一种特殊结构桥梁排水的创新设计

杨 刚，林钦国

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；2.中交第四航条工程局有限公司，广东 广州 510290)

0 引 言

截至到2019年底，中国高速铁路里程已近3.5万km，成为当代中国重要的交通基础设施之一。在设计高速公路或市政公路时，不可避免地与高速铁路产生立体交叉[1-3]。为保证高速铁路运营的安全，对于上跨高速铁路，多采用转体施工技术，但仍然可能对高速铁路产生重大的运营安全隐患；因此铁路设计规范已基本上严禁高速公路上跨高速铁路的设计方案。对于下穿高速铁路和河流时，高速公路的设计标高又受到设计规范的制约，本文结合沉管隧道的防排水技术，创新提出一种桥梁结构和排水系统设计，以跨越高速铁路[4-7]；并以重庆铜合高速公路金九大桥为例，讨论在这种特殊环境下桥梁设计的新技术。

1 工程概况

1.1 项目简介

重庆金九大桥位于三环高速公路铜梁至合川段与遂渝铁路(既有线)、遂渝铁路复线(200 km·h-1)、兰渝铁路(250 km·h-1)等3座高速铁路桥梁交叉处，距离嘉陵江汇合口2.3 km，距离合川草街电站9 km左右。

金九大桥在方案设计阶段考虑了上跨和下穿铁路桥2种设计方案：上跨方案施工和运营风险大，协调难度大；下穿方案为高架桥梁，但在100年洪水时，主梁顶标高最低处低于洪水位4 m，设计难度大，洪水期存在一定结构与运营风险，经各方综合论证、研究，决定采用下穿设计方案。项目地理位置如图1所示。

图1 项目地理位置

1.2 气象水文

1.2.1 气象

线路区属丘陵河谷气候区，气候温和，雨量充沛，四季分明，具有冬暖、春早、秋雨、湿度大、云雾多等特点，年均气温为17.9 ℃，最高年平均温度为29.9 ℃，最低年平均温度为18.7 ℃，历年极端气温最高为41.7 ℃，最低为-4.0 ℃，无霜期超过300 d，多年平均降雨量为1 074.7 mm，最多年降雨量为1 614.8 mm，最少年降雨量为941.4 mm。项目位置的气温、降雨量见表1。

表1 项目区气温、降雨量

1.2.2 水文

线路走廊区内水系受地形地貌及地层岩性控制，发育的溪沟大多由西北向东南方向发育，多垂直于山体走向发育，呈梳状水系，局部也形成树枝状水系。桥位区内的地表水系主要为1条由西南向东北流经拟建桥近合川岸的溪沟，勘察时该冲沟水位约192.50 m，水深0.5～2.5 m，水面宽3～7 m。据调查访问可知，100年1遇洪水位为218.633 m，50年1遇洪水水位为216.25 m，常年洪水水位约205.04 m，常年水位为195.3 m。洪水具有陡涨陡落、洪峰高、变幅大的特点。线路走廊区内大部分地段地形较平缓，走廊区内发育的大部分溪沟河床一般为浅“U”型，沟底坡降相对较小，两侧岸坡地形坡度一般为15° ～35° ，水流对河床的冲刷作用相对较小。

1.3 地形地貌

桥位区属剥蚀浅丘斜坡地貌。沿线路走向地形呈波状起伏，总体为两岸桥台较高，中间桥墩区地形较低，最低点为桥位区近合川岸冲沟部位。桥位区地面高程约为194.5～222.2 m，相对高差为26.7 m，地势起伏较大，铜梁岸地形坡度角为5° ～28° ；合川岸地形较陡，地形坡度一般为18° ～30° ，局部形成陡坎，线路横向地形坡角为5° ～25° 。

2 总体设计

本设计为金九大桥下穿铁路部分，含金九大桥及桥梁两头处于100年1遇洪水水位下的浸水路基段，左线起讫点桩号为FZK25+997～FZK26+680，长683 m，右线起讫点桩号为FYK26+000～FYK26+680，长680 m。

该段路线平、纵设计符合总体设计要求，采取分离式路基，路线左线平面位于R=800 m圆曲线、缓和曲线以及R=2 000 m圆曲线上，纵面位于i1=-2.293%的下坡段、R=8 000 m的凹型竖曲线、i2=4%的上坡段；右线平面位于位于R=800 m圆曲线、缓和曲线以及R=2 000 m圆曲线上，纵面位于i1=-2.186%的下坡段、R=8 000 m的凹型竖曲线、i2=4%的上坡段。

桥梁左线起讫点桩号为FZK26+269.96～FZK26+560.04，桥长290.08 m，上部构造采用3×20 m+3×20 m+4×21 m+4×21 m预应力混凝土现浇箱梁；右线起讫点桩号为FYK26+277.96～FYK26+572.04，桥长294.08 m, 上部构造采用3×20.4 m+3×20.4 m+4×21.2 m+4×21.2m预应力混凝土现浇箱梁。下部构造采用桩柱式桥台，桥墩为薄壁墩，桩基采用挖孔桩基础。总体立面见图2。

图2 总体立面

3 上部构造及下部构造

上部结构采用3孔和4孔20～21.2 m跨径一联的预应力混凝土现浇箱梁，主梁高2.0 m，采用单箱三室鱼腹式截面，横梁内设置预应力。顶板厚0.25 m、底板厚0.28 m，腹板厚0.5 m，端横隔板厚1.2 m，中横隔板厚1.6 m。

下部构造桥墩采用实体墩配桩基础，壁厚130 cm，宽650 cm，为了减少对水流的阻力，横向端部设锥形体，中墩与主梁固结，取消支座的设置，降低造价及后期养护工作。桥台桩柱式台配桩基础设计为嵌岩桩。桥梁结构断面如图3所示。

4 排水系统设计

4.1 最大降雨量计算

根据桥梁设计，桥面面积为7 513 m2，汇水路基下面积为23 310 m2，地表径流系数选用1。路基边沟以外的降雨由边沟排出，不排进路基汇水。

桥面的最大降雨量Q1=ψqF1=916.6 m3·d-1。其中：ψ为径流系数；q为设计暴雨强度；F1为汇水面积。

路基汇水最大降雨量为Q2=ψqF2=2 843.8 m3·d-1

4.2 排水系统设计思路

由于桥面低于100年1遇洪水水位，路基段的排水采用由路基两侧排水沟及路基中央分隔带中的排水沟排水，路基段的排水沟处设置止回阀，使其在非洪水期可自行排水。桥面排水采用封闭集中排水系统。在桥面横坡低侧，防水墙和防撞墙间设凹形纵向排水明槽(60 cm×40 cm)，雨水通过纵向排水明槽汇集到集水池。当洪水水位低于凹形纵向排水明槽最低高程时，集水池排水口活动闸门打开，雨水自然流出，否则封闭活动闸门，采取设置在集水池的抽水系统抽出集水，确保本工程在100年1遇洪水位以下，洪水期间能满足正常使用要求。

4.3 抽水水泵布设

根据降水量，采用2台大流量、大扬程的单级单吸离心泵，配套电机，其中1台安装在集水池日常使用，1台作为备用。另配备车载大流量移动式水泵站(1 800 m3·h-1)辅助应急处理。水泵配备见表2。

表2 水泵配备

5 排水结构设计

根据金九大桥的纵坡(图4)纵面图，集水池设置在路线凹竖曲线最低点附近、左右幅5号墩间，为圆形结构，见图5。

桥面面积为7 513 m2，桥面最大降雨量为916.6 m3·h-1，根据排水沟的流量，将其设计成内径为8 m，壁厚0.35 m，底板厚0.5 m，高13.2 m。根据地质，集水池基础采用C20片石混凝土。集水池底面高程为206.0，顶面高程为218.9 m，高于100年1遇最高洪水位。为了满足非洪水期使用，进水口为DN600 mm，对应左、右线，进水口底标高分别为211.922 m 、214.070 m，在池壁标高207.0 m和212.0 m处各设置1个DN900 mm的出水口活动闸。为了水位到达100年1遇洪水位时抽水系统的可操作性，在挡水墙与集水池之间设置连接通道、集水池阀门开关等操作平台。

图4 纵面

图5 集水池平面

6 超100年1遇以上洪水位情况

对于超过100年1遇以上的洪水水位 ，将封闭交通，做好交通疏散、引导提示。在桥头路基处断开封闭排水系统，开口让洪水自然流入、流出桥面 ，待洪水过后再封闭排水系统，确保结构安全。

7 排水系统养护

排水系统养护包括日常及洪水前后养护，应制定独立养护方案及应急预案。

(1)经常和定期检查桥面排水是否顺畅、泄水管是否完好，如有堵塞，应及时疏通；纵向排水管柔性接头如果不漏水应及时修复或更换。

(2)定期检查集水池机械排水泵站是否完好，排水系统是否畅通，若有堵塞应及时疏通，若有损坏则及时更换。

(3)在金九大桥桥墩中设置洪水位报警装置，其报警信号上传至监控中心，若遇特大洪水可提前报警，高速公路管理人员以便迅速采取相应的交通组织及诱导等措施。

(4)洪水期间应派专人驻防，对结构渗水、漏水、排水、抽水系统定时检查；对结构竖向振动、横向摆动、异常变形进行观察；对洪水水位、漂流物等进行监控，如有异常，应及时报相关部门处理，并提前与相关部门(如防汛、航道)做好联系。

(5)按照制定的预案，每年洪水期前需开展洪水演练，对整个排水系统进行全面检查，确保排水系统正常运作。

(6)做好超过100年1遇以上的洪水水位时桥头路基处断开封闭排水系统的方案。

8 结 语

为了保证高速铁路的运营安全，在高速公路和高速铁路交叉时宜采用下穿高速铁路的设计方案，然而在部分特殊的地形地貌下，高速公路的设计标高不能满足百年一遇洪水位的要求。因此，通过对桥梁进行特殊结构的设计，并采用桥面封闭集中排水系统，有效地保证了洪水期间桥面的排水，解决了工程在100年1遇洪水水位以下结构安全和车辆正常通行问题，有利于抗洪抢险；同时，避免了采用上跨铁路设计方案所带来的施工和运营风险，减小了项目协调管理难度，保证项目正常开展。