蘭州環行線道岔區頂管設計

孫 瑋

(蘭州鐵道設計院有限公司，蘭州 730000)

1 工程概況

1.1 涵址概況

頂管位于蘭州石化公司化肥廠市政污水分流管線與西固環行線鐵路交叉處,里程為K9+891。頂管護涵孔徑依據穿越的管徑大小并與甲方協商予以確定,采用1孔φ2.0 m圓管斷面形式,頂管全長40 m,埋深6.5 m。頂管穿越石崗站場1、2、Ⅲ、4、5、6股道,其中4、5股道位于復式交分道岔范圍內。如圖1所示。

圖1 頂管結構(單位：cm)

1.2 工程地質和水文地質

根據調查及鉆探揭示,工點處分布地層主要為第四系全新統人工填土,砂質黃土、細圓礫土、卵石土、砂巖。分述如下。

(1)人工填土(Q4ml7)：既有西固環行線路基分布,厚3～9 m,青灰色,黃褐色、灰黑色等色,以卵石土、粗圓礫土、砂質黃土及其組合為主,粒徑大小分布不均。稍濕～潮濕,稍密～中密,Ⅱ級普通土。(2)砂質黃土(Q4al3)：主要在黃河南岸一級階地地表分布,厚2～4 m,淺黃、棕黃,黃褐色、土質較均勻,局部夾雜有少量細砂及卵礫石,砂質黃土多在頂部分布,潮濕～飽和,稍密～中密,σ0=100 kPa。 (3)細圓礫土(Q4al6)僅在局部呈透鏡狀分布,厚約2.5 m,青灰、黃褐色，卵礫石成分以硅質砂巖為主,磨圓度好,多呈渾圓狀,余為砂土充填。飽和,中密,Ⅱ級普通土,σ0=400 kPa。(4)卵石土(Q4al7)：厚度為4～7 m,局部厚可達10 m,青灰色,卵石成份以花崗巖、硅質砂巖為主,顆粒呈渾圓狀、圓棱狀,余為砂土充填,飽和,中密,Ⅲ級硬土,σ0=650 kPa。(5)砂巖(N1Ss)：在南岸夾于泥巖中,棕褐色、棕黃夾棕紅色,成分以石英、長石為主,粉細粒結構,砂、泥質膠結,強風化,Ⅲ級硬土,σ0=350 kPa；弱風化：Ⅳ級軟石,σ0=450 kPa。

工點范圍地下水位埋深2～8 m,主要賦存于卵石土及黃土中,依靠大氣降水、高階地地下水徑流、管道滲水、生產生活排水等補給。

2 設計內容確定

本護涵工程要穿越6股道,涵洞較長,為保證檢修人員安全并方便施工,采用1-2 m圓涵進行線下頂管作業。鑒于蘭州石化公司在鐵路兩側已布好排水管,且排水管位置不能進行改移的情況下,致使所設護涵穿越鐵路的地段正好位于石崗車站東咽喉,線路情況復雜,咽喉區道岔密集,股道之間布局有多處進出站信號機及電力電桿和鋼塔架,因此穿越位置選擇非常困難。經綜合考慮并根據現場實際情況,選擇管道穿越位置在西固環行線K9+891處,具體設計內容主要有：路基本體和地基注漿；既有線路及道岔加固；沉井設置及頂管作業。

2.1 路基注漿

(1)注漿目的

因頂管施工在既有鐵路下面8.5 m處進行,為減少施工對路基本體的擾動并保證行車安全,參考涵址處的地質狀況,采取壓力注漿法對該路基和地基進行土體加固。該方法以水泥水玻璃為主劑(采用雙液預注漿),通過高壓注漿泵,把配置好的懸濁液漿材壓入地基土層,漿材通過充填、壓密、劈裂、滲透等方式在原路基土中形成漿脈骨架而成復合路基。

(2)加固范圍

考慮線路加固長度需要,本次加固范圍順線路方向20 m,橫線路方向28 m,平均深度10 m,平均注漿孔間距約1.5 m,梅花形布置。詳見圖2。

圖2 路基注漿加固(單位：cm)

(3)注漿參數

注漿材料：水泥、水玻璃；注漿量：250～300 L/m3土；注漿壓力：1～2 MPa；漿材密度：1.8～2.0 t/m3。

2.2 線路加固

結合現場實際情況,為保證行車安全和對鐵路運營影響最小的前提下,采取不同的加固方式。

(1)針對石崗站場北側1、2、Ⅲ股道普通線路,采用D型12 m施工便梁結合挖孔樁基礎一次性加固鐵路兩側,挖孔樁采用φ1.5 m的圓形鋼筋混凝土樁,樁底應置于頂管底部1.5 m以下,通過列車限速45 km/h。

(2)針對石崗站場北側4、5、6股道,則采用φ1.5 m的挖孔樁和工字鋼縱橫梁特殊加固方式加固復式交分道岔及6道,通過道岔列車限速45 km/h。同時,各線之間的通信、信號電線電纜和鐵路進出站矮柱信號機等其他鐵路設備應做相應的防護和改移。

(3)縱橫抬梁加固具體措施

①吊軌梁

吊軌梁組裝形式為3-5-3,鋼軌接頭需錯開1 m以上,兩端延伸最外橫梁以外3～5 m,并加設臨時梭頭,吊軌用U形螺栓與其下面的木枕及橫梁牢固連結在一起以增加其整體性和剛度。

②H型鋼橫梁

橫梁采用2根一束H700×300型鋼組成,鋪設間距約為2.5 m,橫梁橫向下穿股道,與股道上木枕及吊軌梁用U形卡連接,直接橫抬基本軌和吊軌。

③縱梁

加固范圍4、5、6道中部采用5扣吊軌作為輔助縱梁,外側采用3扣吊軌作為輔助縱梁。鋼軌接頭需錯開1 m以上,兩端延伸最外橫梁以外3～5 m,并加設臨時梭頭,吊軌用U形螺栓與其下面的木枕及橫梁牢固連結在一起以增加其整體性和剛度。4、5、6道線路外側在滿足限界情況下設置加固縱梁,采用I115型簡支工便梁,簡支工便梁位于H700×300型鋼橫梁上,縱橫梁之間采用φ32 mm螺栓(精軋螺紋鋼)連接牢固，見圖3。

圖3 線路加固示意(單位：cm)

2.3 沉井設置及頂管作業

(1)沉井設置

因管道穿越處自上而下大致位于圓礫土、卵石、砂巖3種交互地層上,地質情況復雜,地下水位較高,并且管道穿越處管頂距鐵路軌底填土高度在6.5 m以上,為保證頂管作業的順利實施及防止頂管工作坑的坑壁坍塌,在頂管出入口兩端特別設置鋼筋混凝土沉井。一方面,沉井可安全的支撐工作坑壁,并可作為頂管的部分后背使用；另一方面,可作為護涵的檢查井,便于今后管道的維修及養護。

考慮沉井的臨時后背作用及吊裝的管節擺放需要,沉井尺寸擬采用6.0 m(橫線路方向)×5.0 m(順線路方向)的矩形沉井,壁厚定為0.8 m。沉井前端距鐵路路基坡腳以外最小距離應大于3.0 m。沉井開挖斷面大及井身下沉較深,為防止井壁因側土壓力擠壓而發生橫移變形,在井口需設置鋼筋混凝土連接橫梁,用于支撐井壁和架設蓋板的支撐梁。

(2)頂管作業

頂管采用1-2.0 m鋼筋混凝土圓管護涵,管節2 m一節,工廠預制,現場吊裝頂進。

管節頂進前端應事先裝設切割鋼刃角,以減少頂入阻力。考慮護涵較長且管頂填土較高,頂管采用分段頂入法施工。為保證頂進作業平穩有序地進行,在頂管工作坑內(沉井)應鋪設0.5 m厚的C25混凝土滑板基礎,再在其上設置導向軌(可采用輕型鋼軌),軌下滿鋪已預埋混凝土基礎中的枕木,導向軌與枕木以道釘固定。頂管工作坑內的后背墻作為千斤頂的支撐結構,要有足夠的強度和剛度,且變形要均勻。基于此,本工程采用鋼結構結合鋼筋混凝土后背,并且工作坑內擬配置4臺300 t液壓千斤頂。為防止涵管在頂進過程中各管節之間發生錯動現象,保持涵管直線均勻地向前移動,管節之間連接采用鋼漲圈,鋼漲圈與頂管內徑用木楔打進塞緊。為方便運土和人員走動,鋼漲圈直徑不宜過小,而且靠底部要與管壁貼緊,頂進完畢后打掉木楔取出鋼漲圈。管節接縫采用鋼板內套環處理。用鋼板彎成圓環,焊接后裝在接縫處,用石棉水泥捶縫,外面用M10水泥砂漿抹面。

頂進超前挖土時,應事先打設3.0 m長、φ42 mm的超前小導管,分上下兩層梅花形環向布置,間距0.4 m,其下設置20 mm厚的環形加工鋼板,用于固結路基土體,不使其下沉。并嚴格控制管節端部以外超挖不得超過20 cm。

3 加固體系計算分析

本涵道岔加固體系均采用Midas 程序建模分析,經計算分析,縱梁受力滿足要求,岔區橫梁由于跨度較大,列車荷載作用下撓度較大。為增強加固體系的整體剛度,保證施工期間列車安全運行,采取增大橫梁規格的辦法,減小橫梁應力及撓度,確保了行車安全。采用此辦法后橫梁計算最大撓度為6 mm,小于規范規定的L/400。

4 結語

本頂管的設計采用一次性加固路基本體及既有線路,加固體系安全可靠,很好地解決了岔區頂管的施工問題。目前本頂管施工已順利完成,其所采用的方法對于今后類似結構的設計有一定的借鑒作用。

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