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        頂管下穿運營高速鐵路橋梁安全影響分析

        2022-04-20 10:41:50李金書
        鐵道建筑技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:聯(lián)絡(luò)線頂管橋墩

        李金書

        (中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)

        1 引言

        近年來,隨著城市規(guī)模的不斷擴大和鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展,越來越多的管線與鐵路營業(yè)線交叉。為了保證鐵路營業(yè)線的運營安全,一般管線都采用下穿的方式穿越鐵路營業(yè)線。針對管線下穿鐵路營業(yè)線所產(chǎn)生的影響,國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。徐威[1]建立三維有限元模型研究熱力管道采用頂管的方式穿越新、老京滬線所產(chǎn)生的影響,計算結(jié)果表明:采用頂管穿越新、老京滬線可以有效地控制鐵路營業(yè)線的沉降,滿足鐵路運營的安全要求。王浩[2]等人利用有限元軟件建立2D模型研究頂管下穿津秦高鐵對既有橋墩變形產(chǎn)生的影響,并提出了橋墩變形監(jiān)測具體方案,監(jiān)測結(jié)果表明橋墩變形在允許范圍內(nèi)。大量的研究成果表明新建下穿工程的結(jié)構(gòu)形式及其與既有鐵路的交叉角度工點地區(qū)的地質(zhì)參數(shù)等均會影響既有鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加變形[3-12]。隨著頂管下穿鐵路營業(yè)線研究成果的不斷豐富,頂管下穿鐵路營業(yè)線技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。

        2 工程概況

        天津市西青區(qū)萬匯路220 kV電力管線與京滬高鐵和津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線交叉。交叉點處地勢整體平坦開闊,場地現(xiàn)狀多為林地、荒地及鐵路保護區(qū),附近有市政道路,交通較為便利。地質(zhì)以軟土層為主,存在粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂土等不良地質(zhì)層,且有一定程度的地面沉降。經(jīng)詳細研究對比分析,本工程擬采用頂管的方式下穿京滬高鐵和津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線。

        京滬高鐵設(shè)計時速350 km,雙線無砟軌道;津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線設(shè)計時速200 km,為單線有砟軌道。兩者并行南北走向,線間距約45 m。新建電力管線于京滬高鐵天津特大橋1 498~1 499號橋墩之間穿過,交角82.3°,交叉處為24 m簡支箱梁,電力管線在橋下埋深4.88 m,與承臺最小凈距4.39 m,與樁基最小凈距5.40 m;新建電力管線于津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋16~17號橋墩之間穿過,交角89°,交叉處為32 m簡支箱梁,電力管線在橋下埋深5.98 m,與承臺最小凈距6.00 m,與樁基最小凈距7.12 m[3-5]。

        新建電力管線采用鋼筋混凝土套管,混凝土強度等級C50,內(nèi)徑2.40 m、外徑2.86 m,壁厚0.23 m,軸向長度102.86 m。頂管形式下穿鐵路營業(yè)線,頂進方向由東向西,控制頂力為12 746 kN,計算頂力最大7 932 kN。頂管位于基本承載力為120 kPa的粉土層內(nèi)。工作井位于京滬高鐵安保區(qū)外與卉康道交口處西側(cè)的林地內(nèi),接收井位于津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線西側(cè)安保區(qū)外的空地上[6]。

        3 有限元分析

        3.1 計算原理

        高速鐵路橋下施工下穿工程時,加載工況會引起工層壓縮,帶動橋墩產(chǎn)生附加沉降而橋下缷載施工(如挖土)會引起土體在一定程度上隆起,進而帶動橋墩上浮。

        3.2 計算模型

        采用Midas-GTS建立三維空間模型進行數(shù)值模擬計算,分別建立京滬高鐵天津特大橋1 497~1 500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15~18號橋墩基礎(chǔ)及新建電力管線模型,如圖1所示。土體、墩臺和高壓旋噴樁采用實體單元模擬,咬合支護鉆孔樁和頂管采用板單元模擬,鐵路橋梁樁基礎(chǔ)采用樁單元模擬。邊界約束條件施加在土體上,在模型底面限制豎向位移,在模型側(cè)面限制水平方向位移。計算荷載主要考慮土體自重、鐵路橋墩之間的橋梁自重、二恒、新建工程及防護工程自重[7-9]。

        圖1 計算模型

        3.3 計算參數(shù)

        材料參數(shù)采用鐵路橋梁地勘報告中給出的土體物理力學(xué)參數(shù)實測值,如表1所示。

        表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

        3.3 計算步驟

        參照新建工程實際施工步驟,數(shù)值模擬計算具體施工階段如表2所示。

        表2 施工階段

        4 計算結(jié)果匯總分析

        4.1 計算結(jié)果匯總

        提取新建工程施工引起京滬高鐵天津特大橋1 497~1 500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15~18號橋墩基礎(chǔ)墩頂累計沉降云圖如圖2所示。

        圖2 墩頂累計沉降位移云圖

        各施工階段京滬高鐵天津特大橋1 497~1 500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15~18號橋墩基礎(chǔ)各方向的墩頂變形曲線如圖3~圖8所示。

        圖3 天津特大橋1 497號~1 500號墩墩頂附加豎向位移曲線

        圖4 天津特大橋1 497號~1 500號墩墩頂附加縱向位移曲線

        圖5 天津特大橋1497號~1500號墩墩頂附加橫向位移曲線

        圖6 下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號墩墩頂附加豎向位移曲線

        圖7 下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號墩墩頂附加縱向位移曲線

        圖8 下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號墩墩頂附加橫向位移曲線

        由圖3~圖8可知,新建工程施工對津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋影響相對較大,對京滬高鐵天津特大橋影響相對較??;引起京滬高鐵天津特大橋1 497~1 500號橋墩基礎(chǔ)、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15~18號橋墩基礎(chǔ)橫向變形相對較大,豎向和縱向變形相對較小[10-12]。

        新建工程施工引起京滬高鐵天津特大橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現(xiàn)在1 498號橋墩基礎(chǔ),分別為-0.653 mm、-0.459 mm和-0.923 mm(均發(fā)生在工作豎井及接收豎井土體回填施工階段);引起津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋最大附加豎向、縱向和橫向位移均出現(xiàn)在16號橋墩基礎(chǔ),分別為-1.013 mm(發(fā)生在工作豎井及接收豎井土體回填階段)、1.041 mm(發(fā)生在工作豎井及接收豎井土體回填階段)和1.586 mm(發(fā)生在咬合支護鉆孔樁及高壓旋噴樁施工階段)。

        4.2 鐵路橋梁變形標準

        根據(jù)?公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程?(TB 10182—2017)14相關(guān)條文要求,京滬高鐵天津特大橋和津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋受下穿新建工程引起橋墩各個方向上的位移控制值分別為2 mm和3 mm。

        根據(jù)?鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程?(TB 10314—2021)13要求,確定變形預(yù)警值、報警值和控制值,具體監(jiān)控量測控制指標如表3、表4所示[13]。

        表3 京滬高鐵天津特大橋位移控制指標建議

        表4 津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋位移控制指標建議

        4.3 計算結(jié)果分析

        整理數(shù)值模擬計算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定的變形標準并進行對比,如表5、表6所示??梢钥闯?,在整個施工過程中引起京滬高鐵天津特大橋1 497~1 500號墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15~18號墩產(chǎn)生的附加位移值均滿足?公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程?(TB 10182—2017)[14]要求的墩頂附加變形要求。

        表5 京滬高鐵天津特大橋1 497號~1 500號墩墩頂最大附加位移

        表6 津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號墩墩頂最大附加位移

        (1)本工程各個階段引起的京滬高鐵天津特大橋1 497號~1 500號橋墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號橋墩基礎(chǔ)總附加豎向位移、附加縱向位移以及附加橫向位移均滿足規(guī)程限值要求。

        (2)本工程實施引起京滬高鐵天津特大橋1 498、1 499號橋墩沉降較大,產(chǎn)生的豎向最大附加位移達到-0.653 mm,但小于規(guī)范2 mm的附加位移限值要求,能夠滿足施工安全;1 497、1 500號橋墩沉降較小,產(chǎn)生的豎向最大附加位移小于0.3 mm,對土體僅產(chǎn)生輕微擾動。可以認為本項目實施對京滬高鐵天津特大橋其他橋墩基本無影響。

        (3)本工程實施引起津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋16、17號橋墩沉降較大,產(chǎn)生的豎向最大附加位移達到-1.013 mm,但小于規(guī)范3 mm的附加位移限值,能夠滿足施工安全要求;15、18號橋墩沉降較小,產(chǎn)生的豎向最大附加位移小于0.2 mm,對土體僅產(chǎn)生輕微擾動??梢哉J為本項目實施對津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋其他橋墩基本無影響。

        5 結(jié)論及建議

        新建電力管線工程以頂管形式下穿京滬高鐵天津特大橋、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋,通過分析,得出主要結(jié)論:新建電力管線工程以頂管形式下穿京滬高鐵天津特大橋、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋,能夠保證其安全運營。本文研究成果可以為類似工程設(shè)計施工提供參考,但需注意的是土層參數(shù)對施工過程模擬的準確性起決定性作用,本工程所采用的土層參數(shù)均建立在地勘資料的基礎(chǔ)上,京滬高鐵天津特大橋1 497號~1 500號橋墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號墩的變形應(yīng)以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為準。施工過程中,需實時觀測京滬高鐵天津特大橋1 497號~1 500號橋墩、津秦客專下行聯(lián)絡(luò)線1號橋15號~18號橋墩單日附加豎向位移監(jiān)控數(shù)據(jù),若位移過大,需要及時調(diào)整施工進度并采取相應(yīng)的施工措施。另外,電力管線工程本身的施工質(zhì)量應(yīng)當作為安全風(fēng)險防控的主要手段之一。

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