燃氣管道下穿既有鐵路施工方法

劉金國

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

在K244+436處河北省氣(電)代煤工程潛能燃氣管道穿越京廣鐵路，交角為90度，全長102 m，如圖1所示。穿越管線為1根直徑0.323 m，壁厚8 mm的熱軋無縫燃氣鋼管，工作壓力6.3 MPa。擬采用1根直徑0.56 m鋼套管防護，穿越區(qū)京廣鐵路軌道為60 kg/m軌，無縫線路，混凝土枕，線路允許速度為160 km/h。穿越處京廣鐵路上、下行線間距4.02 m。管頂距鐵路軌底7.06 m。管壁距離兩側(cè)接觸網(wǎng)(桿)均在20 m以上。本鋼套管位于粗砂層，地下水位以上。為確保施工期間鐵路安全，根據(jù)有關(guān)規(guī)定[1-2]，各種結(jié)構(gòu)穿越運營鐵路線，均需要對鐵路線路進行加固。本文探討不對鐵路加固和限速而穿越京廣鐵路的可行性。

圖1 下穿京廣鐵路工程平面示意

1 下穿運營鐵路的常見工法

1.1 盾構(gòu)法

用于城市軌道交通地鐵的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)外徑通常為6.0 m，一般地段要求盾頂以上覆蓋土厚度通常不小于1.5倍的結(jié)構(gòu)直徑[3]。下穿鐵路段覆土厚度還需適當加大。施工期間所下穿的鐵路需加固，列車需限速45 km/h通行。

1.2 淺埋暗挖法

淺埋暗挖隧道，一般要求隧道頂部的覆蓋土層厚度不少于2.5倍深埋隧道垂直荷載計算高度[4]。施工期間所下穿的鐵路需加固，列車需限速45 km/h通行。

1.3 頂橋(涵)法

橋涵結(jié)構(gòu)頂距鐵路軌底高度一般要求在0.8 m左右。橋涵與鐵路最大斜交角度宜在45°以內(nèi)。橋涵結(jié)構(gòu)在預(yù)制及頂進期間容易發(fā)生不均勻環(huán)向裂縫，對后期使用有一定影響。施工期間所下穿的鐵路需加固，列車需限速45 km/h通行。

1.4 頂管法

頂管考慮人工操作空間的要求，通常鋼筋混凝土管內(nèi)徑應(yīng)不小于1.2 m，鐵路軌底以下覆土厚度不少于2.0～2.5倍頂管外徑[5]。施工期間所下穿的鐵路需加固，列車需限速45 km/h通行。

1.5 定向鉆法

采用水平定向鉆機成孔并敷設(shè)管道的施工方法稱為定向鉆。對采用此工法實施的工程，通常要求其入土點、出土點距鐵路安全保護區(qū)不少于5 m，且鐵路路肩處管頂距自然地面不少于10 m。在滿足鐵路有關(guān)規(guī)定后，施工期間所下穿的鐵路可不加固。

以上前4種下穿運營鐵路的常見工法均需對既有鐵路架空加固，對鐵路運輸造成了較大干擾。第5種工法雖不需對線路加固，但需滿足特定的條件后方可使用。

2 擠入式螺旋鉆

擠入式螺旋鉆法取消了定向鉆的擴孔和回拖管工序并采用了更安全的先頂后鉆的擠入式工藝，施工期間無塌方的可能性。另外，鉆頭的噴漿固砂使被切削的巖土體穩(wěn)定性更加有保障，施工安全性大大增加。

2.1 工作原理

在鋼管內(nèi)部頂端安裝螺旋鉆頭，后部安裝與動力機頭相連接的螺旋鉆桿，鉆桿外徑小于鋼管內(nèi)徑6 mm，螺旋鉆桿的動力由水平螺旋鉆機提供。隨著鉆機的轉(zhuǎn)動，螺旋鉆桿向鉆頭傳遞鉆壓和扭矩以切削土層，并將泥砂排到工作坑內(nèi)。切削土體之前先由鉆頭進行噴漿固砂，噴漿固砂直徑0.56 m。鋼管位于螺旋鉆桿之外，被液壓油缸向前頂進，實施時邊頂進、邊噴漿、邊切削、邊輸送渣土，將鋼套管逐段(每6 m一段)向前鋪設(shè)。施工期間鐵路不需加固，列車不需慢行。

2.2 施工步驟

通常按以下3步進行：

1)導(dǎo)向鉆桿施工

在工作坑內(nèi)安裝水平螺旋定向鉆機，先施工導(dǎo)向孔。導(dǎo)向鉆桿為直徑114 mm(壁厚14 mm)的空心鉆桿。導(dǎo)向鉆使用輔助切削鉆頭，鉆頭底唇是一個斜面，用以控制鉆進方向。當鉆頭連續(xù)回轉(zhuǎn)時直向鉆進，當保持鉆頭不回轉(zhuǎn)加壓頂進時，鉆孔則偏斜鉆進。在導(dǎo)向鉆頭內(nèi)安裝有激光信號發(fā)射器，鉆進過程中通過接收器接收激光信號。施工人員實時監(jiān)控靶標點，調(diào)整控制鉆進方向的導(dǎo)向板，從而控制鉆進方向。導(dǎo)向鉆桿頂?shù)浇邮站恢媒Y(jié)束頂進。隨著頂進的結(jié)束，導(dǎo)向鉆桿也被頂出至接收井。

2)鋼套管頂進施工

導(dǎo)向孔施工完畢后，將鋼套管連接螺旋鉆桿，開始頂進鋼套管。鉆頭鉆進前先噴漿固砂，邊噴邊鉆。導(dǎo)向鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆頭先切削被擠壓進來的泥土，然后將切削下來的土通過鋼套管內(nèi)的螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)輸送至出泥口的土箱里。土由土箱通過吊車吊到工作坑外，同時鋼套管不斷地被頂入到前方土體中。頂進完成第1根鋼套管后，退回鉆機，對接螺旋鉆桿，對口焊接第2根鋼套管，繼續(xù)鉆進，直至頂進結(jié)束。

3)撤出螺旋鉆桿

鋼套管頂進就位后，撤出螺旋鉆桿。

2.3 出土量的控制

鉆機每頂進6 m長度理論出土量為2.03 m3，出土箱尺寸為5 m(長)×1 m(寬)×0.4 m(高)，根據(jù)出土情況可以判斷路基是否塌方、是否有空洞等情況發(fā)生。出土量有異常情況立刻停止施工，查找并分析原因。

2.4 頂進速度

根據(jù)施工經(jīng)驗，施工過程中加快頂進速度，可以減少土體塌方的風(fēng)險。主要施工內(nèi)容包括安裝管內(nèi)螺旋葉片、鋼套管的焊口焊接、防腐處理、頂進鋼套管等。其中：安裝螺旋葉片1 h，每個焊口焊接、3PE防腐為4 h，頂進時間為4 h。平均頂進6 m一節(jié)的鋼套管所需時間約為9 h，折合每天頂進長度約15 m。

2.5 工藝特點

1)水平定向螺旋鉆機采用進口激光導(dǎo)向糾偏技術(shù)，可確保鋼套管水平向及立面的施工誤差均控制在± 0.10 m以內(nèi)。

2)螺旋鉆頭始終與鋼套管頂端相距0.6 m，采用先頂進后旋轉(zhuǎn)開挖的工藝，并且鉆頭前端噴漿固砂，能確保頂進中不發(fā)生塌方。

3)在頂進施工中，土體填充于螺旋葉片間。在焊接接口及對接鉆桿時，螺旋葉片間填充的土體與路基土體緊密接觸，不會使路基產(chǎn)生側(cè)壓力，進一步確保不會發(fā)生土體塌方現(xiàn)象。

3 施工過程的數(shù)值模擬

3.1 初始地應(yīng)力模擬

MIDAS/GTS 在計算時先根據(jù)實際工程情況計算重力作用下的應(yīng)力場，將得到的應(yīng)力場定義為初始應(yīng)力場，和重力荷載一起施加給原始模型。得到既可以滿足平衡條件又不違背屈服準則的初始應(yīng)力場。

3.2 施工工況模擬

本次計算模擬螺旋鉆正常開挖，并偏于安全地多計入0.5 m超挖不支護。通過單元的生死來模擬開挖的應(yīng)力釋放過程，根據(jù)施工工序進行單元的移除與激活。

3.3 模擬結(jié)果

燃氣管道的鋼套管下穿京廣鐵路路基時軌道沉降云圖見圖2?？傻茫壕V鐵路上行線軌道最大累計沉降為 0.088 8 mm，京廣鐵路下行線軌道最大累計沉降為 0.063 4 mm。均發(fā)生在鋼套管下穿京廣鐵路路基正下方時。

圖2 鋼套管下穿京廣鐵路路基時軌道沉降云圖(單位：mm)

因數(shù)值模擬的沉降值相對較小，現(xiàn)模擬不激活鋼套管，直接進行開挖，即僅考慮注漿而完全不考慮鋼套管的支護作用。

開挖完成后，京廣鐵路下行線軌道最大沉降為0.367 mm，上行線軌道最大沉降為0.472 mm。最大沉降均在0.5 mm以內(nèi)?？梢?，若采用該工法施工，可以滿足京廣鐵路施工期間不限速的要求。

4 施工監(jiān)測

經(jīng)研究決定，現(xiàn)場施工時采用僅注漿施工方案。根據(jù)鐵路局有關(guān)部門要求，對施工區(qū)域鐵路軌道沉降進行了監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖3所示。

以距鐵路軌道較近的B斷面為例，列出施工過程中鐵路軌道高程監(jiān)測數(shù)據(jù),見表1。

圖3 鐵路軌道沉降監(jiān)測點布置

表1 B斷面鐵路軌道高程監(jiān)測數(shù)據(jù) m

根據(jù)數(shù)值計算，管道下穿京廣鐵路后發(fā)生的軌道最大沉降為0.472 mm，實際監(jiān)控到的B1點最大沉降為0.400 mm?？紤]到測量儀器本身精度的誤差，可以認為理論計算與實際數(shù)據(jù)基本相符。施工全過程中京廣鐵路軌道基本上沒有沉降。

5 結(jié)語

1)數(shù)據(jù)模擬注漿+鋼套管支護工況最大累計沉降為0.088 8 mm；僅注漿工況京廣鐵路下行線軌道最大沉降為0.367 mm，上行線軌道最大沉降為0.472 mm。

2)實際監(jiān)測到的軌道最大沉降為0.400 mm。

數(shù)據(jù)模擬與現(xiàn)場實測結(jié)果均表明：擠入式螺旋鉆法對結(jié)構(gòu)埋深要求較低，對施工機械要求低，施工靈活方便，尤其是能做到地表零沉降，非常適用于下穿鐵路等對沉降要求極嚴格的工程。

[1]北京鐵路局.頂進式框架立交橋設(shè)計、施工若干規(guī)定[R].北京：北京鐵路局，1993.

[2]中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁設(shè)計院.下穿既有鐵路頂進式框架立交橋設(shè)計指南及工程實例匯編[M].北京:中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司橋梁設(shè)計院,2017.

[3]北京市規(guī)劃委員會,北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB11/995—2013 城市軌道交通工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2013.

[4]國家鐵路局.TB 10003—2016 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2017.

[5]葛春輝.頂管工程設(shè)計與施工[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.