現(xiàn)代有軌電車斜跨輸油管保護方案設計

張鑫犇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

現(xiàn)代有軌電車斜跨輸油管保護方案設計

張鑫犇

（上海市政工程設計研究總院（集團）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，保證施工和運營期間輸油管和有軌電車的安全是本工程的重點之一。設計方案采用樁板結(jié)構路基及減振道床，以減少有軌電車對輸油管的影響；通過數(shù)值計算模擬驗算了輸油管的受力與變形，分析了該方案的可行性。在項目施工期間和建成后還應保持監(jiān)測，確保有軌電車和輸油管的安全，可為以后相關項目提供參考和借鑒。

有軌電車；輸油管；樁板結(jié)構

0 引言

現(xiàn)代有軌電車為一種新型的城市軌道交通模式，相對于地鐵、輕軌等具有造價成本低、建設周期短的特點，因此規(guī)劃、建設規(guī)模逐年增長。在有軌電車的建設過程中，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。油氣管道為長距離線性工程，有軌電車的建設有可能會與既有油氣管線產(chǎn)生交叉。當與既有油氣管線產(chǎn)生交叉時，處理不當可能會對油氣輸送與有軌電車行車帶來安全隱患。

樁板結(jié)構是一種較為新型的路基結(jié)構形式，目前主要應用于高鐵、輕軌、有軌電車等項目中。樁板結(jié)構由樁、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，再通過樁將荷載傳遞至堅硬持力層。承載板跨度一般為5～10 m。采用樁板結(jié)構可以減小路基沉降，在軟土、濕陷性黃土等地質(zhì)條件下應用效果較為顯著；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，對既有管線影響較??；相對于復合地基加固的方法，能有效減小管線搬遷的工程量。

樁板結(jié)構受力特點類似于橋梁,但是跨度相對較小。當有軌電車與油氣管道發(fā)生交叉時，采用樁板結(jié)構路基對既有管道進行保護，具有建設成本適當、結(jié)構體系合理、對周圍環(huán)境影響小的特點。本文以某新建有軌電車項目為例，對有軌電車斜跨輸油管的方案進行介紹和安全性分析。

1 工程概況

廣東某市新建現(xiàn)代有軌電車項目首期工程線路長約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。最高運行速度為70 km/h，車輛長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)構及厚0.3～0.7 m的級配碎石，再往下為換填地基土，多為灰褐色、灰黃色中細砂夾黏性土，呈松散至稍密狀。位于綠化帶部分下方的填土則未經(jīng)過嚴格的加固處理。

（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，有機質(zhì)含量Q=3.2%～20.7%，屬于高壓縮性有機質(zhì)土。

（3）7-1強風化砂巖夾炭質(zhì)頁巖，鉆孔未揭穿。

3 方案設計

當有軌電車行車時，輸油管受到來自上方路基的壓力，產(chǎn)生了一定的安全隱患。設計初期考慮過采用以下兩種方案進行保護：一是改遷輸油管線；二是不改遷輸油管線路，采取一定的保護措施，減輕有軌電車對輸油管的影響。

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措施，以減小有軌電車項目對于輸油管的影響，保證輸油管和有軌電車的安全。在本項目施工階段及使用階段，輸油管道的應力和變形應滿足相應的要求，主要有：

（1）輸油管道的應力不得大于其許用應力值。

（2）無內(nèi)壓狀態(tài)下驗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）由于項目施工及使用期會造成土體的變形，應考慮管道曲率半徑的變化。彈性敷設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，其曲率半徑應按下式計算：

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）應盡量減輕振動對輸油管的影響。

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

具體方案如下：跨輸油管段采用樁板結(jié)構路基，承載板跨距5m，每四跨設置一道伸縮縫。承載板厚度為0.5 m，寬3 m；托梁橫向跨過輸油管，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，以強風化砂巖為持力層，樁長約20 m。根據(jù)輸油管權屬部門的要求，鉆孔灌注樁與輸油管保持不小于5 m的凈距。樁板結(jié)構路基平面布置如圖1所示。樁板結(jié)構縱剖面及橫剖面示意圖如圖2所示。

圖1 樁板結(jié)構路基平面布置

圖2 樁板結(jié)構縱剖面及橫剖面示意圖

為了盡可能減小車輛行駛導致的振動對輸油管線的影響，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（見圖3）。隔離式減振墊道床將道床板與下方路基結(jié)構隔離，鋼軌通過彈條扣件與道床板形成整體，并構成浮置板軌道。當有軌電車通過時，車輛軸載通過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)過隔離式減振墊的緩沖作用后，垂直方向振動強度可以得到大大的減輕。該系統(tǒng)對頻率在20 H z以上的振動具有較好的減振效果[3]，適用于本項目。

圖3 隔離式減振墊道床

4 受力分析

根據(jù)地質(zhì)報告，下伏基巖為強風化砂巖，因此樁板結(jié)構路基仍有可能產(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。因此有必要進行計算分析，評估該方案的安全性。采用巖土、結(jié)構專用有限元分析軟件PLAXIS（8.5）進行建模和計算，分析樁板結(jié)構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)情況和計算范圍要求，計算模型區(qū)域尺寸為35 m×25 m（寬×深）。

計算恒載考慮結(jié)構自重、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，相應地考慮1.3倍動力系數(shù)。模型簡圖及變形特征如圖4所示。

圖4 模型簡圖及變形特征

計算得到的結(jié)果如下。

4.1 位移與變形

根據(jù)計算結(jié)果，本項目在施工和運營過程中，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)構安全要求其曲率的變化應控制在一定范圍內(nèi)（見前文所述），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小于273 m。由于輸油管的剛度較小，通過線路兩側(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推算輸油管曲率變化量。根據(jù)計算結(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3×104m，大大超過273 m的限值要求，因此由管線撓度增加所導致的曲率半徑的增加相對于安全限值可忽略不計，滿足安全要求。

輸油管無內(nèi)壓狀態(tài)驗算在外力作用下的變形，其水平方向直徑的變形量不應大于鋼管外徑的3%；對于直徑為273 mm的輸油管道，水平方向直徑變化的限制是8 mm。根據(jù)模型計算的結(jié)果，本項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)構安全要求。

4.2 應力

輸油管道應力應小于或等于鋼管許用應力。根據(jù)計算結(jié)果，由于本項目的實施和使用，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，外界壓力導致的輸油管壁最大正應力由3.22 MPa增加至3.25 MPa，遠小于常規(guī)鋼管材料的許用應力值，滿足規(guī)范要求。

綜上所述，路基采用樁板結(jié)構后，輸油管受影響較小，輸油管位移變形、應力等計算均通過驗算，滿足保護要求。

5 結(jié)語

本工程有軌電車線路斜跨輸油管段采用樁板結(jié)構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影響。從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，在施工和運營期間輸油管內(nèi)力和變形都在安全范圍內(nèi)，該措施是可行和有效的。在項目施工期間和建成后，還應保持監(jiān)測，確保有軌電車和輸油管的安全。

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U44

B

1009-7716（2017）11-0098-03

2017-07-18

張鑫犇（1985-），男，江蘇啟東人，工程師，從事結(jié)構設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.028