杭長客運專線新建之時，正值我國將武廣客運專線正式更名為武廣高速鐵路，標誌著中國高速鐵路投入商業運行，所以本聯絡線大橋跨越武廣高鐵的安全問題就顯得非同尋常。
圖1 橋樑轉體前後平面關係示意圖
杭長客運專線長沙樞紐內的南西、西北聯絡線兩處大橋跨越武廣高鐵，為了儘可能減小施工和日後養護對既有武廣高鐵運營安全的影響，應最大限度地縮短跨線作業時間以及日後的養護維修作業，因此轉體施工是最佳施工方案之一，而為了避免高壓線的絕緣問題，結構應以混凝土主梁為好。跨越武廣高鐵主橋採用轉體施工獨塔斜拉橋，利用天窗時間轉體就位。該橋孔跨為（32+80+112）m，主梁均採用預應力混凝土槽形梁，為轉體平衡需要，80m的邊跨對槽形梁的兩側邊箱內腔部分填充，為此採用與112m側不同的截面，主塔為鋼筋混凝土。施工時，先沿武廣高鐵一側搭支架施工主塔、80m的邊跨和112m主跨，32m輔助跨在橋位處同時支架現澆修好，如圖1、 圖2及圖3所示。待邊跨和主跨轉體到位後，主跨和輔助跨之間進行合龍，然後進行橋面軌道設施施工，完成二恆後調整成橋索力。
圖2 南西、西北兩座聯絡線橋樑立面圖
圖3 南西、西北兩座聯絡線橋轉體前的實景圖
技術狀況分析
鑒於本橋上跨運營高速鐵路的重要性，設計借鑑了英法海底隧道建設基本原則，即採用成熟技術、降低安全風險優先。我們採取的各種措施都是圍繞降低安全風險這個核心問題。
斜拉橋方面
斜拉橋技術發展日趨成熟，各種體系、橋式、主梁、塔形、拉索的斜拉橋都有不少實例。國內斜拉橋跨徑已突破1000米，處在世界前列。採用轉體施工的也不乏先例，對於純鐵路荷載斜拉橋的研究雖然近年來不斷增多，但鑒於鐵路橋樑的特殊性，對此一直都比較謹慎，據調研目前世界範圍內也鮮有可資借鑑的先例。
當時與鐵路有關的各類形式的斜拉橋為32座，約占斜拉橋總量的1/10，32座中有11座在日本（必須說明：日本鐵路荷載太小，甚至不及我國軌道交通荷載），有14座為公鐵兩用橋，2座為輕軌鐵路，如果還算上主梁結構形式的差異，與本橋相近的可供借鑑類比的橋樑就寥寥無幾。
轉體橋方面
從1977年建成的第一座轉體施工的遂寧建設橋至今，成功運用轉體施工技術建成的橋樑逾百座，但大多轉體噸位較小，可以說轉體施工是技術比較成熟的一種施工工藝集成，且近年來轉體噸位一再上升，尤其是在丫髻沙大橋突破萬噸級後，國內又有多座橋樑相繼跟進。到本橋設計時剛完成轉體的鄭州市解放路斜拉立交橋，轉體重達17100噸，而超2萬噸的轉體橋也正在實施。
另外，綏芬河斜拉橋採用自平衡平鉸磨心轉盤結構構造的革新，給轉體施工技術注入了新的內容。當時主要轉體施工噸位見表1。
技術分析
根據可靠性理論，如果把該橋建設全過程作為分析對象，各環節都是影響安全的因素，各因素的關聯及對整個工程的影響程度與方式都不盡相同，是非常複雜的綜合體，到目前為止都還不能從純理論的角度進行闡述和評價。所以，根據可靠性基本原理，從定性的角度，儘量把各方面的安全風險都降低，從而獲得總體上的可靠度最大化，確保安全。除了鄰近既有高鐵施工的安全防護、跨越高速鐵路作業外，其中最突出的一點就是設法降低轉體噸位，避免轉體噸位超紀錄。本橋若按通常做法其噸位必然超過2萬噸，而最終本橋只有14500噸，在此前提下採用成熟的球鉸轉體施工技術，其可靠性自然增大。
結構構造及橋式方案
工程環境主要控制要素
新建杭長客專鐵路長沙樞紐西南、西北上行聯絡線特大橋的兩處跨越既有武廣高鐵的單線鐵路橋樑，鑒於以下四點原因，採用預應力混凝土槽形主梁結構的轉體施工斜拉橋方案。
鄰近車站疏解要求結構建築高度要小
線下高鐵防電要求
本線施工期間的作業不干擾武廣高鐵
減少運營期間維護作業對武廣高鐵運營安全的影響
主要技術措施
前面已提到，降低工程規模有利於降低工程風險，基於此目的，橋型設計首先想到斜拉橋和拱橋，因為梁式橋在此過於龐大，建造風險較大。拱橋的梁體雖然可以做得較低，但目前還沒有較好的跨線作業施工方法。所以，工程選用了斜拉橋方案，但即使是採用斜拉橋，通常的做法其規模依然較大，為此主要採用了下面三點特殊方法。
（1）邊箱式槽形梁
截面形式對主梁的影響最大，它決定了主梁在結構功能上的適應性和基本截面特性，基於槽形橫截面形式進行了邊板式與邊箱式槽形截面的比較，三種可能的邊板式槽形截面如圖5所示。比較基於槽內相同的限界及更換軌枕需要空間考慮，可見圖4。
圖4 槽形梁限界及更換軌枕需要空間示意
斜拉索在槽形樑上的錨固是重要的主梁截面影響因素，斜拉索錨固理論上可以有置於槽形邊板的外、中、內側三種布置方式，見圖5。根據錨固等最小空間或尺寸要求，決定了它們的梁寬分別為10.2m、9.3m、10.5m。前兩種的樑上斜拉索錨固暴露在高鐵上方，存在安全隱患；後一種加大了槽形梁底板的橫向跨徑，與邊箱式相比，要達到同等強度還須加大底板厚度，這勢必會增大轉體噸位並帶來不利的連鎖反應。
圖5 三種可能的邊板式槽形截面
綜合考慮橫截面受力、截面特性、錨固構造等因素，因邊箱式槽形截面沒有突出的弱點，故被採用。
（2）塔梁交叉固結處相融合的構造技術
對於斜拉橋的塔與梁『交叉』關係，一般會如圖6左幅進行布置。因為本橋與橋下高鐵線的交角很小（21°），減小橋塔橫向寬度對減小橋樑跨度較為明顯，故設計採用了圖6右幅的布置形式，配合下塔柱前後左右叉開分為四條腿構造和圓形承台，可減小主跨跨徑12.8m（約10%）。專項研究證明該構造應力分布平和、具有較高的強度安全性。
圖6 塔梁墩固結處相融合示意圖（右圖為發明技術）
（3）下塔柱四肢構造
為增大縱向抗推剛度，改善結構行車條件，同時為了避免橫向占地太寬侵限，下塔柱採用沿縱橋向外張、橫向內收的四肢塔柱構造，見圖3實景圖。圖7是幾處關鍵構造的仿真分析模型。
圖7 幾處構造分析模型
（槽形梁、球鉸轉盤樁基土、塔梁固結、橋塔錨固）
橋樑方案
為了避免漂浮或半漂浮體系斜拉橋在轉體中因慣性力使塔梁發生相對位移，產生轉體重心漂移而影響穩定性，而採用塔梁臨時固結措施的安全可靠性較永久固結差，加上橋跨較小、地震作用不太容易控制，所以選擇塔梁墩三者固結體系獨塔斜拉橋。
由於採取了前述的一些特殊構造形式，使得孔跨（32+80+112）m的預應力混凝土槽形梁轉體斜拉橋方案能夠成立，並把轉體體重控制在14500噸內。雖然噸位比較大，但技術成熟風險可控，避免了轉體噸位創新高，有利於項目推進。
施工方面，沿京廣高鐵一側搭支架施工主塔、（80.0+4.0）m的邊跨和112.0m主跨，（32.0-6.0）m輔助跨在橋位處同時支架現澆修好，待轉體到位後澆築2.0m合龍段，而跨線部分的112m轉體後直接上墩，無須合龍工序，大大縮短了高風險持續時間。最後進行橋面軌道設施施工、完成二恆後調整成橋索力。
圖8 長沙西北上行聯絡線特大橋航拍全景圖
專項研究
作為跨越運營高鐵的跨線橋安全問題是首要的，而作為高鐵橋樑其使用性能也至關重要。按照通常的做法，我們針對本橋也作了一些研究，包括：結構平面及空間靜力性能研究、無砟軌道槽形主梁構造研究、塔梁固結應力分析及模型試驗研究、轉盤構造研究、橋樑結構抗風性能研究、橋樑結構抗震性能研究、風車橋動力性能研究、跨越運營高速鐵路轉體施工方案研究、施工階段監控研究等。這裡做以下幾點說明：
1. 槽形主梁構造研究。除了前面有關截面形式選擇外，對溫度作用、梁軌關係進行了研究。因為槽形截面形式比較特殊，溫度場分布存在一些特別之處。梁軌相互作用關係與槽形梁截面密切相關，理論上可以充分減小對鋼軌的作用，截面確定時儘量向有利方向傾斜，這也是槽形梁的優點。
2. 橋樑結構抗風性能研究。為了避免誤會，應該指明這裡不是指通常的大跨度柔性橋樑的抗風問題，而是指橋下高鐵行駛帶動的空氣流動作用，而且主要關注的是轉體到高鐵上方後沒能如期固定橋樑時，列車風力對橋樑穩定性的影響。
研究結果說明，高速行駛列車空氣壓力對其上方的斜拉橋產生的風壓不構成穩定威脅，無須特別防護，但如果是一般橋面，橋上雜物有可能會被吹落下來，而槽形梁就完全沒有這種隱患。所以，該橋在運營中對武廣高鐵沒有任何影響。
3. 塔梁固結區研究。對塔梁固結區除了進行仿真分析外，還進行了縮尺模型試驗研究，這是鑒於這種塔梁固結構造的獨特性，畢竟沒人這樣做過。
4. 轉盤構造研究。除了對轉盤、球鉸的受力與變形分析外，該項研究實際上還包括承台及基礎。當由球鉸獨立支撐轉體重量時，重量由球鉸集中傳到下轉盤（即承台）的中心區域，應力擴散範圍有限，此時中心部分受力較周圍大。分析時把承台與土之間的豎向支承作用也考慮進去了，這也是為了減小基礎平面範圍，不然橋跨可能還要加大。
5. 跨越運營高速鐵路轉體施工方案研究。主要在鄰近運營高速鐵路施工安全防護技術、既有武廣高鐵基礎監測技術、轉體球鉸安裝及轉盤施工技術、邊箱式槽形梁施工技術等方面展開研究並實際運用。實施中布設了很多監控傳感裝置，以掌握施工對高鐵軌道變形的影響。
另外，在可靠性理論中，萬分之一的失效機率是較低的保證率（失效機率是比較高的），一兩百次的成功也不能說明可靠性很高，即使在第五百次失敗時也只能說明是低保障率事件，工程建設需要有足夠的安全意識。為正確認識杭長客專轉體斜拉橋設計施工風險，結合可靠性理論，進行施工風險與可靠度分析，雖沒能得到量化的可靠度分析結果，但有關施工安全可靠性分析探索，對我們在施工中了解風險、控制風險有一定的指導意義。工程安全越來越重要，可靠性理論具有指導性，此類研究將會是工程技術學科的前進方向之一。
在業主、施工等各有關參建單位的協同努力下，安全穩妥地建成該橋，實現了安全目標、功能目標，達到了建設預期。
雖然轉體施工跨越高速鐵路是可行的，但不能因此而阻滯了跨線橋技術的發展，轉體成風未必可取，希望工程技術人員因地制宜地對待每一座跨線橋樑的設計與施工。
本文刊載 /《橋樑》雜誌 2019年 第3期 總第89期
作者 / 饒少臣
作者單位 / 中鐵第四勘察設計院集團有限公司