定向钻穿越铁路路基工程施工数值模拟分析

王 静

中铁上海设计院集团有限公司徐州设计院 江苏 徐州 221000

1 引言

随着我国经济的发展和社会的进步，市政设施建设取得巨大成就，市政管网覆盖面越来越大，管道施工不可避免地会遇到道路、涵洞、铁路、河流等各种障碍，无法正常开挖，需采取特殊的施工工艺进行穿越施工，而定向钻施工即是在不开挖地表的条件下进行地下管道铺设的一种常见工法[1-2]。所以，如何在定向钻施工中有效控制地层位移，保护穿越建构筑物的安全，成为定向钻施工中迫切需要解决的问题[3-4]。

近年来，国内外众多学者对定向钻施工对建构筑物变形影响开始研究[5-6]，有的根据定向钻穿越施工工艺进行分析，分别研究定向钻穿越设计中的埋深、管径、出土角、入土角等因素；有的采用有限元软件，进行定向钻穿越施工过程的应力应变分析；有的针对性开展环境影响安全监测，掌握定向钻穿越过程中建构筑物的变形规律等。在计算方法、控制标准、施工措施等方面给出了建议，取得了一定的成果[7-8]。

铁路是国家的重要基础设施，在中国综合交通运输体系中处于骨干地位。本文即基于徐州市沛县港华燃气管道定向钻下穿丰沛铁路工程施工实践，利用有限元软件MIDAS GTS建模，对定向钻穿越阶段铁路路基沉降变形及轨道几何尺寸偏差进行分析研究，研究成果可对未来徐州同类型工程和其他地区定向钻穿越铁路路基设计及施工提供参考。

2 工程概况

2.1 沛县港华燃气管道概况

沛县天然气管网及厂站设施工程拟建高压管道总长70km，其中西线起点为沛县西门站，终点为鹿楼镇杨卜村，管线长度约23km；南线起点为南门站，终点为徐济高速东曹庄，管线长度约37km；西线与南线高压管道连接线：起点为朱寨东清管阀室，终点为南门站，管道长度约10km。燃气管道主要技术参数如下所示：

（1）燃气管道为De200mm壁厚18.2mm的PE管；

（2）设计压力4.0Mpa；

（3）设计使用年限：30年；

2.2 丰沛铁路概况

丰沛铁路全长50.4公里，全线共设5个站，即沛县站、鹿楼站、丰县站、常店站、首羡站，丰沛铁路主要技术标准如下：

（1）铁路等级：Ⅱ级；

（2）正线数目：单线：

（3）设计速度：120km/h；

（4）轨道结构：碎石道床；

（5）设计荷载：中-活载；

（6）牵引种类：内燃。

丰沛铁路线路两侧无电力设备。南侧敷设有光缆GYTA53型16芯一条，电缆HEYFL237×4×0.9一条；通信光缆8芯一条，电缆HEYFL233×4×0.9一条，埋深1.55m。北侧敷设有PTYA23型信号电缆12芯、16芯、24芯、30芯各一条，埋深1.35m。

2.3 燃气管道与丰沛铁路交叉情况

按照沛县燃气管线规划并结合现场情况，港华燃气西线与南线高压管道连接线自北向南依次穿越丰沛运河及丰沛铁路路基段。穿越位置处铁路里程为K1+420，夹角为88°，管顶距铁路路基坡脚处10m以上。燃气管线采用钢防护套管定向钻钻进施工，入土角为10°，出土角为11°，穿越总长度为299.09m。燃气主管道下穿范围内防护套管采用Φ325x10mm螺旋焊缝钢管，路基下方穿越地层主要为粉质黏土，承载力小，透水性好，地层条件较差。穿越处平面位置关系详见图1。

图1 燃气管线与丰沛运河、丰沛铁路平面位置关系图

2.4 地层参数

根据工程勘察报告，穿越处场地范围内自上而下分别是杂填土、粉土、粉质黏土夹粉土、粉质黏土。有限元计算中采用的各土层参数见表1所示。

表1 岩土物理参数

3 安全评估标准

管道定向钻穿越粉质黏土施工将引起地层变形，导致铁路路基发生移动和变形，进而引起轨道受力和形态的变化。铁路变形控制内容主要包括：铁路路基沉降、轨道水平高差、轨道前后高低等。

根据《上海铁路局工务安全管理办法》（上铁工【2017】382号）及《普速铁路线路修理规则》（铁总工电〔2019〕34号）第6.2.1条的相关规定，综合考虑丰沛铁路重要性、运营时速以及使用频率，主要控制指标及限值如下表2所示：

表2 安全评估控制指标及限值（mm）

4 计算分析

4.1 有限元模型

考虑到距离铁路路基安全影响范围以外的施工作业活动对路基稳定及行车安全的影响可以忽略不计，故在保证模型消除边界效应影响的前提下，将模型进行合理简化，只模拟铁路中心线两侧各60m范围内的燃气管道定向钻施工及四电基坑开挖施工。

计算模型长120m，宽120m，深22.4m，土体及水泥浆填充采用3D实体单元模拟，钢防护套管采用2D板单元模拟，轨道采用1D线单元模拟。路基上部列车荷载参照《铁路路基设计规范》（TB10001-2016）以分布荷载形式加载在路基顶面模拟，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。三维有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元计算模型

4.2 施工阶段模拟

本工程施工过程模拟步骤按以下几个阶段进行，分别为：初始应力阶段→四电基坑开挖阶段→钻导向孔阶段→扩孔回托阶段→四电基坑回填阶段，具体模拟过程见表3：

表3 施工阶段及内容

4.3 计算结果分析

4.3.1 丰沛铁路路基沉降变形影响分析

根据有限元软件MIDAS GTS建立三维模型进行计算分析，模拟各施工阶段对丰沛铁路路基沉降变形的影响，定向钻施工阶段铁路路基顶面的沉降变形结果云图见图3～4。

图3 钻导向孔阶段土层及路基沉降变形云图

图4 扩孔回托阶段土层及路基沉降变形云图

根据图5可知：定向钻施工阶段引起铁路路基顶面沉降量最大值为0.298mm，满足累计沉降限值10mm的要求，同时路基顶面的沉降速率亦控制在2mm/d以内。

图5 丰沛铁路路基顶面竖向变形曲线

4.3.2 丰沛铁路轨道几何状态影响分析

（1）钢轨高低不平顺

根据数值模拟结果，计算各施工阶段铁路左、右轨的竖向位移，按照10m弦长计算各工况下左、右轨的高低几何形态，定向钻施工阶段铁路左、右轨道高低不平顺结果见下图6～7。

图6 丰沛铁路左轨高低不平顺曲线

图7 丰沛铁路右轨高低不平顺曲线

（2）钢轨水平不平顺

根据数值模拟结果，计算定向钻施工阶段钢轨的水平不平顺，铁路钢轨水平不平顺结果见下图8。

图8 丰沛铁路钢轨水平不平顺曲线

（3）轨道几何不平顺最不利值

由数值模拟得到燃气管道定向钻下穿丰沛铁路引起的铁路轨道几何不平顺最不利值如表4所示。

表4 丰沛铁路轨道几何不平顺最不利值

由上表可知，燃气管道定向钻施工引起的丰沛铁路钢轨高低不平顺最大值为0.269mm，水平不平顺最大值为0.061mm，均满足计划维修状态下6mm的高低与水平不平顺控制指标。

5 结论与建议

5.1 评估结论

通过数值模拟计算分析可知：

（1）燃气管道定向钻施工距铁路路基坡脚处保持10m以上的垂直距离，防护套管壁厚不小于16mm，且钢管与燃气管间隙充填注浆，可有效地控制铁路路基及轨道的变形，确保铁路的运营安全。

（2）定向钻穿越粉质黏土层应控制泥浆配比及添加剂，以有效地控制铁路路基及轨道的变形，确保铁路的运营安全。

5.2 评估建议

（1）燃气管线钢防护管设计荷载应采用铁路标准荷载，满足强度、稳定性及耐久性要求。

（2）定向钻钻孔和拖拉作业应利用列车间隔时间进行实施。

（3）施工监测数据及时整理分析对比，当监测变形达到预警值时，应加密监测频率，调整定向钻的施工参数，必要时停止施工采取针对性措施确保铁路路基的运行安全。