定向鉆穿越鐵路路基工程施工數(shù)值模擬分析

王 靜

中鐵上海設計院集團有限公司徐州設計院 江蘇 徐州 221000

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，市政設施建設取得巨大成就，市政管網(wǎng)覆蓋面越來越大，管道施工不可避免地會遇到道路、涵洞、鐵路、河流等各種障礙，無法正常開挖，需采取特殊的施工工藝進行穿越施工，而定向鉆施工即是在不開挖地表的條件下進行地下管道鋪設的一種常見工法[1-2]。所以，如何在定向鉆施工中有效控制地層位移，保護穿越建構(gòu)筑物的安全，成為定向鉆施工中迫切需要解決的問題[3-4]。

近年來，國內(nèi)外眾多學者對定向鉆施工對建構(gòu)筑物變形影響開始研究[5-6]，有的根據(jù)定向鉆穿越施工工藝進行分析，分別研究定向鉆穿越設計中的埋深、管徑、出土角、入土角等因素；有的采用有限元軟件，進行定向鉆穿越施工過程的應力應變分析；有的針對性開展環(huán)境影響安全監(jiān)測，掌握定向鉆穿越過程中建構(gòu)筑物的變形規(guī)律等。在計算方法、控制標準、施工措施等方面給出了建議，取得了一定的成果[7-8]。

鐵路是國家的重要基礎設施，在中國綜合交通運輸體系中處于骨干地位。本文即基于徐州市沛縣港華燃氣管道定向鉆下穿豐沛鐵路工程施工實踐，利用有限元軟件MIDAS GTS建模，對定向鉆穿越階段鐵路路基沉降變形及軌道幾何尺寸偏差進行分析研究，研究成果可對未來徐州同類型工程和其他地區(qū)定向鉆穿越鐵路路基設計及施工提供參考。

2 工程概況

2.1 沛縣港華燃氣管道概況

沛縣天然氣管網(wǎng)及廠站設施工程擬建高壓管道總長70km，其中西線起點為沛縣西門站，終點為鹿樓鎮(zhèn)楊卜村，管線長度約23km；南線起點為南門站，終點為徐濟高速東曹莊，管線長度約37km；西線與南線高壓管道連接線：起點為朱寨東清管閥室，終點為南門站，管道長度約10km。燃氣管道主要技術(shù)參數(shù)如下所示：

（1）燃氣管道為De200mm壁厚18.2mm的PE管；

（2）設計壓力4.0Mpa；

（3）設計使用年限：30年；

2.2 豐沛鐵路概況

豐沛鐵路全長50.4公里，全線共設5個站，即沛縣站、鹿樓站、豐縣站、常店站、首羨站，豐沛鐵路主要技術(shù)標準如下：

（1）鐵路等級：Ⅱ級；

（2）正線數(shù)目：單線：

（3）設計速度：120km/h；

（4）軌道結(jié)構(gòu)：碎石道床；

（5）設計荷載：中-活載；

（6）牽引種類：內(nèi)燃。

豐沛鐵路線路兩側(cè)無電力設備。南側(cè)敷設有光纜GYTA53型16芯一條，電纜HEYFL237×4×0.9一條；通信光纜8芯一條，電纜HEYFL233×4×0.9一條，埋深1.55m。北側(cè)敷設有PTYA23型信號電纜12芯、16芯、24芯、30芯各一條，埋深1.35m。

2.3 燃氣管道與豐沛鐵路交叉情況

按照沛縣燃氣管線規(guī)劃并結(jié)合現(xiàn)場情況，港華燃氣西線與南線高壓管道連接線自北向南依次穿越豐沛運河及豐沛鐵路路基段。穿越位置處鐵路里程為K1+420，夾角為88°，管頂距鐵路路基坡腳處10m以上。燃氣管線采用鋼防護套管定向鉆鉆進施工，入土角為10°，出土角為11°，穿越總長度為299.09m。燃氣主管道下穿范圍內(nèi)防護套管采用Φ325x10mm螺旋焊縫鋼管，路基下方穿越地層主要為粉質(zhì)黏土，承載力小，透水性好，地層條件較差。穿越處平面位置關(guān)系詳見圖1。

圖1 燃氣管線與豐沛運河、豐沛鐵路平面位置關(guān)系圖

2.4 地層參數(shù)

根據(jù)工程勘察報告，穿越處場地范圍內(nèi)自上而下分別是雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土。有限元計算中采用的各土層參數(shù)見表1所示。

表1 巖土物理參數(shù)

3 安全評估標準

管道定向鉆穿越粉質(zhì)黏土施工將引起地層變形，導致鐵路路基發(fā)生移動和變形，進而引起軌道受力和形態(tài)的變化。鐵路變形控制內(nèi)容主要包括：鐵路路基沉降、軌道水平高差、軌道前后高低等。

根據(jù)《上海鐵路局工務安全管理辦法》（上鐵工【2017】382號）及《普速鐵路線路修理規(guī)則》（鐵總工電〔2019〕34號）第6.2.1條的相關(guān)規(guī)定，綜合考慮豐沛鐵路重要性、運營時速以及使用頻率，主要控制指標及限值如下表2所示：

表2 安全評估控制指標及限值（mm）

4 計算分析

4.1 有限元模型

考慮到距離鐵路路基安全影響范圍以外的施工作業(yè)活動對路基穩(wěn)定及行車安全的影響可以忽略不計，故在保證模型消除邊界效應影響的前提下，將模型進行合理簡化，只模擬鐵路中心線兩側(cè)各60m范圍內(nèi)的燃氣管道定向鉆施工及四電基坑開挖施工。

計算模型長120m，寬120m，深22.4m，土體及水泥漿填充采用3D實體單元模擬，鋼防護套管采用2D板單元模擬，軌道采用1D線單元模擬。路基上部列車荷載參照《鐵路路基設計規(guī)范》（TB10001-2016）以分布荷載形式加載在路基頂面模擬，土體水平四周邊界采用水平約束，底邊界采用豎向約束。三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元計算模型

4.2 施工階段模擬

本工程施工過程模擬步驟按以下幾個階段進行，分別為：初始應力階段→四電基坑開挖階段→鉆導向孔階段→擴孔回托階段→四電基坑回填階段，具體模擬過程見表3：

表3 施工階段及內(nèi)容

4.3 計算結(jié)果分析

4.3.1 豐沛鐵路路基沉降變形影響分析

根據(jù)有限元軟件MIDAS GTS建立三維模型進行計算分析，模擬各施工階段對豐沛鐵路路基沉降變形的影響，定向鉆施工階段鐵路路基頂面的沉降變形結(jié)果云圖見圖3～4。

圖3 鉆導向孔階段土層及路基沉降變形云圖

圖4 擴孔回托階段土層及路基沉降變形云圖

根據(jù)圖5可知：定向鉆施工階段引起鐵路路基頂面沉降量最大值為0.298mm，滿足累計沉降限值10mm的要求，同時路基頂面的沉降速率亦控制在2mm/d以內(nèi)。

圖5 豐沛鐵路路基頂面豎向變形曲線

4.3.2 豐沛鐵路軌道幾何狀態(tài)影響分析

（1）鋼軌高低不平順

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計算各施工階段鐵路左、右軌的豎向位移，按照10m弦長計算各工況下左、右軌的高低幾何形態(tài)，定向鉆施工階段鐵路左、右軌道高低不平順結(jié)果見下圖6～7。

圖6 豐沛鐵路左軌高低不平順曲線

圖7 豐沛鐵路右軌高低不平順曲線

（2）鋼軌水平不平順

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計算定向鉆施工階段鋼軌的水平不平順，鐵路鋼軌水平不平順結(jié)果見下圖8。

圖8 豐沛鐵路鋼軌水平不平順曲線

（3）軌道幾何不平順最不利值

由數(shù)值模擬得到燃氣管道定向鉆下穿豐沛鐵路引起的鐵路軌道幾何不平順最不利值如表4所示。

表4 豐沛鐵路軌道幾何不平順最不利值

由上表可知，燃氣管道定向鉆施工引起的豐沛鐵路鋼軌高低不平順最大值為0.269mm，水平不平順最大值為0.061mm，均滿足計劃維修狀態(tài)下6mm的高低與水平不平順控制指標。

5 結(jié)論與建議

5.1 評估結(jié)論

通過數(shù)值模擬計算分析可知：

（1）燃氣管道定向鉆施工距鐵路路基坡腳處保持10m以上的垂直距離，防護套管壁厚不小于16mm，且鋼管與燃氣管間隙充填注漿，可有效地控制鐵路路基及軌道的變形，確保鐵路的運營安全。

（2）定向鉆穿越粉質(zhì)黏土層應控制泥漿配比及添加劑，以有效地控制鐵路路基及軌道的變形，確保鐵路的運營安全。

5.2 評估建議

（1）燃氣管線鋼防護管設計荷載應采用鐵路標準荷載，滿足強度、穩(wěn)定性及耐久性要求。

（2）定向鉆鉆孔和拖拉作業(yè)應利用列車間隔時間進行實施。

（3）施工監(jiān)測數(shù)據(jù)及時整理分析對比，當監(jiān)測變形達到預警值時，應加密監(jiān)測頻率，調(diào)整定向鉆的施工參數(shù)，必要時停止施工采取針對性措施確保鐵路路基的運行安全。