環(huán)境敏感區(qū)涉鐵油氣管線穿越方案

杜 威

(杭州鐵路設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310006)

1 工程概況

某天然氣公司擬建天然氣聯(lián)絡(luò)線一期工程需穿越鐵路上海局集團(tuán)管轄內(nèi)的普速鐵路路基。該處鐵路現(xiàn)狀為：P60鋼軌、無(wú)縫線路、直線區(qū)段、雙線(線間距6 m),電氣化鐵路。管道規(guī)格為1-Ф813×14.3 mm×65(L450)縫埋弧焊鋼管,設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa,采用三層PE加強(qiáng)級(jí)防腐層。見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面圖

2 本工程的重難點(diǎn)分析

1)該管道屬于長(zhǎng)輸干線,管道規(guī)格及設(shè)計(jì)壓力均較大,又是穿越既有運(yùn)營(yíng)電氣化鐵路,管道在穿越施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)鐵路安全的影響必須嚴(yán)控。

2)鐵路東側(cè)為濕地保護(hù)區(qū),根據(jù)地方政府的要求,禁止大型機(jī)械施工,故在常規(guī)方案的選擇上有很大的局限性。

3)根據(jù)《上海鐵路局路外管線穿越鐵路管理辦法》的相關(guān)要求,油氣及液體等有壓管線宜采用鋼筋混凝土套管或護(hù)涵進(jìn)行防護(hù)。如何協(xié)調(diào)鐵路與地方的不同要求是方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4)本工程是省重點(diǎn)工程,工期緊迫,前期管道總體設(shè)計(jì)對(duì)于涉鐵段困難度考慮欠周,項(xiàng)目估算偏低。

綜上所述,本工程在滿足鐵路相關(guān)安全要求的前提下,亦要克服地方諸多不利因素,下面對(duì)上述重難點(diǎn)進(jìn)行綜合研究。

3 設(shè)計(jì)方案研究

3.1 結(jié)構(gòu)形式

管道穿越鐵路段本著“安全適用、經(jīng)濟(jì)耐久、方便施工”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),類似項(xiàng)目在上海局范圍內(nèi)常規(guī)一般有箱涵方案[1]、頂管方案[2]、定向鉆方案[3]三種方案可供選擇。下面對(duì)這幾個(gè)方案逐一進(jìn)行探討：

1)箱涵方案是現(xiàn)在最常規(guī)的方案,優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)可靠,施工工藝成熟,適用于管線較多且斷面較大的情況。缺點(diǎn)是對(duì)鐵路路基及運(yùn)營(yíng)影響較大,工期較長(zhǎng)。

結(jié)合本次項(xiàng)目的實(shí)際情況,鐵路東側(cè)為濕地保護(hù)區(qū),考慮到要一次穿越鐵路及濕地保護(hù)區(qū),故亦不考慮該方案。

2)頂管方案考慮到鐵路東側(cè)為濕地保護(hù)區(qū),設(shè)置工作井難度較大,若一次穿越鐵路及濕地保護(hù)區(qū),總定程達(dá)到700多米,并且兩頭要設(shè)置深20多米的工作井(受河道底標(biāo)高控制),施工難度大,施工時(shí)間長(zhǎng)并且投資較高,故也不考慮該方案。

3)根據(jù)《上海鐵路局路外管線穿越鐵路管理辦法》的相關(guān)要求,油氣及液體等有壓管線宜采用鋼筋混凝土套管或護(hù)涵進(jìn)行防護(hù),故不考慮定向鉆方案。

4)推薦方案決定采用頂管(1-Φ2.0 m)結(jié)合定向鉆的綜合方案,即在鐵路西側(cè)設(shè)置工作井,待鐵路下方的60 m頂管施工完畢后,人工拆除刀盤(pán)等相關(guān)設(shè)備,把定向鉆鉆機(jī)吊入西側(cè)的頂管工作井,進(jìn)行頂管套管內(nèi)定向鉆施工,穿越其余600多米的非鐵路范圍。具體示意見(jiàn)圖2。

圖2 工程斷面圖

5)方案比選見(jiàn)表1。

表1 方案比選

3.2 施工措施

1)工作井全段均位于淤泥質(zhì)地層,并且工作井既是頂管的始發(fā)井,也是定向鉆鉆機(jī)的工作場(chǎng)地,故整個(gè)工作井的尺寸及地基處理都根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了優(yōu)化。工作井采用內(nèi)徑10 m的圓井,外設(shè)兩圈搭接的高壓旋噴樁,基底亦采用點(diǎn)狀的高壓旋噴樁進(jìn)行處理,保證20多米深的沉井的施工及使用穩(wěn)定。

2)為確保沉井及后續(xù)施工過(guò)程中鐵路路基的安全,沉井采用不排水下沉,頂管采用泥水平衡法施工。為防止高壓旋噴樁施工對(duì)路基穩(wěn)定的影響,在高壓旋噴樁施工前,路基坡腳設(shè)置兩排拉森鋼板樁隔離防護(hù)。

3)由于位于沿海濕地地區(qū),故地下水豐富,實(shí)際施工過(guò)程中發(fā)生了頂管施工完畢(待拆除機(jī)頭刀盤(pán))和定向鉆未施工的空檔期間,泥漿水從刀盤(pán)外側(cè)往內(nèi)側(cè)滲漏。施工單位對(duì)于機(jī)頭刀盤(pán)及環(huán)壁上設(shè)置全斷面注漿孔,對(duì)機(jī)頭處的土體進(jìn)行注漿加固。

4)定向鉆施工前,對(duì)頂管管節(jié)內(nèi)填筑三合土,以防止機(jī)頭前端土體塌陷。

5)定向鉆施工盡量壓縮了施工工期,減少定向鉆鉆頭啟動(dòng)至定位器回收間的施工時(shí)間,以減少頂管空管。鉆孔回拖及定位器回收后,對(duì)管道填充泥漿。回拖完畢后,天然氣管道與頂管之間空隙采用充砂注漿填實(shí)。

6)施工期間,既有鐵路采用吊軌梁進(jìn)行預(yù)防護(hù),吊軌梁采用P50軌,長(zhǎng)12.5 m,線路行車限速45 km/h。

4 有限元分析

為了從整體上把握大直徑沉井及長(zhǎng)頂管施工引起的鐵路路基及相關(guān)鐵路設(shè)備設(shè)施不均勻變形,結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)資料及施工全過(guò)程監(jiān)測(cè)結(jié)論,選用大型有限元軟件MIDAS/GTS NX建立數(shù)值計(jì)算模型,分析沉井、頂管施工對(duì)既有鐵路路基的影響。

4.1 建立模型

為了綜合計(jì)算效率和邊界效應(yīng),在涉及到的鄰近鐵路施工中選取了6個(gè)最不利情況進(jìn)行建模分析。施工模擬分析工況劃分見(jiàn)表2。模型范圍為水平方向取110 m×50 m,豎直方向取35 m。計(jì)算模型見(jiàn)圖3。

表2 施工模擬分析工況劃分表

本次計(jì)算地層巖體本構(gòu)模型采用修正的摩爾-庫(kù)倫模型,采用三維實(shí)體單元模擬巖土體,板單元模擬沉井及頂管壁混凝土。計(jì)算模型的邊界約束為：模型底部約束水平、豎向位移,左右兩側(cè)約束水平位移。

圖3 計(jì)算模型圖

4.2 計(jì)算結(jié)果

由有限元分析結(jié)果可知,沉井施工期,鐵路路基最大水平位移為1.81 mm,最大沉降為1.34 mm；頂管施工至上行線正下方時(shí),鐵路路基最大水平位移為11.6 mm,最大沉降為9.33 mm；頂管施工至下行線正下方時(shí),鐵路路基最大水平位移為8.51 mm,最大沉降為18.8 mm。

5 施工監(jiān)測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)要求

1)監(jiān)測(cè)內(nèi)容 穿越處的鐵路路基應(yīng)每間隔5～10 m布置一組沉降和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。沉井結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置4組沉降和位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2)監(jiān)測(cè)頻率 始發(fā)井下沉、高壓旋噴樁施工、架設(shè)吊軌梁、鋼筋混凝土管頂進(jìn)等施工階段2 h一次,其他施工階段12 h一次。

5.2 分析小結(jié)

影響結(jié)果及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析見(jiàn)表3。

計(jì)算結(jié)果及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 計(jì)算結(jié)果及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析(一)

圖5 計(jì)算結(jié)果及實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析(二)

由圖4、圖5可知,有限元分析影響值的變化趨勢(shì)與實(shí)際情況基本吻合,水平位移最大值11.6 mm,沉降最大值為19.3 mm,施工對(duì)鐵路路基影響較大,但在采取限速和線路整修、養(yǎng)護(hù)等措施后,可以滿足鐵路安全運(yùn)營(yíng)條件。水平最大位移較實(shí)際偏小,究其原因可能存在三個(gè)方面：1)實(shí)際監(jiān)測(cè)位移是水平面內(nèi)的總位移,而有限元結(jié)果是面內(nèi)一對(duì)向垂直軸向的最大值;2)有限元地層模擬較均勻,地層參數(shù)選取主觀性較大；3)鐵路列車活載效應(yīng)影響。

6 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和工程展望

6.1 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

1)采用頂管結(jié)合定向鉆的方案,滿足了鐵路相關(guān)要求,優(yōu)化了頂管的頂程,使工程更加經(jīng)濟(jì)合理。

2)機(jī)頭前端土體進(jìn)行注漿加固,降低拆除機(jī)頭過(guò)程中地下水及土體局部失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。

3)采用吊軌梁及鋼板樁對(duì)既有路基進(jìn)行防護(hù),確保了施工過(guò)程中的鐵路路基的穩(wěn)定。

6.2 工程展望

1)本次穿越鐵路路基為普速鐵路,如何在有砟高速鐵路路基穿越則需要進(jìn)一步研究。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù),軟土地區(qū)大直徑頂管在頂進(jìn)過(guò)程中引起的鐵路路基的位移沉降還是偏大,如何優(yōu)化頂進(jìn)過(guò)程中的施工措施則需要進(jìn)一步探討。

3)在頂管與定向鉆工藝的無(wú)縫對(duì)接上如何降低施工風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)一步優(yōu)化。

7 結(jié) 語(yǔ)

本工程提出了在特定困難條件下一種較大直徑油氣管道穿越普速鐵路路基的創(chuàng)新解決方案,從項(xiàng)目竣工及近期線路運(yùn)行情況來(lái)看,設(shè)計(jì)在確保既有線安全運(yùn)營(yíng)的條件下,基本滿足了建設(shè)需要,為以后類似的項(xiàng)目提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。