蘭合鐵路與蘭州至中川機場鐵路聯絡線方案研究

解新福

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司蘭州院,甘肅 蘭州 730000)

2008年國家發改委發布的《中長期鐵路網規劃(2008年調整)》中,蘭州至合作鐵路作為成蘭鐵路的組成部分,是蘭州至成都間的客貨通道[1]。當時對本線的功能定位是以服務國土資源開發為目的,以貨為主、兼顧沿線少量客運的區域性單線鐵路。

隨著國家經濟形勢和產業政策、鐵路運量發展態勢的變化,2016年新的《中長期鐵路網規劃》中對國家鐵路網格局進行了重大調整。根據規劃,西北至西南區域間客運通道以蘭州(西寧)經合作至成都為主,貨運通道以蘭渝鐵路為主,原成蘭線川主寺至哈達鋪段的客流轉由本線承擔,通過貨流轉由蘭渝線承擔。據此,本線的功能分工也發生了巨大變化,其與西寧至成都鐵路共同構成西北與西南地區的客運主通道,是國家高速鐵路網中蘭(西)廣通道的重要組成部分[2]，其中本線主要承擔甘肅省中西部金昌、武威、張掖及寧夏北部、蒙西地區與四川省中西部地區及以云南為主的西南地區間的旅客交流,兼顧蘭州與臨夏、甘南等少數民族地區的城際客流和沿線旅游客流,是一條以客運為主并兼顧沿線輕快貨物運輸的雙線國鐵干線[3]。

1 聯絡線方案簡述

區域路網示意圖如圖1所示。由于功能定位的調整,故對本線運量構成重新進行了分析和預測,并對線路方案進行了調整。調整后,研究年度客車對數由3對/日、6對/日、10對/日增加至32對/日、43對/日、53對/日,貨運量由325萬噸、750萬噸、1 210萬噸縮減至63萬噸、91萬噸、104萬噸,接軌點由蘭青鐵路八盤峽站調整至蘭新鐵路西固城站。根據重新預測的客運量,研究年度銀川、嘉峪關兩方向客車對數合計分別為12對/日、15對/日、16對/日,約占全線客運量的1/3。為直接將本線與銀川、河西走廊方向連通,減少蘭州樞紐內折角車流,提高運輸質量,應同步建設本線與蘭州至中川機場鐵路的聯絡線?；诖吮尘?經多方案技術經濟比選,最終確定采用于蘭州至中川機場鐵路西固黃河特大橋區間設線路所的接軌方案[4]。

圖1 區域路網示意圖Fig.1 Schematic diagram of the regional railway network

根據運量預測,并結合蘭州樞紐內各車站分工,聯絡線采用客車直通蘭州西站、貨車直通蘭州北的方案。聯絡線方案示意如圖2所示。聯絡線上、下行線分別自蘭州至中川機場鐵路西固黃河特大橋區間以18號道岔引出,接軌點處采用(16.2+4×32.7+16.2) m連續鋼箱梁替換既有5～32 m簡支T梁,上行聯絡線長4.12 km,下行聯絡線長3.94 km。上行聯絡線沿既有蘭州至中川機場鐵路西側并占用南濱河西路東側輔道高架前行;下行聯絡線沿既有蘭州至中川機場鐵路東側、蘭新鐵路石崗站西側間的通道高架前行,為爭取高程采用30‰坡度以(3×30+2×35) m鋼箱梁上跨既有蘭州至中川機場鐵路,后與上行聯絡線并線;并線后以(72+120+72) m連續梁上跨西柳溝互通立交和既有蘭新鐵路,采用30‰坡度迅速降低高程并在柳泉隧道內逐步分線;下行聯絡線于西固隧道進口前路基段接入蘭合鐵路下行線,上行聯絡線采用2～50 m連續鋼箱梁配門式墩結構相繼跨越蘭合鐵路下行線、改建蘭新鐵路下行線后于西固隧道外路基段接入蘭合鐵路上行線。

2 影響方案的主要控制因素

聯絡線接軌端場地局促,線路左側為蘭新鐵路北環線石崗站,蘭州至中川機場鐵路西固黃河特大橋緊鄰石崗站布設,橋下為石崗站信號樓、貨運辦公樓及工務工區;線路右側為蘭州市供水集團第一水廠(也是蘭州市岸門橋水源地二級保護區陸域范圍),西柳溝立交右轉匝道及南濱河西路位于既有鐵路與水廠之間;線路南側為西柳溝立交橋(三層互通立交)、蘭新鐵路西固城牽引變電所。受上述因素限制,加之接軌點位于既有橋上,為盡量減少對既有鐵路和地面、地下構筑物的影響,可供線路選擇的余地非常小,線路選線須克服各種不利條件,采用合理的工程設置方案予以解決。聯絡線周邊控制因素如圖3所示。

圖3 聯絡線周邊控制因素示意圖Fig.3 Schematic diagram of controlling factors in the vicinity of the connection line

3 技術難點及解決方案

3.1 接軌點連續鋼箱梁換梁方案

技術難點:西固黃河特大橋為雙線高架橋,聯絡線于該橋第141號墩與第142號墩之間采用18號道岔接軌,該段位于直線上,上部結構為32 m簡支T梁。由于道岔區由雙線變為四線且不能設置梁縫,故需將道岔區影響范圍內5孔簡支T梁更換為(16.2+4×32.7+16.2) m等高變寬連續鋼箱梁。連續鋼箱梁采用整體橫移頂推方案,為盡量減小對既有鐵路運營的影響,避免與既有橋墩基礎產生干擾,新梁橋墩布置于既有橋跨中。由于該段橋址處場地局促,多條鐵路和公路交錯布置,涉及征拆的范圍廣、數量多、周期長,且多線、多跨橋梁一次頂推換梁的施工風險高、難度大,對施工單位的施工組織能力和鄰近營業線施工經驗的要求極高。故結合目前國內橋梁施工實際,綜合考慮舊梁拆除、新梁項推、軌道鋪設、接觸網施工、四電過渡及調試等因素,對施工組織設計進行了細化,盡可能為后續施工創造有利條件。

換梁施工方案:采用橫向水平頂推施工。換梁方案如圖4、圖5所示。先在既有橋梁跨中搭建新梁基礎及墩臺;后在既有橋梁外側搭設制梁平臺焊接拼裝鋼箱梁,安裝軌道;待新梁基礎和墩臺施工完成后,搭設貝雷梁支架,安裝導向和滑移系統;再通過液壓頂推橫移換梁,移出后的舊梁拖至既有鐵路外分段鑿除;最后調整新梁支座,接觸網掛網后恢復既有線路。

圖4 接軌點新梁頂推方案示意圖(單位:cm)Fig.4 Schematic diagram of the new beam jacking scheme at the junction site (unit:cm)

圖5 接軌點舊梁移出方案示意圖(單位:cm)Fig.5 Schematic diagram of the scheme for removing the old beam at the junction site (unit:cm)

換梁施工周期180 d，其中新梁橋墩及基礎施工90 d,搭設換梁貝雷梁支架及工作平臺20 d,焊接拼裝鋼箱梁及鋪設橋面混凝土板、防水層30 d,吊裝并鋪設鋼軌、軌枕及道岔各部件6 d,安裝接觸網支柱、腕臂裝置2 d,頂推橫移前準備工作7 d,頂推橫移換梁及恢復線路5 d,拆除舊梁20 d。通信、信號、電力等在換梁周期內提前完成設備安裝調試。

封鎖線路時間120 h,其中設置防護2 h,切割鋼軌、拆除舊橋面及接觸網支柱14 h,頂起舊梁鋪設滑道14 h,橫移舊梁至拆梁平臺16 h,頂推新梁到位16 h,頂起新梁、拆除滑道并落梁10 h,制梁檢查2 h,鋪砟整道、軌道精調、無縫線路鋼軌焊接及應力放散和鎖定24 h,接觸網掛網、石崗線路所、福利區車站、黃羊頭線路所信號全系統調試20 h,撤除防護、開通線路2 h。封鎖施工前48 h開始線路慢行,封鎖施工完畢后慢行72 h,慢行期間日夜限速45 km/h。

3.2 下行聯絡線跨蘭州至中川機場鐵路方案

技術難點:下行聯絡線須跨越既有蘭州至中川機場鐵路,既有鐵路該段為雙線橋,橋寬12 m,橋跨為32 m簡支T梁,位于曲線上,既有鐵路與本線斜交角度為169°,既有橋軌底至本線軌底高度為15.96 m。由于交叉角度較小,且受凈空高度控制,采用常規跨度簡支梁或連續梁無法跨越,故采用30 m簡支鋼箱梁配門式墩形式跨越。

橋梁施工方案:27號墩蓋梁采用頂推滑移方法施工;28、29號墩蓋梁采用550 t履帶吊整體吊裝。施工方案如圖6、圖7所示。施工時上行線27～30號墩柱暫不施工,待下行線鋼蓋梁施工完成后再施工。28、29號墩蓋梁吊裝時,先吊裝28號墩蓋梁,再施工29號墩身,之后再吊裝29號墩蓋梁。28號墩蓋梁吊裝時履帶吊機回轉半徑22 m,臂長84 m,吊重221 t,大于蓋梁自重178 t;29號墩蓋梁吊裝時履帶吊機回轉半徑24 m,臂長84 m,吊重220 t,大于蓋梁自重178 t。

圖6 27號墩蓋梁頂推方案示意圖(單位:cm)Fig.6 Schematic diagram of the capping beam jacking scheme on Pier 27 (unit:cm)

3.3 聯絡線跨西柳溝立交、蘭新鐵路方案

上、下行聯絡線并線后須跨越西柳溝立交和蘭新鐵路。西柳溝為三層互通式立交,該立交位于蘭州市西出口,連接西新線、西固西路、南山路和南濱河路4條城市主干路,起著溝通城市內部路網和外圍公路網絡的作用,地理位置極為重要。立交范圍內與蘭新線、北環線、西固環線形成三角疏解區。橋跨區蘭新下行線為路堤,上行線為橋梁。采用常規跨度橋梁無法跨越,故采用(72+120+72)m連續梁跨越。該橋下為西固城牽引變電所,無法避讓,須拆除進行異地還建。受該處地形條件限制,主跨無法采用轉體施工,為保證連續梁懸澆施工期間下方道路通行安全,采用全封閉式掛籃施工。掛籃施工方案如圖8、圖9所示。

圖7 28、29號墩蓋梁吊裝方案示意圖(單位:cm)Fig.7 Schematic diagram of the capping beam liftingscheme on Pier 28 and 29 (unit:cm)

由于120 m連續梁上部結構慣性力較大,導致傳統延性抗震設計方法很難滿足橋梁抗震性能需求[5],故采用液體黏滯阻尼器配合雙曲面球型支座的抗震設計新技術。該技術在液體黏滯阻尼器的減震作用下,固定墩所受地震力明顯減小,其余墩較均勻地分擔了地震荷載,墩身抗震性能充分發揮,且雙曲面球型支座具備一定的自復位功能,震后修復難度較低。同時,將黏滯阻尼器按一定傾斜角度布置,可有效減少水平及豎向地震動對橋梁結構的響應。

圖8 封閉式掛籃施工方案立面圖Fig.8 Construction scheme elevation of enclosed hanging basket

圖9 封閉式掛籃施工方案橫斷面圖(單位:cm)Fig.9 Construction scheme cross section of enclosedhanging basket (unit:cm)

3.4 改移南濱河西路方案

受既有蘭新鐵路北環線、自來水廠、城市道路等地面構筑物影響,上行聯絡線占用南濱河西路東側輔道,須對其進行改移。道路改移方案為:將東側輔道改移至西側,從而占用西側輔道,同時將西側輔道并行還建至水廠側,為避免拆除蘭州市供水集團第一水廠沉淀池,在水廠東南側沉淀池前局部280 m范圍內將改移后的原東側輔道抬起設雙層框架橋,原西側輔道在其下方穿行敷設。在道路施工和聯絡線橋墩施工過程中,還需結合施工次序進行必要的交通疏導,以避免道路封鎖時間過長。

3.5 大坡度段行車性能及電分相檢算

聯絡線為爭取凈空跨越蘭州至中川機場鐵路和西柳溝立交,自接軌點引出后采用30‰坡度足坡爬行[6],繼而采用870 m長7.6‰緩坡設置電分相,后再采用30‰坡度迅速下降高程至西固隧道進口前路基段與蘭合鐵路正線相接。大坡度段縱斷面如圖10所示。受立交條件及橋梁工程設置方案控制,線路坡度唯一,故在大坡度段需進行牽引、制動性能檢算;同時,該處還需設置1處電分相,受縱斷面條件限制,電分相無法采用錨段關節式,只能采用器件式,故還需對過分相速度進行檢算,以保證行車安全。

圖10 聯絡線采用大坡度段縱斷面示意圖Fig.10 Schematic diagram of the longitudinal section of the connection line at a large slope

行車性能檢算:聯絡線僅運行包頭、銀川、張掖方向至成都、昆明、重慶方向的動車組列車(無普速車)。聯絡線設計速度為80 km/h,按CRH5動車組進行檢算。從牽引性能分析,在30‰上坡地段坡頂速度為70 km/h和77 km/h;從制動性能分析,在30‰下坡地段使用約65%電制動力不需要施加空氣制動力即可保證勻速運行。因此,采用30‰最大坡度能滿足運營需求。

聯絡線電分相檢算:根據規范要求,電分相應盡量避免設置在大坡道及列車出站加速區段和線路限速低速區段[7],受西固牽引變電所供電臂長度控制,電分相僅能設置于870 m長7.6‰緩坡地段。為保證行車安全,對錨段關節式電分相(長度210 m)及器件式電分相(長度30 m)進行了模擬牽引計算。經檢算,錨段關節式電分相,列車在分相前信號機起車,下行線在限速80 km/h、40 km/h條件下均無法通過分相,上行線在限速40 km/h條件下無法通過分相。而器件式電分相可滿足動車組列車通過需求。

4 結論

由于蘭州至合作鐵路功能定位的調整,導致蘭州樞紐內需修建蘭合鐵路與蘭州至中川機場鐵路聯絡線。受制于接軌點處場地局促、各類構筑物分布密集的影響,聯絡線選線在貫徹環保理念、節省投資、降低施工及運營安全風險的前提下[8],對工程設置方案的選擇難度極大。通過對接軌點處將既有雙線5～32 m簡支T梁拆換為(16.2+4×32.7+16.2) m等高變寬雙線變四線連續鋼箱梁的橫向水平頂推施工方案、換梁周期和封鎖線路時間的研究,對既有蘭州至中川機場鐵路采用30 m簡支鋼箱梁配門式墩跨越,并對27號墩蓋梁采用頂推滑移方法施工,28、29號墩蓋梁采用履帶吊整體吊裝施工方案的研究,對西柳溝立交和既有蘭新鐵路采用(72+120+72)m連續梁跨越,并采用封閉式掛籃施工方案的研究,對聯絡線占用既有南濱河西路而引起道路改移方案的研究,對大坡度段行車性能檢算和采用器件式電分相設置方案的研究進行深入分析的基礎上,克服各種不利條件,提出了可實施性強并經濟合理的技術解決方案,為后續施工創造了有利條件。特別是接軌點處頂推換梁施工方案目前國內尚無類似跨度和多線路一次頂推到位的施工先例,該橋的建成也為今后類似項目的方案研究和施工提供了一定的借鑒作用。