杜 威

(杭州鐵路設計院有限責任公司,浙江 杭州 310006)

1 工程概況

某天然氣公司擬建天然氣聯(lián)絡線一期工程需穿越鐵路上海局集團管轄內(nèi)的普速鐵路路基。該處鐵路現(xiàn)狀為：P60鋼軌、無縫線路、直線區(qū)段、雙線(線間距6 m),電氣化鐵路。管道規(guī)格為1-Ф813×14.3 mm×65(L450)縫埋弧焊鋼管,設計壓力為6.3 MPa,采用三層PE加強級防腐層。見圖1。

圖1 工程平面圖

2 本工程的重難點分析

1)該管道屬于長輸干線,管道規(guī)格及設計壓力均較大,又是穿越既有運營電氣化鐵路,管道在穿越施工及運營過程中對鐵路安全的影響必須嚴控。

2)鐵路東側為濕地保護區(qū),根據(jù)地方政府的要求,禁止大型機械施工,故在常規(guī)方案的選擇上有很大的局限性。

3)根據(jù)《上海鐵路局路外管線穿越鐵路管理辦法》的相關要求,油氣及液體等有壓管線宜采用鋼筋混凝土套管或護涵進行防護。如何協(xié)調(diào)鐵路與地方的不同要求是方案設計的關鍵。

4)本工程是省重點工程,工期緊迫,前期管道總體設計對于涉鐵段困難度考慮欠周,項目估算偏低。

綜上所述,本工程在滿足鐵路相關安全要求的前提下,亦要克服地方諸多不利因素,下面對上述重難點進行綜合研究。

3 設計方案研究

3.1 結構形式

管道穿越鐵路段本著“安全適用、經(jīng)濟耐久、方便施工”的原則進行設計,類似項目在上海局范圍內(nèi)常規(guī)一般有箱涵方案[1]、頂管方案[2]、定向鉆方案[3]三種方案可供選擇。下面對這幾個方案逐一進行探討：

1)箱涵方案是現(xiàn)在最常規(guī)的方案,優(yōu)點是結構可靠,施工工藝成熟,適用于管線較多且斷面較大的情況。缺點是對鐵路路基及運營影響較大,工期較長。

結合本次項目的實際情況,鐵路東側為濕地保護區(qū),考慮到要一次穿越鐵路及濕地保護區(qū),故亦不考慮該方案。

2)頂管方案考慮到鐵路東側為濕地保護區(qū),設置工作井難度較大,若一次穿越鐵路及濕地保護區(qū),總定程達到700多米,并且兩頭要設置深20多米的工作井(受河道底標高控制),施工難度大,施工時間長并且投資較高,故也不考慮該方案。

3)根據(jù)《上海鐵路局路外管線穿越鐵路管理辦法》的相關要求,油氣及液體等有壓管線宜采用鋼筋混凝土套管或護涵進行防護,故不考慮定向鉆方案。

4)推薦方案決定采用頂管(1-Φ2.0 m)結合定向鉆的綜合方案,即在鐵路西側設置工作井,待鐵路下方的60 m頂管施工完畢后,人工拆除刀盤等相關設備,把定向鉆鉆機吊入西側的頂管工作井,進行頂管套管內(nèi)定向鉆施工,穿越其余600多米的非鐵路范圍。具體示意見圖2。

圖2 工程斷面圖

5)方案比選見表1。

表1 方案比選

3.2 施工措施

1)工作井全段均位于淤泥質(zhì)地層,并且工作井既是頂管的始發(fā)井,也是定向鉆鉆機的工作場地,故整個工作井的尺寸及地基處理都根據(jù)實際情況進行了優(yōu)化。工作井采用內(nèi)徑10 m的圓井,外設兩圈搭接的高壓旋噴樁,基底亦采用點狀的高壓旋噴樁進行處理,保證20多米深的沉井的施工及使用穩(wěn)定。

2)為確保沉井及后續(xù)施工過程中鐵路路基的安全,沉井采用不排水下沉,頂管采用泥水平衡法施工。為防止高壓旋噴樁施工對路基穩(wěn)定的影響,在高壓旋噴樁施工前,路基坡腳設置兩排拉森鋼板樁隔離防護。

3)由于位于沿海濕地地區(qū),故地下水豐富,實際施工過程中發(fā)生了頂管施工完畢(待拆除機頭刀盤)和定向鉆未施工的空檔期間,泥漿水從刀盤外側往內(nèi)側滲漏。施工單位對于機頭刀盤及環(huán)壁上設置全斷面注漿孔,對機頭處的土體進行注漿加固。

4)定向鉆施工前,對頂管管節(jié)內(nèi)填筑三合土,以防止機頭前端土體塌陷。

5)定向鉆施工盡量壓縮了施工工期,減少定向鉆鉆頭啟動至定位器回收間的施工時間,以減少頂管空管。鉆孔回拖及定位器回收后,對管道填充泥漿?；赝贤戤吅?天然氣管道與頂管之間空隙采用充砂注漿填實。

6)施工期間,既有鐵路采用吊軌梁進行預防護,吊軌梁采用P50軌,長12.5 m,線路行車限速45 km/h。

4 有限元分析

為了從整體上把握大直徑沉井及長頂管施工引起的鐵路路基及相關鐵路設備設施不均勻變形,結合場地工程地質(zhì)條件、設計資料及施工全過程監(jiān)測結論,選用大型有限元軟件MIDAS/GTS NX建立數(shù)值計算模型,分析沉井、頂管施工對既有鐵路路基的影響。

4.1 建立模型

為了綜合計算效率和邊界效應,在涉及到的鄰近鐵路施工中選取了6個最不利情況進行建模分析。施工模擬分析工況劃分見表2。模型范圍為水平方向取110 m×50 m,豎直方向取35 m。計算模型見圖3。

表2 施工模擬分析工況劃分表

本次計算地層巖體本構模型采用修正的摩爾-庫倫模型,采用三維實體單元模擬巖土體,板單元模擬沉井及頂管壁混凝土。計算模型的邊界約束為：模型底部約束水平、豎向位移,左右兩側約束水平位移。

圖3 計算模型圖

4.2 計算結果

由有限元分析結果可知,沉井施工期,鐵路路基最大水平位移為1.81 mm,最大沉降為1.34 mm；頂管施工至上行線正下方時,鐵路路基最大水平位移為11.6 mm,最大沉降為9.33 mm；頂管施工至下行線正下方時,鐵路路基最大水平位移為8.51 mm,最大沉降為18.8 mm。

5 施工監(jiān)測

5.1 監(jiān)測要求

1)監(jiān)測內(nèi)容 穿越處的鐵路路基應每間隔5～10 m布置一組沉降和位移監(jiān)測點。沉井結構頂部設置4組沉降和位移監(jiān)測點。

2)監(jiān)測頻率 始發(fā)井下沉、高壓旋噴樁施工、架設吊軌梁、鋼筋混凝土管頂進等施工階段2 h一次,其他施工階段12 h一次。

5.2 分析小結

影響結果及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析見表3。

計算結果及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析見圖4、圖5。

圖4 計算結果及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析(一)

圖5 計算結果及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析(二)

由圖4、圖5可知,有限元分析影響值的變化趨勢與實際情況基本吻合,水平位移最大值11.6 mm,沉降最大值為19.3 mm,施工對鐵路路基影響較大,但在采取限速和線路整修、養(yǎng)護等措施后,可以滿足鐵路安全運營條件。水平最大位移較實際偏小,究其原因可能存在三個方面：1)實際監(jiān)測位移是水平面內(nèi)的總位移,而有限元結果是面內(nèi)一對向垂直軸向的最大值;2)有限元地層模擬較均勻,地層參數(shù)選取主觀性較大；3)鐵路列車活載效應影響。

6 經(jīng)驗總結和工程展望

6.1 經(jīng)驗總結

1)采用頂管結合定向鉆的方案,滿足了鐵路相關要求,優(yōu)化了頂管的頂程,使工程更加經(jīng)濟合理。

2)機頭前端土體進行注漿加固,降低拆除機頭過程中地下水及土體局部失穩(wěn)的風險。

3)采用吊軌梁及鋼板樁對既有路基進行防護,確保了施工過程中的鐵路路基的穩(wěn)定。

6.2 工程展望

1)本次穿越鐵路路基為普速鐵路,如何在有砟高速鐵路路基穿越則需要進一步研究。

2)根據(jù)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù),軟土地區(qū)大直徑頂管在頂進過程中引起的鐵路路基的位移沉降還是偏大,如何優(yōu)化頂進過程中的施工措施則需要進一步探討。

3)在頂管與定向鉆工藝的無縫對接上如何降低施工風險需要進一步優(yōu)化。

7 結 語

本工程提出了在特定困難條件下一種較大直徑油氣管道穿越普速鐵路路基的創(chuàng)新解決方案,從項目竣工及近期線路運行情況來看,設計在確保既有線安全運營的條件下,基本滿足了建設需要,為以后類似的項目提供了寶貴的經(jīng)驗。