黄大线黄河大桥总体方案设计

黄大线黄河大桥总体方案设计张小坤（铁道第一勘察设计院桥隧处兰州7300000931-4933133）内容摘要黄大线黄河大桥地处山东省东北部，是黄大铁路最为关键的控制性工程，其工程建设实施将有利于建立鲁北地区与中西部能源基地间的直接交通联系，完善环渤海地区铁路网布局，拓展神华集团煤炭销售市场，改善地区运输结构和促进沿线经济发展，受地形、防洪、通航等条件制约，本桥主桥要求跨度大，对投资控制及工期等方面也提出了较高要求，主桥无论采用何种桥式方案均为大跨桥梁结构，技术难度大、要求高。关键词黄大线黄河大桥桥位及桥式方案比选构造设计特点方案实施设想一、工程概况黄大线黄河大桥是黄大铁路最为关键的控制性大型桥梁工程，地处山东省东北部，黄河下游鲁北平原区，在山东省滨州市东北的利津县附近跨越黄河，距离黄河入海口约100～120km。桥位所在段黄河属平原型河流，由于历史上黄河多次改道和决口泛滥，加上自然侵蚀和人类活动的影响，形成了微地貌差异较大的地貌特征。由于泥砂淤积，河床逐年抬高，形成“地上悬河”，高于两岸阶地2～6m。桥址范围地表以下80m内，地层以粉质黏土、粉土为主，没有良好的天然基础持力层，基础类型采用钻孔灌注桩比较适宜，桩尖持力层宜在第四层上更新统海陆交互沉积（Q3mc）或第五层中更新统海陆交互沉积（Q2mc）的粉质粘土、粉土、粉细砂层中。桥址处的地表水发育，为黄河河水，地下水为第四系潜水，主要赋存于第四系冲积、海陆交互沉积的粉质粘土、粉土中，地下水位埋深1～3m，主要受大气降水补给，地下水水质较复杂，上部受黄河水影响为淡水，水质较好，对圬工无侵蚀性，约为10～15m左右，下部以咸水为主，矿化度较高，深部取水样较为困难，根据水质分析报告，综合考虑地下水对圬工具有硫酸盐弱侵蚀性。本地区属暖温带亚湿润季风气候，受海洋气流影响明显，其主要特征是：春旱多风，夏热多雨，冬季干冷，四季明显，年平均气温12.7～12.9℃，极端最高气温40.9℃，极端最低气温-20.9℃，最冷月平均气温-3.2℃，最热月平均气温-26.6℃。平均风速2.7～3.2m/s，主导风向SE及SSE，最大风速38.3m/s，风向WSW。最大积雪厚度24cm，土壤最大冻结深度55cm。二、主要技术标准1、铁路等级：国铁Ⅰ级。2、正线数目：单线。3、限制坡度：4‰；钢桁梁范围纵坡0‰。4、限界：桥梁按“桥限－2”4、最小曲线半径：全线800m，黄河大桥最小半径3000m。5、设计荷载：中-活载。6、通航净空：根据黄河航务部门意见，黄河按内河Ⅳ级航道考虑，净高8m，净宽80m。7、最高通航水位：流量3000/s时的水位，并考虑30年淤积值2.85m。8、设计流量：11000/s9、设计水位：采用流量11000/s时的水位，并考虑50年淤积值5.37m。10、地震烈度：Ⅶ度。三、水文黄河是我国第二大河流，干流长度5464km，流域面积75.24万平方公里，桥位所处黄河下游河段泺口至利津河段经过多年综合治理，现已基本成为人工控制的弯曲性河段，河弯难以自由发展，摆动幅度相对较小，属黄河治理相对较好、河道比较稳定的河段，黄河两岸堤距约为0.5～5.1公里，河槽宽在0.4～1.2公里之间，黄河本河段河道平均比降为0.1001‰，发生洪水机遇相对较多，遇较大洪水易形成漫滩，防洪压力相对较大。根据国家相关文件，桥位范围黄河的设计流量按11000/s考虑。黄河含砂量大，泥砂的落淤范围被局限在两岸大堤之间，黄河下游河道属淤积性河道，河道呈逐年淤积抬高之势，河床滩面高出背河地面3m左右，形成著名的“悬河”现象。根据黄委会的综合分析，桥位处前10年按淤积0.33m计，后40年洪水位年均升高值仍采用每年上涨0.126m的规划设计值。经推算大桥2053年设计洪水位将升高5.37m。由于本段黄河为淤积性河流，冲刷较大，根据王旺庄、张家滩断面统测资料和桥位附近险工、控导工程根石探摸资料、历史大洪水冲刷深度等综合分析后本次设计总冲刷深度按大田家桥位滩唇以下河床最大为20m，左右滩地的最大冲刷深度按5.5m采用。黄河大桥各拟选桥位位于所在山东地处黄河段，受相关地理纬度变化、太平洋气候以及河道形态等因素的影响，凌汛现象非常严重；且该河段河槽狭窄，弯道多，两岸险工毗连对峙，极易卡冰阻水，是山东省凌汛较为严重的河段。凌汛期卡冰阻水或形成冰坝的因素较多，情况也比较复杂，但该河段河势相对较为平顺，只要合理确定桥孔跨度，建桥后应当不会对凌汛造成较大影响。考虑到两个桥位都位于济南以下窄河段，桥位处河道较窄，是凌汛期卡冰壅水的重点河段，桥孔跨度必须满足行凌要求。黄大铁路黄河特大桥跨越黄河预选桥位所处河段，来水、来砂条件基本相同，洪水及凌汛情况也基本一致，参照最大冰块尺寸、最大流凌密度及凌汛期河面宽；经对多年洪水、凌情分析计算，并参照桥位上下游已建大桥的桥孔跨度综合分析，桥孔跨度必须满足防凌要求。四、桥位、桥式方案的选择黄骅南～大家洼线位于鲁北及冀东南地区，沿渤海湾畔，覆盖黄河三角洲地区，北临国家重点工程之一的黄骅港工程，与其配套建设发挥综合效益，本项目意义及作用愈显重要，亦可较好解决鲁北重镇滨州市的南北通路。㈠、黄河大桥桥位选择黄河大桥是黄大铁路最为关键的控制性大型桥梁工程，桥位需根据线路走向、水文和地质条件、桥长及相应的施工难易程度、工期、工程投资等多方面因素综合选定，同时黄河大桥也对确定线路走向有很大影响。在可行性研究时根据线路的特点和走向选择，实地踏勘了三个桥位方案并与各线路方案相配合，由于拟建的滨小铁路已确定在双台桥位附近跨越黄河，考虑工程配套、水文条件及战备等方面的要求，经综合比选，在两个地市（滨洲、东营）范围选择两个桥位（宋集、大田家）配合线路选线。两个桥位方案中桥梁高程均考虑了通航、淤积等情况，各桥位在水文、地质条件等问题上有相似之点，也有不同之处；大田家、宋集两个桥位方案均能满足水文、地质、通航及线路走向上的要求，虽然从桥梁本体工程投资考虑，大田家桥位比宋集桥位投资略高，但线路走向大田家桥位要比宋集桥位平顺；从地方经济发展方面考虑，走大田家桥位线路距离海滨相对较近，运营线路最短，全线工程投资较省，且兼顾了滨州市、沾化电厂等地市和重点企业，有利于综合效益的发挥，可较好的兼顾地方利益，而宋集桥位方案在线路走向等方面考虑则无明显优势。综上所述，经综合比选分析，结合批复意见，将利津大田家桥位作为本桥推荐桥位方案。㈡、黄河大桥桥式方案的选择工程可行性研究阶段，推荐桥位处选择了主跨为180m、216m的明桥面及道碴桥面下承式连续钢桁梁、混凝土斜拉桥进行了研究比较，初步设计阶段根据工程可行性研究阶段部鉴定中心评审意见及河务部门对黄河大桥跨越黄河的要求，推荐桥位处选择了主跨为180m的单线明桥面下承式连续钢桁梁、主跨为216m的单线明桥面下承式连续钢桁梁、主跨为180m的双线明桥面下承式连续钢桁梁进行了深入细致的设计研究，三种桥式方案各有优缺点，由于主跨216m单线及主跨180m双线造价高于主跨180m单线方案，经综合比较后决定黄河大桥主桥主跨以180m的单线明桥面下承式连续钢桁梁作为推荐方案。㈢、跨越大堤方式的选择黄大线位于河北省东部和山东省北部的滨海冲积平原上，海拔高程3～10m，地形平缓开阔，线路高度由其所跨越的江河沟渠、地面建筑物等确定。黄河大桥在大田家桥位需跨越北临黄河大堤、南临黄河大堤、南展大堤等三处大堤，为合理降低投资，需在满足相关要求的前提下尽量降低桥面高度，故在结构型式上选择了线路高度要求最低的下承式连续钢桁梁作为主导方案，同时又由于本桥所处黄河段高程由防洪水位控制，为尽量降低线路高度，跨堤方式以平交为最有利，但大田家桥位的右岸为打渔张险工，桥位轴线在9号坝的上游。桥位轴线下距曹店闸堤防长度约600m，平交处理难以适应相关要求，为避免相互影响，采用桥梁跨越。综上所述，除大田家桥位南临黄河大堤处以桥梁跨越外，其余各桥位处（包括南展大堤）均以路基平交形式跨越黄河大堤。黄河大堤（含南临黄河大堤）一次性加高至2053年规划断面。立交跨越时桥墩设在50年以后的大堤断面以外，桥梁单孔净跨应不小于100m。㈣、高程控制黄大铁路在利津大田家跨越黄河，根据国家有关的法律、法规，桥梁的梁底必须高于设计洪水位，并按照防洪和航运的要求，预留一定的超高。根据山东省交通厅港航局的批复，本段黄河最大通航流量按3000m3/s考虑，轨底高程按27.52m进行设计。㈤、主桥孔跨的选择黄河河务部门从水文条件对主桥设计方案提出了控制要求，要求跨越黄河主槽的主桥孔净跨应不小于210m，且主槽内桥墩不多于4个，滩地和南展区均应建桥跨越，桥梁跨越滩地单孔净跨不小于40m；南展宽区的桥梁跨越跨度应不小于32m。另外，2004年4月，通过调查了解，小营至滨洲铁路（可行性研究阶段）滨洲黄河公铁两用大桥主桥采用的孔跨为“（120+3x180+120）m钢桁梁”，较本桥要求的主桥主孔跨度要求有显著减小，也得到有关部门的认可。受河务部门关于跨越黄河主河槽及主河槽范围桥孔布设条件的基本制约，势必导致黄大线黄河大桥主桥设计技术难度很大，投资规模的有效控制应作为主要因素予以考虑，由于列车荷载大，对结构动力、稳定等方面的要求很高。大桥设计中，除必须满足必要的结构纵向、竖向刚度要求外，对其横向刚度也有严格的控制要求，受结构横向刚度条件的制约，在桥梁跨度较大的条件下，结构跨度与宽度的关系更是息息相关，尤其是考虑本线为单线铁路，按建筑限界及养护要求所需的结构宽度不是很大，而主孔跨度已成为制约结构宽度的基本控制因素；以主孔跨度分别为216m和180m的下承式钢桁梁方案为例，其横向两片主桁中心距按要求应分别达到9.5m和8.0m左右，已明显超出按建筑限界及养护要求所需的结构宽度需要，其中主孔216m方案构造宽度已与双线铁路相近，跨度越大对横向设计愈加不利，进而也因横向构件重量增加影响纵向设计，相对于双线或多线铁路而言，在达到一定的跨度要求条件下，单线铁路由于跨度的变化导致产生的投资变化影响更为明显，因此，在满足相关部门要求前提条件下适当控制桥梁跨度十分必要。同时，鉴于滨洲黄河公铁两用大桥的主桥跨度为180m跨，与本桥距离有限，河道条件变化不大，虽有滨洲北镇黄河公路大桥所在位置的因素影响，且考虑适当减小跨度对桥梁结构所带来的较为显著的技术经济效益，结合上下游其它桥梁工程的桥跨布置特点，在考虑与有关部门作进一步的沟通协商及充分论证的前提条件下，分析今后跨度减小也有一定合理性，因而本阶段设计就主桥主孔216m、180m进行研究比较工作。且考虑随着全球气候变暖，自从70年代后至今30多年间再没有发生过大面积的流凌，本桥210m的净跨若能适当减小，对于降低工程投资，减少设计施工难度，保证工期都是十分有利的。基于河务部门对黄河特大桥跨度及其它方面的要求，在可研文件对多种桥式、桥跨方案大量比选的基础上，初步设计阶段黄河特大桥就主桥主孔跨度为216m、180m两种跨径的下承式连续栓焊钢桁梁明桥面进行研究比较。㈥、引桥布置各方案黄河大堤外（包括大田家桥位南展大堤范围）引桥均采用32m预应力混凝土简支梁，圆端形桥墩，桥台根据填土高分别采用埋式桥台和T形桥台。各方案黄河大堤内引桥均采用56m预应力混凝土简支梁，圆端形桥墩，桥墩设置需满足破冰需要，桥台根据填土高采用埋式桥台，基础均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础。起桥高度按8m左右考虑。五、桥式方案比选㈠、孔跨布置本次设计共比选了三种方案，方案一为主孔180m下承式连续钢桁梁明桥面单线方案，孔跨布置为57×32mT梁+8×56m箱梁+一联(132+3×180+132)m下承式连续栓焊钢桁梁+一联（2×108）m钢桁梁+82×32mT梁，桥梁总长6057.16m；主桥上部结构钢桁梁采用无竖杆三角式平弦桁梁，桁高16.0m，为最大跨径的1/11.25；节间长度12m，桁宽8.0m，宽跨比为1/22.5。方案二为主孔216m下承式连续钢桁梁明桥面单线方案，孔跨布置为57×32mT梁+8×56m箱梁+一联(120+168+216+168+120)m下承