兰合铁路与兰州至中川机场铁路联络线方案研究

解新福

(中铁第一勘察设计院集团有限公司兰州院,甘肃 兰州 730000)

2008年国家发改委发布的《中长期铁路网规划(2008年调整)》中,兰州至合作铁路作为成兰铁路的组成部分,是兰州至成都间的客货通道[1]。当时对本线的功能定位是以服务国土资源开发为目的,以货为主、兼顾沿线少量客运的区域性单线铁路。

随着国家经济形势和产业政策、铁路运量发展态势的变化,2016年新的《中长期铁路网规划》中对国家铁路网格局进行了重大调整。根据规划,西北至西南区域间客运通道以兰州(西宁)经合作至成都为主,货运通道以兰渝铁路为主,原成兰线川主寺至哈达铺段的客流转由本线承担,通过货流转由兰渝线承担。据此,本线的功能分工也发生了巨大变化,其与西宁至成都铁路共同构成西北与西南地区的客运主通道,是国家高速铁路网中兰(西)广通道的重要组成部分[2]，其中本线主要承担甘肃省中西部金昌、武威、张掖及宁夏北部、蒙西地区与四川省中西部地区及以云南为主的西南地区间的旅客交流,兼顾兰州与临夏、甘南等少数民族地区的城际客流和沿线旅游客流,是一条以客运为主并兼顾沿线轻快货物运输的双线国铁干线[3]。

1 联络线方案简述

区域路网示意图如图1所示。由于功能定位的调整,故对本线运量构成重新进行了分析和预测,并对线路方案进行了调整。调整后,研究年度客车对数由3对/日、6对/日、10对/日增加至32对/日、43对/日、53对/日,货运量由325万吨、750万吨、1 210万吨缩减至63万吨、91万吨、104万吨,接轨点由兰青铁路八盘峡站调整至兰新铁路西固城站。根据重新预测的客运量,研究年度银川、嘉峪关两方向客车对数合计分别为12对/日、15对/日、16对/日,约占全线客运量的1/3。为直接将本线与银川、河西走廊方向连通,减少兰州枢纽内折角车流,提高运输质量,应同步建设本线与兰州至中川机场铁路的联络线。基于此背景,经多方案技术经济比选,最终确定采用于兰州至中川机场铁路西固黄河特大桥区间设线路所的接轨方案[4]。

图1 区域路网示意图Fig.1 Schematic diagram of the regional railway network

根据运量预测,并结合兰州枢纽内各车站分工,联络线采用客车直通兰州西站、货车直通兰州北的方案。联络线方案示意如图2所示。联络线上、下行线分别自兰州至中川机场铁路西固黄河特大桥区间以18号道岔引出,接轨点处采用(16.2+4×32.7+16.2) m连续钢箱梁替换既有5～32 m简支T梁,上行联络线长4.12 km,下行联络线长3.94 km。上行联络线沿既有兰州至中川机场铁路西侧并占用南滨河西路东侧辅道高架前行;下行联络线沿既有兰州至中川机场铁路东侧、兰新铁路石岗站西侧间的通道高架前行,为争取高程采用30‰坡度以(3×30+2×35) m钢箱梁上跨既有兰州至中川机场铁路,后与上行联络线并线;并线后以(72+120+72) m连续梁上跨西柳沟互通立交和既有兰新铁路,采用30‰坡度迅速降低高程并在柳泉隧道内逐步分线;下行联络线于西固隧道进口前路基段接入兰合铁路下行线,上行联络线采用2～50 m连续钢箱梁配门式墩结构相继跨越兰合铁路下行线、改建兰新铁路下行线后于西固隧道外路基段接入兰合铁路上行线。

2 影响方案的主要控制因素

联络线接轨端场地局促,线路左侧为兰新铁路北环线石岗站,兰州至中川机场铁路西固黄河特大桥紧邻石岗站布设,桥下为石岗站信号楼、货运办公楼及工务工区;线路右侧为兰州市供水集团第一水厂(也是兰州市岸门桥水源地二级保护区陆域范围),西柳沟立交右转匝道及南滨河西路位于既有铁路与水厂之间;线路南侧为西柳沟立交桥(三层互通立交)、兰新铁路西固城牵引变电所。受上述因素限制,加之接轨点位于既有桥上,为尽量减少对既有铁路和地面、地下构筑物的影响,可供线路选择的余地非常小,线路选线须克服各种不利条件,采用合理的工程设置方案予以解决。联络线周边控制因素如图3所示。

图3 联络线周边控制因素示意图Fig.3 Schematic diagram of controlling factors in the vicinity of the connection line

3 技术难点及解决方案

3.1 接轨点连续钢箱梁换梁方案

技术难点:西固黄河特大桥为双线高架桥,联络线于该桥第141号墩与第142号墩之间采用18号道岔接轨,该段位于直线上,上部结构为32 m简支T梁。由于道岔区由双线变为四线且不能设置梁缝,故需将道岔区影响范围内5孔简支T梁更换为(16.2+4×32.7+16.2) m等高变宽连续钢箱梁。连续钢箱梁采用整体横移顶推方案,为尽量减小对既有铁路运营的影响,避免与既有桥墩基础产生干扰,新梁桥墩布置于既有桥跨中。由于该段桥址处场地局促,多条铁路和公路交错布置,涉及征拆的范围广、数量多、周期长,且多线、多跨桥梁一次顶推换梁的施工风险高、难度大,对施工单位的施工组织能力和邻近营业线施工经验的要求极高。故结合目前国内桥梁施工实际,综合考虑旧梁拆除、新梁项推、轨道铺设、接触网施工、四电过渡及调试等因素,对施工组织设计进行了细化,尽可能为后续施工创造有利条件。

换梁施工方案:采用横向水平顶推施工。换梁方案如图4、图5所示。先在既有桥梁跨中搭建新梁基础及墩台;后在既有桥梁外侧搭设制梁平台焊接拼装钢箱梁,安装轨道;待新梁基础和墩台施工完成后,搭设贝雷梁支架,安装导向和滑移系统;再通过液压顶推横移换梁,移出后的旧梁拖至既有铁路外分段凿除;最后调整新梁支座,接触网挂网后恢复既有线路。

图4 接轨点新梁顶推方案示意图(单位:cm)Fig.4 Schematic diagram of the new beam jacking scheme at the junction site (unit:cm)

图5 接轨点旧梁移出方案示意图(单位:cm)Fig.5 Schematic diagram of the scheme for removing the old beam at the junction site (unit:cm)

换梁施工周期180 d，其中新梁桥墩及基础施工90 d,搭设换梁贝雷梁支架及工作平台20 d,焊接拼装钢箱梁及铺设桥面混凝土板、防水层30 d,吊装并铺设钢轨、轨枕及道岔各部件6 d,安装接触网支柱、腕臂装置2 d,顶推横移前准备工作7 d,顶推横移换梁及恢复线路5 d,拆除旧梁20 d。通信、信号、电力等在换梁周期内提前完成设备安装调试。

封锁线路时间120 h,其中设置防护2 h,切割钢轨、拆除旧桥面及接触网支柱14 h,顶起旧梁铺设滑道14 h,横移旧梁至拆梁平台16 h,顶推新梁到位16 h,顶起新梁、拆除滑道并落梁10 h,制梁检查2 h,铺砟整道、轨道精调、无缝线路钢轨焊接及应力放散和锁定24 h,接触网挂网、石岗线路所、福利区车站、黄羊头线路所信号全系统调试20 h,撤除防护、开通线路2 h。封锁施工前48 h开始线路慢行,封锁施工完毕后慢行72 h,慢行期间日夜限速45 km/h。

3.2 下行联络线跨兰州至中川机场铁路方案

技术难点:下行联络线须跨越既有兰州至中川机场铁路,既有铁路该段为双线桥,桥宽12 m,桥跨为32 m简支T梁,位于曲线上,既有铁路与本线斜交角度为169°,既有桥轨底至本线轨底高度为15.96 m。由于交叉角度较小,且受净空高度控制,采用常规跨度简支梁或连续梁无法跨越,故采用30 m简支钢箱梁配门式墩形式跨越。

桥梁施工方案:27号墩盖梁采用顶推滑移方法施工;28、29号墩盖梁采用550 t履带吊整体吊装。施工方案如图6、图7所示。施工时上行线27～30号墩柱暂不施工,待下行线钢盖梁施工完成后再施工。28、29号墩盖梁吊装时,先吊装28号墩盖梁,再施工29号墩身,之后再吊装29号墩盖梁。28号墩盖梁吊装时履带吊机回转半径22 m,臂长84 m,吊重221 t,大于盖梁自重178 t;29号墩盖梁吊装时履带吊机回转半径24 m,臂长84 m,吊重220 t,大于盖梁自重178 t。

图6 27号墩盖梁顶推方案示意图(单位:cm)Fig.6 Schematic diagram of the capping beam jacking scheme on Pier 27 (unit:cm)

3.3 联络线跨西柳沟立交、兰新铁路方案

上、下行联络线并线后须跨越西柳沟立交和兰新铁路。西柳沟为三层互通式立交,该立交位于兰州市西出口,连接西新线、西固西路、南山路和南滨河路4条城市主干路,起着沟通城市内部路网和外围公路网络的作用,地理位置极为重要。立交范围内与兰新线、北环线、西固环线形成三角疏解区。桥跨区兰新下行线为路堤,上行线为桥梁。采用常规跨度桥梁无法跨越,故采用(72+120+72)m连续梁跨越。该桥下为西固城牵引变电所,无法避让,须拆除进行异地还建。受该处地形条件限制,主跨无法采用转体施工,为保证连续梁悬浇施工期间下方道路通行安全,采用全封闭式挂篮施工。挂篮施工方案如图8、图9所示。

图7 28、29号墩盖梁吊装方案示意图(单位:cm)Fig.7 Schematic diagram of the capping beam liftingscheme on Pier 28 and 29 (unit:cm)

由于120 m连续梁上部结构惯性力较大,导致传统延性抗震设计方法很难满足桥梁抗震性能需求[5],故采用液体黏滞阻尼器配合双曲面球型支座的抗震设计新技术。该技术在液体黏滞阻尼器的减震作用下,固定墩所受地震力明显减小,其余墩较均匀地分担了地震荷载,墩身抗震性能充分发挥,且双曲面球型支座具备一定的自复位功能,震后修复难度较低。同时,将黏滞阻尼器按一定倾斜角度布置,可有效减少水平及竖向地震动对桥梁结构的响应。

图8 封闭式挂篮施工方案立面图Fig.8 Construction scheme elevation of enclosed hanging basket

图9 封闭式挂篮施工方案横断面图(单位:cm)Fig.9 Construction scheme cross section of enclosedhanging basket (unit:cm)

3.4 改移南滨河西路方案

受既有兰新铁路北环线、自来水厂、城市道路等地面构筑物影响,上行联络线占用南滨河西路东侧辅道,须对其进行改移。道路改移方案为:将东侧辅道改移至西侧,从而占用西侧辅道,同时将西侧辅道并行还建至水厂侧,为避免拆除兰州市供水集团第一水厂沉淀池,在水厂东南侧沉淀池前局部280 m范围内将改移后的原东侧辅道抬起设双层框架桥,原西侧辅道在其下方穿行敷设。在道路施工和联络线桥墩施工过程中,还需结合施工次序进行必要的交通疏导,以避免道路封锁时间过长。

3.5 大坡度段行车性能及电分相检算

联络线为争取净空跨越兰州至中川机场铁路和西柳沟立交,自接轨点引出后采用30‰坡度足坡爬行[6],继而采用870 m长7.6‰缓坡设置电分相,后再采用30‰坡度迅速下降高程至西固隧道进口前路基段与兰合铁路正线相接。大坡度段纵断面如图10所示。受立交条件及桥梁工程设置方案控制,线路坡度唯一,故在大坡度段需进行牵引、制动性能检算;同时,该处还需设置1处电分相,受纵断面条件限制,电分相无法采用锚段关节式,只能采用器件式,故还需对过分相速度进行检算,以保证行车安全。

图10 联络线采用大坡度段纵断面示意图Fig.10 Schematic diagram of the longitudinal section of the connection line at a large slope

行车性能检算:联络线仅运行包头、银川、张掖方向至成都、昆明、重庆方向的动车组列车(无普速车)。联络线设计速度为80 km/h,按CRH5动车组进行检算。从牵引性能分析,在30‰上坡地段坡顶速度为70 km/h和77 km/h;从制动性能分析,在30‰下坡地段使用约65%电制动力不需要施加空气制动力即可保证匀速运行。因此,采用30‰最大坡度能满足运营需求。

联络线电分相检算:根据规范要求,电分相应尽量避免设置在大坡道及列车出站加速区段和线路限速低速区段[7],受西固牵引变电所供电臂长度控制,电分相仅能设置于870 m长7.6‰缓坡地段。为保证行车安全,对锚段关节式电分相(长度210 m)及器件式电分相(长度30 m)进行了模拟牵引计算。经检算,锚段关节式电分相,列车在分相前信号机起车,下行线在限速80 km/h、40 km/h条件下均无法通过分相,上行线在限速40 km/h条件下无法通过分相。而器件式电分相可满足动车组列车通过需求。

4 结论

由于兰州至合作铁路功能定位的调整,导致兰州枢纽内需修建兰合铁路与兰州至中川机场铁路联络线。受制于接轨点处场地局促、各类构筑物分布密集的影响,联络线选线在贯彻环保理念、节省投资、降低施工及运营安全风险的前提下[8],对工程设置方案的选择难度极大。通过对接轨点处将既有双线5～32 m简支T梁拆换为(16.2+4×32.7+16.2) m等高变宽双线变四线连续钢箱梁的横向水平顶推施工方案、换梁周期和封锁线路时间的研究,对既有兰州至中川机场铁路采用30 m简支钢箱梁配门式墩跨越,并对27号墩盖梁采用顶推滑移方法施工,28、29号墩盖梁采用履带吊整体吊装施工方案的研究,对西柳沟立交和既有兰新铁路采用(72+120+72)m连续梁跨越,并采用封闭式挂篮施工方案的研究,对联络线占用既有南滨河西路而引起道路改移方案的研究,对大坡度段行车性能检算和采用器件式电分相设置方案的研究进行深入分析的基础上,克服各种不利条件,提出了可实施性强并经济合理的技术解决方案,为后续施工创造了有利条件。特别是接轨点处顶推换梁施工方案目前国内尚无类似跨度和多线路一次顶推到位的施工先例,该桥的建成也为今后类似项目的方案研究和施工提供了一定的借鉴作用。