頂管法施工對鐵路路基的影響分析★

賈顏康

(中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心，北京 100015)

頂管施工在市政、鐵路、公路、水利等工程項目施工中應用非常廣泛，頂管施工作為非開挖式的一種施工方法，與傳統的明挖方式相比，具有對地面交通、建筑物及人們的正常活動影響小，施工過程中土方開挖、回填量小，拆除地面障礙物少等優點。采用頂管法施工下穿鐵路路基時，由于頂管施工作業會不可避免地對擾動管片周邊地層，導致管片附近土體發生變形，當變形超過一定范圍時，會使周邊地表或管片上方鐵路路基發生較大的沉降，沉降較大時將會影響鐵路行車的安全，因而頂管施工對鐵路路基的影響研究受到越來越多的關注[1-3]。

1 工程概況

北京市某管涵工程在穿越一段既有鐵路時，為減少對地面鐵路建筑物的影響，采用機械頂管施工的方法下穿既有鐵路。頂管下穿的既有鐵路為兩條試驗線路，路基頂面寬度約11 m，路基高度2.6 m，路基邊坡坡度1∶1.75。頂管管片采用鋼筋混凝土管，管頂距離地面5.5 m，管片內半徑1.5 m，管片外半徑1.8 m，頂進過程中頂管的頂進力約80 kPa，頂管與鐵路線路夾角約90°。

2 有限元數值仿真模擬

2.1 影響區域范圍

頂管施工的影響區域范圍參考TB 10314—2021鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程[4]第4章中規定鄰近隧道施工橫面的影響區域范圍，影響區域范圍見表1。

表1 隧道工程的鄰近施工影響區

按照輕微影響區，并且鄰近施工隧道橫向影響區域按隧道豎向位移曲線邊緣3i、鄰近施工隧道縱向影響區域按3(H+D)計算，本工程頂管施工橫向影響范圍為4.5 m，縱向影響范圍為21 m。

2.2 Midas GTS NX有限元計算模型的構建

本次頂管施工過程采用有限元分析軟件Midas GTS NX進行模擬，計算模型選取整個下穿頂管部分，三維模型沿區間頂管涵洞縱向長度為60 m，寬度方向取50 m，高度方向取至地面以下25 m深處，模型尺寸在頂管中心線的兩側和模型深度均大于2.1節中計算的影響范圍，模型的建立尺寸能夠滿足計算需求。

在輸入材料類型時，路基土體和路基下各土層的模型類型選用摩爾-庫侖，混凝土頂管模型類型選用彈性結構，土體自上而下的厚度和計算參數見表2。

表2 土體參數

本項目建立的三維計算模型如圖1所示，下穿頂管涵洞橫剖面圖如圖2所示。

本模型各土層采用四面體實體單元，模型的單元總數為28 068，節點總數為9 295。建模時按照建立實體模型、設置材料屬性及數據、劃分網格的順序建立模型，計算時根據計算內容設置邊界約束、添加荷載，在模型的左右邊界固定X軸向的位移，在模型的前后邊界固定Y軸向的位移，在模型底部固定3個方向的位移。

2.3 施工過程模擬

模型中頂管總長度60 m，為了更好的研究頂管穿越路基施工過程中路基的沉降情況，在進行數值仿真時，按頂管施工每頂進10 m為一個工況，頂進施工工況見表3。

表3 頂管施工工況

根據施工工況，通過激活/鈍化各巖土網格組或荷載，形成14個模擬施工階段，各施工階段的網格、邊界、荷載激活狀態如圖3所示。

圖3中，藍色代表激活的模型網格組單元、荷載或邊界，紅色代表鈍化的網格組或荷載，頂進施工時，依次激活或鈍化頂管管片和管內土體網格單元模擬土體開挖和管片頂進過程。

3 計算數據分析

1)頂進過程中的數據分析。

選取頂管中心線上路基的中心點作為研究對象，分析路基的沉降影響，選取的節點位置見圖4，頂管引起的沉降量數據見表4,路基沉降量與頂管的位置關系見圖5。

表4 頂管施工引起的路基沉降數據表

由表4,圖5可以看出，當頂管施工向路基方向推進時，路基逐漸發生隆起現象，路基最大隆起量為1.08 mm，當頂管施工頂過路基后，路基逐漸發生沉降，最大沉降量約16 mm。

2)頂進完成后路基縱向沉降數據分析。

選取頂管中心線上路基縱向的節點作為研究對象，分析路基的沉降影響，選取的節點位置見圖6中的節點。

在選取頂的節點中，以中心節點為零點，分別用正值和負值表示兩側節點距離零點的距離，頂進完畢后，頂管施工引起的路基沉降數據見表5，路基沉降與路基中心點的變化關系見圖7。

表5 頂管施工引起的路基沉降數據表

由表5,圖7可以看出，當頂管施工完成后，路基沿線路方向距頂管中心線及兩側約8 m范圍的路基發生了沉降，最大沉降量在頂管中心線的正上方，最大沉降量為15.9 mm,隨著距離路基中心點縱向距離的增加，路基的沉降量逐漸變小，當距離路基中心點8 m位置時，路基的沉降量變為0 mm。距路基距離8 m～12.5 m的范圍內，路基稍有隆起，最大隆起量約1.3 mm。距路基超過12.5 m后，路基的隆起逐漸減小。

3)頂進完成后路基橫向的沉降影響。

選取頂管中心線上路基橫向的中心點作為研究對象，分析路基的沉降影響，選取的節點位置見圖8中的節點，頂管施工引起的路基沉降數據見表6，路基沉降與路基中心點的變化關系見圖9。

表6 頂管施工引起的路基沉降數據表

由表6,圖9可以看出，當頂管施工完成后，路基在橫斷面方向的沉降沿中心節點向兩側逐漸變小，路基最大沉降發生在路基中心點，最大沉降量約16 mm；路基橫向方向，隨著距路基中心點的距離增加，路基的沉降量逐漸變小。

4 頂管埋深和半徑對路基的影響計算及分析

為進一步了解和分析頂管施工對路基的影響，采用本文第2節的計算方法，在Midas GTS NX中建立不同埋深和不同管徑的模型，模擬計算頂管埋深和管道半徑對路基沉降的影響。

4.1 頂管埋深對路基沉降的影響計算和分析

按照第1節和第2節所列的工程概況和巖土參數，將頂管的埋深在Midas GTS NX軟件中設置為10 m、其他參數不變的方式進行計算，并且選取本文圖4,圖6，圖8中的相同節點，將計算出的數據與埋深5.5 m時的數據同時繪制在一張曲線表上，可以得到不同埋深情況下，路基沉降與頂管埋深的對比圖。不同埋深情況下，模型中路基中心點的沉降對比關系見圖10，路基縱向方向的沉降對比關系見圖11，路基橫向方向的對比關系見圖12。

從圖10可以看出，頂管埋深由5.5 m變為10 m時，頂管在從始發端向路基方向頂進的施工過程中，路基表面土體的隆起值變小；頂管從路基下方頂進完成后，路基表層土體的沉降量變大。

從圖11，圖12可以看出，頂管埋深由5.5 m變為10 m時，路基各處的沉降變化規律沒有發生變化，路基縱向中心線和橫向中心線所選各節點的沉降值在埋深10 m時均比埋深5.5 m時大，頂管埋深5.5 m時，路基最大沉降量約16 mm；埋深10 m時，路基最大沉降量約23 mm。因此，在一定的埋深范圍內，路基各處的沉降量會隨著頂管埋深的增加而變大。

4.2 管徑對路基沉降的影響計算和分析

按照第1節和第2節所列的工程概況和巖土參數，將頂管的半徑在Midas GTS NX軟件中設置為0.75 m、其他參數不變的方式進行計算，并且選取本文圖4，圖6，圖8中的相同節點，將計算出的數據與半徑1.5 m時的數據同時繪制在一張曲線表上，可以得到不同頂管半徑情況下，路基沉降與頂管半徑的對比圖。不同半徑情況下，模型中路基中心點的沉降對比關系見圖13，路基縱向方向的沉降對比關系見圖14，路基橫向方向的對比關系見圖15。

從圖13可以看出，頂管半徑由1.5 m變為0.75 m時，頂管在從始發端向路基方向頂進的施工過程中，路基表面土體的隆起值變小；頂管從路基下方頂進完成后，路基表層土體的沉降量變小。

從圖14，圖15可以看出，頂管半徑由1.5 m變為0.75 m時，路基各處的沉降變化規律沒有發生變化，路基縱向中心線和橫向中心線所選各節點的沉降值在半徑1.5 m時均比半徑0.75 m時大，頂管半徑為1.5 m時，路基最大沉降量約16 mm；半徑為0.75 m時，路基最大沉降量約4 mm。因此，在一定的管徑范圍內，路基各處的沉降量會隨著頂管管徑的減小而變小。

5 結論

1)頂管施工在下穿鐵路路基時，在頂管接近鐵路路基施工過程中，鐵路路基的土體會發生輕微的隆起現象，路基隆起的程度與頂管埋深和管徑有關。在相同條件下，埋深較淺、管徑較大的管道在頂進過程中引起的路基隆起現象相對更大；在頂管施工穿越鐵路路基后，路基的土體會由隆起變為向下沉降。

2)頂管完成后，路基沿線路方向的沉降基本上呈對稱分布。其中，頂管管徑上方的路基沉降量大，路基遠離頂管的位置沉降量小；路基沿線路橫向的沉降基本上呈對稱分布，其中，頂管管徑上方的路基沉降量大，路基中心向路基兩側邊坡的方向沉降量小。

3)頂管施工的管道埋深和管道半徑尺寸對路基沉降的影響較大。頂管使用的管道尺寸在一定范圍內，大半徑的管道相對小半徑管道頂管施工引起的路基沉降量大；在一定埋深范圍內，埋深深度大的管道相對于埋深深度小的管道引起的路基沉降量大。