摘要：地下土體的開挖卸荷對土體產(chǎn)生了一定的影響，場地應(yīng)力場和位移場都會發(fā)生改變，從而影響到既有建筑的穩(wěn)定性，危害結(jié)構(gòu)安全。文章以某供水管道頂管下穿既有鐵路路基為項目背景，通過數(shù)值模擬的方式詳細闡述頂進過程對鐵路影響。

[作者簡介]顧嫚（1988—），女，本科，工程師，從事地基基礎(chǔ)檢測工作。

1 工程概述

本工程為市政供水管道下穿既有鐵路項目，供水管道為1000 mm鋼管，壁厚16 mm，管道運行壓力0.4 MPa。鐵路為P50鋼軌的有縫線路，鋪設(shè)鋼筋混凝土軌枕，鐵路路基填土高度約4.2 m。線路處于曲線段，曲線半徑為1 000 m。

場地土層分布主要為3層：1層為素填土，結(jié)構(gòu)松散，成分以黏性土為主，場區(qū)普遍分布;2層為黏土夾粉土（Q4d），干強度高，韌性高，中壓縮，上部夾粉土，厚度0.4 m，4.0～4.4 m為淤泥，高壓縮性。地基承載力特征值fak=115 kPa。3層為粉質(zhì)黏土（Q3m），硬塑為主，中壓縮性，底部有薄層粉砂，地基承載力特征值fak=170 kPa。地下穩(wěn)定水位變化幅度約1.0～1.5 m。勘測期間測得地下水穩(wěn)定水位埋深為2.30 m。擬建場地地下水主要為潛水。

護涵選用2-1.5 m鋼筋混凝土圓管，由生產(chǎn)廠家預(yù)制，按2 m一節(jié)生產(chǎn)。采用“F”型企口。2根護套管平行并排布置，水平凈間距為1.06 m。頂管與鐵路路基夾角為65°。護套管頂距離鐵路軌頂7.9 m，頂管總長度約150.00 m。工作井尺寸為7.5 m×6.5 m，工作井設(shè)置在北側(cè)，距鐵路中心線35.46 m，如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

本文中土體采用了硬化土本構(gòu)模型，該模型是對Mohr-Coulomb模型的改進，由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，適用于淤泥或砂土行為特性。硬化土模型可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。由初始偏應(yīng)力引起的軸應(yīng)變和材料剛度的減小，雖然類似于雙曲線（非線性彈性）模型，但相對于彈性理論，更接近塑性理論，并且考慮了巖土不同的膨脹角及屈服帽[1]。相對于Mohr-Coulomb模型，這是個材料模型更加詳細的模型，彈性模量可根據(jù)加載和卸載設(shè)置為不同的值。但一般情況下卸載時彈性模量設(shè)置更大的值，以防止開挖模型時由于應(yīng)力釋放引起的過大膨脹的現(xiàn)象，過高的壓力作用在土體上時會發(fā)生壓縮破壞的情況。通常情況下，引起破壞的壓力非常大，采用Mohr-Coulomb模型分析時即使不考慮這部分也不會有問題。但是，為了更準確地模擬土體的壓縮行為，模型考慮了圓或橢圓的壓縮破壞屈服面，如圖2所示。剪切硬化行為可以用摩擦角φ和等效塑性應(yīng)變κ=23γp·γp的關(guān)系來輸入，膨脹角sinψ由Row的公式（sinψ=sinφ-sinφcv1-sinφsinφcv）來計算，其中γp為偏塑性應(yīng)變;φcv為摩擦角[2]，土層參數(shù)取值如表1所示。

本模型計算加固區(qū)段頂管施工對于鐵路路基的變形影響，對整體結(jié)構(gòu)的分析通過連續(xù)介質(zhì)有限元法采用MIDAS GTS NX軟件進行計算，考慮頂管、路基及土體之間的相互作用，將它們作為一個整體考慮。計算范圍內(nèi)圍巖及上部鐵路路基采用三維實體單元模擬;護涵管片采用2D板單元模擬，板厚0.27 m;考慮鐵路與管道的三維空間位置關(guān)系，相交角度約為65°。鐵路路基與下部土層模型采取共節(jié)點方式處理，可以有效的傳遞上下部應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果，達到協(xié)同分析的目的[3]?？紤]人工挖土推進對上部路基的影響，本文對已施工至里程進行開挖施工階段分析，即頂進至路基正下方。頂管及整體有限元模型位置關(guān)系如圖3、圖4所示，模型施工階段的定義如表2所示。

3 結(jié)果分析

對模型進行15個施工步分析，本文重點討論頂管推進過程中地面以及鐵路的影響變形。圖5、圖6顯示為頂管推進至路基正下方時的變形量，從圖中可以看出，路基處于沉降狀態(tài)。這是由于土體卸荷過程導(dǎo)致了土層原狀應(yīng)力場發(fā)生改變，應(yīng)力場向管道臨空面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致土層向下變形，從而影響上部鐵路基礎(chǔ)沉降[4]。在管道頂進至路基正下方階段，測點6 653和6 720的沉降結(jié)果為4.71 mm和4.49 mm，豎向變形矢量及應(yīng)力矢量為向下趨勢;水平變形結(jié)果為0.12 mm和0.31 mm，水平向變形矢量向為工作井方向，水平矢量是因為工作井第2個階段開挖，因此引起位移矢量會有向右側(cè)的趨勢。

通過全過程施工階段的結(jié)果統(tǒng)計，如表3所示?？梢钥闯鲭S著頂管頂進過程，路基沉降值趨于增大。從變形結(jié)果散點圖7、圖8中也可看出，工作井施工及頂進開始階段，路基已發(fā)生變形，因此在工作井開挖階段，就應(yīng)該做好路基的變形監(jiān)測工作。隨著頂進施工靠近路基正下方，變形會增加，最大值約為4.711 mm。

4 結(jié)論及建議

本文通過采用數(shù)值模擬的方式考慮三維空間效應(yīng)計算工作井開挖及頂管施工引起的路基變形，有幾點認識：

（1）三維空間效應(yīng)在數(shù)值模擬中起到一定作用，分析變形時需要考慮頂管推進全過程對線路變形的影響。

（2）工作井的施工對路基的沉降有影響，因此，需要對工作井做好開挖圍護工作，不可一次性開挖到底。

（3）頂管穿越路基正下方時，處于路基變形較大階段。同時在頂管穿越前期，對路基的變形同樣有一定影響，不可隨意快速頂進。

（4）頂管推進過程對路基有較大的擾動影響，因此對于土體的卸荷過程，一定要實時監(jiān)測路基變形狀態(tài)，及早施加相應(yīng)支護手段。只有加強階段的變形監(jiān)測，才能保證鐵路線路的運營安全。

參考文獻

[1] 王煥定，焦兆平.有限單元法基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] GTS NX通用巖土有限元分析軟件用戶手冊[R].

[3] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4] 徐芝綸. 彈性力學(xué)簡明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2002.