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(tǒng)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(yōu)點。采用頂管法施工下穿鐵路路基時，由于頂管施工作業(yè)會不可避免地對擾動管片周邊地層，導致管片附近土體發(fā)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(fā)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(guān)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(nèi)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(shù)值仿真模擬

2.1 影響區(qū)域范圍

頂管施工的影響區(qū)域范圍參考TB 10314—2021鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程[4]第4章中規(guī)定鄰近隧道施工橫面的影響區(qū)域范圍，影響區(qū)域范圍見表1。

表1 隧道工程的鄰近施工影響區(qū)

按照輕微影響區(qū)，并且鄰近施工隧道橫向影響區(qū)域按隧道豎向位移曲線邊緣3i、鄰近施工隧道縱向影響區(qū)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(gòu)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(qū)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(cè)和模型深度均大于2.1節(jié)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(jié)構(gòu)，土體自上而下的厚度和計算參數(shù)見表2。

表2 土體參數(shù)

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(shù)為28 068，節(jié)點總數(shù)為9 295。建模時按照建立實體模型、設(shè)置材料屬性及數(shù)據(jù)、劃分網(wǎng)格的順序建立模型，計算時根據(jù)計算內(nèi)容設(shè)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(shù)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(jù)施工工況，通過激活/鈍化各巖土網(wǎng)格組或荷載，形成14個模擬施工階段，各施工階段的網(wǎng)格、邊界、荷載激活狀態(tài)如圖3所示。

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

3 計算數(shù)據(jù)分析

1)頂進過程中的數(shù)據(jù)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(jié)點位置見圖4，頂管引起的沉降量數(shù)據(jù)見表4,路基沉降量與頂管的位置關(guān)系見圖5。

表4 頂管施工引起的路基沉降數(shù)據(jù)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(fā)生隆起現(xiàn)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(fā)生沉降，最大沉降量約16 mm。

2)頂進完成后路基縱向沉降數(shù)據(jù)分析。

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

在選取頂?shù)墓?jié)點中，以中心節(jié)點為零點，分別用正值和負值表示兩側(cè)節(jié)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(shù)據(jù)見表5，路基沉降與路基中心點的變化關(guān)系見圖7。

表5 頂管施工引起的路基沉降數(shù)據(jù)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(cè)約8 m范圍的路基發(fā)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?yōu)? mm。距路基距離8 m～12.5 m的范圍內(nèi)，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(jié)點位置見圖8中的節(jié)點，頂管施工引起的路基沉降數(shù)據(jù)見表6，路基沉降與路基中心點的變化關(guān)系見圖9。

表6 頂管施工引起的路基沉降數(shù)據(jù)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(jié)點向兩側(cè)逐漸變小，路基最大沉降發(fā)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(jié)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(jié)和第2節(jié)所列的工程概況和巖土參數(shù)，將頂管的埋深在Midas GTS NX軟件中設(shè)置為10 m、其他參數(shù)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(jié)點，將計算出的數(shù)據(jù)與埋深5.5 m時的數(shù)據(jù)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(guān)系見圖10，路基縱向方向的沉降對比關(guān)系見圖11，路基橫向方向的對比關(guān)系見圖12。

從圖10可以看出，頂管埋深由5.5 m變?yōu)?0 m時，頂管在從始發(fā)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?yōu)?0 m時，路基各處的沉降變化規(guī)律沒有發(fā)生變化，路基縱向中心線和橫向中心線所選各節(jié)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(nèi)，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(jié)和第2節(jié)所列的工程概況和巖土參數(shù)，將頂管的半徑在Midas GTS NX軟件中設(shè)置為0.75 m、其他參數(shù)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(jié)點，將計算出的數(shù)據(jù)與半徑1.5 m時的數(shù)據(jù)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(guān)系見圖13，路基縱向方向的沉降對比關(guān)系見圖14，路基橫向方向的對比關(guān)系見圖15。

從圖13可以看出，頂管半徑由1.5 m變?yōu)?.75 m時，頂管在從始發(fā)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?yōu)?.75 m時，路基各處的沉降變化規(guī)律沒有發(fā)生變化，路基縱向中心線和橫向中心線所選各節(jié)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(nèi)，路基各處的沉降量會隨著頂管管徑的減小而變小。

5 結(jié)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(fā)生輕微的隆起現(xiàn)象，路基隆起的程度與頂管埋深和管徑有關(guān)。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(xiàn)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?yōu)橄蛳鲁两怠?/p>

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??；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(cè)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(nèi)，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(nèi)，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。