頂管下穿運(yùn)營鐵路數(shù)值模擬與沉降控制分析

戴世穎

（軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（鐵一院）/ 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（鐵一院），陜西 西安 710043）

0 引 言

頂管是地下通道、地下管線等非開挖施工的一種，它的特點(diǎn)是將通道、管線敷設(shè)改明挖為暗挖，該技術(shù)綜合成本低、施工周期短、施工安全性好，能夠穿越公路、鐵路、河川和地下結(jié)構(gòu)物。

關(guān)于頂管下穿施工，國內(nèi)已開展了多項(xiàng)專題研究，如：泥水平衡頂管機(jī)在管道穿越河流中的應(yīng)用、大口徑給水管道穿越高速公路方案選擇及頂管設(shè)計(jì)、頂管工程土與結(jié)構(gòu)性狀及理論研究、頂管施工環(huán)境的有限元計(jì)算分析，可以看出目前的研究多集中于頂管施工技術(shù)的應(yīng)用及土體相互作用的方面，關(guān)于頂管下穿營業(yè)鐵路線方面的研究較少，而關(guān)于鐵路沉降分析與控制更是少見。

頂管施工時(shí)，稍有不當(dāng)，易導(dǎo)致影響范圍內(nèi)的鐵路設(shè)施因地表沉降而發(fā)生故障。軌道的不均勻沉降，將嚴(yán)重影響行車安全。

基于以上認(rèn)識(shí)，以某中水回用管線穿越魚兒溝—焉耆鐵路線為例，以勘察報(bào)告為基礎(chǔ)，進(jìn)行頂管設(shè)備選型，沉降理論計(jì)算輔助三維有限元分析，制定監(jiān)控量測方案。通過數(shù)據(jù)分析，提出此工況下的沉降控制措施。

1 工程概況

1.1 中水回用管線穿越路線概況

工程新建一根中水回用管線穿越鐵路線，采用1.75 m鋼筋混凝土套管，覆土4.8 m，管壁厚度為17.5 cm，最大頂力4 915 kN。采用土壓平衡頂管機(jī)施工，始發(fā)井位于線路右側(cè)。

1.2 穿越處鐵路線概況

工程頂管穿越鐵路位于魚兒溝—焉耆區(qū)間，為國鐵Ⅱ級(jí)、內(nèi)燃、單線、p60鋼軌、無縫線路，頂管穿越處為直線。路基高度約 1.8 m，無既有路基護(hù)坡，套管與鐵路正交設(shè)置，套管全長24 m。其平面及計(jì)算模型詳見圖1。

圖1 項(xiàng)目平面及計(jì)算模型圖Fig. 1 Project plan and calculation model

1.3 工程地質(zhì)條件

穿越范圍巖性特征詳述如下：人工填筑土（Q4m16）分布在既有線路堤，厚度2～3 m，灰黃-灰色，主要由粉土和細(xì)（粗）圓礫土組成，土質(zhì)結(jié)構(gòu)不均，稍密-中密，稍濕，II級(jí)普通土；粗圓礫土（Q3p16）地表普遍分布，為該工點(diǎn)的主體地層，鉆孔未揭穿，厚度大于15 m，土黃色，渾圓狀，顆粒不均，成分為砂巖、石英巖等，粒徑2～20 mm的約占30%，20～60 mm的約占55%，大于60 mm的約占10%，局部顆粒較大，最大粒徑約300 mm，余為雜粒砂及粉黏粒充填，稍濕-飽和，稍密-中密，三級(jí)硬土，σ0=400 kPa，地下水水位埋深大于15 m。

2 頂管機(jī)刀盤參數(shù)

針對(duì)工程地層情況，需著重考慮刀盤的切削及渣土改良，經(jīng)過頂管機(jī)選型及刀盤適應(yīng)性分析，刀盤的基本結(jié)構(gòu)采用 4個(gè)主梁+4個(gè)輔梁形式的面板式，安裝焊接撕裂刀和切刀，可滿足在粗圓粒地層中的快速切削，刀盤背部設(shè)計(jì)有主動(dòng)攪拌棒，可對(duì)土倉內(nèi)的渣土進(jìn)行充分的攪拌，提高土倉內(nèi)渣土的流動(dòng)性，防止土倉內(nèi)渣土堆積。刀盤大樣詳見圖2所示。

圖2 頂管刀盤大樣圖Fig. 2 Cutting head of pipe jacking

刀盤面板上共設(shè)計(jì)有4個(gè)泡沫噴口，筒體中部設(shè)置1個(gè)泡沫噴口，共設(shè)5個(gè)渣土改良噴口，同時(shí)泡沫管路和膨潤土管路可相互切換，保障粗圓粒地層內(nèi)渣土的改良效果，刀盤參數(shù)見表1。

表1 刀盤參數(shù)表Table 1 Parameters of cutting head

3 鐵路沉降的理論估算和三維模擬分析

工程采用直徑2.12 m的土壓平衡頂管機(jī)，覆土深度 4.8 m，穿越地層為粗圓礫土，頂管中心縱斷面圖詳見圖3。

圖3 頂管中心縱斷面圖Fig. 3 Longitudinal section of pipe jacking center

3.1 Peck法-路基沉降

Peck提出地面沉降與土質(zhì)情況、覆土深度、頂管機(jī)類型、操作水平等有關(guān)，估算公式如下：

式中：Smax為軸線處最大沉降量，mm；V為單位鉆孔長度上的地層損失量，m3/m，Vs取（5%～8%）V；i為沉降槽寬度系數(shù)，m；H為覆土層厚度（地面到管軸線距離），m；φ取42°。

按照理論公式計(jì)算，中心最大沉降17.63 mm，影響寬度自頂管中心兩側(cè)各7.47 m，路基沉降橫向分布圖詳見圖4。

圖4 路基沉降橫向分布圖Fig. 4 Transverse distribution diagram of subgrade settlement

3.2 有限元分析

工程模型采用“地層-結(jié)構(gòu)”方法模擬頂管施工狀態(tài)。“地層-結(jié)構(gòu)”方法采用現(xiàn)代巖體力學(xué)模型，該方法將結(jié)構(gòu)與地層視為一個(gè)整體，按照摩爾-庫倫模型定義地層各土體，通過協(xié)調(diào)變形共同承受地層荷載。該方法計(jì)算時(shí)可以考慮結(jié)構(gòu)的各種幾何形狀、地層和結(jié)構(gòu)材料的非線性特性、空間效應(yīng)所形成的三維狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)不連續(xù)面等。工程土體及混凝土計(jì)算參數(shù)詳見表2和表3所示。

表2 土體的力學(xué)計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameters for calculation

表3 混凝土計(jì)算參數(shù)Table 3 Parameters for concrete

頂管施工引起的沉降數(shù)值分析采用 Midas-NX有限元分析軟件，三維地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行模擬計(jì)算，為充分考慮頂管施工對(duì)鐵路線路的影響，模型中鐵路線路方向長度取25 m，頂進(jìn)方向取65 m，工作坑基底以下取20 m，計(jì)算模型詳見圖5。其中，模型采用六面體網(wǎng)格劃分，土體網(wǎng)格按照接近頂管部位最小1 m，地層邊界最大5 m控制。頂管網(wǎng)格按照0.2 m進(jìn)行劃分。一次頂進(jìn)長度為2.0 m，注漿通過改變與頂管結(jié)構(gòu)接觸土體的摩阻力實(shí)現(xiàn)。

圖5 計(jì)算模型Fig. 5 Numerical model

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001—2016）4.2.3節(jié)要求：鐵路列車荷載在靜力分析時(shí)，采用列車等效均布荷載，列車荷載自軌枕底面端部向下按45°擴(kuò)散，單位荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001—2016）表4.2.3中選用。結(jié)合工程中鐵路性質(zhì)，作用在路基面上的單位荷載標(biāo)準(zhǔn)值按66.87 kN/m2計(jì)算。

計(jì)算模型的施工過程分為：（1）完成始發(fā)井及吊出井施工；（2）施工至路基坡腳；（3）施工至鐵路線路正下方；（4）施工至對(duì)側(cè)路基坡腳。沉降量正值為下沉，反之運(yùn)動(dòng)方向相反。本次通過模擬頂管開挖土體、襯砌頂進(jìn)的時(shí)空效應(yīng)，對(duì)掌子面土體及襯砌末端施加頂力，重點(diǎn)分析頂管施工過程中對(duì)地表建（構(gòu)）筑物的影響，各個(gè)階段路基橫向、軌道橫向、地表縱向沉降值如圖6～8所示。

圖6 各工況路基沉降橫向分布曲線圖Fig. 6 Lateral distribution of subgrade settlement under various working conditions

路基最大沉降約8.99 mm，影響深度自中心向兩側(cè)遞減，趨勢明顯。

圖7 各工況軌道沉降橫向分布曲線圖Fig. 7 Lateral distribution of track settlement under different working conditions

軌道最大沉降約9.09 mm，影響深度自中心向兩側(cè)遞減，趨勢明顯。

圖8 各工況地表沉降縱向分布曲線圖Fig. 8 Longitudinal distribution of surface settlement under various working conditions

始發(fā)井施工期間引起地表沉降最大為11.30 mm，施工時(shí)需設(shè)置角撐，并對(duì)工作井周邊土體進(jìn)行加固。工程豎向總應(yīng)力分布詳見圖9和圖10。

圖9 施工中實(shí)體豎向總應(yīng)力分布圖Fig. 9 Distribution of total vertical stress during construction

圖10 施工后實(shí)體豎向總應(yīng)力分布圖Fig. 10 Distribution of total vertical stress after construction

由以上圖表結(jié)果及數(shù)值模擬分析可知，在考慮列車荷載的條件下，頂管施工引起的控制點(diǎn)沉降見表4所示。

表4 各位置沉降最大值Table 4 Maximum settlement at different positions mm

通過分析圖表判定，軌道最大沉降約9.09 mm，頂進(jìn)施工對(duì)路基、軌道橫向影響寬度自頂管中心兩側(cè)各10 m。

4 鐵路路基實(shí)測沉降

4.1 鐵路沉降監(jiān)測方案

根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，II級(jí)鐵路工后沉降不應(yīng)大于30 cm，《普速鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定，80 km/h＜υmax≤120 km/h 正線，臨時(shí)修補(bǔ)軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值，高低15 mm、軌向（直線）12 mm。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可看出，頂管施工引起的路基沉降、軌道變形未超過規(guī)范要求。但有限元軟件無法精確分析施工的全過程，選取的地層參數(shù)對(duì)分析結(jié)果影響較大，地層的沉降是連續(xù)的漸變過程，當(dāng)沉降值超過預(yù)警值時(shí)，應(yīng)通過補(bǔ)充道砟，可保持線路平順，滿足鐵路運(yùn)行安全。

根據(jù)橫向影響寬度及縱向沉降分布，加密影響寬度范圍內(nèi)路基及軌道、始發(fā)井及吊出井的監(jiān)測點(diǎn)，詳見圖11所示。

圖11 監(jiān)控量測布置圖Fig. 11 Layout of monitoring points

4.2 鐵路沉降控制措施

根據(jù)有限元軟件分析施工全過程沉降數(shù)據(jù)，結(jié)合工程實(shí)際狀況，提出頂管施工下穿運(yùn)營鐵路以下沉降控制措施：

（1）頂管機(jī)選型、刀盤設(shè)計(jì)、渣土改良是控制沉降的關(guān)鍵，施工前應(yīng)根據(jù)勘察報(bào)告，對(duì)頂管機(jī)進(jìn)行綜合多方面因素的比選，以合理確定頂管機(jī)參數(shù)。

（2）監(jiān)控量測反映現(xiàn)場施工的真實(shí)狀態(tài)，通過有限元分析制定有針對(duì)性的、合理的監(jiān)控量測方案，并根據(jù)有限元分析的沉降值，確定黃、橙、紅預(yù)警值，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

（3）通過對(duì)地表沉降、土層變形及頂管機(jī)內(nèi)土壓力的監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整頂管機(jī)提供的壓力值，避免因壓力值不合理，造成地層的不必要擾動(dòng)。

（4）始發(fā)、接收井位置做好超前預(yù)注漿措施，控制頂管掘始發(fā)及到達(dá)時(shí)的沉降風(fēng)險(xiǎn)；施工中，在管道的周圍進(jìn)行同步注漿，加強(qiáng)頂管機(jī)通過后留下的管道背后空隙的填充及填充材料后期置換固化，以控制地表沉降。

（5）通過監(jiān)測校核頂管軸線與設(shè)計(jì)軸線的差異，并及時(shí)糾偏，避免因糾偏量較大產(chǎn)生對(duì)周圍土體的剪切，控制頂管與土體間的空隙。

（6）針對(duì)鐵路路基或其它空隙較大、土體穩(wěn)定性差的地層，頂管施工前對(duì)地層進(jìn)行注漿加固，以保護(hù)地下管線和地面構(gòu)筑物，注漿工藝由施工單位根據(jù)現(xiàn)場條件確定，建議采用袖閥管對(duì)出現(xiàn)異常位置進(jìn)行注漿工藝，漿液為單液漿，注漿過程中應(yīng)加強(qiáng)地下管線和地面構(gòu)筑物的變形監(jiān)測，注漿孔按擴(kuò)散半徑1.0 m設(shè)計(jì)，注漿壓力（終壓值）可按0.5～1.0 MPa控制，并根據(jù)監(jiān)測情況確定，施工時(shí)注漿壓力、漿液配比、注漿速度等施工技術(shù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)深度及地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定，不得因注漿而使構(gòu)筑物發(fā)生超標(biāo)變形，并做好施工應(yīng)急預(yù)案。

4.3 實(shí)際施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

頂管施工期間，根據(jù)制定的監(jiān)控量測方案對(duì)地表、路基、軌道進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)關(guān)鍵階段、位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。路基沉降、軌道沉降、地表沉降值分別如圖12～14所示。

圖12 實(shí)測各工況路基沉降橫向分布曲線圖Fig. 12 Lateral distribution of measured subgrade settlement under various working conditions

路基最大沉降為8.58 mm，影響深度自中心向兩側(cè)遞減，趨勢明顯。

圖13 實(shí)測各工況軌道沉降橫向分布曲線圖Fig. 13 Lateral distribution of measured track settlement under various working conditions

圖14 實(shí)測各工況地表沉降縱向分布曲線圖Fig. 14 Measured longitudinal distribution of surface settlement under various working conditions

軌道最大沉降為8.44 mm，影響寬度自中心向兩側(cè)遞減，趨勢明顯。

由監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及圖表分析可知，在考慮列車荷載、對(duì)工作井進(jìn)行加固的條件下，頂管施工引起的控制點(diǎn)沉降見表5所示。

表5 各位置沉降最大值Table 5 Maximum settlement at different positions mm

通過分析圖表判定，路基最大沉降約8.58 mm，頂進(jìn)施工對(duì)路基、軌道橫向影響寬度自頂管中心兩側(cè)各6 m。

5 鐵路路基理論和實(shí)測沉降值對(duì)比分析

根據(jù)3.1節(jié)路基沉降理論公式計(jì)算得出，路基最大沉降17.63 mm，影響寬度7.47 m（單側(cè)）。因未考慮鐵路動(dòng)荷載及公式中僅涉及內(nèi)摩擦角一個(gè)土層參數(shù)，計(jì)算的影響寬度和最大沉降值誤差較大，故不建議在該工況下使用。土層重度、黏聚力、地下水位、頂管機(jī)類型、結(jié)構(gòu)材質(zhì)等都對(duì)沉降值有一定影響，文中不作為重點(diǎn)研究對(duì)象。

根據(jù) 3.2節(jié)有限元分析得出，軌道最大沉降9.09 mm，影響深度自中心向兩側(cè)遞減，趨勢明顯。有限元分析充分考慮了土層的彈性模量、泊松比、重度、黏聚力及內(nèi)摩擦角等土層參數(shù)，也模擬了鐵路動(dòng)荷載、頂管頂力對(duì)沉降的影響。有限元分析中未設(shè)置結(jié)構(gòu)與土體的摩阻力，未考慮頂進(jìn)過程中可能出現(xiàn)的“背土效應(yīng)”。

根據(jù)4.3節(jié)實(shí)際施工監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析得出，頂管施工期間軌道最大沉降為8.44 mm，影響寬度自中心向兩側(cè)遞減，趨勢明顯。

綜上內(nèi)容，鐵路路基軌道最大沉降值如下：理論計(jì)算為17.63 mm，有限元分析為9.09 mm，實(shí)測數(shù)據(jù)為8.44 mm。對(duì)比分析可得出，理論和實(shí)測沉降值較為符合。

6 結(jié) 論

（1）工程中理論、有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較為符合，理論計(jì)算過程、模型定義、工況分析等具有一定的參考意義。

（2）工程中制定的針對(duì)性、合理性監(jiān)控量測方案及頂管施工沉降控制措施，能夠有效的指導(dǎo)施工，具有積極的借鑒意義。

（3）文章中路基、軌道、地表沉降計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，可作為相似項(xiàng)目沉降控制的參考指標(biāo)。