（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300222）

大型輸水管道穿越高鐵動荷載作用下受力研究

陳濤濤

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300222）

本文依托大型輸水管道穿越京哈鐵路工程，在高鐵兩側(cè)30m之內(nèi)嚴(yán)禁明挖，設(shè)計覆土厚度為0.8m的條件下施工，由于大口徑套管頂進(jìn)過程因原狀土粘結(jié)力過小導(dǎo)致局部涌起和偏移，需要重新?lián)Q填。但套管頂進(jìn)設(shè)計過程未考慮原狀土換填的工況，文中對套管頂部覆土換填過程的受力情況以及套管運用過程中承壓水受力進(jìn)行了分析論述。

套管頂進(jìn)；覆土換填；穿越；承壓水；大型輸水管道

1 工程概況

某供水工程供水管線由京哈高鐵八寶屯特大橋橋下通過。供水管線分4孔，分別由八寶屯特大橋第126—129孔穿越鐵路，管線與京哈高鐵的交叉角度為60°，即有京哈高鐵32m簡支箱梁，圓端型橋墩，承臺尺寸為6.2m×10.2m，承臺高2.0m，為8根1.0m樁基礎(chǔ)。交叉處梁底至地面最小距離為5.1m，施工期間橋下禁止通行大型施工設(shè)備，如確實需要，則需繞行其他允許通過地段或設(shè)置限界架、防撞墩等保護(hù)措施。

每根供水管線為φ3220mm帶加勁環(huán)鋼管。每根供水管線為φ3220mm鋼管，外套DN4000× 3000H8頂管，頂管為4座獨立的1.0~4.0m頂管，頂管內(nèi)徑4.0m，壁厚0.4m，單節(jié)長3.0m，設(shè)計覆土厚度按照0.8m考慮，每根頂管長度為63.0 m。該處管線為4×DN3200輸水鋼管穿越，工作壓力1.4MPa。高速鐵路運行安全管理條例規(guī)定：高鐵200m之內(nèi)禁止降水，30m之內(nèi)嚴(yán)禁明挖。

2 地質(zhì)概況

穿越京哈京哈高鐵場地地貌類型屬沖、洪積相構(gòu)成的階地，地形較為平坦，地勢開闊，原場地地面為水田，現(xiàn)地面高程84.0～85.0m。場地內(nèi)地下水類型主要為上層滯水和承壓水：

1）上層滯水：整個場地內(nèi)均有分布，賦存于耕植土中，接受大氣降水和人工灌溉補給，以蒸發(fā)為主要排泄方式，水位埋深較淺，地表直接出露，鉆孔在2.0m左右揭露。

2）承壓水：整個場地內(nèi)均有分布，埋深7.8～9.6 m，水位高程74.4～75.9m，賦存于粉細(xì)砂及圓礫中。根據(jù)前期勘察資料得知，圓礫層的下部為風(fēng)化片巖，與此次勘察揭露的粉質(zhì)黏土均為微透水地層，造成圓礫層中的地下水具有了一定的承壓性。

3 涵頂覆土換填過程受力分析

穿越京哈高鐵施工項目，設(shè)計過程中未考慮換填土對頂管受力影響，但現(xiàn)場實際由于套管覆土深度約0.8m且為原狀土，頂進(jìn)過程中土體難免不發(fā)生偏移，造成原地貌地基承載力降低，再爭取高鐵工務(wù)段同意，允許在套管頂進(jìn)過程中局部的涌土情況采用人工整平。待頂進(jìn)完成之后，為了確保原地貌地基和高鐵檢修便道地基承載力，需在高鐵工務(wù)段監(jiān)控下，對涵頂部位土體進(jìn)行壓實和換填，確保檢修便道地基承載力和套管承載力均滿足要求。

3.1 管道變形

采用ABAQUS軟件對換填過程中的套管受力進(jìn)行分析。管道在涵頂原地貌修整過程中，套管橫向和豎向位移值見表1。

表1 PCCP管道縱向變形管芯內(nèi)側(cè)外側(cè)位移值mm

由表1分析可知：在回填土壓作用下，管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)的變形近似相等，內(nèi)外側(cè)變形量隨著時間荷載步的變化近乎一致。

在管道橫向變形方面，在該力作用下，管體橫向收縮位移為正值，這是由于管道在各層回填土壓作用下產(chǎn)生橫向延伸。在管道縱向變形方面，隨著填土荷載的逐層施加，管道縱向收縮變形繼續(xù)增大，管道在縱向繼續(xù)被壓縮。

通過縱橫向?qū)Ρ瓤梢缘贸?，在后續(xù)回填土過程中，橫向收縮逐漸減小，縱向收縮繼續(xù)增大，即管體橫向直徑增大，縱向直徑減小，可見在土壓作用下發(fā)生水平方向延伸垂直方向收縮的橢圓形變形。

3.2 管道混凝土應(yīng)力變化

基于ABAQUS的φ4.8m套管結(jié)構(gòu)有限元分析，由土方回填結(jié)束管芯混凝土應(yīng)力變化云圖分析可得：混凝土管芯管底內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力值為正，表明管芯內(nèi)側(cè)混凝土受拉，隨著荷載步的增加，管底內(nèi)側(cè)混凝土最大主應(yīng)力值逐漸增大，即混凝土拉應(yīng)力值逐漸增加，至第三層回填土回填完畢，管底內(nèi)側(cè)混凝土最大拉應(yīng)力值為1.18MPa，小于該標(biāo)號混凝土的抗拉強度；混凝土管芯管底外側(cè)最大主應(yīng)力值為負(fù)，表明管芯外側(cè)混凝土受壓，隨著荷載步的增加，該側(cè)混凝土壓應(yīng)力值逐漸增大，最大值為0.16MPa，遠(yuǎn)小于該標(biāo)號混凝土的抗壓強度。

3.3 管道鋼筒應(yīng)力變化

基于ABAQUS的φ4.8m套管結(jié)構(gòu)有限元分析及土方回填結(jié)束管芯鋼管應(yīng)力變化云圖分析可得：管底和管頂位置鋼筒中應(yīng)力呈下降趨勢，管腰位置鋼筒中應(yīng)力呈上升趨勢?；靥钔镣戤吅蠊艿?、管頂位置鋼筒中應(yīng)力為34MPa，管腰位置鋼筒中應(yīng)力為96MPa，鋼管應(yīng)力變化遠(yuǎn)小于設(shè)計值。

4 套管服役過程承壓水分析

4.1 套管幾何尺寸

京哈高鐵管線采用預(yù)應(yīng)力混凝土套管，包含混凝土、鋼筒和砂漿保護(hù)層。單節(jié)套管長3000mm，內(nèi)徑4000mm，外徑4800mm，壁厚400mm。

供水管線為φ3220mm鋼管，外套DN4000× 3000H8頂管，設(shè)計覆土厚度按照1.2m考慮。管線與京哈高鐵的交叉角度為60°。該處管線為4× DN3220輸水鋼管穿越，工作壓力1.4MPa。

4.2 單元類型

套管有限元模型分析主要采用2種單元混凝土和砂漿保護(hù)層采用Soild單元模擬，鋼筒屬于薄壁結(jié)構(gòu)，采用Shell單元，材料參數(shù)見表2。

表2 套管材料參數(shù)

假定鋼筒于混凝土之間完全解除，即不考慮隔層建的相對滑移或脫空等現(xiàn)象，把鋼筒殼單元節(jié)點和混凝土實體單元節(jié)點的自由度約束在一起。

4.3 套管受力分析

根據(jù)設(shè)計文件套管標(biāo)準(zhǔn)工作壓力為1.4MPa，其中輸水鋼管為傳力作用，承受壓力為外套鋼管。為了更好的了解套管內(nèi)力變化，先對管芯內(nèi)部依次施加水壓力0.6MPa和1.4MPa。基于ABAQUS的φ4.8m套管鋼筒結(jié)構(gòu)計算出應(yīng)力云圖。

各級水壓力下套管鋼筒和混凝土經(jīng)ABAQUS軟件計算得出的各部件極值應(yīng)力見表3。

表3 不同水壓力情況下套管各部件的極值應(yīng)力MPa

由表3綜合分析可知：

1）在內(nèi)水壓力從0.6MPa加到1.4MPa過程中，加載到極限內(nèi)水壓力1.4MPa時，鋼筒中最大應(yīng)力近似73MPa，相比受拉強度227MPa，也有較大富余。在管道正常運行過程中，內(nèi)層鋼筒也具有較高的可靠性。

2）在內(nèi)水壓力從0.6MPa加到1.4MPa過程中，工作內(nèi)壓0.6MPa時，混凝土最大拉應(yīng)力1.87 MPa，最大壓應(yīng)力8.76MPa，均小于該混凝土的抗拉抗壓強度。當(dāng)內(nèi)水壓力增加到極限內(nèi)壓1.4 MPa時，混凝土最大拉應(yīng)力6.79MPa，混凝土最大壓應(yīng)力10.31MPa，小于該混凝土的抗壓強度48MPa，混凝土在該內(nèi)壓下抗壓滿足要求。

5 結(jié)語

本文著重對大型輸水管道穿越京哈鐵路工程施工技術(shù)進(jìn)行全面的分析。在確保輸水管線穿越高速鐵路的工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本等綜合因素，首次提出并采用超大管徑套管一次頂進(jìn)法穿越高速鐵路的施工技術(shù)。

通過對套管頂進(jìn)過程，覆土換填過程中受力情況和后期服役承壓水作用下的受力分析，套管是否設(shè)計要求。不僅將為今后相似地區(qū)的類似穿越工程建設(shè)提供實例參考，同時對類似淺覆土套管頂進(jìn)工程具有借鑒作用。

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2016-12-11