鄭萬鐵路跨南水北調(diào)干渠特大橋主橋綠色設計研究

崔苗苗,嚴定國

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

鄭萬鐵路位于豫、鄂、渝三省市境內(nèi)，線路自鄭州東站引出，經(jīng)許昌、平頂山后至南陽，過鄧州后進入湖北省境內(nèi)，經(jīng)襄陽、?？?、興山、巴東后進入重慶市境內(nèi)，經(jīng)巫山、奉節(jié)、云陽至萬州接上在建的渝萬客運專線[1]。

本項目在南陽市方城縣趙河鎮(zhèn)與南水北調(diào)總干渠發(fā)生交叉，跨越處渠道為半挖半填方渠道，過水斷面兩側(cè)邊坡系數(shù)為1∶2，底寬21.0 m，渠底高程131.463 m，橋址位置南水北調(diào)干渠概況如圖1所示。南水北調(diào)中線工程，從丹江口水庫引水，全線總長1 267 km，工程重點解決河南、河北、天津、北京4個省市，沿線20多座大中城市提供生活和生產(chǎn)用水，其重要性不言而喻。因此，橋梁設計及施工應從綠色橋梁建設的基本思想入手，避免主橋施工和運營期間產(chǎn)生的廢水、廢料、廢棄物落入橋下干渠，總之就是要確保主橋施工及運營過程中的“零”污染，以保證橋下一渠河水可以安全送達京津冀地區(qū)。

圖1 橋址位置南水北調(diào)干渠

1.1 基本資料

(1)線路情況：平面位于直線上，立面位于平坡上；

(2)水文資料：趙河鎮(zhèn)南水北調(diào)干渠設計流量Q1%=2 870 m3/s，設計水位H1%=134.54 m，設計流速V1%=2.3 m/s；

(3)氣象資料：年平均氣溫在14.7 ℃，年最熱月平均氣溫為26.6 ℃，年最冷月平均氣溫為6.4 ℃，極端最高氣溫41.4 ℃，極端最低氣溫-21.2 ℃；全年平均風速1.8 m/s，最大風速27 m/s；

(4)地震資料：主橋位于地震設防等級7度地區(qū)，地震動峰值加速度0.1g。

1.2 技術標準

鐵路等級為高速鐵路、雙線無砟軌道；設計時速350 km；設計荷載為ZK活載；線間距為5.0 m。

1.3 設計原則

根據(jù)南水北調(diào)中線干線工程專用技術標準《其他工程穿越或跨越南水北調(diào)中線干線工程設計技術要求》(NSBD-ZXJ-1-02)，跨越南水北調(diào)干渠工程需滿足以下要求。

(1)橋梁應采用一跨跨越挖方渠道兩側(cè)的一級馬道或填方渠道外坡腳，其下部結(jié)構不應對渠道邊坡和襯砌結(jié)構等造成不利影響。

(2)橋梁布置不應影響中線干線工程的管理維護交通車輛通行，運行維護道路以上凈空尺寸不應小于4.5 m。

(3)跨渠建筑物不應影響渠道兩側(cè)的排水溝、截流溝等排導水設施功能，不應堵塞地面行洪通道。

(4)跨渠建筑物的排水系統(tǒng)在施工、運行、維護檢修期間所有污水不應排入中線干線工程一級水源保護區(qū)內(nèi)。

2 主橋橋梁方案設計

2.1 孔跨布置研究

橋梁主跨設置應滿足南水北調(diào)中線管理局相關要求(一跨跨越總干渠兩側(cè)防護堤，并滿足兩側(cè)馬道4.5 m凈空)。鄭萬鐵路與南水北調(diào)交叉地段總干渠與線路夾角為60°，總干渠兩側(cè)截水溝外側(cè)圍欄間距離約為112.04 m，為滿足一跨跨越南水北調(diào)干渠，且橋墩施工不侵入截水溝的原則[2]，綜合考慮基礎尺寸、施工安全距離及工程投資等因素，推薦采用160 m主跨，橋梁孔跨平面布置如圖2所示。

2.2 橋式方案比選

橋梁形式選擇應在滿足使用功能的前提下，力求適用、安全、經(jīng)濟、美觀、新穎[3-4]，富有時代風貌，要充分體現(xiàn)當今世界現(xiàn)代化橋梁建設的新技術、新水平、新理念；同時要立足國內(nèi)，選用技術先進可靠、經(jīng)濟合理適度、施工方便可行、結(jié)構安全耐久的橋型方案，高速鐵路橋梁與一般橋梁設計相比，最為關鍵的是對結(jié)構剛度、運營階段結(jié)構后期變形等控制要求高[5]。主跨160 m可采用的橋式方案有：連續(xù)梁拱橋、部分斜拉橋及連續(xù)鋼桁梁橋等，3種橋式方案比較如表1所示。

本橋位推薦采用連續(xù)梁拱方案，該體系具有梁體內(nèi)力峰值減小，內(nèi)力分布趨于平緩、結(jié)構豎向剛度更大、結(jié)構后期變形更易于控制等優(yōu)點[8-10]，已成功應用于京滬高鐵、廣深港客運專線、合福鐵路、武九客專等，工程造價經(jīng)濟、設計施工技術成熟，而且可采用先梁后拱的施工方案，對南水北調(diào)干渠造成干擾小。

2.3 橋梁方案設計2.3.1 橋式方案

按照技術先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟美觀的設計原則以及南水北調(diào)方要求，趙河鎮(zhèn)上跨跨南水北調(diào)干渠特大橋主橋采用(74+160+74) m連續(xù)梁拱，主跨160 m跨越南水北調(diào)總干渠兩側(cè)防護堤，橋墩設置在防護堤坡腳外側(cè)，橋梁總長309.6 m，橋面寬14.2 m。主橋立面如圖3所示。

圖2 橋梁孔跨平面布置(單位：m)

表1 橋式方案比選

圖3 主橋立面布置(單位：m)

2.3.2 主梁

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，腹板為直腹板，中支點處梁高8.5 m，邊支點及跨中處梁高4 m，變高段主梁梁底按曲線半徑為501.02 m的圓曲線變化。

拱腳位置主梁頂板寬度為16.3 m，頂板厚度為0.52 m，其余位置頂板寬度為14.2 m，頂板板厚為0.42 m；中支點位置主梁底板寬13.6 m，其余位置底板寬10.8 m，底板厚度0.35～0.975 m；邊支點處局部底板厚0.8 m，邊支點和中支點附近底板設直徑0.8 m檢查孔，底板上設置有截水槽和泄水孔。

腹板板厚0.4～0.55～0.7 m，中支點處局部腹板厚1.3 m，邊支點處局部腹板厚0.85 m。主梁采用C55混凝土，主梁斷面如圖4所示。

圖4 主梁橫截面(單位：cm)

2.3.3 拱肋

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構，拱肋截面采用啞鈴形截面[11]，高3.0 m，拱肋弦管直徑為1.0 m，板厚16 mm；兩弦管之間采用板厚為16 mm的綴板連接，拱肋弦管及腹腔內(nèi)采用C50自密實補償收縮混凝土填充。兩榀拱肋間橫向中心距11.8 m，拱肋間設置9道空間鋼管桁架撐，橫撐鋼管內(nèi)不填充混凝土。

拱肋計算跨度160 m，矢高32 m，矢跨比為0.2，設計拱軸線為二次拋物線，設計拱軸線方程為：y=-1/200x2+0.8x。

2.3.4 吊桿

為保證施工和運營狀態(tài)對吊桿索力的長期監(jiān)測，在每根吊桿內(nèi)設置有磁通量傳感器，通過數(shù)據(jù)采集箱集中收集吊桿的索力狀態(tài)。

3 主橋綠色設計研究

南水北調(diào)干渠屬于城市供水工程，水質(zhì)采用飲用水標準，主橋設計時從綠色橋梁設計的基本思想入手[12-13]，采取合理的構造措施，避免主橋運營過程中對南水北調(diào)干渠造成影響。

3.1 下部結(jié)構設計

主橋基礎采用15根φ2.2 m鉆孔樁基礎，承臺順橋向×橫橋向×厚度為14.9 m×26.2 m×7 m，小里程側(cè)主墩承臺距離外側(cè)圍欄最近距離5.3 m，距離坡腳最近距離為21.3 m；大里程側(cè)承臺主墩承臺距離外側(cè)圍欄最近距離為5.1 m，距離坡腳最近距離為17.9 m，主橋下部結(jié)構不會對總干渠坡腳、截水溝和圍欄造成影響。主墩基礎平面布置如圖5所示。

圖5 主墩基礎布置平面(單位：m)

3.2 橋面排水設計

本橋采用箱內(nèi)集中排水，通過設置外徑為10 cm的排水管，將橋面積水匯入設置在主梁腹板內(nèi)側(cè)的縱向排水管，縱向排水管從主橋跨中分別向兩側(cè)延伸，穿過中支點橫隔板至兩側(cè)簡支梁橋墩，排入橋墩附近集水槽，匯入相應水渠，排出南水北調(diào)總干渠和一級水源自然保護區(qū)影響范圍。橋面排水橫向布置見圖6。

圖6 橋面排水橫向布置

排水管過水面積A=0.1 m2，縱向坡度i=1%，采用橋梁勘察水文計算模塊計算，排水管可通過水流量為Q=0.3 m3/s；橋面匯水面積F=0.005 km2，根據(jù)橋址處的暴雨參數(shù)值，計算得主橋橋面百年匯水流量為Q=0.2 m3/s，小于排水系統(tǒng)的通水流量，設計排水系統(tǒng)可滿足橋面排水要求。

3.3 橋面防拋落物設計

高速鐵路為封閉車廂，過往車輛乘客拋棄物的情況較為少見，為避免出現(xiàn)檢修過程中拋棄物對干渠造成的影響，在橋梁外側(cè)豎墻位置設置防拋網(wǎng)，高度不低于2 m。如圖7所示。

圖7 橋面防拋網(wǎng)設計(單位：cm)

3.4 吊桿錨固區(qū)密封防腐材料設計

索體與錨具結(jié)合部位是整個防腐體系的薄弱環(huán)節(jié)，目前索導管部位密封以防腐油脂、聚氨酯發(fā)泡塑料、油性蠟、聚硫防腐密封膠等耐蝕材料填充為主，其中防腐油脂高溫下易液化流出，油性蠟多為進口材料、價格貴，聚硫防腐密封膠構造稍復雜，本設計采用聚氨酯發(fā)泡塑料作為吊桿錨固區(qū)密封防腐材料，高溫下不液化，不影響南水北調(diào)干渠水質(zhì)。

學生已經(jīng)具備了整數(shù)的四則運算、小數(shù)的意義和性質(zhì)，乘法運算律的相關知識內(nèi)容與方法.在這種情況下，應注意調(diào)動學生頭腦中的已有認知經(jīng)驗，利用舊知識建構并重組新知識.如乘法運算律與小數(shù)乘法的意義及小數(shù)乘法計算法則之間的關系，通過已經(jīng)學過的知識習得對新知識的理解.

4 主橋綠色施工方案研究

4.1 基礎施工方案研究

承臺采用鋼板樁支護開挖現(xiàn)澆施工，承臺四周利用垂直鋼板樁圍護，施工鋼板樁和承臺時，應避免破壞南水北調(diào)干渠圍欄。此外，基礎施工時應采取以下水源保護措施。

(1)在樁基施工過程中，泥漿池按規(guī)范設置在南水北調(diào)總干渠紅線以外，并及時用泥漿泵將多余的泥漿泵送至集中地點，用水罐車封閉運輸至距離南水北調(diào)干渠200 m以外的指定位置。

(2)基坑開始開挖時，應在坑頂護坡道外設截水溝和排水溝，將施工廢水排至指定位置，截水溝應有防滲措施。

(3)基坑開挖完成后，在基坑底基礎0.5～1.0 m外應留有排水溝和集水井，采用水泵將滲水排出基坑，并最終排至指定位置。

4.2 主梁施工方案研究

主梁采用前支點全封閉掛籃懸澆施工[14]，先合龍邊跨后合龍主跨，為防止施工期間養(yǎng)生用水、墜物等落入南水北調(diào)干渠，采取以下防護措施。

(1)在箱梁兩側(cè)設攔水帶，防止橋面養(yǎng)護水下流。

(2)將箱梁上的預留孔洞暫時封閉。

(3)箱梁側(cè)面及內(nèi)壁養(yǎng)護采用養(yǎng)護劑或覆膜養(yǎng)生。

(4)掛籃采用全封閉掛籃[10](圖8)，杜絕從掛籃上掉落廢水、雜物等。

(5)在已完工橋面外側(cè)設置防拋落物網(wǎng)，避免施工期間橋面落物墜入渠道。

(6)每施工完一個節(jié)段，收集掛籃中的養(yǎng)護膜、防水布料、廢水、廢物等，統(tǒng)一集中處理。

圖8 全封閉掛籃

4.3 拱肋施工方案研究

為減少拱肋施工高空作業(yè)時間，拱肋采用以橋面為工作面，矮支架拼裝豎轉(zhuǎn)合龍的施工方案。拱肋施工時應采取如下措施降低對南水北調(diào)干渠的影響。

(1)拱肋除焊接處外均在工廠完成所有涂裝，盡量減少現(xiàn)場涂裝的工作量。

(2)拱肋施工時，在主梁外側(cè)設置橫向?qū)挒? m的防火板，遮擋焊接拱肋的火花，避免對南水北調(diào)造成影響。

(3)拱肋合龍后，在拱肋下方設置臨時封閉“錨道”，防止鋼管內(nèi)混凝土灌注養(yǎng)護期間，廢水、雜物等落入干渠。

4.4 施工監(jiān)控方案研究

主橋施工期間應由相應資質(zhì)和經(jīng)驗的單位承擔施工監(jiān)測與控制任務，確保結(jié)構和施工安全[15]；此外，主橋施工全過程中，還應對南水北調(diào)干渠襯砌、邊坡進行安全監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)分析，判斷南水北調(diào)干渠變形，對南水北調(diào)干渠運營安全進行預警。對觀測變形超標的節(jié)段，分析產(chǎn)生的原因，研究對策，提出整改措施，以保證南水北調(diào)干渠的安全。

5 主橋結(jié)構計算

在主橋設計方案可行的基礎上對主橋進行有限元計算，確保主橋施工和運營期間的安全。采用橋梁博士建立有限元模型，對結(jié)構進行計算分析，共劃分189個單元，根據(jù)擬定的施工步驟對全橋進行內(nèi)力計算。

5.1 主梁計算結(jié)果

運營狀態(tài)下，主梁應力計算結(jié)果如表2所示，強度及抗裂計算結(jié)果如表3所示。

表2 主梁應力計算結(jié)果

表3 主梁強度及抗裂計算結(jié)果

在ZK靜活載作用下，主跨最大豎向位移33.3 mm，撓跨比1/4 800，梁端轉(zhuǎn)角0.78‰，成橋后1 500 d，主梁邊跨徐變下?lián)?.5 mm，中跨徐變上拱18.9 mm。

5.2 拱肋計算結(jié)果

運營狀態(tài)下，拱肋應力主要計算結(jié)果如表4所示。拱肋最小強度安全系數(shù)2.2，拱肋縱向穩(wěn)定系數(shù)10.03，拱肋橫向穩(wěn)定系數(shù)5.17。

表4 拱肋主要計算結(jié)果

5.3 吊桿計算結(jié)果

主力作用下吊桿最大應力為253 MPa，最小安全系數(shù)6.6；主加附作用下吊桿最大應力284 MPa，最小安全系數(shù)5.9；吊桿最大疲勞應力幅128 MPa。

6 結(jié)語

從綠色橋梁設計的基本思想入手，通過對主橋橋梁方案、綠色設計方案、綠色施工方案和結(jié)構受力進行設計研究，得到如下結(jié)論。

(1)主橋采用160 m主跨，一跨跨越南水北調(diào)干渠，兩側(cè)主墩設置于南水北調(diào)干渠圍欄外側(cè)，對南水北調(diào)干渠主體結(jié)構沒有影響。

(2)主梁采用前支點全封閉掛籃懸澆施工，拱肋采用橋面矮支架拼裝豎轉(zhuǎn)合龍方案，可保證主橋施工期間對南水北調(diào)干渠水質(zhì)不產(chǎn)生影響。

(3)在主梁內(nèi)部設置縱向排水管收集橋面雨水，引至南水北調(diào)總干渠影響范圍以外，且在主橋范圍內(nèi)箱梁兩側(cè)設置防拋網(wǎng)，可保證運營期間對南水北調(diào)干渠水質(zhì)不產(chǎn)生影響。

(4)主橋采用連續(xù)梁拱橋，通過計算分析，采用梁上拱肋加勁，可有效降低主梁建筑高度，增大結(jié)構剛度，改善主橋受力性能。