天津市某给水管道下穿施工对既有铁路的影响

李 妍

(天津 300142)

1 工程概况

1.1 项目概况

北辰区农村饮水提质增效和企事业单位水源转换工程(以下简称本工程)，建设地点位于天津市北辰区境内，建设目的是实现对实施范围内的27个村和全区3 308家 企事业单位饮水的提质增效和水源转换。本工程包括企事业单位配水管线137.09 km，农村饮用水主管线47.511 km。本工程需要穿越津霸铁路联络线及站内牵出线，穿越管道为给水管道，管径为300 mm，管材为PE。本工程为给水管道敷设1-1.55 m铁路专用顶管，与铁路交叉里程为津霸铁路联络线K13+316.57，交叉右角90°，穿越处区间为双口站至汊沽港站。顶进位置与既有铁路共计四处接触网杆距离较近，距离83号杆29.89 m，距离85号杆28.87 m，距离88号杆29.86 m，距离90号杆28.76 m。顶进工作坑距铁路路基坡脚20.13 m，接收工作坑距铁路路基坡脚22.57 m。给水管道保护涵与铁路平面位置关系示意图如图1所示。

保护涵采用顶进方法施工，顶进28节圆管，余一节在顶进工作坑内直埋，每节长3.050 m，顶进涵长85.40 m。顶进工作坑设置在既有铁路南侧林地内，接收工作坑设置在既有铁路北侧水塘内。水塘内设置围堰并填充素土搭建施工作业平台和施工便道，保护涵位于水塘内的部分上方填土。保护涵计算最大顶力3 702 kN，结构控制顶力6 100 kN。顶进工作坑后背墙侧采用单排φ125 cm钻孔灌注桩防护， 冠梁高1 m，桩长10 m。工作坑其余三个侧面以及接收工作坑四面均采用单排φ80 cm钻孔灌注桩防护，冠梁高1 m，桩长10 m。顶进工作坑基底铺设C20混凝土垫层，导轨连接件预埋其中。工作坑周围采用双排旋喷桩止水帷幕防水，顶进工作坑和接收坑旋喷桩的桩长为8 m，桩径60 cm，桩间距40 cm。顶进及接收坑采用密布水泥旋喷桩封底，桩长3 m，桩径60 cm，桩间距40 cm。保护涵顶进施工最小覆土厚度按照铁路坡脚以下最小埋深2 m确定。

1.2 津霸铁路联络线概况

津霸铁路联络线铺设有砟轨道，铁路等级为国铁Ⅰ级，设计采用ZK荷载，设计速度目标值为80 km/h。

2 工程地质条件

表1 土层参数表

3 评估概述

3.1 评估内容

依据相关规范规程的要求，结合本工程特点拟定主要专项评估内容包括对铁路路基轨道平顺性影响和对铁路接触网杆倾斜角度影响两方面。采用理论计算和有限元模型相结合的方法开展数值模拟计算，对照评估标准开展定量的安全评估[1]。

3.2 评估方法

岩土工程中存在的开挖问题主要是指基坑、隧道等的开挖。这些开挖的施工过程通常较为复杂，如分步骤开挖，支挡结构的施工等，常规的分析方法处理起来较困难，往往需要通过有限元对支护结构的内力和变形、周围土体的位移、邻近既有建筑物的变位等进行分析。针对本工程的施工问题，国内外应用较多的研究方法是有限元法，该方法可以用于求解非线性问题，可在计算过程中模拟各种复杂的材料本构关系，易于处理非均匀介质问题、模拟各向异性材料，适用于各种复杂的边界条件。故本工程选取成熟的大型岩土工程通用软件Midas GTS-NX进行模拟计算。

3.3 评估标准

既有铁路的安全评估一般从结构及附属设施变形、结构强度及稳定性等方面来考虑，且一般采用变形作为主要控制指标。根据既有铁路现状及周边设施，参考国内类似工程经验并结合理论计算分析，制定了本工程变形控制指标及标准。

1)TB 10001—2016铁路路基设计规范第3.3.6条规定：路基工后沉降量应符合表2规定。

表2 有砟轨道正线路基工后沉降控制标准

2)按照《普速铁路线路修理规则》(铁总工电[2019]34号)第6.2.1条规定的线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值作为控制标准，见表3。

表3 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

3)根据《普速铁路接触网运行维修规则》铁总运2017(9)号第一百三十六条规定支柱倾斜率满足：a.支柱在顺线路方向应保持铅垂状态，其倾斜率不超过 0.5%。锚柱应向拉线方向倾斜，其倾斜率不超过 1%；b.支柱在垂直线路方向均应直立，允许向受力的反向倾斜，腕臂柱、隔离开关支柱、硬横跨支柱倾斜率不超过 0.5%；软横跨支柱高度 13 m的倾斜率为 0.5%～1%，高度15 m及以上的倾斜率为1%～2%。

4 工程施工对铁路的影响分析

4.1 模型的建立

采用大型通用有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型进行计算分析，土体模型认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性采用岩土有限元分析软件Midas GTS-NX进行模拟。模型长度为190 m，宽度150 m，深度30 m。土体采用修正摩尔-库仑模型来模拟土的本构关系，工作井防护桩采用1D梁单元模拟，工作井旋喷桩及保护涵管壁采用2D板单元模拟，既有铁路路基以及其他结构均采用3D实体单元模拟，铁路路基的上部结构均以荷载形式加载在路基上来模拟，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。三维空间有限元土体模型如图2所示。

本工程按铁路建设完成进行建模分析，具体模拟过程见表4。

表4 安全评估施工阶段及内容

4.2 结果分析

4.2.1 工程施工对铁路路基沉降变形影响模拟分析

本次评估最终结果以轨道上每5 m采集一点来进行分析，具体分析结果如图3～图5所示。

根据计算结果可知：由于工程施工引起的津霸铁路联络线及站内牵出线路基各阶段累计附加沉降最大值为-1.688 mm，满足《铁路路基设计规范》中路基沉降速率限值要求。

4.2.2 铁路路基沉降变形对轨道平顺性影响模拟分析

根据有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型进行计算分析，津霸铁路联络线及站内牵出线路基沉降变形引起轨道平顺性偏差最大值-0.886 mm，满足轨道平顺性限值要求。津霸铁路联络线及站内牵出线路基沉降变形对轨道平顺性的影响结果见图6～图8。

4.2.3 铁路接触网立柱变形分析

根据有限元分析软件Midas GTS-NX建立整体三维有限元模型进行计算分析，工程施工对津霸铁路联络线及站内牵出线接触网立柱变形影响结果见表5～表8。

表5 接触网立柱顺线路变形结果 mm

表6 接触网立柱垂直线路变形结果 mm

表7 接触网立柱顺线路倾斜率 %

表8 接触网立柱垂直线路倾斜率 %

根据计算结果可知：工程施工过程中各施工阶段引起的津霸铁路联络线及站内牵出线接触网立柱顺线路及垂直线路倾斜率均满足《普速铁路接触网运行维修规则》铁总运2017(9)号规定的0.5%限值要求。

5 结论

本工程施工及运营会对铁路路基沉降以及轨道平顺性产生一定的附加影响[2]。文中针对工程施工及运营对津霸铁路联络线及站内牵出线铁路影响进行评估，通过计算分析可知：

1)本工程引起津霸铁路联络线及站内牵出线附加沉降及总沉降满足《铁路路基设计规范》中路基沉降速率5 mm/a的限值要求。

2)本工程引起的津霸铁路联络线及站内牵出线轨道平顺性偏差满足 《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146号)中设计时速为80 km/h铁路在计划维修条件下轨道高低最差6 mm的限制要求。

3)本工程引起津霸铁路联络线及站内牵出线接触网立柱顺线路方向和垂直线路方向倾斜率满足《普速铁路接触网运行维修规则》铁总运2017(9)号中的限值要求。

通过以上分析，本工程穿越津霸铁路联络线顶管工程，设计、施工方案可行。考虑到各类风险的客观存在，后续建设施工中应制订相关专项应急预案和现场处置方案。

本工程应重点监控量测津霸铁路联络线及站内牵出线路基和轨道沉降、水平变形、平顺性指标以及轨道线路的几何形位。对监控量测的建议如下：

1)施工前应做好相关初始数据的采集，并对测点予以保护。

2)顶管掘进做到小进尺、有步骤的推进，用监控量测的数据指导施工。

3)监测数据及时整理分析，做好实测数据与预警值对比[3]；现场监控动态变化信息及时向参建各方反馈。

4)监控应根据变形趋势进行预判，当变形趋势不利或变形达到报警值时，应加密监测频率，调整掘进的施工参数[4]，必要时停止施工并采取针对性措施确保工程和铁路行车安全。