沁县集中供热防护套管下穿太焦铁路对既有铁路桥梁的影响分析

刘晓梁

(中国中铁工程设计咨询集团太原设计院，山西 太原 030013)

在城市公共设施建设过程中，由于公路、铁路的提前规划、建设完成，对城市的其他公共设施以及居民生活区造成了分割。完善城市管网系统，按照生产、生活所需布设管网，服务人民群众，是提升城市公共服务水平的重要环节。城市集中供热管线在敷设时，经常会遇到下穿公路、铁路的情形，本文通过一处热力管线下穿铁路的案例，分析计算由于下穿管线的施工对铁路桥梁的影响。

1 工程概况

项目辖区位于山西省长治市沁县。本工程为沁县供热管线下穿太焦铁路工程，供热管有2根，规格分别为DN800和Q335螺旋缝焊接钢管。太焦铁路是始建于20世纪50年代的普速铁路，北起山西太原，途经晋中、长治、晋城至河南焦作，与焦柳、侯月铁路相接，共经5个地级市。

沁县供热管线从太焦铁路涅河大桥5#桥墩和6#桥墩之间穿过，涅河大桥为8孔32 m梁桥，既有桥为扩大基础。下穿施工时，采用土压平衡工艺从南向北顶进施工，并采用2根1.5 m套管型式对热力管道进行防护，防护套管长度均为48 m，轴线与铁路夹角70°。

2 工程地质及水文地质特征

本工程位于山西省长治市沁县南侧，沁县与武乡县交界处，下穿太焦铁路。附近有省道S322及多条乡村道路可通行，交通状况较方便。项目区属冲积河谷区，地形相对平缓，水流狭窄，河漫滩广泛分布第四系冲洪积层，河床开辟为耕地。场地内出露地层由新到老有：粉土、细砂、砂砾、强风化砂岩、中风化砂岩、泥岩。

该地区地表水为涅河，是浊漳北源的一级支流，枯水期清水流量在0.5～1.0 m3/s。地下水埋深为1.7～2 m，受涅河补给。

3 下穿方案

太焦铁路湼河大桥5#墩与6#墩之间采用32 m预应力混凝土简支T梁，圆端型桥墩，墩高均为11.0 m，桥墩基础均采用扩大基础，承台尺寸均为5.4 m×7.1 m×1.0 m。

本工程工作井、接收井采用钻孔灌注桩型式，由于地下水位较高，工作井及接收井外侧设置单排旋喷桩止水帷幕。顶管采用《混凝土和钢筋混凝土排水管(GB/T 11836-2009)》规定的(DRCPⅢ1 500×2 000GB/T11836)管体，管口型式为柔性接头钢承插口。管内径1 500 mm，外径1 800 mm，管壁厚150 mm，单节长度2 000 mm，顶进施工24节顶管，顶管与铁路斜交呈70°角，防护管全长48 m。顶管控制顶力(最大纵向轴力)：4 200 kN。

2根顶管净距2.04 m，与桥墩扩大基础距离均为10.78 m，顶管覆土分别为4.49 m、4.37 m，铁路梁体距地表高度为11.91 m。

4 顶进施工对铁路桥梁的影响分析

4.1 建立有限元模型

本文根据理论基础上，采用大型通用有限元分析软件Midas GTSNX建立整体三维有限元模型进行计算分析。根据地质勘察资料，将施工场地的分层土简化为若干个土层，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。模型长度为80 m，宽度48 m，深度30 m，土体采用摩尔-库伦模型来模拟土的本构关系，桥梁的桥墩及承台采用3D实体单元模拟，防护管涵采用2D板单元模拟，桥梁的上部结构均以荷载组合形式加载在墩顶上来模拟，土体水平四周边界采用水平约束，底边界采用竖向约束。

表1 主要土层参数表

4.2 施工过程模拟

本文对桥下供热输配管道防护涵施工全过程进行模拟。建立模型后，首先设定桥墩地基在现状自重应力下达到平衡，然后防护管涵分节逐渐顶进，并开挖相应土方，直至48 m供热防护管涵全部顶进完毕，计算分析顶进施工对既有桥梁桥墩沉降及位移的影响。

模拟步骤为：建立既有桥梁相关结构并加载桥墩上部荷载(顶进前现状)→位移清零→施加顶力分节分阶段顶进防护管涵→开挖相应土方。

4.3 计算结果分析

计算分以下几个施工阶段，分别为：顶进之前太焦铁路桥梁现状阶段、顶管顶进12 m阶段、顶进18 m阶段、顶进24 m阶段、顶进34 m阶段、顶进48 m(顶进完成)阶段。

首先建立有限元软件模型，顶进施工之前，在地层及桥墩基础结构模型上施加自重并在桥墩上部按照墩顶最不利荷载组合工况加载。然后，分别计算出各个施工阶段5#桥墩墩顶和6#桥墩墩顶的竖向位移、纵向水平位移、横向水平位移。计算得出位移最大值以及产生的位置见表2。

表2 最大位移列表

根据变形云图可知，由于顶管顶进施工会造成顶进段周围一定范围内的土体隆起，其两侧一定范围内的土体则会相应的发生沉降。随着顶进施工的进行，在完全顶进48 m时，5#桥墩墩顶竖向位移达到最大值，最大沉降量达到0.013 1 mm；5#桥墩墩顶纵向水平位移达到最大值，指向铁路大里程方向最大位移为0.007 7 mm。在顶进24 m时，6#桥墩墩顶横向水平位移达到最大值，指向铁路大里程方向左侧最大位移为0.005 1 mm。

通过数值模拟计算分析，并结合国内同类工程实例经验，在各项技术措施落实到位的基础上，在正常开挖并及时施作顶进防护管的状态下，本工程各个施工阶段引起太焦铁路桥梁基础的附加总沉降及附加总差异沉降、水平横向位移、水平纵向位移均是十分微小的，且满足《铁路桥涵设计规范》(TB10002-2017)中工后沉降量及位移的相关要求。

5 结 论

市政管线下穿既有铁路工程是市政工程建设过程中经常遇到的问题。下穿铁路桥梁施工若采用明挖基坑、敷设管线、地表回填的施工方法，对铁路桥墩的沉降及位移影响较大，对铁路的正常运营造成安全隐患，也难以征得铁路管理部门的同意。

本文基于顶进施工方案下穿铁路桥梁的案例，分析计算了在顶进施工过程中各阶段对铁路桥梁的影响，重点分析对铁路桥墩沉降、纵向位移、横向位移的影响。通过分析计算可知，采用顶进施工方案可有效降低对铁路桥梁的影响，对铁路桥墩的沉降及位移影响十分微小。对类似项目在实施过程中的计算分析具有一定的参考价值。