沁縣集中供熱防護套管下穿太焦鐵路對既有鐵路橋梁的影響分析

劉曉梁

(中國中鐵工程設(shè)計咨詢集團太原設(shè)計院，山西 太原 030013)

在城市公共設(shè)施建設(shè)過程中，由于公路、鐵路的提前規(guī)劃、建設(shè)完成，對城市的其他公共設(shè)施以及居民生活區(qū)造成了分割。完善城市管網(wǎng)系統(tǒng)，按照生產(chǎn)、生活所需布設(shè)管網(wǎng)，服務(wù)人民群眾，是提升城市公共服務(wù)水平的重要環(huán)節(jié)。城市集中供熱管線在敷設(shè)時，經(jīng)常會遇到下穿公路、鐵路的情形，本文通過一處熱力管線下穿鐵路的案例，分析計算由于下穿管線的施工對鐵路橋梁的影響。

1 工程概況

項目轄區(qū)位于山西省長治市沁縣。本工程為沁縣供熱管線下穿太焦鐵路工程，供熱管有2根，規(guī)格分別為DN800和Q335螺旋縫焊接鋼管。太焦鐵路是始建于20世紀50年代的普速鐵路，北起山西太原，途經(jīng)晉中、長治、晉城至河南焦作，與焦柳、侯月鐵路相接，共經(jīng)5個地級市。

沁縣供熱管線從太焦鐵路涅河大橋5#橋墩和6#橋墩之間穿過，涅河大橋為8孔32 m梁橋，既有橋為擴大基礎(chǔ)。下穿施工時，采用土壓平衡工藝從南向北頂進施工，并采用2根1.5 m套管型式對熱力管道進行防護，防護套管長度均為48 m，軸線與鐵路夾角70°。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

本工程位于山西省長治市沁縣南側(cè)，沁縣與武鄉(xiāng)縣交界處，下穿太焦鐵路。附近有省道S322及多條鄉(xiāng)村道路可通行，交通狀況較方便。項目區(qū)屬沖積河谷區(qū)，地形相對平緩，水流狹窄，河漫灘廣泛分布第四系沖洪積層，河床開辟為耕地。場地內(nèi)出露地層由新到老有：粉土、細砂、砂礫、強風化砂巖、中風化砂巖、泥巖。

該地區(qū)地表水為涅河，是濁漳北源的一級支流，枯水期清水流量在0.5～1.0 m3/s。地下水埋深為1.7～2 m，受涅河補給。

3 下穿方案

太焦鐵路湼河大橋5#墩與6#墩之間采用32 m預應(yīng)力混凝土簡支T梁，圓端型橋墩，墩高均為11.0 m，橋墩基礎(chǔ)均采用擴大基礎(chǔ)，承臺尺寸均為5.4 m×7.1 m×1.0 m。

本工程工作井、接收井采用鉆孔灌注樁型式，由于地下水位較高，工作井及接收井外側(cè)設(shè)置單排旋噴樁止水帷幕。頂管采用《混凝土和鋼筋混凝土排水管(GB/T 11836-2009)》規(guī)定的(DRCPⅢ1 500×2 000GB/T11836)管體，管口型式為柔性接頭鋼承插口。管內(nèi)徑1 500 mm，外徑1 800 mm，管壁厚150 mm，單節(jié)長度2 000 mm，頂進施工24節(jié)頂管，頂管與鐵路斜交呈70°角，防護管全長48 m。頂管控制頂力(最大縱向軸力)：4 200 kN。

2根頂管凈距2.04 m，與橋墩擴大基礎(chǔ)距離均為10.78 m，頂管覆土分別為4.49 m、4.37 m，鐵路梁體距地表高度為11.91 m。

4 頂進施工對鐵路橋梁的影響分析

4.1 建立有限元模型

本文根據(jù)理論基礎(chǔ)上，采用大型通用有限元分析軟件Midas GTSNX建立整體三維有限元模型進行計算分析。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，將施工場地的分層土簡化為若干個土層，土體模型認為各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布，且同一土層為各向同性。模型長度為80 m，寬度48 m，深度30 m，土體采用摩爾-庫倫模型來模擬土的本構(gòu)關(guān)系，橋梁的橋墩及承臺采用3D實體單元模擬，防護管涵采用2D板單元模擬，橋梁的上部結(jié)構(gòu)均以荷載組合形式加載在墩頂上來模擬，土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束。

表1 主要土層參數(shù)表

4.2 施工過程模擬

本文對橋下供熱輸配管道防護涵施工全過程進行模擬。建立模型后，首先設(shè)定橋墩地基在現(xiàn)狀自重應(yīng)力下達到平衡，然后防護管涵分節(jié)逐漸頂進，并開挖相應(yīng)土方，直至48 m供熱防護管涵全部頂進完畢，計算分析頂進施工對既有橋梁橋墩沉降及位移的影響。

模擬步驟為：建立既有橋梁相關(guān)結(jié)構(gòu)并加載橋墩上部荷載(頂進前現(xiàn)狀)→位移清零→施加頂力分節(jié)分階段頂進防護管涵→開挖相應(yīng)土方。

4.3 計算結(jié)果分析

計算分以下幾個施工階段，分別為：頂進之前太焦鐵路橋梁現(xiàn)狀階段、頂管頂進12 m階段、頂進18 m階段、頂進24 m階段、頂進34 m階段、頂進48 m(頂進完成)階段。

首先建立有限元軟件模型，頂進施工之前，在地層及橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型上施加自重并在橋墩上部按照墩頂最不利荷載組合工況加載。然后，分別計算出各個施工階段5#橋墩墩頂和6#橋墩墩頂?shù)呢Q向位移、縱向水平位移、橫向水平位移。計算得出位移最大值以及產(chǎn)生的位置見表2。

表2 最大位移列表

根據(jù)變形云圖可知，由于頂管頂進施工會造成頂進段周圍一定范圍內(nèi)的土體隆起，其兩側(cè)一定范圍內(nèi)的土體則會相應(yīng)的發(fā)生沉降。隨著頂進施工的進行，在完全頂進48 m時，5#橋墩墩頂豎向位移達到最大值，最大沉降量達到0.013 1 mm；5#橋墩墩頂縱向水平位移達到最大值，指向鐵路大里程方向最大位移為0.007 7 mm。在頂進24 m時，6#橋墩墩頂橫向水平位移達到最大值，指向鐵路大里程方向左側(cè)最大位移為0.005 1 mm。

通過數(shù)值模擬計算分析，并結(jié)合國內(nèi)同類工程實例經(jīng)驗，在各項技術(shù)措施落實到位的基礎(chǔ)上，在正常開挖并及時施作頂進防護管的狀態(tài)下，本工程各個施工階段引起太焦鐵路橋梁基礎(chǔ)的附加總沉降及附加總差異沉降、水平橫向位移、水平縱向位移均是十分微小的，且滿足《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》(TB10002-2017)中工后沉降量及位移的相關(guān)要求。

5 結(jié) 論

市政管線下穿既有鐵路工程是市政工程建設(shè)過程中經(jīng)常遇到的問題。下穿鐵路橋梁施工若采用明挖基坑、敷設(shè)管線、地表回填的施工方法，對鐵路橋墩的沉降及位移影響較大，對鐵路的正常運營造成安全隱患，也難以征得鐵路管理部門的同意。

本文基于頂進施工方案下穿鐵路橋梁的案例，分析計算了在頂進施工過程中各階段對鐵路橋梁的影響，重點分析對鐵路橋墩沉降、縱向位移、橫向位移的影響。通過分析計算可知，采用頂進施工方案可有效降低對鐵路橋梁的影響，對鐵路橋墩的沉降及位移影響十分微小。對類似項目在實施過程中的計算分析具有一定的參考價值。