虎跳峽金沙江大橋橋型方案比選分析

劉春， 余化彪， 李德宏

(1.中建四局第五建筑工程有限公司云南分公司， 云南 昆明 650200； 2.云南省建設投資控股集團有限公司路橋總承包部)

隨著經濟發展，國家高速公路迅猛發展，為適應山區山谷、河流海域等地形特征，大跨度的拱橋、懸索橋及斜拉橋等大橋應運而生。云南香麗高速公路虎跳峽金沙江大橋在橋型比選設計中依據地形地質條件、施工條件、交通旅游情況設計成獨塔單跨地錨式懸索橋。因香格里拉岸為陡峭岸坡，且下方為當地東環線旅游公路，在地形上和施工安全上均不允許設置主塔，橋型方案有大跨度拱形橋、雙塔斜拉橋、纜洞懸索橋、常規懸索橋及獨塔單跨懸索橋等。最終選擇獨塔單跨地錨式懸索橋，因獨塔特點則采用新發明滾軸式復合索鞍，此類索鞍在國內外大跨懸索橋中是第一次應用。

1 工程概況

該橋屬于香格里拉至麗江高速公路第九合同段，近垂直跨越虎跳峽上游的金沙江河谷。麗江岸有那田增斷層、滑坡體區、蠕變坡、莫谷喜滑坡、土冰磧土、中落魚段層、巖堆等；此橋橋址往下游方向500 m處地形地質較理想，此處已為麗香高速鐵路的橋址。橋區海拔為1 800～3 500 m，最大高差為1 700 m，屬深切割、構造剝蝕-侵蝕中山區。地震基本烈度為Ⅷ度，地震動峰值水平加速度為0.3g,場地類別為Ⅱ類。大橋設計全長1 017 m，主跨為766 m懸索橋，引橋為6×41 m鋼混疊合梁，設計為雙向四車道。

2 橋位選擇

下游麗香高速鐵路的橋址因其先設計選址而動工；往上游處方向則河谷太寬廣，地勢較低，且居民住戶較多，當擬設計在此處的水庫蓄水后將淹沒上游段海拔低的寬廣區域。

麗江岸地勢相對平緩，岸坡穩定性較差，并有不良地質發育，橋位受限。重力錨及索塔布置為避開嚴重地質災害區，在毗鄰災害地質區采用抗滑樁、錨索框格梁或錨索混凝土板等進行處治加固。

香格里拉岸地勢高、巖質較堅硬，工程地質條件較好，但該岸邊坡均較為陡峻，無法設置塔柱，且山坡底為旅游公路，車流量大，施工安全隱患極大。若設置引橋則有不利影響，該岸將不設置引橋，盡量做到邊坡集中處治、施工平臺集中設置，最大限度降低對環境的影響。

3 橋型方案比選

3.1 方案主要控制因素

總體上看，大橋區位地勢較高、橋位區內無地表水體分布，適宜大橋建設。香格里拉岸地勢高、巖質較堅硬，但地形陡、施工場地狹窄。塊狀玄武巖巖質堅硬，無構造及不良地質發育，地質條件較簡單；錨碇區地表水、地下水不發育，工程地質、水文地質條件較好，巖質邊坡整體穩定性較好，錨碇區總體地質條件較好。

錨碇區局部地表覆蓋土層厚為1～3 m，大部分區基巖出露，淺表強風化層帶較薄(水平向1～2 m)，強卸荷帶較薄(1～3 m)，不宜作為錨碇及散索鞍基礎工程的持力層；弱卸荷帶稍厚(水平向8～10 m不等)，能夠承受較大壓應力，可以作為墩臺基礎、邊坡錨固工程的持力層，但由于存在劈理密集帶、巖體均勻性差，不宜作為隧道錨的錨固持力層。坡面25 m以內的未卸荷帶巖體較為完整、巖質堅硬，為Ⅲ級圍巖，對隧道錨洞室開挖較為有利，為較好的隧道錨錨固持力層。

麗江岸金沙江區域地質環境十分脆弱，大橋橋位原本就是按“差中選優”原則從區內“斷層密織、不良地質及堆積體遍布”這樣復雜、脆弱地質環境中篩選出的“地質安全島”，同時加之施工場地狹窄，高速公路與麗香鐵路施工之間相互干擾大：麗香鐵路進場后，在大橋麗江岸索塔右上方的莫古喜1#滑坡范圍內建設了混凝土拌和站、在重力錨右上方建設了砂石制料場，都對大橋上邊坡形成了人為加載情況。

3.2 橋型方案

(1) 方案1：主跨480 m雙塔雙索面斜拉橋

斜拉橋麗江岸主塔高約213 m，群樁樁基長60 m，樁徑2.5 m，共16根樁，承臺高8 m；香格里拉岸主塔高約194 m，群樁樁基長55 m,樁徑2.5 m，共16根樁，承臺高8 m。斜拉橋跨徑布置為(6+340+480+120+6) m，全長952 m。麗江岸中跨比為0.708，香格里拉岸中跨比為0.25。橋面梁設計為鋼桁梁，預制拼裝。橋臺初步設計為重力式橋臺，依據地質開挖情況做合理變更，樁基重力式橋臺為備選方案。兩主塔可同時施工，每個主塔兩端的梁可以同時對稱架設，每個主塔兩端兩側的斜拉索可以同時對稱架設，橋型如圖1所示。

圖1 斜拉橋橋型圖(單位：cm)

(2) 方案2：主跨480 m混凝土拱橋

拱橋主橋采用一孔480 m凈跨徑混凝土拱橋，全橋長904 m。橋跨徑布置為(5+160+160+480+90+8) m，兩端初步設計為重力式橋臺，橋梁墩柱可同時施工，橋面均采用預制T梁，上部結構架設施工速度快，因下部結構施工工期較長，整個工期比其他橋梁較長。麗江岸拱座設置在山坡腳，采用擴大式拱座基礎；香格里拉岸拱座設置于主河槽岸坡上，因此岸地質條件較好，地勢較陡，采用拱軸線延伸式拱座基礎。拱肋計算跨度為460 m，矢高為92 m，鋼筋混凝土拱橋的矢跨比一般為1/5～1/8，而該主橋的凈矢跨比為1/5，橋型如圖2所示。

圖2 混凝土拱橋橋型圖(單位：cm)

(3) 方案3：常規懸索橋

常規懸索橋橋型采用主跨為580 m，全橋共長954 m,橋跨徑布置為(5+6×41.5+580+2×41.5+8+29) m，麗江岸主塔高125.4 m,香格里拉岸主塔高161 m，矢高58 m，計算跨度為580 m，矢跨比為1/10。麗江岸因山坡上方存在中落魚斷層及土冰磧體，山腰地勢較為平緩，故采用重力式錨錠，麗江岸采用5座引橋墩；香格里拉岸采用一座引橋墩，此岸因地勢陡，地質巖層較好，故采用隧道式錨錠，此橋型的特點是主跨兩端有引橋，兩橋端為重力式橋臺，其麗江岸有兩座引橋墩設置在重力錨中，對重力錨有壓重的作用，有利于重力錨的穩定。橋型如圖3所示。

圖3 常規懸索橋橋型圖(單位：cm)

(4) 方案4：纜洞懸索橋

纜洞懸索橋橋型采用主跨為670 m的懸索橋，全橋共長1 094 m，橋跨徑布置為(5+6×41.5+670+170) m，麗江岸主塔高134.4 m,香格里拉岸主塔高81 m。麗江岸采用重力式錨錠，麗江岸采用5座引橋墩；而香格里拉岸采用隧道式錨錠，主纜纜索通過纜洞延伸至山體內部然后錨固于埋在隧道下方的隧道錨中。矢高67 m，計算跨度670 m，矢跨比為1/10。此纜洞懸索橋的特點是將引橋及引橋墩取消，將主塔在山坡上往上移，則主塔避開河岸旁及下方的旅游公路，移至山坡腰隧道洞口處，在此岸端開挖纜洞后將纜索往纜洞中移設，橋型如圖4所示。

圖4 纜洞懸索橋橋型圖(單位：cm)

(5)方案5：獨塔懸索橋

獨塔懸索橋橋型采用主跨766 m，全長1 017 m，橋跨布置為(766+6×41+5) m，麗江岸主塔上游塔高145.6 m，下游塔高161.6 m，采用5座引橋墩，引橋為鋼混組合梁。橋臺采用樁基重力式橋臺。香格里拉岸無塔，無引橋，橋臺初步設計為簡易U形橋臺。矢高76.6 m，計算跨度766 m，矢跨比為1/10。設計中因地制宜地采用獨塔單跨地錨式懸索橋，取消了香格里拉岸陡峭岸坡上的索塔，將主纜通過集主索鞍和散索鞍于一體的滾軸式復合索鞍錨于隧道錨中，為減小索鞍對索鞍支墩下方巖體的壓力，隧道錨主軸線與水平面夾角設計為200°，比普通隧道錨軸線與水平面的夾角要小，橋型如圖5所示。

圖5 獨塔懸索橋橋型圖(單位：cm)

4 橋型比選

4.1 橋型比選分析

方案1斜拉橋麗江岸主塔偏高，而香格里拉岸主塔設在河岸陡坡上將侵占沿河岸旅游公路，且施工交叉干擾極大，橋梁造價較高；方案2混凝土拱橋工期相對較長，香格里拉岸拱座施工將嚴重影響沿河岸的旅游公路運營，施工安全隱患大，且此岸段的兩引橋墩施工風險極大，滿足要求施工便道極難修建，引橋墩設在陡坡上風險大，且全橋造價高；方案三常規懸索橋香格里拉岸主塔侵占旅游公路，且此岸陡坡引橋墩施工風險極大，滿足要求施工便道無法修建，經濟上也無優勢；方案4纜洞懸索橋取消引橋及引橋墩，在施工風險方面相對方案3有很大優勢，但香格里拉岸陡坡設主塔仍有風險，同時施工時對下方旅游公路安全隱患大，且纜洞開挖對山體造成擾動，造價上也無優勢。

4.2 獨塔懸索橋特點

方案5獨塔懸索橋取消香格里拉岸主塔、引橋及橋墩，直接運用隧道錨。大橋在兩岸均與隧道相接，香格里拉岸采用隧道式錨碇，位于隧道上方，隧道和隧道錨之間需要保持一定的安全距離。此橋的復合式索鞍為此橋的特殊性而專門設計，申報為國家重點專利。而麗江岸有條件設置主塔及重力錨，重力錨基坑高邊坡高80 m，采用了錨索框格梁及錨索抗滑樁群支護。且麗江岸引橋的5#墩柱沉落在重力錨上對重力錨起壓重作用。橋型方案比選如表1所示，經綜合比較，最終采用獨塔懸索橋，獨塔懸索橋效果如圖6所示。

5 獨塔懸索橋結構設計

5.1 主橋鋼桁梁

主橋鋼桁架標準橫斷面，桁寬26 m。在滿足24.5m路基寬的基礎上還在橋面設置0.75 m寬的上檢修道(吊索處<0.75 m)，鋼桁內設置雙側1.5 m寬的下檢修道。未設置人行道。

表1 橋型方案比選

圖6 獨塔懸索橋效果圖

鋼桁架為帶豎腹桿的華倫式結構，上、下平聯采用K形撐。主桁上、下弦桿采用箱形截面。主桁桁高6.0 m，桁寬26 m，標準節間長度為5.75 m。一個標準節段長度為10.5 m，由兩個節間組成，在每節間處設置一道主橫桁架。

5.2 引橋鋼混組合梁

麗江岸引橋各橋墩均采用矩形變截面薄壁空心墩配群樁基礎，跨徑布置為6×41 m的T形鋼混組合梁。單幅橋寬為12 m。單幅每跨采用3個T形豎向布置的鋼腹板，在3個鋼腹板上焊接鋼橋面板，再在鋼橋面板上現澆8 cm厚C50混凝土，其上鋪防水材料，在防水材料上現澆10 cm厚瀝青混凝土。

5.3 主塔設計

塔柱為矩形空心薄壁截面，上游塔高145.6 m，下游塔高161.6 m，上塔柱壁厚0.8 m，下塔柱壁厚1 m；下橫梁尺寸為7 m×6 m，壁厚1 m；上橫梁尺寸為6 m×6 m，壁厚1 m。塔座為C40纖維混凝土，塔柱、橫梁為C55混凝土，塔柱底部8 m范圍內添加纖維；標高2 013 m以下防滲指標為P12級，標高2 013 m以上防滲指標為P8級。

5.4 主塔基礎

索塔為鋼筋混凝土門形塔，左右塔柱基礎相互獨立，兩塔柱下設正方形承臺加群樁基礎，承臺縱橫向尺寸為21.4 m×21.4 m，高度6 m，承臺上設塔座，塔座為矩形臺，上底為10 m×12 m，下底為16 m×18 m，高3 m。每個承臺下布置16根φ2.5 m的鉆孔灌注樁基礎，群樁間中心間距為5.5 m，行列式布置，樁基設計時考慮嵌巖與摩擦效用。

6 結語

介紹了虎跳峽金沙江大橋橋址處的地形地質、地勢、周圍施工環境及橋梁岸坡巖體的穩定性、地震參數和場地類別，對金沙江大橋提出了5種橋型方案，從橋跨布置、施工難度、全橋造價、安全影響、施工工期及環境影響6個方面對橋梁各方案進行比較分析，最終選定方案5獨塔懸索橋。