兰州环行线道岔区顶管设计

孙 玮

(兰州铁道设计院有限公司，兰州 730000)

1 工程概况

1.1 涵址概况

顶管位于兰州石化公司化肥厂市政污水分流管线与西固环行线铁路交叉处,里程为K9+891。顶管护涵孔径依据穿越的管径大小并与甲方协商予以确定,采用1孔φ2.0 m圆管断面形式,顶管全长40 m,埋深6.5 m。顶管穿越石岗站场1、2、Ⅲ、4、5、6股道,其中4、5股道位于复式交分道岔范围内。如图1所示。

图1 顶管结构(单位：cm)

1.2 工程地质和水文地质

根据调查及钻探揭示,工点处分布地层主要为第四系全新统人工填土,砂质黄土、细圆砾土、卵石土、砂岩。分述如下。

(1)人工填土(Q4ml7)：既有西固环行线路基分布,厚3～9 m,青灰色,黄褐色、灰黑色等色,以卵石土、粗圆砾土、砂质黄土及其组合为主,粒径大小分布不均。稍湿～潮湿,稍密～中密,Ⅱ级普通土。(2)砂质黄土(Q4al3)：主要在黄河南岸一级阶地地表分布,厚2～4 m,浅黄、棕黄,黄褐色、土质较均匀,局部夹杂有少量细砂及卵砾石,砂质黄土多在顶部分布,潮湿～饱和,稍密～中密,σ0=100 kPa。 (3)细圆砾土(Q4al6)仅在局部呈透镜状分布,厚约2.5 m,青灰、黄褐色，卵砾石成分以硅质砂岩为主,磨圆度好,多呈浑圆状,余为砂土充填。饱和,中密,Ⅱ级普通土,σ0=400 kPa。(4)卵石土(Q4al7)：厚度为4～7 m,局部厚可达10 m,青灰色,卵石成份以花岗岩、硅质砂岩为主,颗粒呈浑圆状、圆棱状,余为砂土充填,饱和,中密,Ⅲ级硬土,σ0=650 kPa。(5)砂岩(N1Ss)：在南岸夹于泥岩中,棕褐色、棕黄夹棕红色,成分以石英、长石为主,粉细粒结构,砂、泥质胶结,强风化,Ⅲ级硬土,σ0=350 kPa；弱风化：Ⅳ级软石,σ0=450 kPa。

工点范围地下水位埋深2～8 m,主要赋存于卵石土及黄土中,依靠大气降水、高阶地地下水径流、管道渗水、生产生活排水等补给。

2 设计内容确定

本护涵工程要穿越6股道,涵洞较长,为保证检修人员安全并方便施工,采用1-2 m圆涵进行线下顶管作业。鉴于兰州石化公司在铁路两侧已布好排水管,且排水管位置不能进行改移的情况下,致使所设护涵穿越铁路的地段正好位于石岗车站东咽喉,线路情况复杂,咽喉区道岔密集,股道之间布局有多处进出站信号机及电力电杆和钢塔架,因此穿越位置选择非常困难。经综合考虑并根据现场实际情况,选择管道穿越位置在西固环行线K9+891处,具体设计内容主要有：路基本体和地基注浆；既有线路及道岔加固；沉井设置及顶管作业。

2.1 路基注浆

(1)注浆目的

因顶管施工在既有铁路下面8.5 m处进行,为减少施工对路基本体的扰动并保证行车安全,参考涵址处的地质状况,采取压力注浆法对该路基和地基进行土体加固。该方法以水泥水玻璃为主剂(采用双液预注浆),通过高压注浆泵,把配置好的悬浊液浆材压入地基土层,浆材通过充填、压密、劈裂、渗透等方式在原路基土中形成浆脉骨架而成复合路基。

(2)加固范围

考虑线路加固长度需要,本次加固范围顺线路方向20 m,横线路方向28 m,平均深度10 m,平均注浆孔间距约1.5 m,梅花形布置。详见图2。

图2 路基注浆加固(单位：cm)

(3)注浆参数

注浆材料：水泥、水玻璃；注浆量：250～300 L/m3土；注浆压力：1～2 MPa；浆材密度：1.8～2.0 t/m3。

2.2 线路加固

结合现场实际情况,为保证行车安全和对铁路运营影响最小的前提下,采取不同的加固方式。

(1)针对石岗站场北侧1、2、Ⅲ股道普通线路,采用D型12 m施工便梁结合挖孔桩基础一次性加固铁路两侧,挖孔桩采用φ1.5 m的圆形钢筋混凝土桩,桩底应置于顶管底部1.5 m以下,通过列车限速45 km/h。

(2)针对石岗站场北侧4、5、6股道,则采用φ1.5 m的挖孔桩和工字钢纵横梁特殊加固方式加固复式交分道岔及6道,通过道岔列车限速45 km/h。同时,各线之间的通信、信号电线电缆和铁路进出站矮柱信号机等其他铁路设备应做相应的防护和改移。

(3)纵横抬梁加固具体措施

①吊轨梁

吊轨梁组装形式为3-5-3,钢轨接头需错开1 m以上,两端延伸最外横梁以外3～5 m,并加设临时梭头,吊轨用U形螺栓与其下面的木枕及横梁牢固连结在一起以增加其整体性和刚度。

②H型钢横梁

横梁采用2根一束H700×300型钢组成,铺设间距约为2.5 m,横梁横向下穿股道,与股道上木枕及吊轨梁用U形卡连接,直接横抬基本轨和吊轨。

③纵梁

加固范围4、5、6道中部采用5扣吊轨作为辅助纵梁,外侧采用3扣吊轨作为辅助纵梁。钢轨接头需错开1 m以上,两端延伸最外横梁以外3～5 m,并加设临时梭头,吊轨用U形螺栓与其下面的木枕及横梁牢固连结在一起以增加其整体性和刚度。4、5、6道线路外侧在满足限界情况下设置加固纵梁,采用I115型简支工便梁,简支工便梁位于H700×300型钢横梁上,纵横梁之间采用φ32 mm螺栓(精轧螺纹钢)连接牢固，见图3。

图3 线路加固示意(单位：cm)

2.3 沉井设置及顶管作业

(1)沉井设置

因管道穿越处自上而下大致位于圆砾土、卵石、砂岩3种交互地层上,地质情况复杂,地下水位较高,并且管道穿越处管顶距铁路轨底填土高度在6.5 m以上,为保证顶管作业的顺利实施及防止顶管工作坑的坑壁坍塌,在顶管出入口两端特别设置钢筋混凝土沉井。一方面,沉井可安全的支撑工作坑壁,并可作为顶管的部分后背使用；另一方面,可作为护涵的检查井,便于今后管道的维修及养护。

考虑沉井的临时后背作用及吊装的管节摆放需要,沉井尺寸拟采用6.0 m(横线路方向)×5.0 m(顺线路方向)的矩形沉井,壁厚定为0.8 m。沉井前端距铁路路基坡脚以外最小距离应大于3.0 m。沉井开挖断面大及井身下沉较深,为防止井壁因侧土压力挤压而发生横移变形,在井口需设置钢筋混凝土连接横梁,用于支撑井壁和架设盖板的支撑梁。

(2)顶管作业

顶管采用1-2.0 m钢筋混凝土圆管护涵,管节2 m一节,工厂预制,现场吊装顶进。

管节顶进前端应事先装设切割钢刃角,以减少顶入阻力。考虑护涵较长且管顶填土较高,顶管采用分段顶入法施工。为保证顶进作业平稳有序地进行,在顶管工作坑内(沉井)应铺设0.5 m厚的C25混凝土滑板基础,再在其上设置导向轨(可采用轻型钢轨),轨下满铺已预埋混凝土基础中的枕木,导向轨与枕木以道钉固定。顶管工作坑内的后背墙作为千斤顶的支撑结构,要有足够的强度和刚度,且变形要均匀。基于此,本工程采用钢结构结合钢筋混凝土后背,并且工作坑内拟配置4台300 t液压千斤顶。为防止涵管在顶进过程中各管节之间发生错动现象,保持涵管直线均匀地向前移动,管节之间连接采用钢涨圈,钢涨圈与顶管内径用木楔打进塞紧。为方便运土和人员走动,钢涨圈直径不宜过小,而且靠底部要与管壁贴紧,顶进完毕后打掉木楔取出钢涨圈。管节接缝采用钢板内套环处理。用钢板弯成圆环,焊接后装在接缝处,用石棉水泥捶缝,外面用M10水泥砂浆抹面。

顶进超前挖土时,应事先打设3.0 m长、φ42 mm的超前小导管,分上下两层梅花形环向布置,间距0.4 m,其下设置20 mm厚的环形加工钢板,用于固结路基土体,不使其下沉。并严格控制管节端部以外超挖不得超过20 cm。

3 加固体系计算分析

本涵道岔加固体系均采用Midas 程序建模分析,经计算分析,纵梁受力满足要求,岔区横梁由于跨度较大,列车荷载作用下挠度较大。为增强加固体系的整体刚度,保证施工期间列车安全运行,采取增大横梁规格的办法,减小横梁应力及挠度,确保了行车安全。采用此办法后横梁计算最大挠度为6 mm,小于规范规定的L/400。

4 结语

本顶管的设计采用一次性加固路基本体及既有线路,加固体系安全可靠,很好地解决了岔区顶管的施工问题。目前本顶管施工已顺利完成,其所采用的方法对于今后类似结构的设计有一定的借鉴作用。

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