下穿既有鐵路管涵頂進(jìn)施工的變形分析與安全控制研究①

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(云南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

頂管施工是繼盾構(gòu)施工之后發(fā)展的一種地下管涵施工技術(shù)，它不需要開挖面層即可穿越鐵路及各種構(gòu)造物，頂管施工具有施工速度快、對(duì)周圍基礎(chǔ)設(shè)施影響小等優(yōu)點(diǎn)[1]。但管涵下穿鐵路不可避免的會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起周圍土體的應(yīng)力改變和沉降變形，嚴(yán)重的會(huì)影響列車安全運(yùn)營。若采用保守的施工技術(shù)對(duì)鐵軌進(jìn)行扣軌加固，將對(duì)繁忙的鐵路產(chǎn)生極大的影響和經(jīng)濟(jì)的損失。Peck提出的沉降槽開挖公式表明，頂管施工開挖所形成的地表沉降槽的體積等于地層損失的體積，地層損失體積可根據(jù)地表沉降槽的體積反算出來[2]。因此，如何科學(xué)合理的制定管涵埋深，減少鐵軌變形的不利影響是十分必要的。

1 沉降計(jì)算公式和沉降控制要求

Peck提出了著名的地層損失的概念[3]，假定不考慮土體排水的情況下，單洞開挖形成的地表沉降槽體積與地層損失體積相等。Peck公式假定開挖洞口周圍土體是均勻的土體，且不受拉應(yīng)力的散體介質(zhì)，隧道開挖擾動(dòng)范圍能達(dá)到地表，隧道橫斷面為半無限平面。在此假設(shè)基礎(chǔ)上，當(dāng)單隧道掘進(jìn)時(shí)，隧道橫斷面的地表沉降曲線計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：Smax為隧道中線最大沉降值，Sx為距離隧道中線x處的沉降值，i為沉降槽寬度系數(shù)，η為地層損失系數(shù)，A為開挖面積。

對(duì)于地表沉降槽系數(shù)i，國內(nèi)外研究較多[4]，一般可表示為：

(3)

式中：H為埋深,R為計(jì)算半徑，φ為土體內(nèi)摩擦角。將式(3)帶入式(2)即可求出隧道中心線處最大沉降值。

管涵下穿既有鐵路導(dǎo)致的水平、高低變化量不應(yīng)超出《鐵路線路修理規(guī)則》[4]的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外，還要滿足地層及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》運(yùn)行速度在120km/h至160km/h雙線鐵路軌道幾何尺寸容許偏差(臨時(shí)修補(bǔ))管理值要求如表1。

表1 容許偏差管理值

2 施工引起的鐵軌沉降規(guī)律研究

2.1 模擬工況

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[5]中巖土平均物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)中的彈性模量、內(nèi)摩擦角、粘聚力、容重、泊松比參數(shù)進(jìn)行取值，建立不同土質(zhì)、埋深下的三維數(shù)值模型。頂管混凝土和道床軌枕為各同向性的彈性材料，頂管混凝土外直徑1710mm，構(gòu)造物力學(xué)參數(shù)見表2。土體認(rèn)定為各向同性的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，參數(shù)見表3。施工時(shí)假定土體自重變形已經(jīng)完成，歸零初始自重位移。

表2 構(gòu)筑物力學(xué)參數(shù)表

表3 巖土力學(xué)參數(shù)表

2.2 計(jì)算模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為了控制鐵路軌枕的下沉量，每次進(jìn)尺不大于0.2m。根據(jù)不同模擬工況所得到的地層豎向變形情況如下：

(1) 施工到鐵路中心正下方時(shí)地表最大沉降量為-1.68mm(圖1(a)(b))，掌子面拱頂最大沉降量為-5.68mm，滿足要求。

(2)當(dāng)上行線和下行線列車分別經(jīng)過施工區(qū)域時(shí)(圖1(c)(d))，列車荷載引起的地表最大沉降量為-23.71mm，最小沉降量為-6.5mm，從圖中可以看出模型1的沉降量超出了允許管理值。

(3)在列車列車經(jīng)過后向前頂推0.2m和開挖后段時(shí)引起的地表最大位移量為-8.49mm(圖1(e)(f))。從圖中可以看出模型1的沉降量已經(jīng)超出了容許沉降值。

圖1 各施工階段的豎向位移

圖2 頂管監(jiān)控測點(diǎn)布置圖

(4)在頂推完成后雙行線列車荷載經(jīng)過時(shí)(圖1(g))，引起的地表最大沉降量為-23.95mm，最小沉降量為-6.7mm，在施工完成后的殘余變形(圖1(h))，地表最大沉降量為-7.0mm。從圖中可以看出模型1的殘余變形接近容許管理值。

(5)根據(jù)數(shù)值模型計(jì)算分析得出各工況的水平傾斜率在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下的最大傾斜率，從表4中看出傾斜率均滿足要求。

圖3 模型示意圖

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

管涵下穿既有鐵路工程位于占益縣，管涵穿越長度為48m，埋深為4.85m，管涵為C40鋼筋混凝土圓管、內(nèi)徑為1.35m，壁厚18cm，自東向西分別穿越滬昆鐵路，管線中心線與滬昆鐵路上行線、下行線交角90°。

表4 各工況最大靜態(tài)和動(dòng)態(tài)傾斜率

圖4 施工期間地面沉降曲線

圖5 施加頂推力時(shí)實(shí)測值和模擬值

圖6 雙線列車時(shí)實(shí)測值和模擬值

3.2 信息化監(jiān)測方法

在路基兩側(cè)布置JMDL-62XX系列智能數(shù)碼靜力水準(zhǔn)儀設(shè)備進(jìn)行沉降監(jiān)測。按頂管底部深度，以1∶1坡度布設(shè)沉降觀測點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場地形情況，施工前在路肩兩側(cè)分別設(shè)置5個(gè)觀測點(diǎn)，間隔為4m，監(jiān)測頻率為2h。監(jiān)測點(diǎn)布置見圖2：

3.3 有限元分析與實(shí)測值對(duì)比

采用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。分析計(jì)算施工過程中對(duì)鐵路運(yùn)行線的影響。根據(jù)勘察報(bào)告，土層自上而下分別為：素填土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖。土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則，采用3D實(shí)體單元，參數(shù)見表5。頂管混凝土和道床及軌枕采用板單元模擬，見表2。計(jì)算主體模型沿鐵路中心線方向取長度15m，路基橫向?qū)挾?1m，頂管埋設(shè)深度及土層厚度按實(shí)際取值，見圖3。

圖7 殘余形變的實(shí)測值和模擬值

圖8 施加頂推力位移云圖

圖9 雙向列車荷載位移云圖

頂管中心處上下行軌道變形如圖4，施工過程中上下行軌道變形規(guī)律基本一致，在剛開始頂進(jìn)時(shí)，上行線軌道開始出現(xiàn)微量隆起，下行線軌道出現(xiàn)微量沉降。在施工到軌道線附近時(shí)上行軌道開始出現(xiàn)沉降，下行線軌道出現(xiàn)隆起，隨著頂管施工頂進(jìn)，沉降量持續(xù)增大，下行線軌道基本處于隆起狀態(tài)，上行線軌道基本處于沉降狀態(tài)，最大沉降量為-6.7mm，最大隆起量為1.58mm，均滿足安全要求。在頂管施工至上下行線中間的掌子面時(shí)，施加頂推力向前頂推0.2m，下行線軌道出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，實(shí)測值為4.19mm，模擬值為2.97mm，如圖5，拱頂最大位移為-8.7mm，如圖8。雙線列車經(jīng)過時(shí)，地表最大沉降的實(shí)測值為-6.7mm，模擬值為-9.01mm，如圖6，拱頂最大位移為-13.4mm，如圖9。頂管施工完畢后沉降趨于穩(wěn)定，最終實(shí)測值殘余形變?yōu)?4.48mm，模擬值的殘余形變?yōu)?2.51mm，如圖7。模擬值和實(shí)測值的水靜態(tài)傾斜率和動(dòng)態(tài)傾斜率最大值見表6，可見沉降值和傾斜率均低于容許管理值。模擬值能反映出施工期間的沉降變化趨勢，數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)測值較為吻合。

表5 巖土力學(xué)參數(shù)表

表6 實(shí)測值和模擬值最大靜態(tài)和動(dòng)態(tài)傾斜率

4 結(jié) 論

(1) 隨著頂管施工頂進(jìn)，頂進(jìn)側(cè)的地表會(huì)先隆起后沉降，接收側(cè)的地面出現(xiàn)微量隆起，實(shí)際工程的沉降值小于《鐵路線路修理規(guī)則》中的要求。說明頂管施工下穿鐵路對(duì)鐵軌變形影響較小，只要做好軌道的安全防護(hù)即可滿足鐵路的安全運(yùn)營。

(2) 在進(jìn)行掌子面頂進(jìn)過程中接收側(cè)的線路地面出現(xiàn)隆起，最大值為4.19mm，但能在短時(shí)間內(nèi)衰減，所以在施工期間應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算頂推力，避免由于頂推力過大引起鐵路地表較大的隆起。

(3) 在施工期間要保證列車在施工區(qū)域范圍內(nèi)低于45km/h速度，來車前保證頂管滿頂不可懸空，列車經(jīng)過時(shí)停止施工，在列車經(jīng)過后再進(jìn)行施工。