土壓平衡頂管下穿鐵路的施工控制

曲 洋

中鐵十八局集團第三工程有限公司 河北 涿州 072750

近年來我國城市建設(shè)在大規(guī)模快速發(fā)展，大規(guī)模、大范圍的綜合管廊工程正破土動工，跨越既有鐵路的管線工程也在逐年增加。預(yù)測施工引起的鐵路路基沉降，保證頂管順利掘進和鐵路的安全運營，逐漸成為頂管工程設(shè)計與施工的關(guān)鍵[1-2]。為此，國內(nèi)學(xué)者對頂管作業(yè)工程做了大量研究。

郝曉光[3]模擬了管道的頂進過程，分析了不同開挖面壓力情況下頂管機頭周圍土層的應(yīng)力應(yīng)變情況；邱超等[4]分別從正面頂推力、摩擦力、地層損失、管徑大小等方面出發(fā)，探討了頂管下穿鐵路對路基沉降的影響；李鑫波等[5]模擬了矩形頂管對地鐵隧道的影響，從黏聚力、內(nèi)摩擦角、填土高度、泊松比、彈性模量等方面分析了土質(zhì)因素對地表沉降的影響，提出了相應(yīng)的地層沉降控制措施。相比圓形頂管，矩形頂管能充分利用截面的空間優(yōu)勢，對土層適應(yīng)能力更強。

基于此，本文以昆武高速地面排水下穿云冶鐵路工程為例，采用有限元模擬法，研究了頂管下穿鐵路施工對路基沉降的影響，以期為其他下穿鐵路土壓平衡頂管施工提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

背景工程場地處于京昆高速跨線橋兩側(cè)，地段為城市建成區(qū)邊緣，交通較方便，地形起伏不大，建筑、菜地、荒地遍布，地面海拔1 905～1 914 m。勘探揭露表明，勘探地基土上覆地層主要為第四系上更新統(tǒng)湖沖積層、第四系全新統(tǒng)人工填土。

場地內(nèi)水文地質(zhì)條件受當?shù)貧夂颉⒌匦蔚孛病r性、地質(zhì)構(gòu)造、地表水系及人類活動等因素的影響，補給來源為地表水的滲入補給，根據(jù)地下水埋藏條件可劃分為孔隙水、基巖裂隙水。

孔隙水主要賦存于黏性土中，受大氣降水及地表水補給，隨季節(jié)變化較大；基巖裂隙水主要賦存于弱風(fēng)化、全-強風(fēng)化白云巖和礫巖裂縫中。

2 數(shù)值模型計算

2.1 模型建立

利用有限元軟件Ansys建立模型，將管道材料看成彈性體，采用shell63殼單元進行模擬。土體采用solid45單元模擬，并采用drucker-prager本構(gòu)模型，尺寸為50 m×75 m×25 m。drucker-prager模型準則考慮了靜水壓力對屈服和破壞的影響，屈服曲面光滑、沒有棱角，參數(shù)較少，易于試驗測定，有利于塑性應(yīng)力路徑的確定，適用于巖土材料的本構(gòu)模型計算。

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分決定了運算時間的長短與計算的準確性，本文模型采用掃掠劃分而成。根據(jù)研究者對頂管影響范圍的研究，鐵路方面，保證鐵路不發(fā)生z軸向位移。頂管x軸方向設(shè)為30 m；y軸方向拓展1倍管距，達30 m；z軸方向，實際開挖為85 m。對模型x軸左側(cè)進行x方向約束，模型底面設(shè)置y軸方向約束，z軸前后兩面對z軸約束，對稱面進行對稱約束設(shè)置，土層表面不設(shè)立約束。

3 監(jiān)測方案與結(jié)果分析

3.1 覆土厚度的影響

不同覆土厚度下的土層縱向沉降如圖1所示。由于頂管過程中側(cè)向靜止土壓力小于附加壓力，導(dǎo)致開挖前方12～20 m范圍內(nèi)出現(xiàn)5 mm左右隆起。但在厚4 m覆土下的變形完全隆起，表明厚4 m覆土層被完全破壞，施工工藝對土層沉降起到關(guān)鍵作用。在頂管開挖20 m后，縱向土層沉降變形為0。最終施工方案采用了厚12 m覆土層，并在距始發(fā)井0、15、30、45、60、75 m的位置布置測點，對地表縱向沉降進行測量。對比厚12 m覆土層縱向沉降測量值與計算值，發(fā)現(xiàn)計算值與測量值基本吻合，計算誤差在允許范圍之內(nèi)。

不同覆土厚度下的土層橫向沉降如圖2所示。可以看出，4 m覆土厚度下的土層完全隆起，表明軟土松軟，不利于施工作業(yè)，如果加固不滿足沉降要求，則需要換填土再次進行施工。8 m和12 m覆土厚度下沉降變形符合一般頂管沉降規(guī)律，8 m覆土厚度下沉降最大值接近16 mm；后續(xù)采用措施調(diào)整能使12 m覆土厚度下的最大沉降值為8 mm，不超過10 mm路基沉降標準。但在橫向距離16 m處，土體出現(xiàn)隆起。主要原因是頂進過程中，頂管機通過后，受到擠壓作用且兩側(cè)土體應(yīng)力未消散，而頂管上方土體應(yīng)力消散較快，導(dǎo)致土體出現(xiàn)微小隆起。

最終施工方案采用了厚12 m覆土層，并在距矩形管中線－30、－15、0、15、30 m的位置布置測點，對土層橫向沉降進行測量。發(fā)現(xiàn)計算值與測量值基本吻合，證明了計算值的準確性。

圖1 不同覆土厚度下的土層縱向沉降

圖2 不同覆土厚度下的土層橫向沉降

不同覆土厚度下的土層深度水平位移如圖3所示。可以看出，4 m覆土厚度下水平位移較大，主要原因是處于軟土區(qū)域；8 m覆土厚度時，水平位移達2.2 mm；管廊在8 m覆土厚度下處于卵石和軟土之間，減小了土層的水平位移；而在12 m覆土厚度下，土層水平位移波動較小，表明土質(zhì)對土層水平位移影響較大，且管廊位置影響最大水平位移。對比圖1～圖3可以看出：覆土厚4 m時，軟土區(qū)域土層性質(zhì)較差，不利于現(xiàn)場頂管施工；厚8 m覆土區(qū)的沉降則略大于10 mm的沉降要求；12 m覆土厚度下基本滿足鐵路路基沉降的需要。即由沉降分析得出：4 m覆土厚度下的軟土層不利于頂管作業(yè)；12 m覆土厚度下的土層符合鐵路路基10 mm的沉降標準；雖然8 m覆土厚度下地層沉降略大于路基規(guī)定，但可以對土層進行注漿加固處理，只需要把軟土彈性模量從426 kPa提高到520 kPa即可滿足工程需要。

3.2 火車荷載的影響

頂管推進時，鐵路路基中心處的土層縱斷面沉降如圖4所示。由于頂管機的摩擦力與附加土壓力作用，導(dǎo)致靠近路基斷面時路基逐漸隆起；頂管機離開路基斷面后，土中孔隙水壓力的消散以及土體損失的加劇，使表層土出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。開挖20 m之前，有火車荷載下的路基土層開始隆起，反映了無火車荷載處路基（0～15 m）與有火車荷載處路基（15～31 m）的土層密實度完全不一樣，表明火車荷載對土層起到了一定的壓實作用，從而使得土層沉降明顯減少。

圖3 不同覆土厚度下的土層深度水平位移

圖4 推進時鐵路路基中心處的土層縱斷面沉降

圖5 推進停止時鐵路路基中心處的土層縱斷面沉降

頂管推進停止時，鐵路路基中心處的土層縱斷面沉降如圖5所示。可以看出，2種荷載下土層主要表現(xiàn)為先隆起后沉降，變化規(guī)律基本一致。總體沉降幅度較推進時減小很多，而土層擾動情況大致相同。主要原因是空氣水壓上升和下降、加載和卸載、松動和擠壓導(dǎo)致土體變異逐步消散。由于土體骨架蠕動和孔隙水壓力消散產(chǎn)生的再固結(jié)沉降加劇了沉降的幅度，導(dǎo)致40 m之后的土層沒有隆起。無火車荷載處路基（0～15 m）與有火車荷載處路基（15～31 m）的土層壓實度不同。頂管機頭在距離15 m下方位置開挖時，路基發(fā)生2 mm左右的隆起，而在30、45、60 m遠離路基處，土層下沉6～8 mm，符合鐵路路基沉降標準。

有火車荷載比無火車荷載下的土層有更高的隆起，主要原因是在頂進過程中，有火車荷載對土層擾動加劇，破壞了部分卸載拱結(jié)構(gòu)。因此頂管作業(yè)時，應(yīng)預(yù)防土層進一步反彈隆起。

推進停止時，鐵路路基中心處的土層橫斷面沉降如圖6所示。無火車載荷下，開挖15 m以前對土層深度擾動很小，而開挖15 m以后，處于較大平衡波動狀態(tài)，土層擾動很大。與無火車荷載相比，有火車荷載對土層擾動加劇，表明深度水平位移受頂管施工的影響較大；由于受頂管擠壓作用，靠近頂管附近20 m左右深度處的土層水平位移為負值。而離開鐵路路基30 m處，頂管對鐵路路基的影響最大，隨后逐漸減小，即此處路基壓實度較好。

由橋墩中心處土層沉降（圖7）可以看出，靠近橋墩處土層沉降呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明在頂進過程中，摩擦力及附加推力作用于前方土體和頂管機周邊，導(dǎo)致橋墩處土層隆起；而頂管機經(jīng)過橋墩處后處于隆起狀態(tài)，表明頂管機通過時仍對兩邊土體有擠壓作用。其中，距離50 m以后，火車荷載影響減小，表明卸載拱效應(yīng)及火車荷載使土層結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

橋墩處頂管開挖停止時的土層變化形狀與推進時顛倒，前期40 m處于土層沉降階段，而40～70 m處持續(xù)隆起，即頂管抵達接收井時，土層出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象，施工時需做好安全防范措施。

4 結(jié)語

圖6 推進停止時鐵路路基中心處的土層橫斷面沉降

圖7 橋墩中心處土層沉降

以昆武高速地面排水下穿云冶鐵路工程為例，采用有限元模擬法，對土壓平衡頂管下穿鐵路工程的施工技術(shù)及質(zhì)量控制進行了研究。研究得知，覆土厚度8、12 m能滿足頂管土層沉降要求，最終設(shè)計方案采用12 m覆土厚度。頂管過程中，要注意土層反彈的隆起，頂管機前方0～15 m及3倍管徑范圍內(nèi)的土層應(yīng)進行加固處理。受頂管時加載卸載作用，推進停止時土層應(yīng)力消散很快，附加推力、摩擦力對土層水平位移起決定作用。橋墩在頂管即將抵達接收井時，土層出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象，需要做好防范措施。研究結(jié)果能夠為其他下穿鐵路工程的頂管施工提供借鑒。