周云超

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院,天津 300000)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)整體水平的提升,管線與鐵路營業(yè)線交叉的工程越來越多,按鐵路部門要求,管線穿越需采用保護(hù)涵通過,保護(hù)涵一般以頂管、頂涵、定向鉆的形式等為主。定向鉆適用范圍小,多為電纜穿越。其他管線大多數(shù)以頂管或頂涵方式穿越,頂涵投資大,施工周期長,對鐵路路基破壞大,若無特殊功能要求,采用頂管法穿越方案較為合理。

頂管技術(shù)最早在日本和歐美國家開始被使用,是一種非開挖工程技術(shù)[1],具有施工技術(shù)成熟可靠,對鐵路營業(yè)線影響較小,不破壞環(huán)境,施工工期短、投資小等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被廣泛用于實(shí)際工程中。但頂管作業(yè)過程中不可避免地會對周邊地層產(chǎn)生擾動,導(dǎo)致土體變形,影響鐵路運(yùn)營安全,因此分析頂管施工在穿越工程中對鐵路路基的影響受到越來越多的關(guān)注[2-3]。雖大多數(shù)學(xué)者對分析穿越工程中鐵路路基沉降也有所研究,但內(nèi)容不全面,沒有綜合考慮頂管設(shè)計(jì)、鐵路線路加固和監(jiān)測等內(nèi)容,使讀者在借鑒設(shè)計(jì)時(shí)有所欠缺。

本文以頂管下穿鐵路路基工程為例,綜合考慮頂管設(shè)計(jì)、鐵路線路加固和監(jiān)測等系列技術(shù)要求,重點(diǎn)分析在施工過程中各工況下鐵路路基沉降變形的數(shù)值情況,以確保頂管施工過程中的鐵路運(yùn)營安全。

1 工程概況

工程位于錫林浩特北站附近,供熱和給水市政管線穿越鐵路,依次穿越錫東聯(lián)絡(luò)線、錫烏上、下行線3條股道,保護(hù)涵采用頂管法穿越。采用2根D2000 mm鋼筋混凝土Ⅲ級管(2根DN500 mm供熱、1根DN300 mm給水)穿越鐵路,頂管與錫烏上、下行線交叉處的鐵路里程為K7+627.5,與錫東聯(lián)絡(luò)線交叉處的里程為K0+851.3,交叉角度約為90°。圓管頂距離軌底約為11 m,頂管軸向長度84 m×2,每節(jié)管長2 m,共84節(jié)。頂管工作井尺寸為10.2 m×9 m,井深4.8 m;接收井尺寸為10.2 m×5.5 m,井深4.7 m,基坑防護(hù)樁采用I45b工字鋼,平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工程平面位置關(guān)系圖

2 頂管設(shè)計(jì)

選擇頂管下穿鐵路的位置,首先在滿足鐵路交叉相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上,并結(jié)合管線規(guī)劃路由,擬定頂進(jìn)位置。

2.1 頂管機(jī)選擇

大多數(shù)采用具有平衡類功能的頂管機(jī),平衡類頂管機(jī)中土壓平衡式和泥水平衡式較為常見,本項(xiàng)目穩(wěn)定地下水位埋深為8.1～9.0 m。頂管穿越土層為細(xì)砂層,無地下水,推薦采用土壓平衡式頂管機(jī)。

2.2 管材選用

套管宜采用JC/T 640—2010《頂進(jìn)施工法用鋼筋混凝土排水管》規(guī)定的Ⅲ級管,并滿足鐵路橋涵相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求[4],本工程采用鋼承口D2000 mm Ⅲ級鋼筋混凝土管。

2.3 確定頂管長度

1)套管伸出路堤坡腳護(hù)道應(yīng)≥2 m、伸出路塹塹頂部應(yīng)<5 m,并距離排水溝、路塹塹頂天溝和線路防護(hù)柵欄外側(cè)應(yīng)≥1 m[4]。

2)頂管穿越鐵路為普速鐵路,鐵路安全保護(hù)區(qū)的范圍,參考《鐵路安全管理?xiàng)l例》第27條規(guī)定[5]。

3)考慮施工機(jī)械臨近鐵路營業(yè)線施工,保證機(jī)械水平傾倒安全距離。

頂管長度取以上3條最大值。

2.4 確定頂管埋深

圓管頂部外緣至自然地面線垂直距離應(yīng)≥2 m,遇有魚塘、排污河時(shí)按照塘底或河流沖刷線≥1.5D考慮[6]。

2.5 頂管間距

互相平行的頂管間距,一般情況下宜>1倍的管外徑[7],本工程間距取2.6 m。

3 鐵路線路加固

按鐵路管理部門要求,為確保鐵路運(yùn)營的安全,頂管穿越鐵路路基時(shí),頂管上部的鐵路線路和路基必須采取加固措施,且列車通過施工地點(diǎn)時(shí)應(yīng)限速慢行。

本工程穿越處鐵路路基填高約8 m,路基填料相對較差,加固方案采取雙重措施,即線路采用D12+D20+D12型組合便梁加固,并配合小導(dǎo)管注漿加固鐵路路基。

3.1 線路加固

D型便梁加固長度應(yīng)嚴(yán)格按照(工電橋房函〔2020〕48號)文執(zhí)行,加固長度不應(yīng)小于軌底至管涵底面高度的2倍+管涵全寬+5 m[8],計(jì)算得本工程加固長度應(yīng)≥39.2 m。

采用D12+D20+D12 m型組合便梁對線路進(jìn)行加固(如圖2所示),因穿越處錫烏上下行線為緩和曲線段,曲線半徑為R=1 600 m,緩和曲線長I=120 m,超高h(yuǎn)=45 mm,緩和曲線超高順坡率為0.375‰。對于D型便梁架設(shè)在緩和曲線上的情況,需對線路緩和曲線進(jìn)行超高過渡調(diào)整。

圖2 D型便梁加固示意圖

架設(shè)D12+D20+D12型組合便梁影響鐵路里程為:K7+604.80～K7+650.20,直緩點(diǎn)處里程為K7+602.35,已知本線緩和曲線外軌超高順坡率為0.375‰,求得K7+604.80處超高值為2.45×0.375‰=0.92 mm。K7+650.20處超高值為47.85×0.375‰=17.94 mm,便梁影響范圍內(nèi)超高過渡值為0.92～17.94 mm,超高差值為17.02 mm。架設(shè)便梁時(shí)需在鐵路鋼軌和便梁橫梁之間的橡膠墊板下鋪設(shè)不等厚的鋼板進(jìn)行超高過渡調(diào)整,便梁橫梁間距為67 cm,共69根,從起點(diǎn)位置開始按每根橫梁增加鋼板、每次遞增0.25 mm厚鋼板操作,最終過渡到18.0 mm厚鋼板。

線路加固、拆除加固設(shè)備期間需在封鎖點(diǎn)內(nèi)施工,線路架空期間,鐵路行車需限速45 km/h,列車通過時(shí)嚴(yán)禁頂進(jìn)作業(yè)。

3.2 路基注漿加固

頂管施工前,采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)加固鐵路路基,小導(dǎo)管采用Φ42 mm熱軋無縫鋼管,長2.5～10 m,間距1.0 m,梅花形布置,注漿壓力0.3～0.6 MPa。

3.2.1 注漿加固范圍

順鐵路線路方向:頂管范圍以及頂管兩邊外緣外側(cè)各5 m。

垂直鐵路線路方向:與鐵路交叉處中心線兩側(cè)各15 m。

3.2.2 注漿順序

從路基邊坡向路基面進(jìn)行鉆孔注漿,從外側(cè)向內(nèi)側(cè)對稱隔孔布置,施工前路基段注雙液漿(工前漿),頂進(jìn)就位后注水泥漿(工后漿)。注漿后采用雷達(dá)探測檢驗(yàn)路基密實(shí)度,路基注漿需在封鎖點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行。

4 沉降分析

根據(jù)頂管與鐵路的平面關(guān)系,采用巖土工程有限元軟件建立三維模型,針對鋼板樁施工、基坑開挖以及管涵頂進(jìn)對鐵路的影響進(jìn)行數(shù)值計(jì)算與分析。

土體模擬采用小應(yīng)變土體硬化(HSS)本構(gòu)模型,在常規(guī)巖土工程數(shù)值分析中,使用小應(yīng)變土體硬化(HSS)本構(gòu)模型獲得的土體變形結(jié)果與工程實(shí)際是最相符的,其基本特征是考慮了土體剛度的應(yīng)力相關(guān)性,顯著優(yōu)于其他土體本構(gòu)模型,如常用的莫爾—庫倫模型、鄧肯—張模型等。

計(jì)算模型中管片采用板單元,鋼板樁結(jié)構(gòu)采用板單元等效模擬,內(nèi)支撐采用梁單元模擬,頂管過程中管片與土體之間表面收縮取值為0.5%。鐵路荷載等效為面荷載模擬。地質(zhì)報(bào)告揭露,地下水位埋深約為9 m,基坑范圍內(nèi)無水,因此在模型中不考慮地下水的作用。

模型沿X、Y、Z3個(gè)方向的邊界尺寸分別為80 m、160 m、40 m,其中X方向?yàn)殍F路路基順向,Y方向?yàn)殍F路路基橫向,Z方向?yàn)殍F路路基豎向。選取施工影響范圍進(jìn)行三維數(shù)值分析,模型如圖3所示。

圖3 模型示意圖

4.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)各土層的Es0.1～0.2,可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算HSS參數(shù)。具體計(jì)算取值見表1。

表1 土體參數(shù)表

4.2 模擬工況

根據(jù)工程的具體施工過程,結(jié)合鐵路運(yùn)營情況,分析基坑開挖、管涵頂進(jìn)等可能對鐵路路基造成的不利影響,劃分為以下3個(gè)工況:

工況1:施工基坑防護(hù)鋼板樁,基坑開挖;

工況2:管涵分節(jié)頂進(jìn)到位;

工況3:基坑回填運(yùn)營。

4.3 計(jì)算結(jié)果

通過巖土工程有限元軟件模擬工況1～工況3,分析基坑開挖、管涵頂進(jìn)及后期運(yùn)營對鐵路路基沉降的影響。分析結(jié)果X方向表示鐵路路基順向,Y方向表示鐵路路基橫向,Z方向正值表示隆起,Z方向負(fù)值表示沉降。

4.3.1 工況1:施工基坑防護(hù)鋼板樁,基坑開挖

通過模擬分析,得到施工基坑防護(hù)鋼板樁,基坑開挖階段位移云圖,如圖4～6所示。

圖4 工況一 路基順向階段變形云圖(mm)

圖5 工況一 路基橫向階段變形云圖(mm)

圖6 工況一 路基豎向階段變形云圖(mm)

計(jì)算出路基最大順向位移為0.001 mm,最大橫向位移為0.002 mm,最大豎向位移為0.02 mm。

4.3.2 工況2:管涵分節(jié)頂進(jìn)到位

通過模擬分析,得到管涵分節(jié)頂進(jìn)到位階段位移云圖,如圖7～9所示。

圖7 工況二 套涵頂進(jìn)完成路基順向階段變形云圖(mm)

計(jì)算出路基最大順向位移為-0.3 mm,最大橫向位移為0.06 mm,最大豎向位移為-1.4 mm。

圖8 工況二 套涵頂進(jìn)完成路基橫向階段變形云圖(mm)

圖9 工況二 套涵頂進(jìn)完成路基豎向階段變形云圖(mm)

4.3.3 工況3:基坑回填運(yùn)營

通過模擬分析,得到基坑回填運(yùn)營階段位移云圖,如圖10～12所示。

圖10 工況三 路基順向階段變形云圖(mm)

圖11 工況三 路基橫向階段變形云圖(mm)

圖12 工況三 路基豎向階段變形云圖(mm)

計(jì)算出路基最大順向位移為-0.3 mm,最大橫向位移為0.06 mm,最大豎向位移為-1.41 mm。

4.4 鐵路路基累計(jì)位移分析

通過前述分析,匯總出各工況下的錫烏上下行線和錫東聯(lián)絡(luò)線路基累計(jì)位移見表2和圖13～15所示。

圖13 最大順向累計(jì)位移-0.3 mm

表2 工況1～工況3累計(jì)位移匯總表 單位:mm

得出整個(gè)施工過程對路基順向以及橫向位移影響較小,順向以及橫向累計(jì)位移均未超過0.5 mm,主要對路基產(chǎn)生豎向位移影響,其中管涵頂進(jìn)過程對路基豎向位移影響較大,從圖15可知,最大豎向位移出現(xiàn)在管涵正上方,以管涵處為中心,沿鐵路路基方向向兩側(cè)逐漸減小。

圖15 最大豎向累計(jì)位移-1.41 mm

分析結(jié)果:施工過程中鐵路路基最大順向累計(jì)位移為-0.3 mm,3條鐵路線數(shù)值一致;最大橫向累計(jì)位移為0.06,出現(xiàn)在錫烏下行線;最大豎向累計(jì)位移為-1.41 mm,出現(xiàn)在錫東聯(lián)絡(luò)線;路基順向、橫向以及豎向位移均未超過TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》規(guī)定限值,滿足規(guī)范要求。

圖14 最大橫向累計(jì)位移0.06 mm

5 鐵路監(jiān)測

監(jiān)測要貫穿施工全過程,監(jiān)測數(shù)據(jù)直接反映頂進(jìn)過程中鐵路軌道、路基變形狀態(tài),須嚴(yán)格按照TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)要求進(jìn)行監(jiān)測。

5.1 監(jiān)測項(xiàng)目及等級

鐵路軌道、路基豎向位移和水平位移的監(jiān)測等級見表3所示。

表3 監(jiān)測項(xiàng)目及等級表

5.2 監(jiān)測點(diǎn)范圍及布置

施工前應(yīng)做好軌道和路基沉降觀測樁的預(yù)埋,觀測長度為施工影響范圍及前后過渡段各20 m,施工影響范圍內(nèi)每隔5 m設(shè)置一個(gè)觀測點(diǎn),兩側(cè)過渡段每隔10 m設(shè)置一個(gè)觀測點(diǎn)。觀測點(diǎn)布置位置如圖16～17所示。

圖16 有砟軌道測點(diǎn)布置示意圖

圖17 有砟軌道路基測點(diǎn)布置示意圖

5.3 監(jiān)測方法

優(yōu)先采用自動化監(jiān)測,當(dāng)受到條件限制,無法用自動化監(jiān)測時(shí),可采用人工監(jiān)測。

5.4 監(jiān)測頻率

監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)鐵路營業(yè)線等級、監(jiān)測等級及工程實(shí)施階段確定,見表4。

表4 監(jiān)測頻率匯總表

5.5 監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

鐵路軌道、路基變形監(jiān)測預(yù)警值、報(bào)警值、控制值見表5。

表5 鐵路變形監(jiān)測控制值

5.6 停測申請

監(jiān)測周期應(yīng)包含施工期和竣工后至少1個(gè)月的數(shù)據(jù)穩(wěn)定期。當(dāng)竣工1個(gè)月后,達(dá)到下列停測標(biāo)準(zhǔn)時(shí),監(jiān)測單位可提出停測申請:

分析監(jiān)測數(shù)據(jù),變形趨于穩(wěn)定,竣工1個(gè)月后變形速率≤1.0 mm/月[9]。

6 結(jié)語

本文以實(shí)際工程為案例,介紹頂管下穿鐵路基的相關(guān)設(shè)計(jì)和控制參數(shù),并重點(diǎn)分析了路基沉降變形情況,形成的主要結(jié)論:

1)對于頂管下穿鐵路路基,首先綜合考慮各種因素,選擇頂管機(jī)類型,然后確定頂管下穿的位置、埋深、長度和管材等參數(shù)。

2)線路加固,明確了D型便梁架空長度的依據(jù),應(yīng)按工電橋房函〔2020〕48號文執(zhí)行,同時(shí)介紹了D型便梁架設(shè)在緩和曲線上,超高過渡處理方法。

3)采用巖土工程有限元軟件建立三維模型,通過多工況計(jì)算分析,得出頂管穿越引起鐵路路基最大沉降變形值,在可控范圍內(nèi),滿足規(guī)范要求。

4)監(jiān)測要貫穿施工全過程,監(jiān)測點(diǎn)布置及監(jiān)測頻率嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程執(zhí)行,時(shí)刻掌握鐵路軌道、路基監(jiān)測數(shù)據(jù)和變形趨勢,確保鐵路運(yùn)營安全。