m。為避免截滲墻端頭發生集中繞滲破壞，截滲墻向河道上下游均延伸50 m。防滲加固后斷面滲流等勢圖見圖7。增設橋墩并采取加固措施后，出逸比降為0.39，黃河大堤未發生破壞，滲流穩定性滿足要求。

圖7 防滲加固后斷面滲流等勢圖

為確保增設橋墩后大堤滲流穩定性，防止橋墩及承臺四周土質因施工松動造成滲水問題，在堤身增設深層攪拌樁截滲墻的基礎上，橋墩及承臺四周設置防滲黏土環進行防滲處理［28］。防滲黏土環厚2.0 m，底部低于承臺底0.5 m，頂部高出堤身浸潤線0.5 m。

3.3.6 防滲加固施工

深層攪拌樁截滲墻施工采用三軸水泥攪拌樁機，采用一次鉆進、一次提升、兩拌兩噴的方法施工。施工中應嚴格按配合比制作漿液，注漿量由調速器進行實時監控。為確保截滲墻施工質量，應定期測量齒片外徑并及時修復，保證墻體的均勻度。施工過程中須嚴格控制樁位和垂直度，保證幅間套接質量和墻體的整體連續性。

3.4 抗滑穩定性計算

在滲流穩定性計算分析的基礎上，考慮在橋墩處一定范圍內于大堤堤頂增設深層攪拌樁截滲墻，進行堤防抗滑穩定性計算分析。計算斷面、計算參數及邊界條件與滲流穩定性計算相同。

3.4.1 計算工況

設計堤段為Ⅰ級堤防，根據GB 50286—2013的要求，土堤抗滑穩定性應包括正常、非常運用條件。正常運用條件：設計洪水位下的臨河、背河堤坡；設計洪水位驟降期的臨河堤坡，安全系數不應小于1.3。非常運用條件：施工期臨河、背河堤坡，臨黃河側取施工期間相應水位；背黃河側水位與濟平干渠渠底平，安全系數不應小于1.2。

3.4.2 計算方法及結果

抗滑穩定性分析采用理正軟件土石壩邊坡穩定分析程序計算。按網格布置多個圓弧滑裂面，按瑞典圓弧法計算，用最優化原理搜索出相應最小安全系數值的臨界弧，從而計算出最小安全系數。抗滑穩定性計算結果見表7。可見，大堤增設橋墩后各計算工況下抗滑穩定性滿足要求。

表7 抗滑穩定性計算結果

綜上，考慮高速鐵路運行安全并預留一定的安全儲備以及減少橋梁結構后期的維修養護工作量，經技術經濟比選，推薦采用連續梁橋方案。

4 結論

1）當CRH3高速列車以運營速度通過斜拉橋時，斜拉橋動力響應、CRH3高速列車豎向振動加速度、橫向振動加速度、列車運行安全性均滿足規范要求。當CRH3高速列車以檢算速度通過斜拉橋時輪重減載率超限。

2）采取深層攪拌樁截滲墻加固措施可避免黃河大堤發生滲流破壞，大堤增設橋墩后抗滑穩定性滿足要求。

3）采用在大堤上設置橋墩的連續梁橋方案，滿足了高速鐵路運行要求，并在大堤堤頂增設深層攪拌樁截滲墻，提高了大堤滲流穩定性和抗滑穩定性。推薦采用連續梁橋方案。