大型输水钢管下穿兰新客运专线方案研究

张家瑞 王晓鹏

（兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000）

1 工程概况

兰州市水源地建设工程是以刘家峡水库为水源，取水口布置在刘家峡水库大坝上游约3.5 km处，引水线路采用有压隧洞输水至兰州市西固区，然后分别向西固芦家坪和七里河彭家坪2个新建水厂输水，经水厂处理后接入城市管网，向兰州市区供水。

彭家坪支线输水隧洞全长9.74 km，设计流量为15.5 m3/s，输水线路由分水井连接至彭家坪水厂，输水隧洞自分水井开始在兰新客运专线北侧并行，穿越兰新客运专线马耳山沟中桥后继续在兰新客运专线南侧并行，最后到达彭家坪水厂。彭家坪支线输水隧洞走向如图1所示。

图1 彭家坪支线输水隧洞走向

兰新客运专线既有马耳山沟中桥位于兰州市西固区马耳山沟，沟谷呈V形，河道弯曲，河槽内无常年流水，桥跨布置为双线2×24 m简支箱梁桥，桥长60.54 m，百年一遇设计流量Q1%=85.7 m3/s。输水线路在马耳山沟中桥第2孔穿越，如图2所示。

图2 输水线路穿越位置示意

穿越段位于R=45 m小半径反向曲线，纵坡2.3‰，采用桥上架设大型输水钢管连接输水隧洞。输水钢管直径为2 700 mm，全长232.8 m。马耳山沟中桥纵断面如图3所示。

图3 马耳山沟中桥纵断面（单位：cm）

2 主要技术标准

①铁路等级：客运专线。

②设计速度：250 km/h。

③设计活载：兰新客运专线采用ZK荷载；输水钢管为动水荷载。

④曲线半径：兰新客运专线为直线；输水管线曲线半径R=45 m。

3 下穿方案研究

3.1 下穿方案的控制因素分析

由于下穿兰新客运专线马耳山沟中桥桥下空间狭小，净空受限，同时新建管道桥位于R=45 m小半径反向曲线上。因此，桥型结构须满足既有桥下净空、行洪及保护管道的要求，同时桥式方案须符合线型及结构受力要求。这是下穿方案的关键控制因素。

3.2 控制因素的解决方案

3.2.1 桥型结构方案比选

1）空心板梁方案。空心板的优点是自重轻，制作工艺成熟，造价低，安装方便。其结构高度对铁路桥下净空的要求较小，对行洪影响较小［1-2］。缺点是曲线线型适用性差，支座出问题多，抗扭能力较差。此外，水管外露，不美观，安全防护性能差。

板梁结构主梁梁高0.95 m，边板梁宽1.57 m，中板梁宽1.14 m，梁顶宽4.5 m，梁底宽3.74 m，板厚0.12 m，腹板厚0.22 m，采用钢筋混凝土结构。空心板梁横断面布置见图4。

图4 空心板梁横断面布置（单位：cm）

2）箱梁方案。箱梁截面抗扭能力强，便于现浇施工，自重较轻，曲线线型适用性较好。但箱梁结构高度及断面尺寸大，对铁路桥下净空和行洪影响较大，制作工艺复杂，模板投入多。还存在水管外露，不美观，安全防护性能差的问题。箱梁结构顶宽5.5 m，底宽3.0 m，梁高1.6 m，顶板厚30 cm，底板厚25 cm，腹板厚40 cm，采用钢筋混凝土结构。箱梁横断面布置见图5。

3）槽形梁方案。槽形梁建筑结构低，空间利用率高，占用铁路桥下空间小［3-5］；钢管置于槽形梁内，梁体两侧腹板对钢管具有良好的保护作用；梁体的开口断面结构便于钢管的安装及运行后的养护维修。缺点是横向抗弯刚度和抗扭刚度小，结构受力复杂［6-8］。槽形梁结构主梁梁高3.4 m，截面上翼缘板宽0.8 m，梁顶宽5.6 m，梁底宽4.8 m；板顶面设2%的双面人字坡，板厚0.35～0.40 m；腹板厚度均为0.4 m，采用钢筋混凝土结构。槽形梁横断面布置见图6。

图5 箱梁横断面布置（单位：cm）

图6 槽形梁横断面布置（单位：cm）

从结构外形特点、结构受力及景观性进行方案比选（见表1），最终选择槽形梁方案作为推荐方案。

表1 桥型结构方案比较

3.2.2 桥式方案

结合本工程特点可知，曲线槽形梁兼具弯梁桥与槽形梁两者的特点，弯梁桥的空间受力比较复杂，不如直线型桥梁那样直观［9-10］。由于曲率的影响，曲线槽形梁在弯曲和扭转相互作用下除了发生一般的弯曲和自由扭转变形外，还会发生约束扭转和截面畸变、梁板结合部位应力复杂、腹板混凝土竖向受拉等一系列问题。

通过沿纵向每隔一段距离布置1道横向支撑梁，优化调整局部截面尺寸，减小了结构的弯扭耦合效应，使得槽形梁结构在弯扭耦合作用下的强度、刚度均满足规范要求。另外在槽形梁内设置钢管活动及固定支墩，有效地解决了大型输水钢管与槽形梁之间的接触及固定，同时不过度增大槽形梁截面自重，保证截面在外部动荷载及自重作用下的强度、刚度及稳定性。

从降低建筑高度、满足铁路桥下净空及行洪要求、对既有铁路影响小、经济美观等方面综合考虑，最终采用7×14.5 m槽型连续弯梁+1×32 m简支槽形梁+6×14.5 m槽型连续弯梁下穿兰新客运专线马耳山沟中桥。

4 结论

兰州市水源地建设工程彭家坪支线输水隧洞下穿既有铁路兰新客运专线马耳山沟中桥，由于受场地狭小、线路曲线半径小、既有客运专线运营影响，本工程下穿方案比选难度较大，通过对桥型结构和桥式方案的研究，解决了下穿既有铁路桥空间受限和曲线槽形梁受力复杂的难题。主要结论如下：

1）采用槽形梁方案，结构外形低，空间利用率高，占用铁路空间小，最大限度地满足了排洪以及兰新客运专线的安全要求。

2）槽形梁方案下穿既有马耳山沟中桥既能满足小半径反向曲线线型要求，又能解决桥下净空受限的问题。

3）下穿兰新客运专线马耳山沟中桥的顺利施工完成，证明了方案选择的安全性和科学合理性，可供类似工程设计施工参考。