大型輸水鋼管下穿蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)方案研究

張家瑞 王曉鵬

（蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000）

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程是以劉家峽水庫(kù)為水源，取水口布置在劉家峽水庫(kù)大壩上游約3.5 km處，引水線(xiàn)路采用有壓隧洞輸水至蘭州市西固區(qū)，然后分別向西固蘆家坪和七里河彭家坪2個(gè)新建水廠輸水，經(jīng)水廠處理后接入城市管網(wǎng)，向蘭州市區(qū)供水。

彭家坪支線(xiàn)輸水隧洞全長(zhǎng)9.74 km，設(shè)計(jì)流量為15.5 m3/s，輸水線(xiàn)路由分水井連接至彭家坪水廠，輸水隧洞自分水井開(kāi)始在蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)北側(cè)并行，穿越蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)馬耳山溝中橋后繼續(xù)在蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)南側(cè)并行，最后到達(dá)彭家坪水廠。彭家坪支線(xiàn)輸水隧洞走向如圖1所示。

圖1 彭家坪支線(xiàn)輸水隧洞走向

蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)既有馬耳山溝中橋位于蘭州市西固區(qū)馬耳山溝，溝谷呈V形，河道彎曲，河槽內(nèi)無(wú)常年流水，橋跨布置為雙線(xiàn)2×24 m簡(jiǎn)支箱梁橋，橋長(zhǎng)60.54 m，百年一遇設(shè)計(jì)流量Q1%=85.7 m3/s。輸水線(xiàn)路在馬耳山溝中橋第2孔穿越，如圖2所示。

圖2 輸水線(xiàn)路穿越位置示意

穿越段位于R=45 m小半徑反向曲線(xiàn)，縱坡2.3‰，采用橋上架設(shè)大型輸水鋼管連接輸水隧洞。輸水鋼管直徑為2 700 mm，全長(zhǎng)232.8 m。馬耳山溝中橋縱斷面如圖3所示。

圖3 馬耳山溝中橋縱斷面（單位：cm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①鐵路等級(jí)：客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)。

②設(shè)計(jì)速度：250 km/h。

③設(shè)計(jì)活載：蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)采用ZK荷載；輸水鋼管為動(dòng)水荷載。

④曲線(xiàn)半徑：蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)為直線(xiàn)；輸水管線(xiàn)曲線(xiàn)半徑R=45 m。

3 下穿方案研究

3.1 下穿方案的控制因素分析

由于下穿蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)馬耳山溝中橋橋下空間狹小，凈空受限，同時(shí)新建管道橋位于R=45 m小半徑反向曲線(xiàn)上。因此，橋型結(jié)構(gòu)須滿(mǎn)足既有橋下凈空、行洪及保護(hù)管道的要求，同時(shí)橋式方案須符合線(xiàn)型及結(jié)構(gòu)受力要求。這是下穿方案的關(guān)鍵控制因素。

3.2 控制因素的解決方案

3.2.1 橋型結(jié)構(gòu)方案比選

1）空心板梁方案?？招陌宓膬?yōu)點(diǎn)是自重輕，制作工藝成熟，造價(jià)低，安裝方便。其結(jié)構(gòu)高度對(duì)鐵路橋下凈空的要求較小，對(duì)行洪影響較小［1-2］。缺點(diǎn)是曲線(xiàn)線(xiàn)型適用性差，支座出問(wèn)題多，抗扭能力較差。此外，水管外露，不美觀，安全防護(hù)性能差。

板梁結(jié)構(gòu)主梁梁高0.95 m，邊板梁寬1.57 m，中板梁寬1.14 m，梁頂寬4.5 m，梁底寬3.74 m，板厚0.12 m，腹板厚0.22 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？招陌辶簷M斷面布置見(jiàn)圖4。

圖4 空心板梁橫斷面布置（單位：cm）

2）箱梁方案。箱梁截面抗扭能力強(qiáng)，便于現(xiàn)澆施工，自重較輕，曲線(xiàn)線(xiàn)型適用性較好。但箱梁結(jié)構(gòu)高度及斷面尺寸大，對(duì)鐵路橋下凈空和行洪影響較大，制作工藝復(fù)雜，模板投入多。還存在水管外露，不美觀，安全防護(hù)性能差的問(wèn)題。箱梁結(jié)構(gòu)頂寬5.5 m，底寬3.0 m，梁高1.6 m，頂板厚30 cm，底板厚25 cm，腹板厚40 cm，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。箱梁橫斷面布置見(jiàn)圖5。

3）槽形梁方案。槽形梁建筑結(jié)構(gòu)低，空間利用率高，占用鐵路橋下空間?。?-5］；鋼管置于槽形梁內(nèi)，梁體兩側(cè)腹板對(duì)鋼管具有良好的保護(hù)作用；梁體的開(kāi)口斷面結(jié)構(gòu)便于鋼管的安裝及運(yùn)行后的養(yǎng)護(hù)維修。缺點(diǎn)是橫向抗彎剛度和抗扭剛度小，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜［6-8］。槽形梁結(jié)構(gòu)主梁梁高3.4 m，截面上翼緣板寬0.8 m，梁頂寬5.6 m，梁底寬4.8 m；板頂面設(shè)2%的雙面人字坡，板厚0.35～0.40 m；腹板厚度均為0.4 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。槽形梁橫斷面布置見(jiàn)圖6。

圖5 箱梁橫斷面布置（單位：cm）

圖6 槽形梁橫斷面布置（單位：cm）

從結(jié)構(gòu)外形特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)受力及景觀性進(jìn)行方案比選（見(jiàn)表1），最終選擇槽形梁方案作為推薦方案。

表1 橋型結(jié)構(gòu)方案比較

3.2.2 橋式方案

結(jié)合本工程特點(diǎn)可知，曲線(xiàn)槽形梁兼具彎梁橋與槽形梁兩者的特點(diǎn)，彎梁橋的空間受力比較復(fù)雜，不如直線(xiàn)型橋梁那樣直觀［9-10］。由于曲率的影響，曲線(xiàn)槽形梁在彎曲和扭轉(zhuǎn)相互作用下除了發(fā)生一般的彎曲和自由扭轉(zhuǎn)變形外，還會(huì)發(fā)生約束扭轉(zhuǎn)和截面畸變、梁板結(jié)合部位應(yīng)力復(fù)雜、腹板混凝土豎向受拉等一系列問(wèn)題。

通過(guò)沿縱向每隔一段距離布置1道橫向支撐梁，優(yōu)化調(diào)整局部截面尺寸，減小了結(jié)構(gòu)的彎扭耦合效應(yīng)，使得槽形梁結(jié)構(gòu)在彎扭耦合作用下的強(qiáng)度、剛度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。另外在槽形梁內(nèi)設(shè)置鋼管活動(dòng)及固定支墩，有效地解決了大型輸水鋼管與槽形梁之間的接觸及固定，同時(shí)不過(guò)度增大槽形梁截面自重，保證截面在外部動(dòng)荷載及自重作用下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。

從降低建筑高度、滿(mǎn)足鐵路橋下凈空及行洪要求、對(duì)既有鐵路影響小、經(jīng)濟(jì)美觀等方面綜合考慮，最終采用7×14.5 m槽型連續(xù)彎梁+1×32 m簡(jiǎn)支槽形梁+6×14.5 m槽型連續(xù)彎梁下穿蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)馬耳山溝中橋。

4 結(jié)論

蘭州市水源地建設(shè)工程彭家坪支線(xiàn)輸水隧洞下穿既有鐵路蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)馬耳山溝中橋，由于受場(chǎng)地狹小、線(xiàn)路曲線(xiàn)半徑小、既有客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)影響，本工程下穿方案比選難度較大，通過(guò)對(duì)橋型結(jié)構(gòu)和橋式方案的研究，解決了下穿既有鐵路橋空間受限和曲線(xiàn)槽形梁受力復(fù)雜的難題。主要結(jié)論如下：

1）采用槽形梁方案，結(jié)構(gòu)外形低，空間利用率高，占用鐵路空間小，最大限度地滿(mǎn)足了排洪以及蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的安全要求。

2）槽形梁方案下穿既有馬耳山溝中橋既能滿(mǎn)足小半徑反向曲線(xiàn)線(xiàn)型要求，又能解決橋下凈空受限的問(wèn)題。

3）下穿蘭新客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)馬耳山溝中橋的順利施工完成，證明了方案選擇的安全性和科學(xué)合理性，可供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)施工參考。