微型頂管工程對鐵路的影響分析

張偉俊　崔旭東

【摘 要】隨著城市的日益發(fā)展，地下、地上的管線和建筑也隨之增加，頂管施工往往會遇到穿越公路、鐵路、地下管線、河流、地上重要建筑等特殊地段。這些特殊地段的頂管施工對地面的沉降控制要求更高。本文針對微型頂管下穿棠溪至廣州西鐵路工程，采用FLAC2D有限差分軟件對微型頂管下穿棠溪至廣州西鐵路時引起的地面變形進行數(shù)值模擬分析；結(jié)果表明，微型頂管穿越鐵路路基時引起的地表變形量是很小的，當左線完成后，地表最大沉降位置位于左線微型頂管正上方，數(shù)值為1.97mm，當雙線微型頂管完成后地表最大的沉降位置位于兩頂管連線中心線的正上方，數(shù)值為3.462mm，與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合；考慮到棠溪至廣州西鐵路的重要性，為了保護鐵路的安全運營，在頂管下穿鐵路時采取架空防護的保護措施，并結(jié)合工程實踐取得了較好的效果。

【關(guān)鍵詞】微型頂管；地表沉降；FLAC2D

0 引言

目前，隨著城市規(guī)模的不斷擴大，通過電力隧道實施輸電和配電線路的地下化，可以改善城市的市容環(huán)境，強化城市的減災和防災功能，實現(xiàn)穩(wěn)定的輸電，可以帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益；近年來，為了適應經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的挖溝埋管法具有很多缺點，如影響交通、破壞路面、破壞地表植被、影響正常的商業(yè)活動和居民的日常生活、大量的土方工程等。因此頂管技術(shù)迅速發(fā)展，它是繼盾構(gòu)施工后發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它不需開挖面層，且能穿越公路、鐵路、地面建筑物以及各種地下管道等，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強，該法近年在全國各大城市大量推廣應用而成為一種常規(guī)的施工方法。

頂管施工引起地表沉降的原因主要有以下三部分：

1）開挖面間隙引起的地層損失；2）漿液流動引起的地層損失；3）地下水流失。開挖面間隙引起地層損失受平衡土壓力、出土率和頂進速度的影響。

本文以廣州環(huán)西站110kV送電線路工程為背景，采用FLAC2D有限差分軟件對微型頂管穿越棠溪至廣州西鐵路時引起的地面變形進行數(shù)值模擬分析，繼而對鐵路采取架空防護保護措施，施工中根據(jù)監(jiān)控點監(jiān)測所得反饋數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整相關(guān)技術(shù)參數(shù)使得沉降值控制在有關(guān)部門允許的范圍之內(nèi)。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

環(huán)西站110kV送電線路工程（解口110kV羅三甲乙線）為220kV環(huán)西變電站配套工程，工程位于廣州市荔灣區(qū)，站西路東西兩側(cè)，對加強荔灣區(qū)北部、越秀區(qū)中東部110kV電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、提高供電可靠性等方面起到積極的作用。由于線路需穿越棠溪至廣州西鐵路（微型頂管左線穿越鐵路里程約為K2264+413，右線穿越鐵路里程約為K2264+416），故采用頂管法施工，兩端的工作井采用明挖法施工，頂管工程長度為39.640m，由1號工作井始發(fā)，2號工作井吊出，頂管采用鋼筋混凝土圓管作護涵，護涵內(nèi)經(jīng)1.2m，壁厚為120mm，管節(jié)長2.5米，C50混凝土制作，兩頂管中心距為3m，埋深4.9～9.8m，每一頂管計劃穿8條180PE管（其中兩條備用），3條100PE管（兩條備用），180PE管每根穿一條電纜，100PE管供回流線使用。

1.2 微型頂管與棠溪至廣州西鐵路位置關(guān)系

微型頂管由工作井1始發(fā)，工作井2吊出，與既有鐵路接近為空間正交，夾角為87°，在穿越棠溪至廣州西鐵路處頂管埋深是5.0m，其中工作井1距離鐵路約為30.5m，工作井2距離鐵路約為8.1m；鐵路為單線鐵路，路基形式為碎石道床，由具有一定粒徑、級配和強度的硬質(zhì)碎石堆集而成；微型頂管以及工作井與棠溪至廣州西鐵路的平面位置關(guān)系見圖1，微型頂管與棠溪至廣州西鐵路的空間位置關(guān)系如圖2所示。

1.3 工程地質(zhì)條件

1.3.1 地層巖性特征

本區(qū)段地貌單元屬剝蝕殘丘，地面有起伏，高程約9.16～13.64m，最大高差4.45m。場地巖土層按成因類型自上而下分別為填土層（Q4ml）、殘積層（Qel）及白堊系（K）砂礫巖帶，地層特征分層描述如下：

1）人工填土層（Q4ml）

灰黃色，灰白色，局部雜色，稍濕，松散～稍壓實，主要由粉質(zhì)粘土、中粗砂、磚頭、碎石、砼塊等建筑與生活垃圾組成，硬質(zhì)物含量約占30～60%；層厚1.80～7.20m；平均4.46m；頂面標高9.19～13.64m，平均11.90m。平均縱波波速為742.68m/s。物理力學性質(zhì)差。在圖上代號為“①”。

2）殘積土層（Qel）

該層主要為粉質(zhì)粘土，棕紅色、褐紅色，硬塑，泥質(zhì)粉砂巖風化殘積土，稍有光滑，韌性中等，層厚4.40～11.70m；頂面埋深1.80～7.20m；頂面標高6.42～8.12m。在圖上代號為“②”。

3）基巖（K）

該場地下伏基巖為白堊系全風化泥質(zhì)粉砂巖，棕紅色，原巖結(jié)構(gòu)可辨，已風化成堅硬土狀，遇水軟化；厚度18.20～25.40m，平均4.12m；頂面埋深11.60～13.70m，平均12.82m；頂面標高-4.31～2.02m。在圖上代號為“③”。

1.3.2 水文地質(zhì)條件

1）地表水

擬建工程場地位于西灣路附近，主要接受大氣降水，降雨后匯集地表水等向排水溝、河涌排泄。

2）地下水

場區(qū)地下水賦存類型包括第四系孔隙水和基巖裂隙水。擬建微型頂管第四系孔隙水主要賦存于雜填土中，接受大氣降水的滲入補給。場地基巖裂隙水主要沿泥質(zhì)粉砂巖風化裂隙帶分布，一般分布在巖面附近和淺部裂隙發(fā)育帶，由孔隙水滲入補給為主，富水性較弱。上述二種類型的地下水，水力聯(lián)系較差，地下水較貧乏。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微侵蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)有微腐蝕性。

2 微型頂管穿越棠溪至廣州西鐵路時引起的數(shù)值分析

2.1 土層參數(shù)

根據(jù)廣東有色工程勘察設計院野外鉆探以及原位測試資料，棠溪至廣州西鐵路附近可將勘探深度內(nèi)沿線巖土層分為3層，地層地質(zhì)狀況從上到下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土以及全風化的泥質(zhì)粉砂巖，頂管穿越的土層為粉質(zhì)粘土。本次計算采用FLAC2D有限差分軟件進行分析微型頂管穿越棠溪至廣州西鐵路時引起的地面變形。根據(jù)環(huán)西站110KV送電線路工程巖土工程勘察報告，選擇代表性土層參數(shù)見表1。

2.2 有限元模型

取垂直于微型頂管的橫剖面作為研究對象，按照平面應變問題考慮，計算取15m×12m的分析區(qū)域，其中頂管頂部至地表取實際埋深，頂管底部以下取6m，模型左右邊界兩側(cè)采用水平向約束，垂直方向可自由滑動，底部邊界采用垂直方向約束，上部邊界取為自由邊界，模型如圖3所示。

土層采用彈塑性本構(gòu)模型，Mohr-Coulomb屈服準則模擬。

2.3 計算步驟

為了綜合反映微型頂管施工對棠溪至廣州西鐵路路基變形的影響規(guī)律，本次數(shù)值分析對左右線的開挖進行了連續(xù)的模擬，并在模擬過程中考慮了火車荷載的作用，以使較好的反映實際開挖工況；采用以下的模擬步驟：

①賦予巖土體初始應力場。

②用有限差分軟件FLAC2D提供的null模型模擬微型頂管左線的開挖，計算至整個模型平衡。

③使用model null 命令繼續(xù)挖除右線微型頂管，計算完成所有時步直至平衡，然后賦予火車荷載，計算至整個模型平衡，以使綜合考慮雙線微型頂管開挖完成后火車通過時引起的地表變形規(guī)律。

2.4 計算結(jié)果

本次數(shù)值分析模擬了雙線微型頂管穿越鐵路路基時引起的沉降變形規(guī)律，其中圖4和圖5為左線開挖完成后引起的水平和豎向應力云圖，圖6和圖7為左線開挖完成后引起的豎向沉降云圖和地表變形規(guī)律；圖8和圖9為右線開挖完成后引起的水平和豎向應力云圖，圖10和圖11為右線開挖完成后引起的豎向沉降云圖和地表變形規(guī)律，結(jié)果表明：

微型頂管穿越鐵路路基時引起的地表變形量是很小的，當左線完成后，地表最大沉降位置位于左線微型頂管正上方，數(shù)值為1.97mm，當雙線微型頂管完成后地表最大的沉降位置位于兩頂管連線中心線的正上方，數(shù)值為3.462mm。

3 地表沉降控制標準

一般地段地表沉降控制標準為：地表最大下沉值為30mm，隆起量為10mm；在靠近棠溪至廣州西鐵路段地表沉降控制標準按鐵路軌道設計規(guī)范（TB 10082-2005）3.0.8規(guī)定：線路有碴軌道靜態(tài)平順度應符合下表所示：

4 鐵路保護措施

考慮到棠溪至廣州西鐵路的重要性，為了保護鐵路的安全運營，現(xiàn)場施工時因鐵路部門要求，在頂管下穿鐵路時采取以下保護措施：

1）微型頂管在鐵路下施工時，在影響線范圍之內(nèi)。

線路采用架空防護的保護措施，其中線路架空防護主跨采用D16型施工便梁，副跨縱梁采用四片I63C工字鋼梁，橫抬梁采用I36C工字鋼梁，實施過程中應加強縱梁之間、縱橫梁之間、橫梁與鋼軌之間的聯(lián)接可靠；縱梁與支墩之間傳力可靠；橫梁與既有鋼軌連接處應加設絕緣橡膠墊；整個施工過程中應遵守現(xiàn)行《鐵路線路修理規(guī)則》、《鐵路工務安全規(guī)則》等規(guī)范，從而有效地保護鐵路的運行安全。

2）頂管加降阻劑，如膨潤土等，以減少由于頂管頂進力加大而對土體的擾動。

3）與鐵路工務部門密切配合，為避免沉降累計，在整個施工中，每趟列車經(jīng)過前監(jiān)測一次，沉降或隆起大于4mm時，即超過鐵路軌道容許偏差時，應立即對鐵路進行處理。

5 現(xiàn)場施工情況

本次施工過程中對棠溪至廣州西鐵路進行系統(tǒng)全面地跟蹤監(jiān)測，實行信息化施工；根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，鐵路路基的最大沉降為3.6mm，與數(shù)值分析結(jié)果較為吻合，并且滿足規(guī)范要求，頂管施工現(xiàn)已施工完畢。

6 結(jié)論

本文針對微型頂管下穿棠溪至廣州西鐵路工程，采用FLAC2D有限差分軟件對微型頂管下穿棠溪至廣州西鐵路時引起的地面變形進行數(shù)值模擬分析，并與頂管施工過程中實際監(jiān)測數(shù)據(jù)做對比，得出以下結(jié)論：

1）由有限差分數(shù)值分析可知，當左線完成后，地表最大沉降位置位于左線微型頂管正上方，數(shù)值為1.97mm，當雙線微型頂管完成后地表最大的沉降位置位于兩頂管連線中心線的正上方，數(shù)值為3.462mm，與頂管工程施工過程中鐵路路基實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較為吻合。

2）考慮到棠溪至廣州西的重要性，為了保護鐵路的安全運營，在頂管下穿鐵路時可采取架空防護、頂管加降阻劑、施工過程加強監(jiān)測的保護措施。

3）施工過程中根據(jù)監(jiān)控點監(jiān)測所得反饋數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整相關(guān)技術(shù)參數(shù)使得沉降值控制在有關(guān)部門允許的范圍之內(nèi)，鐵路路基的最大沉降為3.6mm，滿足規(guī)范要求。

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[責任編輯：楊玉潔]