蒙華鐵路老灌河特大橋橋群設(shè)計

杜　偉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

Design for Laoguanhe River Grand Bridge Group of Menghua Railway

DU Wei

蒙華鐵路老灌河特大橋橋群設(shè)計

杜偉

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

Design for Laoguanhe River Grand Bridge Group of Menghua Railway

DU Wei

摘要老灌河特大橋橋群是蒙華鐵路復(fù)雜工點之一，并行既有線，跨越豫西主要河流老灌河，且橋上出岔的聯(lián)絡(luò)線以極小交角分別跨越既有寧西線及其增建二線，下穿煤運通道正線，在鐵路站場及樞紐附近橋梁中具有較強的代表性。介紹其跨河道處水文計算、孔跨布置及道岔連續(xù)梁、鋼門式墩和雙層共用墩等設(shè)計情況。

關(guān)鍵詞鐵路橋群水文頻率分析法道岔連續(xù)梁鋼門式墩雙層共用墩

鐵路站場及樞紐附近的橋梁，因正線與聯(lián)絡(luò)線、疏解線、安全線等相互并行或立體交叉，往往形成多座橋組成的鐵路橋群；因涉及到橋下小角度跨越既有線，橋上咽喉區(qū)設(shè)置道岔、渡線等問題，多為特殊結(jié)構(gòu)集中，設(shè)計施工復(fù)雜的節(jié)點工程。

新建鐵路蒙西至華中煤運通道三門峽至荊門段老灌河特大橋橋群，并行既有線，跨越豫西主要河流老灌河，且橋上出岔的聯(lián)絡(luò)線分別以極小交角跨越既有寧西線及其增建二線，下穿煤運通道正線，為典型的樞紐附近節(jié)點工程。結(jié)合其平、立面受限，跨河流道路多，跨越既有線，孔跨調(diào)整困難等特點，詳細介紹控制因素、孔跨布置和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計情況(如圖1)。

1工程概況

為滿足本線與寧西鐵路接軌，本線正線與既有寧西線、在建寧西二線并行跨越老灌河后，穿越既有線與大型廠區(qū)之間的狹窄平面空間并在橋上出岔(雙線變四線)。左側(cè)出岔的西峽下行聯(lián)絡(luò)線跨越寧西線和寧西二線，右側(cè)出岔的西峽上行聯(lián)絡(luò)線以-11‰坡度下穿本線正線，最后兩聯(lián)絡(luò)線接入寧西鐵路西峽站。

本線橋群含四座橋：老灌河特大橋(正線)、西峽下行聯(lián)絡(luò)線特大橋、西峽上行聯(lián)絡(luò)線大橋和西峽上行聯(lián)絡(luò)線古莊河大橋，各橋設(shè)計標準及孔跨見表1。加上寧西線和寧西二線在跨越兩河處均為橋，2 km狹長區(qū)域內(nèi)聚集了8座橋，尤其在古莊河和省道S335處，上下游90 m范圍內(nèi)共有五座橋并行密集跨越，其橋群建設(shè)規(guī)模及分布密度較為罕見。

表1　蒙華鐵路老灌河橋群設(shè)計標準及孔跨

2橋群設(shè)計

橋址處控制點眾多，不僅要與既有線并行、交叉，還要跨越老灌河、古莊河以及河流兩側(cè)的道路：城市道路灌河大道、春風(fēng)路和省道S335。以下逐一介紹其關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計情況。

2.1　跨河道處水文及孔跨布置

橋群跨越的老灌河、古莊河屬丹江水系，流域上游主要為山區(qū)，地形陡峻，群峰林立，河谷較窄深，河道彎曲；至西峽小盆地，地形以低山、丘陵為主，屬山區(qū)開闊河段。

(1)老灌河

老灌河為丹江左岸一較大支流，發(fā)源于河南省欒川縣西側(cè)的伏牛山北麓。干流全長254 km，總流域面積4 219 km2，落差1 340 m，河床平均比降5.2‰。本線在西峽縣城南側(cè)約600 m處跨越老灌河，與既有寧西線和在建寧西二線分別相距約45 m和90 m，下游3.3 km處為西峽水文站。橋址處流域長度165 km，流域面積3 191.1 km2，河床平均比降2.0‰，主河槽位于河谷中央，寬近300 m，兩邊建有人工河堤，卵石河床，河道較順直、穩(wěn)定。

伏牛山區(qū)為河南省暴雨中心之一，老灌河河水兇猛，發(fā)洪水時有大樹及漂石沖下。2010年汛期時西峽雨頻繁、雨量大、雨期長，特別是7月中下旬出現(xiàn)了超大暴雨洪水過程，老灌河西峽水文站洪峰流量7 380 m3/s，為歷史實測最大值，部分地區(qū)遭受了嚴重的洪澇災(zāi)害。

水文采用頻率分析法計算，形態(tài)調(diào)查法驗證。根據(jù)西峽水文站1954～2001連續(xù)48年最大流量觀測資料以及2010年實測特大洪水流量(調(diào)查期為58年)，進行不連續(xù)序列排頻分析，采用矩法計算統(tǒng)計參數(shù)(Cv=1.4，Cs=2.55Cv)。水文站實際控制流域面積為3 404.9 km2，按照水文比擬法(指數(shù)取0.5)，得到橋址處百年一遇洪水洪峰流量為7 622.9 m3/s，計算得H1%=216.64 m，V1%(河槽)=4.22 m/s。

2010年特大洪水已接近百年一遇設(shè)計流量。為了驗證此結(jié)果，同時在橋址附近采用形態(tài)法進行了洪水位調(diào)查：2010年洪水位為216.35 m，與頻率分析法計算的設(shè)計水位216.64 m極為吻合，說明結(jié)果可靠。

(2)古莊河

古莊河發(fā)源于河南省西峽縣回車鄉(xiāng)毛河村，為老灌河中游左岸一較大支流，于西峽縣城東南側(cè)與八迭河匯合后匯入老灌河。本線在離古莊河與老灌河匯合口約1 km處跨過古莊河， 橋址處河谷開闊，河道基本穩(wěn)定，流域長度26.4 km，流域面積199.2 km2，河床平均比降20.0‰。計算的水文成果：Q1%=2 241.0 m3/s，H1%=214.63 m，V1%=3.99 m/s。

圖2　老灌河特大橋橋群順河道對孔布置

由上可見，兩河的設(shè)計流量均較大，多座橋并行跨河處應(yīng)遵循與既有橋?qū)撞贾玫脑瓌t，這樣下游橋橋墩由于上游橋橋墩的遮蔽作用，其阻水影響被削弱[4]，更有利于行洪。如圖2，本線在跨兩河處孔跨布置與既有線基本一致，基本為順河道方向32 m簡支梁布置，減少了對河道水流的擾流影響。

考慮到跨老灌河處線位與河道斜交角較小，且橋墩墩高均在36 m以上，如采用空心墩，墩身尺寸較大，對行洪不利。為進一步減少阻水面積，正線老灌河特大橋位于河道中的8號～18號墩均采用特殊設(shè)計的圓端形實體高墩(見圖3)，在滿足功能要求的前提下，盡量減小其輪廓尺寸。經(jīng)計算，承載力和剛度均滿足規(guī)范[5-6]要求。如17號墩墩高39 m，如采用空心墩，墩底縱向尺寸為5.62 m，采用實體墩時僅為4.31 m，極大地減小了阻水面積，方便河道行洪?，F(xiàn)本橋群跨兩河處均已通過防洪評價。

圖3　老灌河特大橋8號～18號實體高墩(單位：cm)

2.2　道岔區(qū)橋梁設(shè)計

西峽上、下行聯(lián)絡(luò)線正線老灌河特大橋橋上出岔處，股道布置為兩組18號單開道岔，雙線變四線。無縫道岔對橋梁提出了特殊要求[7]，橋式布置需結(jié)合道岔進行。為避免道岔布置在梁縫上引起其幾何形位的變化，正線道岔不應(yīng)鋪設(shè)在簡支梁上，應(yīng)盡可能整組布置在一聯(lián)梁上[8]。跨度宜與區(qū)間簡支梁的32 m跨度保持一致，即采用多孔一聯(lián)跨度32 m連續(xù)梁，其具體聯(lián)長由道岔岔頭、岔尾到梁縫的最小距離確定。如圖4，18號道岔全長69 m，岔頭、岔尾到梁縫的距離不小于18 m，由此可以推出正線18號道岔整體置于一聯(lián)連續(xù)梁上的最小聯(lián)長為(18+69+18)=105 m。

圖4　18號道岔與橋梁相對位置關(guān)系

圖5　5×32 m道岔連續(xù)梁構(gòu)造(cm)

本橋為滿足最小聯(lián)長和相鄰簡支T梁架設(shè)的要求，采用五孔32 m道岔連續(xù)梁，整孔箱形截面，跨度為(31.1+3×32.7+31.1) m，梁全長161.60 m，梁高3 m，橋面寬度11.6～23.506 m(如圖5)。

西峽上行聯(lián)絡(luò)線在跨越古莊河之前設(shè)置了安全線，布置有12號道岔，軌底至地面有17 m左右?？紤]到此部分地區(qū)安全線附近有密集居民區(qū)、廠區(qū)，如果設(shè)橋，因安全線太短、橋梁高度較高，一旦有列車進入，可能引發(fā)更大的次生災(zāi)害，無法做到真正意義上的安全；而且安全線設(shè)置在橋上時，橋梁沒有相關(guān)的規(guī)范標準可供執(zhí)行，只能按道岔連續(xù)梁設(shè)計，提高了橋梁設(shè)計難度。因此，本橋群在此安全線范圍內(nèi)采用了高填方路基設(shè)計方案，兩側(cè)分別為西峽上行聯(lián)絡(luò)線大橋和西峽上行聯(lián)絡(luò)線古莊河大橋，接路基橋臺分別為15 m、16 m高橋臺，橋臺錐體采用擋墻圍護，避免侵入既有線及相鄰建筑物。

同時建議應(yīng)根據(jù)工點具體情況研究在橋上設(shè)置安全線的必要性。如設(shè)置安全線可能引發(fā)更大的次生災(zāi)害時應(yīng)禁止安全線上橋；如無條件須在橋上設(shè)置時，應(yīng)延長安全線，確保上安全線的列車在橋梁終端可停住或在安全線尾部設(shè)置滑移式液壓緩沖擋車器[9]，以保證車輛安全。

2.3　鋼門式墩設(shè)計

西峽下行聯(lián)絡(luò)線特大橋從正線橋上出岔，以小角度(夾角約5°)斜跨既有寧西鐵路和寧西二線，正線的軌面高于地面約16 m。

由于斜交角度較小，若采用大跨度結(jié)構(gòu)，要同時跨越兩條既有線，跨度將達到180 m以上，必須采用組合結(jié)構(gòu)才能滿足功能要求，不僅投資增加巨大，而且施工困難；采用預(yù)應(yīng)力混凝土門式結(jié)構(gòu)上跨寧西線及寧西二線，則混凝土橫梁澆筑及預(yù)應(yīng)力張拉施工會對既有線運營造成很大的干擾，工期會受很大的影響。為滿足施工計劃要求，西峽下行聯(lián)絡(luò)線特大橋采用九個鋼門式墩跨越既有線，即門式墩的橫梁采用鋼結(jié)構(gòu)橫梁，吊裝施工。整片鋼橫梁一次吊裝就位，一個天窗時間就能完成，對既有線運營干擾小。從以往的施工經(jīng)驗來看，鋼門式墩是小角度跨越既有繁忙干線的最佳選擇，特別是施工條件困難、工期比較緊的工點，優(yōu)勢更加明顯[10]。

如圖6為西峽下行聯(lián)絡(luò)線特大橋5號～13號門式墩平面布置，其上部結(jié)構(gòu)均為單線32 m簡支T梁。門式墩鋼結(jié)構(gòu)部分與混凝土柱采用插入式連接，鋼柱插入混凝土柱中4.5 m，屬鋼梁混凝土柱混合結(jié)構(gòu)。

圖6　門式墩跨寧西線、寧西二線平面布置(單位：cm)

2.4　正線與西峽上行聯(lián)絡(luò)線交叉處橋梁設(shè)計

西峽上行聯(lián)絡(luò)線古莊河大橋小角度下穿正線老灌河特大橋處，因需滿足橋下省道S335規(guī)劃要求，上下兩橋均需采用40 m以上跨度，且下層鐵路凈空受限(如圖7)。

圖7　兩線交叉處平立面(單位：cm)

經(jīng)綜合考慮，兩橋孔跨布置時，西峽上行聯(lián)絡(luò)線古莊河大橋6號墩與老灌河特大橋58號墩采用共用墩，其形式為下部實體與上部雙柱結(jié)合的特殊結(jié)構(gòu)。下層為實體墩，支承單線(32+48+32) m連續(xù)梁；上層為雙柱墩，支承橫梁外挑的雙線(27+44+27) m連續(xù)梁。

圖8　雙層共用墩構(gòu)造(單位：cm)

如圖8，共用墩上部雙柱高11.42 m，凈距9.7 m，滿足聯(lián)絡(luò)線橋下穿要求。雙柱為矩形截面3.0 m×4.8 m(順橋向×橫橋向)；下部實體段高21.5 m，矩形截面尺寸為3.5 m×19.3 m(順橋向×橫橋向)，基礎(chǔ)采用17-φ1.5 m鉆孔樁。墩身驗算時選取了兩個截面：上層雙柱墩墩底截面和下層實體段墩底截面。為了檢算下層實體墩截面，需將(27+44+27) m連續(xù)梁中支點支座反力、上層雙柱墩外力和下層單線(32+48+32) m連續(xù)梁活動中墩支座反力相疊加組合，轉(zhuǎn)化至墩底，組合的原則是雙線和單線相同活載工況對應(yīng)相加(如上下層都為雙孔重載或都為無車工況)，其中單線連續(xù)梁的支座反力還需進行角度轉(zhuǎn)化。

正線(27+44+27) m連續(xù)梁的特殊跨度即因兩橋共墩而調(diào)整形成。其58號墩處的橫梁橫向需加寬懸出，橫梁總長19.7 m，采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向加寬范圍為3.0 m。支座置于雙柱墩頂，相當于門式墩和梁部共用橫梁，從而省去了一個橫梁的高度，使整個橋群牽一發(fā)動全局的線路方案成立，為解決凈空受限條件下兩線橋梁交叉問題提供了一種有效可行的途徑。

3結(jié)束語

老灌河特大橋橋群由于水文、地形地貌、既有線情況、與寧西鐵路西峽站接軌等制約條件，成為蒙華鐵路重難點工程之一。其控制因素多、特殊結(jié)構(gòu)多，多線并行或穿插等特點，在站場及樞紐附近的橋群中具有一定代表性。通過介紹其跨河道處的水文計算和孔跨布置、橋上道岔梁、鋼門式墩跨既有線及兩線橋梁交叉處采用雙層共用墩等節(jié)點設(shè)計，闡述了各種情況下設(shè)計計算原則和思路，對同類型工點橋梁設(shè)計具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]金福海，文望青，許三平.蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道設(shè)計活載選用初探[J].鐵道標準設(shè)計，2013(3):48-52

[2]鐵道部第三勘測設(shè)計院.橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社，1999

[3]劉敏.淺談小徑流驗證[J].鐵道勘察，2012(1):43-45

[4]張林，程琳，孫東坡.鐵路斜交橋?qū)拥佬泻榈挠绊懠皩Σ遊J].水利水運工程學(xué)報，2012(1):36-42

[5]TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S]

[6]TB 10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]

[7]李敏，高亮，谷呈朋.重載鐵路橋上無縫線路斷縫允許值的研究[J].鐵道勘察，2014(1):110-113

中圖分類號：U442.3； U442.5

文獻標識碼：B

文章編號：1672-7479(2015)03-0104-04

作者簡介：杜偉(1984—)，男，2009年畢業(yè)于北京交通大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)及防護工程專業(yè)，碩士，工程師。

收稿日期：2015-03-06