現(xiàn)代有軌電車斜跨輸油管保護(hù)方案設(shè)計(jì)

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（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

現(xiàn)代有軌電車斜跨輸油管保護(hù)方案設(shè)計(jì)

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（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

某新建現(xiàn)代有軌電車線路與既有輸油管斜交，保證施工和運(yùn)營(yíng)期間輸油管和有軌電車的安全是本工程的重點(diǎn)之一。設(shè)計(jì)方案采用樁板結(jié)構(gòu)路基及減振道床，以減少有軌電車對(duì)輸油管的影響；通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬驗(yàn)算了輸油管的受力與變形，分析了該方案的可行性。在項(xiàng)目施工期間和建成后還應(yīng)保持監(jiān)測(cè)，確保有軌電車和輸油管的安全，可為以后相關(guān)項(xiàng)目提供參考和借鑒。

有軌電車；輸油管；樁板結(jié)構(gòu)

0 引言

現(xiàn)代有軌電車為一種新型的城市軌道交通模式，相對(duì)于地鐵、輕軌等具有造價(jià)成本低、建設(shè)周期短的特點(diǎn)，因此規(guī)劃、建設(shè)規(guī)模逐年增長(zhǎng)。在有軌電車的建設(shè)過(guò)程中，與周圍既有環(huán)境不可避免地發(fā)生各種相互影響和制約。油氣管道為長(zhǎng)距離線性工程，有軌電車的建設(shè)有可能會(huì)與既有油氣管線產(chǎn)生交叉。當(dāng)與既有油氣管線產(chǎn)生交叉時(shí)，處理不當(dāng)可能會(huì)對(duì)油氣輸送與有軌電車行車帶來(lái)安全隱患。

樁板結(jié)構(gòu)是一種較為新型的路基結(jié)構(gòu)形式，目前主要應(yīng)用于高鐵、輕軌、有軌電車等項(xiàng)目中。樁板結(jié)構(gòu)由樁、托梁、承載板組成，其受力體系為由承載板將道床荷載傳遞至托梁，再通過(guò)樁將荷載傳遞至堅(jiān)硬持力層。承載板跨度一般為5～10 m。采用樁板結(jié)構(gòu)可以減小路基沉降，在軟土、濕陷性黃土等地質(zhì)條件下應(yīng)用效果較為顯著；可以提高車輛行駛的平順性和路基的耐久性；可以跨越既有管線，對(duì)既有管線影響較小；相對(duì)于復(fù)合地基加固的方法，能有效減小管線搬遷的工程量。

樁板結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)類似于橋梁,但是跨度相對(duì)較小。當(dāng)有軌電車與油氣管道發(fā)生交叉時(shí)，采用樁板結(jié)構(gòu)路基對(duì)既有管道進(jìn)行保護(hù)，具有建設(shè)成本適當(dāng)、結(jié)構(gòu)體系合理、對(duì)周圍環(huán)境影響小的特點(diǎn)。本文以某新建有軌電車項(xiàng)目為例，對(duì)有軌電車斜跨輸油管的方案進(jìn)行介紹和安全性分析。

1 工程概況

廣東某市新建現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目首期工程線路長(zhǎng)約6.6 km，大致呈南北走向。車輛為100%低地板、鉸接式現(xiàn)代有軌電車，采用3模塊4轉(zhuǎn)向架編組方式。最高運(yùn)行速度為70 km/h，車輛長(zhǎng)35.19 m，車體最大寬度2.65 m，車高約3.5 m，最大軸重120 kN。

根據(jù)管線物探資料，有一條既有輸油管道斜穿有軌電車路基下方，范圍為YDK4+326～YDK4+385。該輸油管為直徑273 mm的鋼管，壁厚6.4 mm，穿越線路段埋深為4～6 m，與有軌電車線路夾角約為8°。

2 環(huán)境及條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，本段線路附近地下水水位埋深約1.8 m，土層自上而下分布如下：

（1）1-1人工填土。線路通過(guò)取原始地表主要為水田，現(xiàn)狀為城市道路路基以及路中綠化帶，厚約2.5 m。表面為路面結(jié)構(gòu)及厚0.3～0.7 m的級(jí)配碎石，再往下為換填地基土，多為灰褐色、灰黃色中細(xì)砂夾黏性土，呈松散至稍密狀。位于綠化帶部分下方的填土則未經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的加固處理。

（2）2-1B淤泥質(zhì)土。該處厚約9.8 m，褐灰、灰黑、深灰色，流塑狀，該層土壓縮系數(shù)av=0.43～3.95（平均1.39）/MPa，有機(jī)質(zhì)含量Q=3.2%～20.7%，屬于高壓縮性有機(jī)質(zhì)土。

（3）7-1強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，鉆孔未揭穿。

3 方案設(shè)計(jì)

當(dāng)有軌電車行車時(shí)，輸油管受到來(lái)自上方路基的壓力，產(chǎn)生了一定的安全隱患。設(shè)計(jì)初期考慮過(guò)采用以下兩種方案進(jìn)行保護(hù)：一是改遷輸油管線；二是不改遷輸油管線路，采取一定的保護(hù)措施，減輕有軌電車對(duì)輸油管的影響。

由于輸油管改遷難度較大，協(xié)調(diào)層面較高，且附近并不具備改遷的條件，因此經(jīng)過(guò)方案比選后，確定不采用改遷輸油管線路的方案，但是需要采取一定的保護(hù)措施，以減小有軌電車項(xiàng)目對(duì)于輸油管的影響，保證輸油管和有軌電車的安全。在本項(xiàng)目施工階段及使用階段，輸油管道的應(yīng)力和變形應(yīng)滿足相應(yīng)的要求，主要有：

（1）輸油管道的應(yīng)力不得大于其許用應(yīng)力值。

（2）無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)下驗(yàn)算管道在外力作用下的變形，其水平方向直徑的變形量不得大于鋼管外徑的3%。

（3）由于項(xiàng)目施工及使用期會(huì)造成土體的變形，應(yīng)考慮管道曲率半徑的變化。彈性敷設(shè)管道的曲率半徑不宜小于鋼管外徑的1000倍，豎向下凹的彈性彎曲管段，其曲率半徑應(yīng)大于管道在自重條件下產(chǎn)生的撓度曲線的曲率半徑，其曲率半徑應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：R為管道彈性彎曲曲率半徑，m；D為管道的外徑，cm；a為管道的轉(zhuǎn)角。

（4）應(yīng)盡量減輕振動(dòng)對(duì)輸油管的影響。

為了達(dá)到上述要求，本工程所采取的保護(hù)措施應(yīng)能有效地減輕輸油管所受荷載和變形。鐵路項(xiàng)目常規(guī)的做法是修建保護(hù)涵進(jìn)行或者采用橋梁結(jié)構(gòu)跨過(guò)輸油管。由于該處輸油管埋深在4 m以上，施工保護(hù)涵開(kāi)挖深度偏大，開(kāi)挖過(guò)程會(huì)對(duì)輸油管產(chǎn)生較大影響。采用受力特征類似于橋梁的樁板結(jié)構(gòu)路基，可以將上部荷載通過(guò)樁傳遞至下伏基巖，有效減小輸油管所受荷載；在樁板結(jié)構(gòu)承載板上方的道床中加入減振措施，可以有效減輕振動(dòng)產(chǎn)生的影響。從結(jié)構(gòu)體系上來(lái)講該方案是較為合理的，成本相對(duì)較低，且便于施工。

具體方案如下：跨輸油管段采用樁板結(jié)構(gòu)路基，承載板跨距5m，每四跨設(shè)置一道伸縮縫。承載板厚度為0.5 m，寬3 m；托梁橫向跨過(guò)輸油管，尺寸為1.2 m×0.9 m。承載板與托梁均采用C35混凝土。采用直徑800 mm鉆孔灌注樁，以強(qiáng)風(fēng)化砂巖為持力層，樁長(zhǎng)約20 m。根據(jù)輸油管權(quán)屬部門的要求，鉆孔灌注樁與輸油管保持不小于5 m的凈距。樁板結(jié)構(gòu)路基平面布置如圖1所示。樁板結(jié)構(gòu)縱剖面及橫剖面示意圖如圖2所示。

圖1 樁板結(jié)構(gòu)路基平面布置

圖2 樁板結(jié)構(gòu)縱剖面及橫剖面示意圖

為了盡可能減小車輛行駛導(dǎo)致的振動(dòng)對(duì)輸油管線的影響，在線路與輸油管道交叉處前后各50 m范圍內(nèi)采用隔離式減振墊道床（見(jiàn)圖3）。隔離式減振墊道床將道床板與下方路基結(jié)構(gòu)隔離，鋼軌通過(guò)彈條扣件與道床板形成整體，并構(gòu)成浮置板軌道。當(dāng)有軌電車通過(guò)時(shí)，車輛軸載通過(guò)道床板均勻地作用在埋置與道床之中的隔離式減振墊上，經(jīng)過(guò)隔離式減振墊的緩沖作用后，垂直方向振動(dòng)強(qiáng)度可以得到大大的減輕。該系統(tǒng)對(duì)頻率在20 H z以上的振動(dòng)具有較好的減振效果[3]，適用于本項(xiàng)目。

圖3 隔離式減振墊道床

4 受力分析

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，因此樁板結(jié)構(gòu)路基仍有可能產(chǎn)生一定的沉降，繼而使土體產(chǎn)生一定的變形，并且輸油管承受一定的附加荷載和變形。因此有必要進(jìn)行計(jì)算分析，評(píng)估該方案的安全性。采用巖土、結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件PLAXIS（8.5）進(jìn)行建模和計(jì)算，分析樁板結(jié)構(gòu)路基施工及使用期間輸油管內(nèi)力變化情況和變形。

模型的邊界條件設(shè)置如下：兩側(cè)邊界為水平約束，底部采用豎向約束，土體上表面為自由面。根據(jù)地質(zhì)情況和計(jì)算范圍要求，計(jì)算模型區(qū)域尺寸為35 m×25 m（寬×深）。

計(jì)算恒載考慮結(jié)構(gòu)自重、整體道床、軌道及覆土；活載取有軌電車荷載，并根據(jù)道床及覆土的厚度，相應(yīng)地考慮1.3倍動(dòng)力系數(shù)。模型簡(jiǎn)圖及變形特征如圖4所示。

圖4 模型簡(jiǎn)圖及變形特征

計(jì)算得到的結(jié)果如下。

4.1 位移與變形

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目在施工和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，土體最大位移4.76 mm；輸油管最大總位移1.35 mm，其中豎向位移1.34 mm，水平向位移不到1 mm。

輸油管的結(jié)構(gòu)安全要求其曲率的變化應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)（見(jiàn)前文所述），根據(jù)此處輸油管的直徑以及管道轉(zhuǎn)角，撓度曲線曲率半徑不應(yīng)小于273 m。由于輸油管的剛度較小，通過(guò)線路兩側(cè)一定范圍內(nèi)土體變化情況以及輸油管與線路的夾角來(lái)推算輸油管曲率變化量。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，輸油管側(cè)-7～7 m范圍內(nèi)的土體豎向變形在0.14～4.76 mm，根據(jù)土體變形可推算出因本工程引起的輸油管撓度曲線半徑超過(guò)3×104m，大大超過(guò)273 m的限值要求，因此由管線撓度增加所導(dǎo)致的曲率半徑的增加相對(duì)于安全限值可忽略不計(jì)，滿足安全要求。

輸油管無(wú)內(nèi)壓狀態(tài)驗(yàn)算在外力作用下的變形，其水平方向直徑的變形量不應(yīng)大于鋼管外徑的3%；對(duì)于直徑為273 mm的輸油管道，水平方向直徑變化的限制是8 mm。根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果，本項(xiàng)目輸油管水平向直徑的變形量不足1 mm，小于限值，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

4.2 應(yīng)力

輸油管道應(yīng)力應(yīng)小于或等于鋼管許用應(yīng)力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于本項(xiàng)目的實(shí)施和使用，輸油管道截面外最大彎矩由22.01×10-3kN·m/m增加至22.19×10-3kN·m/m，增幅為0.8%。在不考慮輸油管內(nèi)壓的工況下，外界壓力導(dǎo)致的輸油管壁最大正應(yīng)力由3.22 MPa增加至3.25 MPa，遠(yuǎn)小于常規(guī)鋼管材料的許用應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，路基采用樁板結(jié)構(gòu)后，輸油管受影響較小，輸油管位移變形、應(yīng)力等計(jì)算均通過(guò)驗(yàn)算，滿足保護(hù)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程有軌電車線路斜跨輸油管段采用樁板結(jié)構(gòu)路基以減輕輸油管所受荷載和土體變形，并采用隔離式減振墊道床減少振動(dòng)影響。從數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看，在施工和運(yùn)營(yíng)期間輸油管內(nèi)力和變形都在安全范圍內(nèi)，該措施是可行和有效的。在項(xiàng)目施工期間和建成后，還應(yīng)保持監(jiān)測(cè)，確保有軌電車和輸油管的安全。

[1] 秦立新.無(wú)砟軌道樁板結(jié)構(gòu)路基設(shè)計(jì)計(jì)算[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2007,28（5）:5-9.

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[4] GB 50253—2014，輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U44

B

1009-7716（2017）11-0098-03

2017-07-18

張?chǎng)螤模?985-），男，江蘇啟東人，工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.028