蘭州環(huán)行線道岔區(qū)頂管設(shè)計(jì)

孫 瑋

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)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(huán)行線鐵路交叉處,里程為K9+891。頂管護(hù)涵孔徑依據(jù)穿越的管徑大小并與甲方協(xié)商予以確定,采用1孔φ2.0 m圓管斷面形式,頂管全長(zhǎng)40 m,埋深6.5 m。頂管穿越石崗站場(chǎng)1、2、Ⅲ、4、5、6股道,其中4、5股道位于復(fù)式交分道岔范圍內(nèi)。如圖1所示。

圖1 頂管結(jié)構(gòu)(單位：cm)

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

根據(jù)調(diào)查及鉆探揭示,工點(diǎn)處分布地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土,砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土、卵石土、砂巖。分述如下。

(1)人工填土(Q4ml7)：既有西固環(huán)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(zhì)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(jí)普通土。(2)砂質(zhì)黃土(Q4al3)：主要在黃河南岸一級(jí)階地地表分布,厚2～4 m,淺黃、棕黃,黃褐色、土質(zhì)較均勻,局部夾雜有少量細(xì)砂及卵礫石,砂質(zhì)黃土多在頂部分布,潮濕～飽和,稍密～中密,σ0=100 kPa。 (3)細(xì)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(zhì)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(jí)普通土,σ0=400 kPa。(4)卵石土(Q4al7)：厚度為4～7 m,局部厚可達(dá)10 m,青灰色,卵石成份以花崗巖、硅質(zhì)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(jí)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(zhǎng)石為主,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),砂、泥質(zhì)膠結(jié),強(qiáng)風(fēng)化,Ⅲ級(jí)硬土,σ0=350 kPa；弱風(fēng)化：Ⅳ級(jí)軟石,σ0=450 kPa。

工點(diǎn)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(chǎn)生活排水等補(bǔ)給。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容確定

本護(hù)涵工程要穿越6股道,涵洞較長(zhǎng),為保證檢修人員安全并方便施工,采用1-2 m圓涵進(jìn)行線下頂管作業(yè)。鑒于蘭州石化公司在鐵路兩側(cè)已布好排水管,且排水管位置不能進(jìn)行改移的情況下,致使所設(shè)護(hù)涵穿越鐵路的地段正好位于石崗車站東咽喉,線路情況復(fù)雜,咽喉區(qū)道岔密集,股道之間布局有多處進(jìn)出站信號(hào)機(jī)及電力電桿和鋼塔架,因此穿越位置選擇非常困難。經(jīng)綜合考慮并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選擇管道穿越位置在西固環(huán)行線K9+891處,具體設(shè)計(jì)內(nèi)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(shè)置及頂管作業(yè)。

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(jìn)行,為減少施工對(duì)路基本體的擾動(dòng)并保證行車安全,參考涵址處的地質(zhì)狀況,采取壓力注漿法對(duì)該路基和地基進(jìn)行土體加固。該方法以水泥水玻璃為主劑(采用雙液預(yù)注漿),通過(guò)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(guò)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(fù)合路基。

(2)加固范圍

考慮線路加固長(zhǎng)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(jiàn)圖2。

圖2 路基注漿加固(單位：cm)

(3)注漿參數(shù)

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(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,為保證行車安全和對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)影響最小的前提下,采取不同的加固方式。

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

(2)針對(duì)石崗站場(chǎng)北側(cè)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(fù)式交分道岔及6道,通過(guò)道岔列車限速45 km/h。同時(shí),各線之間的通信、信號(hào)電線電纜和鐵路進(jìn)出站矮柱信號(hào)機(jī)等其他鐵路設(shè)備應(yīng)做相應(yīng)的防護(hù)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(cuò)開(kāi)1 m以上,兩端延伸最外橫梁以外3～5 m,并加設(shè)臨時(shí)梭頭,吊軌用U形螺栓與其下面的木枕及橫梁牢固連結(jié)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(shè)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(cè)采用3扣吊軌作為輔助縱梁。鋼軌接頭需錯(cuò)開(kāi)1 m以上,兩端延伸最外橫梁以外3～5 m,并加設(shè)臨時(shí)梭頭,吊軌用U形螺栓與其下面的木枕及橫梁牢固連結(jié)在一起以增加其整體性和剛度。4、5、6道線路外側(cè)在滿足限界情況下設(shè)置加固縱梁,采用I115型簡(jiǎn)支工便梁,簡(jiǎn)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(jiàn)圖3。

圖3 線路加固示意(單位：cm)

2.3 沉井設(shè)置及頂管作業(yè)

(1)沉井設(shè)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(zhì)情況復(fù)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(yè)的順利實(shí)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(shè)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(hù)涵的檢查井,便于今后管道的維修及養(yǎng)護(hù)。

考慮沉井的臨時(shí)后背作用及吊裝的管節(jié)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(yīng)大于3.0 m。沉井開(kāi)挖斷面大及井身下沉較深,為防止井壁因側(cè)土壓力擠壓而發(fā)生橫移變形,在井口需設(shè)置鋼筋混凝土連接橫梁,用于支撐井壁和架設(shè)蓋板的支撐梁。

(2)頂管作業(yè)

頂管采用1-2.0 m鋼筋混凝土圓管護(hù)涵,管節(jié)2 m一節(jié),工廠預(yù)制,現(xiàn)場(chǎng)吊裝頂進(jìn)。

管節(jié)頂進(jìn)前端應(yīng)事先裝設(shè)切割鋼刃角,以減少頂入阻力?？紤]護(hù)涵較長(zhǎng)且管頂填土較高,頂管采用分段頂入法施工。為保證頂進(jìn)作業(yè)平穩(wěn)有序地進(jìn)行,在頂管工作坑內(nèi)(沉井)應(yīng)鋪設(shè)0.5 m厚的C25混凝土滑板基礎(chǔ),再在其上設(shè)置導(dǎo)向軌(可采用輕型鋼軌),軌下滿鋪已預(yù)埋混凝土基礎(chǔ)中的枕木,導(dǎo)向軌與枕木以道釘固定。頂管工作坑內(nèi)的后背墻作為千斤頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu),要有足夠的強(qiáng)度和剛度,且變形要均勻。基于此,本工程采用鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合鋼筋混凝土后背,并且工作坑內(nèi)擬配置4臺(tái)300 t液壓千斤頂。為防止涵管在頂進(jìn)過(guò)程中各管節(jié)之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,保持涵管直線均勻地向前移動(dòng),管節(jié)之間連接采用鋼漲圈,鋼漲圈與頂管內(nèi)徑用木楔打進(jìn)塞緊。為方便運(yùn)土和人員走動(dòng),鋼漲圈直徑不宜過(guò)小,而且靠底部要與管壁貼緊,頂進(jìn)完畢后打掉木楔取出鋼漲圈。管節(jié)接縫采用鋼板內(nèi)套環(huán)處理。用鋼板彎成圓環(huán),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(jìn)超前挖土?xí)r,應(yīng)事先打設(shè)3.0 m長(zhǎng)、φ42 mm的超前小導(dǎo)管,分上下兩層梅花形環(huán)向布置,間距0.4 m,其下設(shè)置20 mm厚的環(huán)形加工鋼板,用于固結(jié)路基土體,不使其下沉。并嚴(yán)格控制管節(jié)端部以外超挖不得超過(guò)20 cm。

3 加固體系計(jì)算分析

本涵道岔加固體系均采用Midas 程序建模分析,經(jīng)計(jì)算分析,縱梁受力滿足要求,岔區(qū)橫梁由于跨度較大,列車荷載作用下?lián)隙容^大。為增強(qiáng)加固體系的整體剛度,保證施工期間列車安全運(yùn)行,采取增大橫梁規(guī)格的辦法,減小橫梁應(yīng)力及撓度,確保了行車安全。采用此辦法后橫梁計(jì)算最大撓度為6 mm,小于規(guī)范規(guī)定的L/400。

4 結(jié)語(yǔ)

本頂管的設(shè)計(jì)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(qū)頂管的施工問(wèn)題。目前本頂管施工已順利完成,其所采用的方法對(duì)于今后類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

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