大型输水管道穿越高铁动荷载作用下受力研究

2017-08-07

东北水利水电 2017年7期

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津300222）

陈涛涛

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津300222）

本文依托大型输水管道穿越京哈铁路工程，在高铁两侧30m之内严禁明挖，设计覆土厚度为0.8m的条件下施工，由于大口径套管顶进过程因原状土粘结力过小导致局部涌起和偏移，需要重新换填。但套管顶进设计过程未考虑原状土换填的工况，文中对套管顶部覆土换填过程的受力情况以及套管运用过程中承压水受力进行了分析论述。

套管顶进；覆土换填；穿越；承压水；大型输水管道

1 工程概况

某供水工程供水管线由京哈高铁八宝屯特大桥桥下通过。供水管线分4孔，分别由八宝屯特大桥第126—129孔穿越铁路，管线与京哈高铁的交叉角度为60°，即有京哈高铁32m简支箱梁，圆端型桥墩，承台尺寸为6.2m×10.2m，承台高2.0m，为8根1.0m桩基础。交叉处梁底至地面最小距离为5.1m，施工期间桥下禁止通行大型施工设备，如确实需要，则需绕行其他允许通过地段或设置限界架、防撞墩等保护措施。

每根供水管线为φ3220mm带加劲环钢管。每根供水管线为φ3220mm钢管，外套DN4000× 3000H8顶管，顶管为4座独立的1.0~4.0m顶管，顶管内径4.0m，壁厚0.4m，单节长3.0m，设计覆土厚度按照0.8m考虑，每根顶管长度为63.0 m。该处管线为4×DN3200输水钢管穿越，工作压力1.4MPa。高速铁路运行安全管理条例规定：高铁200m之内禁止降水，30m之内严禁明挖。

2 地质概况

穿越京哈京哈高铁场地地貌类型属冲、洪积相构成的阶地，地形较为平坦，地势开阔，原场地地面为水田，现地面高程84.0～85.0m。场地内地下水类型主要为上层滞水和承压水：

1）上层滞水：整个场地内均有分布，赋存于耕植土中，接受大气降水和人工灌溉补给，以蒸发为主要排泄方式，水位埋深较浅，地表直接出露，钻孔在2.0m左右揭露。

2）承压水：整个场地内均有分布，埋深7.8～9.6 m，水位高程74.4～75.9m，赋存于粉细砂及圆砾中。根据前期勘察资料得知，圆砾层的下部为风化片岩，与此次勘察揭露的粉质黏土均为微透水地层，造成圆砾层中的地下水具有了一定的承压性。

3 涵顶覆土换填过程受力分析

穿越京哈高铁施工项目，设计过程中未考虑换填土对顶管受力影响，但现场实际由于套管覆土深度约0.8m且为原状土，顶进过程中土体难免不发生偏移，造成原地貌地基承载力降低，再争取高铁工务段同意，允许在套管顶进过程中局部的涌土情况采用人工整平。待顶进完成之后，为了确保原地貌地基和高铁检修便道地基承载力，需在高铁工务段监控下，对涵顶部位土体进行压实和换填，确保检修便道地基承载力和套管承载力均满足要求。

3.1 管道变形

采用ABAQUS软件对换填过程中的套管受力进行分析。管道在涵顶原地貌修整过程中，套管横向和竖向位移值见表1。

表1 PCCP管道纵向变形管芯内侧外侧位移值mm

由表1分析可知：在回填土压作用下，管道内侧和外侧的变形近似相等，内外侧变形量随着时间荷载步的变化近乎一致。

在管道横向变形方面，在该力作用下，管体横向收缩位移为正值，这是由于管道在各层回填土压作用下产生横向延伸。在管道纵向变形方面，随着填土荷载的逐层施加，管道纵向收缩变形继续增大，管道在纵向继续被压缩。

通过纵横向对比可以得出，在后续回填土过程中，横向收缩逐渐减小，纵向收缩继续增大，即管体横向直径增大，纵向直径减小，可见在土压作用下发生水平方向延伸垂直方向收缩的椭圆形变形。

3.2 管道混凝土应力变化

基于ABAQUS的φ4.8m套管结构有限元分析，由土方回填结束管芯混凝土应力变化云图分析可得：混凝土管芯管底内侧最大主应力值为正，表明管芯内侧混凝土受拉，随着荷载步的增加，管底内侧混凝土最大主应力值逐渐增大，即混凝土拉应力值逐渐增加，至第三层回填土回填完毕，管底内侧混凝土最大拉应力值为1.18MPa，小于该标号混凝土的抗拉强度；混凝土管芯管底外侧最大主应力值为负，表明管芯外侧混凝土受压，随着荷载步的增加，该侧混凝土压应力值逐渐增大，最大值为0.16MPa，远小于该标号混凝土的抗压强度。

3.3 管道钢筒应力变化

基于ABAQUS的φ4.8m套管结构有限元分析及土方回填结束管芯钢管应力变化云图分析可得：管底和管顶位置钢筒中应力呈下降趋势，管腰位置钢筒中应力呈上升趋势。回填土完毕后管底、管顶位置钢筒中应力为34MPa，管腰位置钢筒中应力为96MPa，钢管应力变化远小于设计值。

4 套管服役过程承压水分析

4.1 套管几何尺寸

京哈高铁管线采用预应力混凝土套管，包含混凝土、钢筒和砂浆保护层。单节套管长3000mm，内径4000mm，外径4800mm，壁厚400mm。

供水管线为φ3220mm钢管，外套DN4000× 3000H8顶管，设计覆土厚度按照1.2m考虑。管线与京哈高铁的交叉角度为60°。该处管线为4× DN3220输水钢管穿越，工作压力1.4MPa。

4.2 单元类型

套管有限元模型分析主要采用2种单元混凝土和砂浆保护层采用Soild单元模拟，钢筒属于薄壁结构，采用Shell单元，材料参数见表2。

表2 套管材料参数

假定钢筒于混凝土之间完全解除，即不考虑隔层建的相对滑移或脱空等现象，把钢筒壳单元节点和混凝土实体单元节点的自由度约束在一起。

4.3 套管受力分析

根据设计文件套管标准工作压力为1.4MPa，其中输水钢管为传力作用，承受压力为外套钢管。为了更好的了解套管内力变化，先对管芯内部依次施加水压力0.6MPa和1.4MPa。基于ABAQUS的φ4.8m套管钢筒结构计算出应力云图。

各级水压力下套管钢筒和混凝土经ABAQUS软件计算得出的各部件极值应力见表3。

表3 不同水压力情况下套管各部件的极值应力MPa

由表3综合分析可知：

1）在内水压力从0.6MPa加到1.4MPa过程中，加载到极限内水压力1.4MPa时，钢筒中最大应力近似73MPa，相比受拉强度227MPa，也有较大富余。在管道正常运行过程中，内层钢筒也具有较高的可靠性。

2）在内水压力从0.6MPa加到1.4MPa过程中，工作内压0.6MPa时，混凝土最大拉应力1.87 MPa，最大压应力8.76MPa，均小于该混凝土的抗拉抗压强度。当内水压力增加到极限内压1.4 MPa时，混凝土最大拉应力6.79MPa，混凝土最大压应力10.31MPa，小于该混凝土的抗压强度48MPa，混凝土在该内压下抗压满足要求。