我國鐵路橋梁建造技術的成就與展望

陳良江 閻武通

(1.中國國家鐵路集團工程設計鑒定中心， 北京 100844；2.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司， 北京 100038)

1 高速鐵路橋梁建造技術現狀

自2003年建成秦沈客運專線至今，我國高速鐵路經過近20年的快速發展，已成為高速鐵路橋梁運營里程最長，在建規模最大的國家[1-2]。截止2021年底，我國鐵路運營里程已達15萬km，鐵路橋梁總數約9.2萬座，累積長度約3.13萬km；高速鐵路運營里程約4.1萬km，其中高速鐵路橋梁共計約1.15萬座，累積約1.88萬km，占高速鐵路線路總長的45.9%。我國高速鐵路橋梁近年來的建設發展歷程如圖 1所示。

圖1 我國高速鐵路橋梁發展歷程圖

我國在高速鐵路橋梁技術標準、設計及施工關鍵技術等方面積累了豐富成果，形成了自主創新的技術體系。在常用跨度標準梁建造技術方面，在32 m跨度簡支箱梁技術體系的基礎上，發展了40 m跨簡支箱梁設計、制造、運輸、架設的成套技術[3-4]，豐富了現有標準梁跨度序列，提升了高鐵橋梁的技術經濟性，形成了我國特有的高速鐵路常用跨度橋梁體系。在大跨度混凝土橋建造技術方面，創新發展了采用桁架、拱及拉索等加勁梁式橋的組合結構體系，形成了控制梁體變位和徐變變形的關鍵技術，拓展了混凝土橋在高速鐵路橋梁中的適用跨度范圍[5]；采用拱加勁體系的漢十鐵路崔家營特大橋主跨達到300 m[6]，采用拉索加勁體系的珠肇高鐵荷麻溪特大橋主跨將達290 m。在大跨度拱橋建造技術方面，研發了鋼管勁性骨架分段分層成技術，建成了最大跨度客貨共線鐵路混凝土拱橋(云桂鐵路南盤江特大橋主跨416 m)和最大跨度高速鐵路拱橋(滬昆高速鐵路北盤江特大橋主跨445 m)[7-8]，在關鍵設計參數、施工技術和線形控制等方面積累了豐富成果。在大跨度無砟軌道橋梁建造技術方面，解決了橋梁橫豎向剛度、長期徐變變形、軌道與橋梁之間的協調性、軌道長波不平順驗收容許偏差等多個技術難題[9]，建成200 m以上跨度無砟軌道橋梁14座，最大跨度達到340 m(鄭萬鐵路梅溪河特大橋)。在纜索承重體系橋梁設計建造技術方面，建成了主跨 1 092 m的五峰山大橋[10]和滬蘇通大橋[11]，開啟了我國千米級鐵路橋梁建設先河，在建的常泰長江大橋主跨為 1 176 m[12]，擬建西堠門公鐵長江大橋采用斜拉懸索協作體系方案，主跨為 1 488 m[13]。目前，我國200 m以上跨度已建及在建橋梁已有130余座，另有擬建橋梁62座。500 m以上跨度橋梁 24座，千米級橋梁有近10座[14]，工程規模、建造數量和技術標準均處于國際領先水平[15]。

2 “十三五”期間鐵路橋梁建設成就

“十三五”期間，全國鐵路營業里程由“十二五”末的12.1萬km增加到14.63萬km，高速鐵路由 1.98萬km增加到3.79萬km。新建鐵路橋梁 14 039座，達 8 864.1 km，其中高速鐵路橋梁 6 392座，達 6 343.7 km。在重大橋梁工程、技術創新和鐵路橋梁建設標準方面取得顯著成就。

2.1 重大鐵路橋梁工程建設成就

“十三五”期間鐵路橋梁建造數量、規模和技術領先世界，創造多項世界第一，如表1所示。

表1 “十三五”期間建成的代表性重大橋梁工程表

2.2 鐵路橋梁重大科技創新成果

(1)超千米公鐵長江大橋關鍵技術方面，系統掌握了適應鐵路荷載特點的千米級公鐵大橋設計關鍵技術、抗風性能及風環境下行車安全性控制技術、軌道幾何狀態控制技術，研制了大位移伸縮裝置及軌道調節器、Q500級高強度橋梁鋼、2 300 MPa級高強度拉索體系、深水基礎和超高塔施工技術裝備。

(2)跨海大橋關鍵技術方面，創立了海洋環境條件下公鐵兩用大橋設計體系，研發了海上架梁新技術和環境綜合監測系統，建成了世界上最長的平潭海峽公鐵跨海大橋[16]。

(3)形成了短邊跨鐵路混合梁斜拉橋建造關鍵技術，創新了多種箱形主梁、鋼混結合段關鍵構造技術，開發了配套施工工藝及裝備，完善了鐵路混合梁斜拉橋綜合維養體系。

(4)形成了大跨度無砟軌道橋梁關鍵技術，首創橋梁結構剛度高精度測定技術，實現了大跨橋上無砟軌道毫米級鋪設精度，建立了適應復雜環境的CPⅢ控制網實時修正模型，解決了大跨度柔性結構橋面線形精密測量難題，提出了高速鐵路無砟軌道大跨度橋梁變形控制及驗收標準[17]。

(5)在大跨度混凝土橋設計關鍵技術方面，提出了基于弦矢度值的橋梁豎向剛度控制指標；提出了基于曲線半徑和轉角限值的橫向剛度確定方法，構建了橋梁剛度分級控制標準，填補了規范空白，提出了適用于200～450 m混凝土橋的徐變變形控制指標并研發了增設加勁結構、支座智能調高等徐變控制成套技術和裝置[18]。

2.3 鐵路橋梁標準

“十三五”期間，鐵路橋梁專業在建設標準、產品標準、標準設計和國際橋梁標準制定方面取得顯著成就。

(1)發布建設標準19項，其中國家鐵路局行業標準9項、國鐵集團標準10項，進一步完善了鐵路橋梁標準體系，提高了標準的科學合理性和技術經濟性。

(2)發布產品標準40項，其中國家鐵路局行業標準18項、國鐵集團標準22項。內容涵蓋荷載、梁部、支座、梁端防水、材料、預應力、保護涂裝、監測、防撞、試驗方法、劣化評定等內容，統一產品技術要求，強化了質量控制，有力保障鐵路工程質量。

(3)發布標準設計35項126冊，內容涵蓋高速鐵路簡支梁、連續梁、剛構、橋墩、橋臺、橋面附屬設施，客貨共線鐵路簡支箱梁、橋墩、橋臺，城際鐵路簡支箱梁、橋面附屬設施等，持續提升鐵路橋梁標準化水平，為我國大規模鐵路建設提供技術支撐。

(4)承擔了UIC組織 8項國際標準制定，納入了中國高速鐵路核心關鍵技術，實現鐵路標準國際化工作的重大突破，豐富完善了高速鐵路技術體系和國際標準，顯著提升中國鐵路標準國際影響力。

3 高速鐵路橋梁發展中的問題及對策

3.1 大跨度鐵路橋梁軌道靜態長波不平順限值

橋梁作為鐵路基礎設施的一部分，在跨越障礙時為軌道結構提供平順穩定的支承以保障行車安全和乘坐舒適性。TB 10621-2014《高速鐵路設計規范》[19]中規定軌道靜態不平順指標作為軌道鋪設精度驗收標準，其中高低方向不平順，在480 a基線長300 m范圍內，任意240 a 或150 m弦長的矢高差的容許偏差為10 mm。

大跨度鐵路橋梁受合龍溫度和設計恒載偏差影響，成橋線形與設計線形之間存在差異，形成初始軌道不平順；且受溫度、沉降、收縮和徐變變形的影響，軌道不平順隨溫度和時間不斷變化，較難滿足現行規范中的軌道不平順限值要求。以五峰山長江大橋為例，以29 ℃實測成橋線形擬合的線路縱斷面為基準，對主纜溫度在-5 ℃～45 ℃工況下的縱斷面進行軌道靜態高低不平順檢算，300 m(150 m)基線長最大高低不平順不滿足現行規范中10 mm的要求；但綜合檢測車檢測的動態軌道長波不平順和車輛振動加速度均無明顯響應，運營狀態良好。運營實踐表明，現行規范中的軌道不平順限值指標不能反應大跨度鐵路橋梁實際行車性能；橋上軌道靜態長波不平順控制標準及合理限制取值是當前大跨度鐵路橋梁建設面臨的突出問題。

經過多年研究和相關試驗驗證，全面總結滬蘇通、五峰山、裕溪河、贛江等大跨度鐵路橋梁和軌道工程建設運營經驗，針對200 m以上大跨度鐵路橋梁軌道長波靜態高低不平順容許偏差改用60 m弦中點弦測法。以車體垂向加速度不超過0.1 g為基準，推導提出了60 m弦測不平順限值指標：250 km/h、300 km/h及350 km/h 條件下相應的60 m弦測不平順限值分別為10 mm、8 mm和7 mm。我國250 km/h以上已建及在建大跨度橋梁60 m弦高低不平順的統計情況如圖 2所示，均滿足該限值指標要求。

圖2 我國250 km/h以上大跨度橋梁60 m弦測高低不平順統計圖

3.2 大跨度鐵路鋼橋梁端伸縮變形問題

受溫度及運營列車荷載等作用，大跨度橋梁梁端將出現較大的伸縮變形且變位復雜，需在大跨度橋梁梁端設置伸縮裝置及鋼軌伸縮調節器以保障運營列車安全平穩通過梁端[20]。滬蘇通、五峰山長江大橋主橋梁端分別鋪設了4組SA60-1800型鋼軌伸縮調節器，設計伸縮量±900 mm，含26根混凝土軌枕、梁縫內4根可動鋼枕及梁縫兩側的2根固定鋼枕。在運營過程中，出現混凝土軌枕開裂、軌排異常竄動及偏斜引起卡阻、懸枕塑性扭曲變形且間隙不均以及縱梁安全冗余不足等問題。

我國自主研發的上承式梁端伸縮裝置采用低摩阻摩擦副和全幅剪刀叉結構的解決方案，解決了既有梁端伸縮裝置伸縮阻力大、安全隱患高、工作穩定性差等缺陷。自主產品已在商合杭高速鐵路、連徐高速鐵路、福平鐵路平潭橋等應用，已在合安九高速鐵路鳊魚洲橋鋪設±800 mm鋼軌伸縮調節器，有望將伸縮位移量實現至±900 mm，以期替換既有設備。

另外，對后續橋梁設計也可通過結構體系優化減小梁端伸縮量。計算分析表明，斜拉-懸索協作結構體系相較斜拉橋、懸索橋方案可有效降低梁端伸縮變形；主跨1 120 m的荊州李埠長江公鐵橋采用斜拉懸索結構體系方案，計算所得梁端最大伸縮位移量為±556 mm，小于五峰山長江大橋計算值。

4 “十四五”時期鐵路橋梁發展任務

4.1 “十四五”時期鐵路橋梁發展展望

截至2020年底，全國在建新線規模2.36萬km，其中高速鐵路1.54萬km，普速鐵路0.82萬km。在加快在建項目建設的同時，根據《國家綜合立體交通網規劃綱要》和《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》對交通強國建設工程中鐵路發展的布局規劃，預計“十四五”時期將新開工新建鐵路規模1.8萬km左右，其中高速鐵路1.3萬km左右。“十四五”時期我國鐵路建設規模及區域分布情況預計如表2所示。

表2 “十四五”時期鐵路建設區域分布表(km)

“十四五”時期高速鐵路橋梁建設以沿江、沿海、京港(臺)、京昆、包海、呼南通道為重點，基本貫通“八縱八橫”高速鐵路主通道；規劃新增必要的區域性高速鐵路；推進京津冀、長三角、粵港澳大灣區、成渝雙城經濟圈等重點城市群城際鐵路成網建設。“十四五”時期普速鐵路建設重點推進進出藏、進出疆戰略骨干通道建設；持續完善中西部地區干線通道，加強西部陸海新通道、沿江等重點區域貨運能力建設，強化“一帶一路”互聯互通及沿邊鐵路建設。“十四五”時間我國鐵路網仍將保持較快的發展態勢，鐵路橋梁建設仍將保持較大的發展空間，橋梁建設規模約1.8萬km。同時，面向國家戰略發展需求，“十四五”時期鐵路橋梁建設也將面臨更大跨度需求、更復雜建設條件的技術挑戰，需在橋梁建造技術方面取得更大創新突破。

4.2 重大橋梁工程建設

“十四五”期間，計劃建設西堠門公鐵兩用大橋等7座跨江越海、深水大跨橋梁，以及大渡河特大橋等 6座艱險山區鐵路橋梁，如表3所示，橋梁建設跨度和技術難度都將取得新的突破。

表3 “十四五”期間我國擬建重大橋梁工程表

(1)深水大跨橋梁建設

常泰公鐵長江大橋主航道橋采用(142+490+1 176+490+142)m雙塔公鐵兩用斜拉橋方案，搭載 6車道高速公路、2線城際鐵路、4車道一級公路三類交通方式過江，綜合運輸功能強，集約化程度高，建成后將為世界最大跨度公鐵斜拉橋。鐵路公路分別位于上下游，恒載與活載均非對稱布置，工程設計與施工控制難度大，采用了多項技術創新。全橋共設312根平行鋼絲斜拉索，上游側拉索強度 2 100 MPa，下游側拉索強度 2 000 MPa；采用臺階型橋塔沉井基礎，以降低沉井重量并減小沖刷；采用不受溫度影響的CFRP拉桿，將主梁跨中與主塔下橫梁連接形成溫度自適應塔梁縱向約束體系。

馬鞍山公鐵兩用長江大橋主汊橋采用(112+392+2×1 120+392+112)m三塔斜拉橋鋼桁梁方案，將為我國最大跨度多塔公鐵斜拉橋。全橋共設660根鋼絞線斜拉索，強度等級達 2 100 MPa，主梁采用三主桁“N”型桁架鋼桁梁，橋塔采用鋼-混組合塔，橋塔基礎采用樁基礎。

甬舟鐵路西堠門公鐵兩用大橋、銅陵G3長江公鐵兩用大橋及李埠長江公鐵兩用大橋均采用斜拉懸索協作體系橋梁方案。該橋式是將懸索橋和斜拉橋有機組合而成的一種新的纜索承重體系橋梁，綜合了懸索橋的跨越能力和斜拉橋剛度兩方面的優點。甬舟鐵路西堠門公鐵大橋搭載雙線高速鐵路和6車道公路跨越西堠門水道，建造環境具有“風大、浪高、水深、流急、基巖裸露”等特點，設計方案采用主跨1 488 m斜拉懸索協作體系橋，主梁采用三箱分離式鋼箱梁，主纜中跨矢跨比為 1/6.5，懸吊段長686.2 m，每個橋塔塔柱布置36對斜拉索，建成后將為我國高速鐵路橋梁跨度新紀錄。

通蘇嘉甬鐵路跨杭州灣特大橋跨海段共3座航道橋，分別為主跨450 m、2×448 m、364 m的斜拉橋。大橋所在的海域自然環境惡劣，風速達39 m/s，浪高達6.87 m，最大潮差近9 m，最大流速4.72 m/s，海床上部海相淤泥層厚度20～40 m，還存在淺層氣影響，建橋難度較大。大橋建成后將為世界最長、建設標準最高的跨海高速鐵路橋。

(2)艱險山區鐵路橋梁建設

新建大渡河特大橋、色曲特大橋、怒江特大橋為艱險山區千米級懸索橋，首次在大跨度地錨式懸索橋上采用空間主纜結構，鋼絲強度等級達到 2 100 MPa；橋址區地形高差懸殊、坡陡谷深、地震烈度高、晝夜溫差大、峽谷風影響顯著；給橋梁設計建造帶來巨大挑戰。金沙江特大橋采用主跨500 m鋼管混凝土拱橋方案，首次采用Q500級耐候鋼，首次在高原高寒地區鐵路拱橋采用C70高性能混凝土，建成后將成為世界同類橋型的最大跨度。

宜賓臨港長江大橋主橋為(72.5+203+522+203+72.5)m公鐵平層鋼箱斜拉橋，橋寬63.9 m，4線高速鐵路+6車道城市快速路，將為世界跨度最大的公鐵兩用鋼箱斜拉橋、世界最寬公鐵兩用大橋。石沱長江大橋為主跨608 m混合梁斜拉橋，主塔采用鉆石型雙聯塔，雙線高速鐵路+6線高速公路，將成為國內首座高速公路與高速鐵路同層、分幅布置公鐵合建橋。

4.3 橋梁技術創新需求

面向國家重大橋梁工程建設，“十四五”時期橋梁建造技術面臨新的創新需求：

(1)深化設計理論與規范標準研究。深化基于可靠度理論的鐵路橋梁設計方法研究，實現真正意義上的極限狀態法設計規范[21]；加強橋梁結構精細化設計研究，優化橋梁工程用量，提高橋梁設計經濟性。

(2)山區大跨橋梁建設的新突破。以大渡河、怒江懸索橋為代表的山區懸索橋建設，需研究深切峽谷復雜風場環境下鐵路橋梁抗風性能與風致災害防控技術、破碎巖層內修建長大鐵路隧道錨成套技術、基于抗震和改善活動結構耐久性的鐵路懸索橋縱向支承體系設計技術、提高惡劣環境下橋塔抗裂性能技術以及千米級跨度850 t纜索吊兩節段鋼梁整體提升技術等關鍵技術問題[22-23]。

(3)深切峽谷大跨拱橋設計建造技術。以金沙江特大橋為代表的山區拱橋建設，需研究高烈度長周期地區新型抗震結構體系、大跨度重載纜索吊帶載橫移新技術以及拱上箱梁無支架輔助組焊新構造技術等難題[24]。

(4)跨長江橋梁的技術攻關與創新。以常泰、馬鞍山特大橋為代表的長江大橋，創新性地采用了溫度自適應塔梁縱向約束體系、“鋼箱-核芯混凝土”組合錨固結構、減自重減沖刷臺階型沉井基礎等關鍵技術，采用了世界上強度最高、長度最長、疲勞應力幅最大的平行鋼絲斜拉索，研究了重載作用下復雜地層深嵌巖樁傳力機理和承載力，對關鍵技術問題開展了攻關。

(5)跨海橋梁建造技術。甬舟鐵路西堠門特大橋為我國首座斜拉懸索協作體系鐵路橋梁，需對結構剛度、梁端伸縮量等問題開展研究；主梁采用流線型三箱分離結構以提高結構的抗風性能；采用了空間纜索體系以提高結構的抗扭剛度。

(6)大跨度橋梁抗震技術。開展大跨度橋梁車輛、海水和地震共同作用下橋梁建造技術研究、大跨度橋梁抗震性能及設計策略研究、面向可恢復性的大跨度橋梁減震技術對策研究。

(7)大跨度橋梁抗風技術。尚需開展工程場地風特性及參數研究、風對橋梁及車輛的作用及其危害分析評估研究、面向結構安全及通行能力的橋梁抗風性能-橋型、氣動外形、附加阻尼措施研究。

(8)深水基礎建造技術及設備研發。針對跨越海灣等大型復雜橋梁基礎的水位深、地質條件復雜、水下洋流涌動、施工條件惡劣等問題，對基礎的設計建造技術提出挑戰，需深入研究新型沉井基礎、設置復合基礎、大直徑及變直徑樁基礎、負壓基礎等，以及水下爆破、整平技術和水下作業機械設備。

5 結論與建議

(1)伴隨著我國鐵路大規模建設，特別是近20年高速鐵路的跨越式發展，鐵路橋梁建設取得了舉世矚目的成就；已形成了常用跨度標準梁成套技術，積累了豐富的大跨度混凝土橋、拱橋、無砟軌道橋、斜拉橋、懸索橋和跨海大橋建造技術成果，工程規模、建造數量和技術標準均處于國際領先水平。

(2)大跨度鐵路橋梁設計需特別關注軌道長波不平順及梁端伸縮變形問題。受溫度、沉降、收縮及徐變變形等因素的影響，大跨度鐵路橋梁縱斷面表現出隨溫度及時間變化的特點，較難滿足現行規范中軌道靜態長波不平順的要求；對大跨度鐵路橋梁，建議采用60 m弦中點弦測法檢測軌道長波不平順，對于250 km/h、300 km/h及350 km/h等級線路建議分別采用10 mm、8 mm和7 mm作為不平順限值指標。

(3)“十四五”時期，鐵路建設仍處于重要機遇期，我國鐵路橋梁將向更大跨度發展也將面向更復雜建設環境，在西南山區、跨江通道以及跨海通道橋梁建設上仍面臨著巨大挑戰。面向國家戰略發展需求，尚需在橋梁設計理論及規范標準、山區大跨度拱橋及懸索橋設計建造技術、跨江跨海橋梁建造技術、大跨度橋梁抗風抗震性能、深水基礎建造技術及裝備及新結構設計建造技術研究。