出山店水庫灌區(qū)工程淮北干渠穿越京廣鐵路影響性分析

摘 要：【目的】研究輸水管道采用機(jī)械頂管法下穿京廣鐵路，在施工過程中對鐵路的影響?！痉椒ā恳院幽鲜〕錾降晁畮旃鄥^(qū)工程淮北干渠穿越京廣鐵路為例，采用Midas/GTS軟件建立三維計(jì)算模型，并在京廣鐵路上下行路基沿線和接觸網(wǎng)支柱位置布置數(shù)值模擬位移測點(diǎn)，進(jìn)行位移監(jiān)測?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，采用機(jī)械頂管法施工下穿京廣鐵路時，引起路基結(jié)構(gòu)最大豎向和橫向附加位移值分別為-1.117 mm和0.060 mm，引起接觸網(wǎng)支柱最大豎向和橫向附加位移值分別為-1.191 mm和-0.021 mm?！窘Y(jié)論】本次施工引起的鐵路路基和接觸網(wǎng)支柱位移變形均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，研究成果為今后類似新建工程下穿既有鐵路施工提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械頂管法；鐵路路基；位移；數(shù)值模擬

中圖分類號：TV512；U231；TU943" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號：1003-5168（2025）03-0065-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.03.013

Analysis of the Impact of the Huaibei Main Canal Crossing the Beijing-Guangzhou Railway in the Chushandian Reservoir Irrigation Area

Project

ZHANG Zhuang

（Zhengzhou Institute，China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Zhengzhou" "450000， China）

Abstract： [Purposes] This paper studies the influence of mechanical pipe jacking method on the railway in the construction process of water pipeline underpassing Beijing-Guangzhou railway. [Methods] Taking the Huaibei main canal crossing the Beijing-Guangzhou Railway in the Chushandian Reservoir Irrigation Area Project in Henan Province as an example， a three-dimensional calculation model was established using Midas/GTS software， and numerical simulation displacement measurement points were arranged along the up and down roadbeds and contact network pillars of the Beijing-Guangzhou Railway for displacement monitoring. [Findings] The results show that when using the mechanical pipe jacking method to construct the underpass of the Beijing Railway， the maximum vertical and horizontal additional displacement values of the roadbed structure are -1.117 mm and 0.060 mm， respectively， and the maximum vertical and horizontal additional displacement values of the overhead contact system pillars are -1.191 mm and -0.021 mm， respectively.[Conclusions] The displacement and deformation of the railway subgrade and contact network pillars caused by this construction meet the corresponding regulatory requirements， and the research results provide a certain reference for similar new construction projects crossing existing railways in the future.

Keywords： mechanical pipe jacking; railway roadbed; displacement; numerical simulation

0 引言

近年來，我國水利工程快速發(fā)展，在其建設(shè)過程中難免會穿越既有鐵路，施工過程中對鐵路的影響不容忽視。因此，水利工程在鄰近鐵路營業(yè)線施工時，更應(yīng)該注意對鐵路的影響和保護(hù)。

頂管法作為一種不用開挖就能穿越鐵路、公路等交通設(shè)施的施工方法，減少了施工對地面建筑及交通的影響，具有廣泛的應(yīng)用性［1］。頂管法施工還具有噪聲低、粉塵少、對交通條件和環(huán)境狀況的干擾和破壞小等諸多優(yōu)點(diǎn)［2］。最早在20世紀(jì)初，美國開始采用此類管道施工技術(shù)（手掘式頂管施工）穿越鐵路。我國在1953年首次應(yīng)用頂管施工技術(shù)下穿京包鐵路施工［3］。21世紀(jì)以來又出現(xiàn)了融入高科技遙感、BIM等新技術(shù)的頂管法施工技術(shù)［4］。

頂管施工對地層的影響主要表現(xiàn)為沉降和隆起［5］。當(dāng)施工產(chǎn)生的合力大于靜止土壓時會造成隆起，小于靜止土壓力則會造成沉降，而管節(jié)周圍土體移動填補(bǔ)施工過程中產(chǎn)生的空隙會導(dǎo)致地層損失［6］。吳大國等［7］通過仿真計(jì)算，研究頂管施工對鄰近建筑物的影響。謝延鎖等［8］通過數(shù)值模擬，研究了淺埋大管徑施工引起的土體位移變化。

本研究通過對出山店水庫灌區(qū)輸水管道采用機(jī)械頂管法下穿京廣鐵路方案進(jìn)行分析，建立三維計(jì)算模型，對路基注漿加固、沉井施工、管道頂進(jìn)等工序進(jìn)行研究，從而得出機(jī)械頂管法施工對鐵路路基和接觸網(wǎng)支柱的變形影響情況，為類似工程下穿既有鐵路提供一定的參考。

1 工程概況

出山店水庫灌區(qū)位于河南省南部，淮河上游，為出山店水庫的配套工程。灌區(qū)總體布局為以淮河干流上已建的出山店水庫為主要水源，建設(shè)從出山店水庫引水的輸配水工程系統(tǒng)，配合當(dāng)?shù)氐乇硭?、地下水等，引、蓄結(jié)合，自流與提灌相結(jié)合，滿足信陽市浉河區(qū)、平橋區(qū)及駐馬店市確山縣、正陽縣35 133.33 hm2的農(nóng)業(yè)灌溉及3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活及工業(yè)用水需求。

淮北干渠線路全長39.923 km，其中明渠長28.369 km，設(shè)計(jì)流量為9.5～12.5 m3/s，加大流量為 15 m3/s?；幢备汕斔艿啦捎?-DN2800復(fù)合鋼管下穿京廣鐵路，交叉位置位于信陽市平橋區(qū)明港鎮(zhèn)三官廟村趙莊東側(cè)600 m處，交叉處京廣鐵路下行線里程為K950+136.80，位于明港站和長臺關(guān)站區(qū)間。輸水管道采用2-Φ3.5 m護(hù)管涵防護(hù)，與京廣鐵路上行交角為85°，與京廣鐵路下行交角為87°，交叉處平面如圖1所示。

1.1 交叉范圍鐵路情況

淮北干渠穿越京廣鐵路，穿越處由西向東依次為京廣鐵路上行線和下行線，穿越處京廣鐵路下行線里程為K950+136.80，位于京廣鐵路明港站和長臺關(guān)站區(qū)間路基段，鐵路路基為普通填方形式，鋪設(shè)碎石道床，路基寬約22.4 m，路床頂基本與地面同高，路肩兩側(cè)均設(shè)有混凝土防護(hù)柵欄。

1.2 交叉范圍輸水管道設(shè)計(jì)情況

淮北干渠下穿京廣鐵路處設(shè)計(jì)采用2-Φ3.5 m防護(hù)套管，機(jī)械頂管施工，套管為Ⅲ級鋼筋混凝土管，壁厚0.32 m，每節(jié)長2.5 m，共40節(jié)，全長100 m，兩套管間凈距3 m，與京廣鐵路位置關(guān)系如圖2所示。涵節(jié)間采用柔性鋼承口接頭，接頭內(nèi)設(shè)置O形橡膠密封圈，管節(jié)接縫采用厚12 mm的木墊圈，內(nèi)徑比管道內(nèi)徑大20 mm，內(nèi)縫采用SGJL--851雙組分聚硫密封膠嵌縫。套管位于地下水位以下，涵底位于③黏土（Q4al）層，該層地基承載力基本容許值為160 kPa。

1.3 工作井設(shè)計(jì)情況

出發(fā)井設(shè)置在京廣鐵路上行線西側(cè)，為16 m×11 m的矩形沉井，高13.0 m，壁厚1.0 m，井壁距離上行線坡腳33.97 m。接收井設(shè)置在京廣鐵路下行線東側(cè)，為15 m×8 m的矩形沉井，高13.0 m，壁厚1.0 m，井壁距離京廣鐵路下行線坡腳40.11 m。

沉井四周設(shè)置3排Φ70@50水泥攪拌樁，用來加固沉井周邊土體，水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為15%，水泥攪拌樁伸入沉井底下2 m。沉井采用C25混凝土封底，厚度2.5 m。

1.4 輔助架空、注漿加固設(shè)計(jì)情況

線路架空采用D12+D24+D12型便梁架空，兩股道單獨(dú)架空，D24便梁兩端設(shè)置鉆孔樁作為支點(diǎn)，每股道4根樁，共8根樁，D12便梁邊支點(diǎn)采用鋼筋混凝土支墩。架空樁采用Φ1.5 m鉆孔樁，樁長為15 m。架空支點(diǎn)樁采用開槽鉆孔施工，開槽底寬為3 m，深為4 m，坡率1∶0.75，開槽采用“跳躍式”開槽。線路架空期間，列車需慢行，慢行速度為45 km/h。

頂進(jìn)施工前和施工后均應(yīng)對套管頂及兩側(cè)各（H+3）m范圍內(nèi)的路基土體進(jìn)行注漿加固（H為管底至路肩的距離）。

2 評估標(biāo)準(zhǔn)

下穿段京廣鐵路設(shè)計(jì)時速為160 km，交叉處鋪設(shè)有砟軌道，運(yùn)營期間對鐵路結(jié)構(gòu)受力及沉降、變形要求較高。根據(jù)既有鐵路運(yùn)營現(xiàn)狀及周邊設(shè)施，參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合理論計(jì)算分析，制定了本工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 鐵路路基位移變形標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB 10314—2021）中的7.2.1條規(guī)定，鐵路路基位移變形監(jiān)測預(yù)警值、報警值和控制值詳見表1。綜合考慮該區(qū)段京廣鐵路正常運(yùn)營，既有鐵路線路設(shè)備完好，本次評估按照路基附加豎向位移-10～+10 mm，水平向附加位移-7～+7 mm進(jìn)行控制。

2.2 接觸網(wǎng)支柱變形控制標(biāo)準(zhǔn)

接觸網(wǎng)是電氣化鐵路重要的行車設(shè)備，為保證鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行與乘客候車安全，接觸網(wǎng)支柱變形建議按照《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB 10314—2021）中的7.2.1條規(guī)定，接觸網(wǎng)支柱變形監(jiān)測預(yù)警值、報警值和控制值詳見表2。本次評估按照接觸網(wǎng)支柱附加豎向位移-5～+5 mm，接觸網(wǎng)支柱傾斜控制值0.50%進(jìn)行控制。

3 計(jì)算分析

3.1 輸水管道模型計(jì)算

本研究采用Midas/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算，在京廣鐵路上下行路基沿線和接觸網(wǎng)支柱位置布置數(shù)值模擬位移測點(diǎn)，分析在鐵路路基注漿加固、工作井施工、管道頂進(jìn)等施工工序下各測點(diǎn)的位移。具體幾何模型和測點(diǎn)布置如圖3所示。

3.2 各施工階段鐵路路基附加位移分析

3.2.1 鐵路路基豎向附加位移分析。在計(jì)算模型中，提取京廣鐵路上下行線相應(yīng)測點(diǎn)的豎向位移結(jié)果，分析施工過程中各測點(diǎn)豎向位移變化，具體如圖4所示。由圖4可知，在頂進(jìn)至鐵路路基附近時，路基各測點(diǎn)呈現(xiàn)下沉趨勢，京廣鐵路上行線和下行線豎向附加位移最大值分別為-1.520 mm和-1.498 mm。根據(jù)數(shù)值分析可得該施工方案對京廣鐵路上下行線最大豎向位移值均小于普速鐵路路基±10 mm的限制值要求，且滿足相應(yīng)規(guī)范中控制值要求。

3.2.2 鐵路路基橫向附加位移分析。在計(jì)算模型中，提取京廣鐵路上下行線相應(yīng)測點(diǎn)的橫向位移結(jié)果，分析施工過程中各測點(diǎn)橫向位移變化，具體如圖5所示。由圖5可知，在管道頂進(jìn)過程中，橫向附加位移最大值分別為0.060 mm和-0.049 mm。根據(jù)數(shù)值分析可得施工方案對京廣鐵路上下行線最大橫向位移值均小于普速鐵路路基±7 mm的限制值要求，且滿足相應(yīng)規(guī)范中控制值要求。

3.3 各施工階段接觸網(wǎng)支柱附加位移分析

頂管頂進(jìn)施工引起鐵路接觸網(wǎng)支柱發(fā)生附加位移變形，最大位移變形發(fā)生于頂進(jìn)施工結(jié)束后，其位移云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，各工序引起既有京廣鐵路接觸網(wǎng)支柱豎向最大附加位移值和橫向最大附加位移值分別為-1.191 mm和-0.021 mm，小于接觸網(wǎng)支柱豎向位移控制值-5～+5 mm，小于接觸網(wǎng)支柱傾斜控制值0.5%，且滿足相應(yīng)規(guī)范中控制值要求。

4 結(jié)論

該工程采用機(jī)械頂管法施工下穿京廣鐵路，施工過程對鐵路路基、接觸網(wǎng)支柱均產(chǎn)生一定影響。建議采用如下措施，以保證京廣鐵路的運(yùn)營安全。

①該工程沉井尺寸及深度均較大，為保證施工期間安全，建議沉井內(nèi)支撐采用混凝土支撐，或采取可靠的鋼支撐防墜落措施。沉井回填應(yīng)采取自下而上先回填再拆撐的工序進(jìn)行。

②建議結(jié)合水文地質(zhì)情況完善頂進(jìn)施工工藝及頂管施工控制措施，合理制定施工參數(shù)。在頂管施工時土體超挖損失量≤1％，管道軸線水平誤差≤20 mm，豎向誤差≤50 mm。進(jìn)入穿越段后，建議每頂進(jìn)50 cm監(jiān)測一次頂管形態(tài)，做到勤測、勤糾。

③由于該工程為輔助架空，線路下方不開挖土體，建議適當(dāng)優(yōu)化輔助架空支點(diǎn)樁長、樁徑等設(shè)計(jì)，以減小對鐵路路基的擾動影響。注漿施工建議明確漿液擴(kuò)散半徑和注漿終止條件，避免壓力過大對鐵路路基造成影響。

④對施工范圍內(nèi)鐵路路基和接觸網(wǎng)支柱進(jìn)行變形監(jiān)測，以對鐵路運(yùn)營安全進(jìn)行預(yù)警。若監(jiān)測數(shù)據(jù)異常，應(yīng)立即通知相關(guān)單位，并加強(qiáng)監(jiān)測頻率。對出現(xiàn)變形超標(biāo)的情況，經(jīng)研判后及時提出整改措施，以保證鐵路線路的安全。

參考文獻(xiàn)：

［1］余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)［M］.北京： 人民交通出版社， 1998.

［2］劉長勇.頂管在管道工程中的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［J］.河南科技，2021，40（13）：82-84.

［3］曹曉陽，吳學(xué)偉.頂管施工技術(shù)在我國的歷史與發(fā)展［J］.非開挖技術(shù)， 2005， 22（5）： 34-37.

［4］鄭永光，薛廣記，陳金波，等.我國異形掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用及展望［J］.隧道建設(shè)（中英文）， 2018， 38（6）： 1066-1078.

［5］LEE K M，ROWE R K.An analysis of three-dimensional ground movements： the Thunder Bay tunnel［J］.Canadian Geotechnical Journal， 1991， 28（1）：25-41.

［6］王斌，陳帥，陶柏峰，等.頂管穿越路堤實(shí)測地基變形和擾動程度分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2010， 29（S1）： 2805-2812.

［7］吳大國，彭建和，候高峰.頂管近接施工對鄰近建筑物的影響分析［J］.安徽建筑， 2018， 24（5）： 125-127.

［8］謝延鎖，李小杰，劉亞松，等.淺埋大管徑頂管施工全過程數(shù)值模擬分析研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2018， 55（S2）： 459-465.