王 靜

中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司徐州設(shè)計(jì)院 江蘇 徐州 221000

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，市政設(shè)施建設(shè)取得巨大成就，市政管網(wǎng)覆蓋面越來(lái)越大，管道施工不可避免地會(huì)遇到道路、涵洞、鐵路、河流等各種障礙，無(wú)法正常開(kāi)挖，需采取特殊的施工工藝進(jìn)行穿越施工，而定向鉆施工即是在不開(kāi)挖地表的條件下進(jìn)行地下管道鋪設(shè)的一種常見(jiàn)工法[1-2]。所以，如何在定向鉆施工中有效控制地層位移，保護(hù)穿越建構(gòu)筑物的安全，成為定向鉆施工中迫切需要解決的問(wèn)題[3-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)定向鉆施工對(duì)建構(gòu)筑物變形影響開(kāi)始研究[5-6]，有的根據(jù)定向鉆穿越施工工藝進(jìn)行分析，分別研究定向鉆穿越設(shè)計(jì)中的埋深、管徑、出土角、入土角等因素；有的采用有限元軟件，進(jìn)行定向鉆穿越施工過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變分析；有的針對(duì)性開(kāi)展環(huán)境影響安全監(jiān)測(cè)，掌握定向鉆穿越過(guò)程中建構(gòu)筑物的變形規(guī)律等。在計(jì)算方法、控制標(biāo)準(zhǔn)、施工措施等方面給出了建議，取得了一定的成果[7-8]。

鐵路是國(guó)家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在中國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系中處于骨干地位。本文即基于徐州市沛縣港華燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@下穿豐沛鐵路工程施工實(shí)踐，利用有限元軟件MIDAS GTS建模，對(duì)定向鉆穿越階段鐵路路基沉降變形及軌道幾何尺寸偏差進(jìn)行分析研究，研究成果可對(duì)未來(lái)徐州同類(lèi)型工程和其他地區(qū)定向鉆穿越鐵路路基設(shè)計(jì)及施工提供參考。

2 工程概況

2.1 沛縣港華燃?xì)夤艿栏艣r

沛縣天然氣管網(wǎng)及廠站設(shè)施工程擬建高壓管道總長(zhǎng)70km，其中西線起點(diǎn)為沛縣西門(mén)站，終點(diǎn)為鹿樓鎮(zhèn)楊卜村，管線長(zhǎng)度約23km；南線起點(diǎn)為南門(mén)站，終點(diǎn)為徐濟(jì)高速東曹莊，管線長(zhǎng)度約37km；西線與南線高壓管道連接線：起點(diǎn)為朱寨東清管閥室，終點(diǎn)為南門(mén)站，管道長(zhǎng)度約10km。燃?xì)夤艿乐饕夹g(shù)參數(shù)如下所示：

（1）燃?xì)夤艿罏镈e200mm壁厚18.2mm的PE管；

（2）設(shè)計(jì)壓力4.0Mpa；

（3）設(shè)計(jì)使用年限：30年；

2.2 豐沛鐵路概況

豐沛鐵路全長(zhǎng)50.4公里，全線共設(shè)5個(gè)站，即沛縣站、鹿樓站、豐縣站、常店站、首羨站，豐沛鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）鐵路等級(jí)：Ⅱ級(jí)；

（2）正線數(shù)目：?jiǎn)尉€：

（3）設(shè)計(jì)速度：120km/h；

（4）軌道結(jié)構(gòu)：碎石道床；

（5）設(shè)計(jì)荷載：中-活載；

（6）牽引種類(lèi)：內(nèi)燃。

豐沛鐵路線路兩側(cè)無(wú)電力設(shè)備。南側(cè)敷設(shè)有光纜GYTA53型16芯一條，電纜HEYFL237×4×0.9一條；通信光纜8芯一條，電纜HEYFL233×4×0.9一條，埋深1.55m。北側(cè)敷設(shè)有PTYA23型信號(hào)電纜12芯、16芯、24芯、30芯各一條，埋深1.35m。

2.3 燃?xì)夤艿琅c豐沛鐵路交叉情況

按照沛縣燃?xì)夤芫€規(guī)劃并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，港華燃?xì)馕骶€與南線高壓管道連接線自北向南依次穿越豐沛運(yùn)河及豐沛鐵路路基段。穿越位置處鐵路里程為K1+420，夾角為88°，管頂距鐵路路基坡腳處10m以上。燃?xì)夤芫€采用鋼防護(hù)套管定向鉆鉆進(jìn)施工，入土角為10°，出土角為11°，穿越總長(zhǎng)度為299.09m。燃?xì)庵鞴艿老麓┓秶鷥?nèi)防護(hù)套管采用Φ325x10mm螺旋焊縫鋼管，路基下方穿越地層主要為粉質(zhì)黏土，承載力小，透水性好，地層條件較差。穿越處平面位置關(guān)系詳見(jiàn)圖1。

圖1 燃?xì)夤芫€與豐沛運(yùn)河、豐沛鐵路平面位置關(guān)系圖

2.4 地層參數(shù)

根據(jù)工程勘察報(bào)告，穿越處場(chǎng)地范圍內(nèi)自上而下分別是雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土。有限元計(jì)算中采用的各土層參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 巖土物理參數(shù)

3 安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

管道定向鉆穿越粉質(zhì)黏土施工將引起地層變形，導(dǎo)致鐵路路基發(fā)生移動(dòng)和變形，進(jìn)而引起軌道受力和形態(tài)的變化。鐵路變形控制內(nèi)容主要包括：鐵路路基沉降、軌道水平高差、軌道前后高低等。

根據(jù)《上海鐵路局工務(wù)安全管理辦法》（上鐵工【2017】382號(hào)）及《普速鐵路線路修理規(guī)則》（鐵總工電〔2019〕34號(hào)）第6.2.1條的相關(guān)規(guī)定，綜合考慮豐沛鐵路重要性、運(yùn)營(yíng)時(shí)速以及使用頻率，主要控制指標(biāo)及限值如下表2所示：

表2 安全評(píng)估控制指標(biāo)及限值（mm）

4 計(jì)算分析

4.1 有限元模型

考慮到距離鐵路路基安全影響范圍以外的施工作業(yè)活動(dòng)對(duì)路基穩(wěn)定及行車(chē)安全的影響可以忽略不計(jì)，故在保證模型消除邊界效應(yīng)影響的前提下，將模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，只模擬鐵路中心線兩側(cè)各60m范圍內(nèi)的燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@施工及四電基坑開(kāi)挖施工。

計(jì)算模型長(zhǎng)120m，寬120m，深22.4m，土體及水泥漿填充采用3D實(shí)體單元模擬，鋼防護(hù)套管采用2D板單元模擬，軌道采用1D線單元模擬。路基上部列車(chē)荷載參照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10001-2016）以分布荷載形式加載在路基頂面模擬，土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束。三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

4.2 施工階段模擬

本工程施工過(guò)程模擬步驟按以下幾個(gè)階段進(jìn)行，分別為：初始應(yīng)力階段→四電基坑開(kāi)挖階段→鉆導(dǎo)向孔階段→擴(kuò)孔回托階段→四電基坑回填階段，具體模擬過(guò)程見(jiàn)表3：

表3 施工階段及內(nèi)容

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1 豐沛鐵路路基沉降變形影響分析

根據(jù)有限元軟件MIDAS GTS建立三維模型進(jìn)行計(jì)算分析，模擬各施工階段對(duì)豐沛鐵路路基沉降變形的影響，定向鉆施工階段鐵路路基頂面的沉降變形結(jié)果云圖見(jiàn)圖3～4。

圖3 鉆導(dǎo)向孔階段土層及路基沉降變形云圖

圖4 擴(kuò)孔回托階段土層及路基沉降變形云圖

根據(jù)圖5可知：定向鉆施工階段引起鐵路路基頂面沉降量最大值為0.298mm，滿(mǎn)足累計(jì)沉降限值10mm的要求，同時(shí)路基頂面的沉降速率亦控制在2mm/d以?xún)?nèi)。

圖5 豐沛鐵路路基頂面豎向變形曲線

4.3.2 豐沛鐵路軌道幾何狀態(tài)影響分析

（1）鋼軌高低不平順

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算各施工階段鐵路左、右軌的豎向位移，按照10m弦長(zhǎng)計(jì)算各工況下左、右軌的高低幾何形態(tài)，定向鉆施工階段鐵路左、右軌道高低不平順結(jié)果見(jiàn)下圖6～7。

圖6 豐沛鐵路左軌高低不平順曲線

圖7 豐沛鐵路右軌高低不平順曲線

（2）鋼軌水平不平順

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計(jì)算定向鉆施工階段鋼軌的水平不平順，鐵路鋼軌水平不平順結(jié)果見(jiàn)下圖8。

圖8 豐沛鐵路鋼軌水平不平順曲線

（3）軌道幾何不平順最不利值

由數(shù)值模擬得到燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@下穿豐沛鐵路引起的鐵路軌道幾何不平順最不利值如表4所示。

表4 豐沛鐵路軌道幾何不平順最不利值

由上表可知，燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@施工引起的豐沛鐵路鋼軌高低不平順最大值為0.269mm，水平不平順最大值為0.061mm，均滿(mǎn)足計(jì)劃維修狀態(tài)下6mm的高低與水平不平順控制指標(biāo)。

5 結(jié)論與建議

5.1 評(píng)估結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算分析可知：

（1）燃?xì)夤艿蓝ㄏ蜚@施工距鐵路路基坡腳處保持10m以上的垂直距離，防護(hù)套管壁厚不小于16mm，且鋼管與燃?xì)夤荛g隙充填注漿，可有效地控制鐵路路基及軌道的變形，確保鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

（2）定向鉆穿越粉質(zhì)黏土層應(yīng)控制泥漿配比及添加劑，以有效地控制鐵路路基及軌道的變形，確保鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

5.2 評(píng)估建議

（1）燃?xì)夤芫€鋼防護(hù)管設(shè)計(jì)荷載應(yīng)采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)荷載，滿(mǎn)足強(qiáng)度、穩(wěn)定性及耐久性要求。

（2）定向鉆鉆孔和拖拉作業(yè)應(yīng)利用列車(chē)間隔時(shí)間進(jìn)行實(shí)施。

（3）施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)整理分析對(duì)比，當(dāng)監(jiān)測(cè)變形達(dá)到預(yù)警值時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)頻率，調(diào)整定向鉆的施工參數(shù)，必要時(shí)停止施工采取針對(duì)性措施確保鐵路路基的運(yùn)行安全。