郑万铁路跨南水北调干渠特大桥主桥绿色设计研究

崔苗苗,严定国

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 工程概况

郑万铁路位于豫、鄂、渝三省市境内，线路自郑州东站引出，经许昌、平顶山后至南阳，过邓州后进入湖北省境内，经襄阳、保康、兴山、巴东后进入重庆市境内，经巫山、奉节、云阳至万州接上在建的渝万客运专线[1]。

本项目在南阳市方城县赵河镇与南水北调总干渠发生交叉，跨越处渠道为半挖半填方渠道，过水断面两侧边坡系数为1∶2，底宽21.0 m，渠底高程131.463 m，桥址位置南水北调干渠概况如图1所示。南水北调中线工程，从丹江口水库引水，全线总长1 267 km，工程重点解决河南、河北、天津、北京4个省市，沿线20多座大中城市提供生活和生产用水，其重要性不言而喻。因此，桥梁设计及施工应从绿色桥梁建设的基本思想入手，避免主桥施工和运营期间产生的废水、废料、废弃物落入桥下干渠，总之就是要确保主桥施工及运营过程中的“零”污染，以保证桥下一渠河水可以安全送达京津冀地区。

图1 桥址位置南水北调干渠

1.1 基本资料

(1)线路情况：平面位于直线上，立面位于平坡上；

(2)水文资料：赵河镇南水北调干渠设计流量Q1%=2 870 m3/s，设计水位H1%=134.54 m，设计流速V1%=2.3 m/s；

(3)气象资料：年平均气温在14.7 ℃，年最热月平均气温为26.6 ℃，年最冷月平均气温为6.4 ℃，极端最高气温41.4 ℃，极端最低气温-21.2 ℃；全年平均风速1.8 m/s，最大风速27 m/s；

(4)地震资料：主桥位于地震设防等级7度地区，地震动峰值加速度0.1g。

1.2 技术标准

铁路等级为高速铁路、双线无砟轨道；设计时速350 km；设计荷载为ZK活载；线间距为5.0 m。

1.3 设计原则

根据南水北调中线干线工程专用技术标准《其他工程穿越或跨越南水北调中线干线工程设计技术要求》(NSBD-ZXJ-1-02)，跨越南水北调干渠工程需满足以下要求。

(1)桥梁应采用一跨跨越挖方渠道两侧的一级马道或填方渠道外坡脚，其下部结构不应对渠道边坡和衬砌结构等造成不利影响。

(2)桥梁布置不应影响中线干线工程的管理维护交通车辆通行，运行维护道路以上净空尺寸不应小于4.5 m。

(3)跨渠建筑物不应影响渠道两侧的排水沟、截流沟等排导水设施功能，不应堵塞地面行洪通道。

(4)跨渠建筑物的排水系统在施工、运行、维护检修期间所有污水不应排入中线干线工程一级水源保护区内。

2 主桥桥梁方案设计

2.1 孔跨布置研究

桥梁主跨设置应满足南水北调中线管理局相关要求(一跨跨越总干渠两侧防护堤，并满足两侧马道4.5 m净空)。郑万铁路与南水北调交叉地段总干渠与线路夹角为60°，总干渠两侧截水沟外侧围栏间距离约为112.04 m，为满足一跨跨越南水北调干渠，且桥墩施工不侵入截水沟的原则[2]，综合考虑基础尺寸、施工安全距离及工程投资等因素，推荐采用160 m主跨，桥梁孔跨平面布置如图2所示。

2.2 桥式方案比选

桥梁形式选择应在满足使用功能的前提下，力求适用、安全、经济、美观、新颖[3-4]，富有时代风貌，要充分体现当今世界现代化桥梁建设的新技术、新水平、新理念；同时要立足国内，选用技术先进可靠、经济合理适度、施工方便可行、结构安全耐久的桥型方案，高速铁路桥梁与一般桥梁设计相比，最为关键的是对结构刚度、运营阶段结构后期变形等控制要求高[5]。主跨160 m可采用的桥式方案有：连续梁拱桥、部分斜拉桥及连续钢桁梁桥等，3种桥式方案比较如表1所示。

本桥位推荐采用连续梁拱方案，该体系具有梁体内力峰值减小，内力分布趋于平缓、结构竖向刚度更大、结构后期变形更易于控制等优点[8-10]，已成功应用于京沪高铁、广深港客运专线、合福铁路、武九客专等，工程造价经济、设计施工技术成熟，而且可采用先梁后拱的施工方案，对南水北调干渠造成干扰小。

2.3 桥梁方案设计2.3.1 桥式方案

按照技术先进、安全可靠、适用耐久、经济美观的设计原则以及南水北调方要求，赵河镇上跨跨南水北调干渠特大桥主桥采用(74+160+74) m连续梁拱，主跨160 m跨越南水北调总干渠两侧防护堤，桥墩设置在防护堤坡脚外侧，桥梁总长309.6 m，桥面宽14.2 m。主桥立面如图3所示。

图2 桥梁孔跨平面布置(单位：m)

表1 桥式方案比选

图3 主桥立面布置(单位：m)

2.3.2 主梁

主梁采用单箱双室变高度箱形截面，腹板为直腹板，中支点处梁高8.5 m，边支点及跨中处梁高4 m，变高段主梁梁底按曲线半径为501.02 m的圆曲线变化。

拱脚位置主梁顶板宽度为16.3 m，顶板厚度为0.52 m，其余位置顶板宽度为14.2 m，顶板板厚为0.42 m；中支点位置主梁底板宽13.6 m，其余位置底板宽10.8 m，底板厚度0.35～0.975 m；边支点处局部底板厚0.8 m，边支点和中支点附近底板设直径0.8 m检查孔，底板上设置有截水槽和泄水孔。

腹板板厚0.4～0.55～0.7 m，中支点处局部腹板厚1.3 m，边支点处局部腹板厚0.85 m。主梁采用C55混凝土，主梁断面如图4所示。

图4 主梁横截面(单位：cm)

2.3.3 拱肋

拱肋采用钢管混凝土结构，拱肋截面采用哑铃形截面[11]，高3.0 m，拱肋弦管直径为1.0 m，板厚16 mm；两弦管之间采用板厚为16 mm的缀板连接，拱肋弦管及腹腔内采用C50自密实补偿收缩混凝土填充。两榀拱肋间横向中心距11.8 m，拱肋间设置9道空间钢管桁架撑，横撑钢管内不填充混凝土。

拱肋计算跨度160 m，矢高32 m，矢跨比为0.2，设计拱轴线为二次抛物线，设计拱轴线方程为：y=-1/200x2+0.8x。

2.3.4 吊杆

为保证施工和运营状态对吊杆索力的长期监测，在每根吊杆内设置有磁通量传感器，通过数据采集箱集中收集吊杆的索力状态。

3 主桥绿色设计研究

南水北调干渠属于城市供水工程，水质采用饮用水标准，主桥设计时从绿色桥梁设计的基本思想入手[12-13]，采取合理的构造措施，避免主桥运营过程中对南水北调干渠造成影响。

3.1 下部结构设计

主桥基础采用15根φ2.2 m钻孔桩基础，承台顺桥向×横桥向×厚度为14.9 m×26.2 m×7 m，小里程侧主墩承台距离外侧围栏最近距离5.3 m，距离坡脚最近距离为21.3 m；大里程侧承台主墩承台距离外侧围栏最近距离为5.1 m，距离坡脚最近距离为17.9 m，主桥下部结构不会对总干渠坡脚、截水沟和围栏造成影响。主墩基础平面布置如图5所示。

图5 主墩基础布置平面(单位：m)

3.2 桥面排水设计

本桥采用箱内集中排水，通过设置外径为10 cm的排水管，将桥面积水汇入设置在主梁腹板内侧的纵向排水管，纵向排水管从主桥跨中分别向两侧延伸，穿过中支点横隔板至两侧简支梁桥墩，排入桥墩附近集水槽，汇入相应水渠，排出南水北调总干渠和一级水源自然保护区影响范围。桥面排水横向布置见图6。

图6 桥面排水横向布置

排水管过水面积A=0.1 m2，纵向坡度i=1%，采用桥梁勘察水文计算模块计算，排水管可通过水流量为Q=0.3 m3/s；桥面汇水面积F=0.005 km2，根据桥址处的暴雨参数值，计算得主桥桥面百年汇水流量为Q=0.2 m3/s，小于排水系统的通水流量，设计排水系统可满足桥面排水要求。

3.3 桥面防抛落物设计

高速铁路为封闭车厢，过往车辆乘客抛弃物的情况较为少见，为避免出现检修过程中抛弃物对干渠造成的影响，在桥梁外侧竖墙位置设置防抛网，高度不低于2 m。如图7所示。

图7 桥面防抛网设计(单位：cm)

3.4 吊杆锚固区密封防腐材料设计

索体与锚具结合部位是整个防腐体系的薄弱环节，目前索导管部位密封以防腐油脂、聚氨酯发泡塑料、油性蜡、聚硫防腐密封胶等耐蚀材料填充为主，其中防腐油脂高温下易液化流出，油性蜡多为进口材料、价格贵，聚硫防腐密封胶构造稍复杂，本设计采用聚氨酯发泡塑料作为吊杆锚固区密封防腐材料，高温下不液化，不影响南水北调干渠水质。

学生已经具备了整数的四则运算、小数的意义和性质，乘法运算律的相关知识内容与方法.在这种情况下，应注意调动学生头脑中的已有认知经验，利用旧知识建构并重组新知识.如乘法运算律与小数乘法的意义及小数乘法计算法则之间的关系，通过已经学过的知识习得对新知识的理解.

4 主桥绿色施工方案研究

4.1 基础施工方案研究

承台采用钢板桩支护开挖现浇施工，承台四周利用垂直钢板桩围护，施工钢板桩和承台时，应避免破坏南水北调干渠围栏。此外，基础施工时应采取以下水源保护措施。

(1)在桩基施工过程中，泥浆池按规范设置在南水北调总干渠红线以外，并及时用泥浆泵将多余的泥浆泵送至集中地点，用水罐车封闭运输至距离南水北调干渠200 m以外的指定位置。

(2)基坑开始开挖时，应在坑顶护坡道外设截水沟和排水沟，将施工废水排至指定位置，截水沟应有防渗措施。

(3)基坑开挖完成后，在基坑底基础0.5～1.0 m外应留有排水沟和集水井，采用水泵将渗水排出基坑，并最终排至指定位置。

4.2 主梁施工方案研究

主梁采用前支点全封闭挂篮悬浇施工[14]，先合龙边跨后合龙主跨，为防止施工期间养生用水、坠物等落入南水北调干渠，采取以下防护措施。

(1)在箱梁两侧设拦水带，防止桥面养护水下流。

(2)将箱梁上的预留孔洞暂时封闭。

(3)箱梁侧面及内壁养护采用养护剂或覆膜养生。

(4)挂篮采用全封闭挂篮[10](图8)，杜绝从挂篮上掉落废水、杂物等。

(5)在已完工桥面外侧设置防抛落物网，避免施工期间桥面落物坠入渠道。

(6)每施工完一个节段，收集挂篮中的养护膜、防水布料、废水、废物等，统一集中处理。

图8 全封闭挂篮

4.3 拱肋施工方案研究

为减少拱肋施工高空作业时间，拱肋采用以桥面为工作面，矮支架拼装竖转合龙的施工方案。拱肋施工时应采取如下措施降低对南水北调干渠的影响。

(1)拱肋除焊接处外均在工厂完成所有涂装，尽量减少现场涂装的工作量。

(2)拱肋施工时，在主梁外侧设置横向宽为2 m的防火板，遮挡焊接拱肋的火花，避免对南水北调造成影响。

(3)拱肋合龙后，在拱肋下方设置临时封闭“锚道”，防止钢管内混凝土灌注养护期间，废水、杂物等落入干渠。

4.4 施工监控方案研究

主桥施工期间应由相应资质和经验的单位承担施工监测与控制任务，确保结构和施工安全[15]；此外，主桥施工全过程中，还应对南水北调干渠衬砌、边坡进行安全监测，根据监控数据分析，判断南水北调干渠变形，对南水北调干渠运营安全进行预警。对观测变形超标的节段，分析产生的原因，研究对策，提出整改措施，以保证南水北调干渠的安全。

5 主桥结构计算

在主桥设计方案可行的基础上对主桥进行有限元计算，确保主桥施工和运营期间的安全。采用桥梁博士建立有限元模型，对结构进行计算分析，共划分189个单元，根据拟定的施工步骤对全桥进行内力计算。

5.1 主梁计算结果

运营状态下，主梁应力计算结果如表2所示，强度及抗裂计算结果如表3所示。

表2 主梁应力计算结果

表3 主梁强度及抗裂计算结果

在ZK静活载作用下，主跨最大竖向位移33.3 mm，挠跨比1/4 800，梁端转角0.78‰，成桥后1 500 d，主梁边跨徐变下挠8.5 mm，中跨徐变上拱18.9 mm。

5.2 拱肋计算结果

运营状态下，拱肋应力主要计算结果如表4所示。拱肋最小强度安全系数2.2，拱肋纵向稳定系数10.03，拱肋横向稳定系数5.17。

表4 拱肋主要计算结果

5.3 吊杆计算结果

主力作用下吊杆最大应力为253 MPa，最小安全系数6.6；主加附作用下吊杆最大应力284 MPa，最小安全系数5.9；吊杆最大疲劳应力幅128 MPa。

6 结语

从绿色桥梁设计的基本思想入手，通过对主桥桥梁方案、绿色设计方案、绿色施工方案和结构受力进行设计研究，得到如下结论。

(1)主桥采用160 m主跨，一跨跨越南水北调干渠，两侧主墩设置于南水北调干渠围栏外侧，对南水北调干渠主体结构没有影响。

(2)主梁采用前支点全封闭挂篮悬浇施工，拱肋采用桥面矮支架拼装竖转合龙方案，可保证主桥施工期间对南水北调干渠水质不产生影响。

(3)在主梁内部设置纵向排水管收集桥面雨水，引至南水北调总干渠影响范围以外，且在主桥范围内箱梁两侧设置防抛网，可保证运营期间对南水北调干渠水质不产生影响。

(4)主桥采用连续梁拱桥，通过计算分析，采用梁上拱肋加劲，可有效降低主梁建筑高度，增大结构刚度，改善主桥受力性能。