大型輸水鋼管下穿蘭新客運專線方案研究

張家瑞 王曉鵬

（蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000）

1 工程概況

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

彭家坪支線輸水隧洞全長9.74 km，設計流量為15.5 m3/s，輸水線路由分水井連接至彭家坪水廠，輸水隧洞自分水井開始在蘭新客運專線北側并行，穿越蘭新客運專線馬耳山溝中橋后繼續在蘭新客運專線南側并行，最后到達彭家坪水廠。彭家坪支線輸水隧洞走向如圖1所示。

圖1 彭家坪支線輸水隧洞走向

蘭新客運專線既有馬耳山溝中橋位于蘭州市西固區馬耳山溝，溝谷呈V形，河道彎曲，河槽內無常年流水，橋跨布置為雙線2×24 m簡支箱梁橋，橋長60.54 m，百年一遇設計流量Q1%=85.7 m3/s。輸水線路在馬耳山溝中橋第2孔穿越，如圖2所示。

圖2 輸水線路穿越位置示意

穿越段位于R=45 m小半徑反向曲線，縱坡2.3‰，采用橋上架設大型輸水鋼管連接輸水隧洞。輸水鋼管直徑為2 700 mm，全長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 主要技術標準

①鐵路等級：客運專線。

②設計速度：250 km/h。

③設計活載：蘭新客運專線采用ZK荷載；輸水鋼管為動水荷載。

④曲線半徑：蘭新客運專線為直線；輸水管線曲線半徑R=45 m。

3 下穿方案研究

3.1 下穿方案的控制因素分析

由于下穿蘭新客運專線馬耳山溝中橋橋下空間狹小，凈空受限，同時新建管道橋位于R=45 m小半徑反向曲線上。因此，橋型結構須滿足既有橋下凈空、行洪及保護管道的要求，同時橋式方案須符合線型及結構受力要求。這是下穿方案的關鍵控制因素。

3.2 控制因素的解決方案

3.2.1 橋型結構方案比選

1）空心板梁方案。空心板的優點是自重輕，制作工藝成熟，造價低，安裝方便。其結構高度對鐵路橋下凈空的要求較小，對行洪影響較小［1-2］。缺點是曲線線型適用性差，支座出問題多，抗扭能力較差。此外，水管外露，不美觀，安全防護性能差。

板梁結構主梁梁高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，采用鋼筋混凝土結構。空心板梁橫斷面布置見圖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，便于現澆施工，自重較輕，曲線線型適用性較好。但箱梁結構高度及斷面尺寸大，對鐵路橋下凈空和行洪影響較大，制作工藝復雜，模板投入多。還存在水管外露，不美觀，安全防護性能差的問題。箱梁結構頂寬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，采用鋼筋混凝土結構。箱梁橫斷面布置見圖5。

3）槽形梁方案。槽形梁建筑結構低，空間利用率高，占用鐵路橋下空間小［3-5］；鋼管置于槽形梁內，梁體兩側腹板對鋼管具有良好的保護作用；梁體的開口斷面結構便于鋼管的安裝及運行后的養護維修。缺點是橫向抗彎剛度和抗扭剛度小，結構受力復雜［6-8］。槽形梁結構主梁梁高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，采用鋼筋混凝土結構。槽形梁橫斷面布置見圖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）

從結構外形特點、結構受力及景觀性進行方案比選（見表1），最終選擇槽形梁方案作為推薦方案。

表1 橋型結構方案比較

3.2.2 橋式方案

結合本工程特點可知，曲線槽形梁兼具彎梁橋與槽形梁兩者的特點，彎梁橋的空間受力比較復雜，不如直線型橋梁那樣直觀［9-10］。由于曲率的影響，曲線槽形梁在彎曲和扭轉相互作用下除了發生一般的彎曲和自由扭轉變形外，還會發生約束扭轉和截面畸變、梁板結合部位應力復雜、腹板混凝土豎向受拉等一系列問題。

通過沿縱向每隔一段距離布置1道橫向支撐梁，優化調整局部截面尺寸，減小了結構的彎扭耦合效應，使得槽形梁結構在彎扭耦合作用下的強度、剛度均滿足規范要求。另外在槽形梁內設置鋼管活動及固定支墩，有效地解決了大型輸水鋼管與槽形梁之間的接觸及固定，同時不過度增大槽形梁截面自重，保證截面在外部動荷載及自重作用下的強度、剛度及穩定性。

從降低建筑高度、滿足鐵路橋下凈空及行洪要求、對既有鐵路影響小、經濟美觀等方面綜合考慮，最終采用7×14.5 m槽型連續彎梁+1×32 m簡支槽形梁+6×14.5 m槽型連續彎梁下穿蘭新客運專線馬耳山溝中橋。

4 結論

蘭州市水源地建設工程彭家坪支線輸水隧洞下穿既有鐵路蘭新客運專線馬耳山溝中橋，由于受場地狹小、線路曲線半徑小、既有客運專線運營影響，本工程下穿方案比選難度較大，通過對橋型結構和橋式方案的研究，解決了下穿既有鐵路橋空間受限和曲線槽形梁受力復雜的難題。主要結論如下：

1）采用槽形梁方案，結構外形低，空間利用率高，占用鐵路空間小，最大限度地滿足了排洪以及蘭新客運專線的安全要求。

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

3）下穿蘭新客運專線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合理性，可供類似工程設計施工參考。