大型輸水管道穿越高鐵動(dòng)荷載作用下受力研究

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300222）

大型輸水管道穿越高鐵動(dòng)荷載作用下受力研究

陳濤濤

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津300222）

本文依托大型輸水管道穿越京哈鐵路工程，在高鐵兩側(cè)30m之內(nèi)嚴(yán)禁明挖，設(shè)計(jì)覆土厚度為0.8m的條件下施工，由于大口徑套管頂進(jìn)過(guò)程因原狀土粘結(jié)力過(guò)小導(dǎo)致局部涌起和偏移，需要重新?lián)Q填。但套管頂進(jìn)設(shè)計(jì)過(guò)程未考慮原狀土換填的工況，文中對(duì)套管頂部覆土換填過(guò)程的受力情況以及套管運(yùn)用過(guò)程中承壓水受力進(jìn)行了分析論述。

套管頂進(jìn)；覆土換填；穿越；承壓水；大型輸水管道

1 工程概況

某供水工程供水管線由京哈高鐵八寶屯特大橋橋下通過(guò)。供水管線分4孔，分別由八寶屯特大橋第126—129孔穿越鐵路，管線與京哈高鐵的交叉角度為60°，即有京哈高鐵32m簡(jiǎn)支箱梁，圓端型橋墩，承臺(tái)尺寸為6.2m×10.2m，承臺(tái)高2.0m，為8根1.0m樁基礎(chǔ)。交叉處梁底至地面最小距離為5.1m，施工期間橋下禁止通行大型施工設(shè)備，如確實(shí)需要，則需繞行其他允許通過(guò)地段或設(shè)置限界架、防撞墩等保護(hù)措施。

每根供水管線為φ3220mm帶加勁環(huán)鋼管。每根供水管線為φ3220mm鋼管，外套DN4000× 3000H8頂管，頂管為4座獨(dú)立的1.0~4.0m頂管，頂管內(nèi)徑4.0m，壁厚0.4m，單節(jié)長(zhǎng)3.0m，設(shè)計(jì)覆土厚度按照0.8m考慮，每根頂管長(zhǎng)度為63.0 m。該處管線為4×DN3200輸水鋼管穿越，工作壓力1.4MPa。高速鐵路運(yùn)行安全管理?xiàng)l例規(guī)定：高鐵200m之內(nèi)禁止降水，30m之內(nèi)嚴(yán)禁明挖。

2 地質(zhì)概況

穿越京哈京哈高鐵場(chǎng)地地貌類型屬?zèng)_、洪積相構(gòu)成的階地，地形較為平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，原場(chǎng)地地面為水田，現(xiàn)地面高程84.0～85.0m。場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為上層滯水和承壓水：

1）上層滯水：整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)均有分布，賦存于耕植土中，接受大氣降水和人工灌溉補(bǔ)給，以蒸發(fā)為主要排泄方式，水位埋深較淺，地表直接出露，鉆孔在2.0m左右揭露。

2）承壓水：整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)均有分布，埋深7.8～9.6 m，水位高程74.4～75.9m，賦存于粉細(xì)砂及圓礫中。根據(jù)前期勘察資料得知，圓礫層的下部為風(fēng)化片巖，與此次勘察揭露的粉質(zhì)黏土均為微透水地層，造成圓礫層中的地下水具有了一定的承壓性。

3 涵頂覆土換填過(guò)程受力分析

穿越京哈高鐵施工項(xiàng)目，設(shè)計(jì)過(guò)程中未考慮換填土對(duì)頂管受力影響，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際由于套管覆土深度約0.8m且為原狀土，頂進(jìn)過(guò)程中土體難免不發(fā)生偏移，造成原地貌地基承載力降低，再爭(zhēng)取高鐵工務(wù)段同意，允許在套管頂進(jìn)過(guò)程中局部的涌土情況采用人工整平。待頂進(jìn)完成之后，為了確保原地貌地基和高鐵檢修便道地基承載力，需在高鐵工務(wù)段監(jiān)控下，對(duì)涵頂部位土體進(jìn)行壓實(shí)和換填，確保檢修便道地基承載力和套管承載力均滿足要求。

3.1 管道變形

采用ABAQUS軟件對(duì)換填過(guò)程中的套管受力進(jìn)行分析。管道在涵頂原地貌修整過(guò)程中，套管橫向和豎向位移值見(jiàn)表1。

表1 PCCP管道縱向變形管芯內(nèi)側(cè)外側(cè)位移值mm

由表1分析可知：在回填土壓作用下，管道內(nèi)側(cè)和外側(cè)的變形近似相等，內(nèi)外側(cè)變形量隨著時(shí)間荷載步的變化近乎一致。

在管道橫向變形方面，在該力作用下，管體橫向收縮位移為正值，這是由于管道在各層回填土壓作用下產(chǎn)生橫向延伸。在管道縱向變形方面，隨著填土荷載的逐層施加，管道縱向收縮變形繼續(xù)增大，管道在縱向繼續(xù)被壓縮。

通過(guò)縱橫向?qū)Ρ瓤梢缘贸觯诤罄m(xù)回填土過(guò)程中，橫向收縮逐漸減小，縱向收縮繼續(xù)增大，即管體橫向直徑增大，縱向直徑減小，可見(jiàn)在土壓作用下發(fā)生水平方向延伸垂直方向收縮的橢圓形變形。

3.2 管道混凝土應(yīng)力變化

基于ABAQUS的φ4.8m套管結(jié)構(gòu)有限元分析，由土方回填結(jié)束管芯混凝土應(yīng)力變化云圖分析可得：混凝土管芯管底內(nèi)側(cè)最大主應(yīng)力值為正，表明管芯內(nèi)側(cè)混凝土受拉，隨著荷載步的增加，管底內(nèi)側(cè)混凝土最大主應(yīng)力值逐漸增大，即混凝土拉應(yīng)力值逐漸增加，至第三層回填土回填完畢，管底內(nèi)側(cè)混凝土最大拉應(yīng)力值為1.18MPa，小于該標(biāo)號(hào)混凝土的抗拉強(qiáng)度；混凝土管芯管底外側(cè)最大主應(yīng)力值為負(fù)，表明管芯外側(cè)混凝土受壓，隨著荷載步的增加，該側(cè)混凝土壓應(yīng)力值逐漸增大，最大值為0.16MPa，遠(yuǎn)小于該標(biāo)號(hào)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3.3 管道鋼筒應(yīng)力變化

基于ABAQUS的φ4.8m套管結(jié)構(gòu)有限元分析及土方回填結(jié)束管芯鋼管應(yīng)力變化云圖分析可得：管底和管頂位置鋼筒中應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，管腰位置鋼筒中應(yīng)力呈上升趨勢(shì)?；靥钔镣戤吅蠊艿住⒐茼斘恢娩撏仓袘?yīng)力為34MPa，管腰位置鋼筒中應(yīng)力為96MPa，鋼管應(yīng)力變化遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。

4 套管服役過(guò)程承壓水分析

4.1 套管幾何尺寸

京哈高鐵管線采用預(yù)應(yīng)力混凝土套管，包含混凝土、鋼筒和砂漿保護(hù)層。單節(jié)套管長(zhǎng)3000mm，內(nèi)徑4000mm，外徑4800mm，壁厚400mm。

供水管線為φ3220mm鋼管，外套DN4000× 3000H8頂管，設(shè)計(jì)覆土厚度按照1.2m考慮。管線與京哈高鐵的交叉角度為60°。該處管線為4× DN3220輸水鋼管穿越，工作壓力1.4MPa。

4.2 單元類型

套管有限元模型分析主要采用2種單元混凝土和砂漿保護(hù)層采用Soild單元模擬，鋼筒屬于薄壁結(jié)構(gòu)，采用Shell單元，材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 套管材料參數(shù)

假定鋼筒于混凝土之間完全解除，即不考慮隔層建的相對(duì)滑移或脫空等現(xiàn)象，把鋼筒殼單元節(jié)點(diǎn)和混凝土實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)的自由度約束在一起。

4.3 套管受力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)文件套管標(biāo)準(zhǔn)工作壓力為1.4MPa，其中輸水鋼管為傳力作用，承受壓力為外套鋼管。為了更好的了解套管內(nèi)力變化，先對(duì)管芯內(nèi)部依次施加水壓力0.6MPa和1.4MPa?；贏BAQUS的φ4.8m套管鋼筒結(jié)構(gòu)計(jì)算出應(yīng)力云圖。

各級(jí)水壓力下套管鋼筒和混凝土經(jīng)ABAQUS軟件計(jì)算得出的各部件極值應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 不同水壓力情況下套管各部件的極值應(yīng)力MPa

由表3綜合分析可知：

1）在內(nèi)水壓力從0.6MPa加到1.4MPa過(guò)程中，加載到極限內(nèi)水壓力1.4MPa時(shí)，鋼筒中最大應(yīng)力近似73MPa，相比受拉強(qiáng)度227MPa，也有較大富余。在管道正常運(yùn)行過(guò)程中，內(nèi)層鋼筒也具有較高的可靠性。

2）在內(nèi)水壓力從0.6MPa加到1.4MPa過(guò)程中，工作內(nèi)壓0.6MPa時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力1.87 MPa，最大壓應(yīng)力8.76MPa，均小于該混凝土的抗拉抗壓強(qiáng)度。當(dāng)內(nèi)水壓力增加到極限內(nèi)壓1.4 MPa時(shí)，混凝土最大拉應(yīng)力6.79MPa，混凝土最大壓應(yīng)力10.31MPa，小于該混凝土的抗壓強(qiáng)度48MPa，混凝土在該內(nèi)壓下抗壓滿足要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文著重對(duì)大型輸水管道穿越京哈鐵路工程施工技術(shù)進(jìn)行全面的分析。在確保輸水管線穿越高速鐵路的工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本等綜合因素，首次提出并采用超大管徑套管一次頂進(jìn)法穿越高速鐵路的施工技術(shù)。

通過(guò)對(duì)套管頂進(jìn)過(guò)程，覆土換填過(guò)程中受力情況和后期服役承壓水作用下的受力分析，套管是否設(shè)計(jì)要求。不僅將為今后相似地區(qū)的類似穿越工程建設(shè)提供實(shí)例參考，同時(shí)對(duì)類似淺覆土套管頂進(jìn)工程具有借鑒作用。

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2016-12-11