淺埋頂管群下穿運(yùn)營(yíng)高鐵施工地表變形研究

房 軍

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

自19世紀(jì)末美國(guó)最早在鑄鐵管道鋪設(shè)工程中采用頂管法[1]。至今,頂管施工已發(fā)展為一種適用于各工程領(lǐng)域的典型非開(kāi)挖施工方法[2],而頂管施工引起的地表沉降等問(wèn)題是研究者們長(zhǎng)期關(guān)注的重點(diǎn)。理論研究方面：彭立敏等[3]依托工程案例,結(jié)合國(guó)內(nèi)矩形頂管發(fā)展現(xiàn)狀,總結(jié)了頂管施工在理論、設(shè)計(jì)和施工等方面存在的問(wèn)題;劉營(yíng)[4]基于淺層隧道開(kāi)挖引起地表沉陷的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及工程資料,提出了沉降槽正態(tài)分布公式;朱衛(wèi)杰等[5]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),提出了淺覆土條件下矩形頂管施工期的內(nèi)力演化規(guī)律。工程案例方面：郭偉等[6]基于底線電纜隧道穿越高架橋樁基工程案例,分析了頂管施工對(duì)周圍土體及樁基的變形影響;鄧文杰等[7]研發(fā)室內(nèi)模型試驗(yàn)系統(tǒng),研究近間距頂管對(duì)既有管線和地表豎向變形的影響及控制措施;吳垠龍等[8]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析,提出頂管施工對(duì)既有隧道的影響范圍及變化趨勢(shì)。三維計(jì)算方面：雷華陽(yáng)等[9]基于Terzagh松動(dòng)土壓力模型,分析了頂管施工中土拱效應(yīng)的漸近發(fā)展趨勢(shì);王紫娟等[10]利用位移控制法,研究頂管施工對(duì)地表橫向和縱向變形的影響規(guī)律,并分析了敏感性參數(shù)的影響;尚陪陪[11]研究了大跨度框構(gòu)橋頂進(jìn)施工對(duì)線路穩(wěn)定性的影響及相關(guān)加固技術(shù)。劉順青等[12]通過(guò)三維數(shù)值分析,分析了頂管施工中地表及既有橋梁附近土體的變形規(guī)律。綜觀頂管施工研究與應(yīng)用過(guò)程,相關(guān)研究在逐步向?qū)嶋H施工需求及三維動(dòng)態(tài)分析發(fā)展,但關(guān)于運(yùn)營(yíng)高速鐵路的頂管施工鮮有報(bào)道。

目前國(guó)家高鐵網(wǎng)絡(luò)在逐步擴(kuò)大完善,但隨著時(shí)間積累,運(yùn)營(yíng)高鐵的相關(guān)問(wèn)題在日益增多,高鐵運(yùn)維整治及提質(zhì)改造等措施勢(shì)在必行。本文基于運(yùn)營(yíng)高鐵改擴(kuò)建工程實(shí)例,通過(guò)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),分析復(fù)雜地層條件下運(yùn)營(yíng)高鐵微型頂管施工過(guò)程中地表變形情況,同時(shí)結(jié)合運(yùn)營(yíng)高鐵施工特殊性,研究鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中施工區(qū)域地表沉降規(guī)律,并提出相關(guān)控制措施。

1 工程概況

永康南站改擴(kuò)建工程中,需增加4處過(guò)軌管道,涉及金溫高鐵2處正線股道,5處到發(fā)線股道。為不影響列車正常運(yùn)行,擬采用軌下微型頂管群的施工方式。管徑D為0.2 m,最長(zhǎng)頂距15.5 m,最小覆土厚度為0.7 m;同一斷面最多需布置13根頂管,管間距不大于0.1 m;下穿正線股道頂管布置如圖1所示,頂管橫斷面如圖2所示。利用天窗時(shí)間施工,開(kāi)通條件為地表沉降不大于5 mm。頂管范圍內(nèi)主要為雜填土,且存在較大雜石,填土松散無(wú)積水。

圖1 下穿高鐵正線頂管施工俯視圖

圖2 頂管橫斷面示意圖

2 數(shù)值計(jì)算

為確保頂管施工期間高鐵安全運(yùn)營(yíng),施工前先采用ABAQUS對(duì)地表沉降情況進(jìn)行模擬計(jì)算。由于頂管施工引起的橫斷面方向地層變形最大值出現(xiàn)在管道軸線的上方,并沿管道橫向側(cè)邊逐漸減小,影響范圍在4D左右,分布曲線類似正態(tài)分布[13]。結(jié)合工程實(shí)際情況,采用5D以上的均質(zhì)彈性有限域,選取標(biāo)準(zhǔn)CRTSⅡ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)?？紤]到路基結(jié)構(gòu)的散體材料特性,路基結(jié)構(gòu)采用摩爾-庫(kù)侖塑性材料模型,內(nèi)摩擦角取37°,黏聚力為8 kPa,土體重度為8.2 kN/m3,管土摩擦系數(shù)為0.1。為了消除邊界條件影響,地基深度取20 m。軌道頂面施加ZK活載(中國(guó)客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)活載),支承層底面和路基表層間采用綁定約束連接,建立有限元模型如圖3所示。

圖3 無(wú)砟軌道及路基模型網(wǎng)格

分別計(jì)算不同覆土厚度下的應(yīng)力及位移,橫向每2 m作為一個(gè)頂進(jìn)循環(huán),頂管模型上表面設(shè)為自由邊界,其余各面設(shè)置相應(yīng)的位移約束。如圖4所示,施工前,在地應(yīng)力條件下線路結(jié)構(gòu)位移分布比較均勻穩(wěn)定;施工過(guò)程中,覆土厚度越大線路結(jié)構(gòu)位移及地表變形越小[2]。當(dāng)覆土厚度為2D(0.4 m)時(shí)的線路結(jié)構(gòu)最大位移約為4D(0.8 m)時(shí)的2倍;覆土厚度為4D(0.8 m)時(shí),地表變形基本趨于穩(wěn)定;覆土厚度為6D(1.2 m)時(shí),變形量變化率已小于1%。

進(jìn)一步分析頂管過(guò)程中管道橫斷面變形情況。如圖5所示,頂管施工過(guò)程中,地表土層變形主要以沉降為主,橫斷面變現(xiàn)量會(huì)隨著距頂進(jìn)軸線橫向距離增大而減小,分布形態(tài)基本呈“U”形,最大變形量發(fā)生在頂進(jìn)斷面處頂管軸線位置,最大沉降為2.93 mm,滿足施工要求;地表沉降橫向影響情況,在距軸線距離3D范圍內(nèi)沉降量比較明顯,3D范圍之外沉降量曲線迅速衰減并基本收斂于零[13]。焦義等[14]進(jìn)一步指出,頂管施工在不同深度處土體沉降突變及差異主要表現(xiàn)在頂管軸線兩側(cè)約3.4D范圍內(nèi)。

圖5 地表橫斷面沉降三維示意圖

采用Peck式(1)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

如圖6所示,頂進(jìn)斷面處地表橫向沉降量的數(shù)值模擬結(jié)果與Peck公式計(jì)算結(jié)果分布形態(tài)基本一致[15];地表最大沉降點(diǎn)均處于頂管軸線位置,但Peck公式最大沉降量略小,這是由于理論計(jì)算沒(méi)有考慮施工過(guò)程中的管-土相互作用。整體而言,在距管軸線3D范圍內(nèi)兩種方法計(jì)算結(jié)果誤差約在6%以內(nèi),而當(dāng)距管軸線距離大于3D時(shí),地表沉降量逐漸收斂于零,而Peck法沉降曲線衰減更明顯。

圖6 地表橫向沉降量對(duì)比

3 施工結(jié)果及控制措施

3.1 施工結(jié)果分析

基于模擬結(jié)果,沿頂管軸線方向布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中地表變形情況。由圖7(a)可知,豎向變形方面,軌道板部位主要表現(xiàn)為沉降,最大沉降量為1.74 mm,發(fā)生在軌道板頂管施工階段;而封閉層部位主要以輕微隆起為主,最大隆起量為1.35 mm,發(fā)生在列車運(yùn)行24 h后。鉆孔階段向頂管階段過(guò)渡期間,始發(fā)井位置產(chǎn)生局部沉降,其余部位整體呈輕微上拱趨勢(shì);但在列車運(yùn)營(yíng)24 h后,較頂管階段而言,封閉層部位地表最大隆起量劇增16.5倍,而軌道板部位最大隆起量?jī)H增加0.48倍;列車運(yùn)營(yíng)48 h后地表變形基本趨于穩(wěn)定。由圖7(b)可知,在頂管施工過(guò)程中地表橫向變形整體呈輕微下沉趨勢(shì),列車開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后地表產(chǎn)生整體上拱,最終在1.5 mm范圍趨于穩(wěn)定。地表橫向變形會(huì)受到來(lái)自施工與行車不同方向上的作用力,但軌道板和封閉層部位橫向變形趨勢(shì)一致,并在行車24 h后開(kāi)始趨于穩(wěn)定,整體施工滿足精度控制要求。究其原因,基于Terzaghi活動(dòng)門模型,由于頂管施工引起的地層損失會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)及上方土體發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生滑移破壞面,主應(yīng)力軸在此過(guò)程中發(fā)生旋轉(zhuǎn),土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化[9],最終導(dǎo)致地層產(chǎn)生位移。

圖7 頂管施工地表變形規(guī)律

進(jìn)一步探討施工過(guò)程中土壓力影響情況,通過(guò)4種經(jīng)典計(jì)算方法分析土壓力影響因素?？紤]到不同計(jì)算理論的適用條件,現(xiàn)基于歸一化理論繪制土壓力變化曲線。由圖8可知,土壓力與覆土厚度正相關(guān),由于不同覆土厚度下土層的豎向沉降、水平位移會(huì)有所不同,頂管施工過(guò)程中當(dāng)土壓力突破臨界值時(shí)則會(huì)造成地表變形。土壓力與黏聚力、內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān),由于土力學(xué)性能增大改變土體的應(yīng)力狀態(tài),也會(huì)導(dǎo)致土拱效應(yīng)增強(qiáng),從而平衡了部分豎向應(yīng)力[16]。

圖8 不同影響因素各計(jì)算方法的土壓力歸一化曲線

對(duì)4種計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步分析。由圖9可知：土柱法計(jì)算結(jié)果整體偏大;普氏卸荷法計(jì)算結(jié)果較發(fā)散,很容易受其他因素影響;馬斯頓法計(jì)算結(jié)果整體偏小,且較發(fā)散;太沙基法計(jì)算結(jié)果誤差較小,相對(duì)穩(wěn)定。由此可推斷,復(fù)雜地層條件下微型頂管土壓力計(jì)算可優(yōu)先選用太沙基理論[17]。

圖9 不同計(jì)算方法各影響因素的土壓力歸一化曲線

3.2 控制措施建議

基于工程實(shí)際案例及本文研究結(jié)果,對(duì)于涉鐵頂管工程,尤其是運(yùn)營(yíng)高鐵頂管施工,建議參考以下幾點(diǎn)地表沉降控制措施。

1)設(shè)備選型需合理。由于運(yùn)營(yíng)高鐵施工條件苛刻、地層復(fù)雜、施工安全要求高,為了更科學(xué)合理地確定頂管設(shè)備方案,可采用模糊層次分析法優(yōu)選頂管設(shè)備[18],需綜合考慮施工環(huán)境、地層適應(yīng)性、精度、鋼管長(zhǎng)細(xì)比、徑厚比等影響因素[19]。

2)復(fù)雜地層預(yù)加固處理。在覆土厚度較小,且土力學(xué)性能不利的復(fù)雜地層,可通過(guò)地層預(yù)加固處理,提高既有線地基的抗壓和抗剪強(qiáng)度,增強(qiáng)土體的彈性模量和整體受力能力,進(jìn)而有效控制既有鐵路的沉降量。

3)加強(qiáng)過(guò)程控制與試驗(yàn)監(jiān)測(cè)。在施工過(guò)程中,需嚴(yán)控頂管進(jìn)尺,選取合理的施工技術(shù)參數(shù),并根據(jù)實(shí)際施工情況,確定鐵路運(yùn)行的限速標(biāo)準(zhǔn)和限速時(shí)間區(qū)間。加強(qiáng)施工過(guò)程監(jiān)測(cè),動(dòng)態(tài)反饋?lái)敼苁┕ば畔?及時(shí)掌握施工過(guò)程中頂管的受力及土體的位移等變化情況。通過(guò)可靠的模型試驗(yàn)[7],可有效分析頂管施工相關(guān)因素的變化規(guī)律,并以此來(lái)檢驗(yàn)修正現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù),確保頂管施工安全完成。

4 結(jié)論

1)頂管施工地表變形主要以沉降為主。橫斷面變現(xiàn)量會(huì)隨著距頂進(jìn)軸線橫向距離增大而減小,分布形態(tài)基本呈“U”形。最大變形量發(fā)生在頂進(jìn)斷面處頂管軸線位置,在距軸線距離3D范圍內(nèi),沉降量比較明顯,3D范圍之外沉降量曲線迅速衰減并基本收斂于零。

2)軌道板部位豎向變形主要表現(xiàn)為沉降,封閉層部位主要為輕微隆起。鉆孔階段向頂管階段過(guò)渡期間,始發(fā)井位置產(chǎn)生局部沉降,其余部位整體呈輕微上拱趨勢(shì)。當(dāng)列車運(yùn)行24 h后,地表會(huì)產(chǎn)生隆起現(xiàn)象,且線間封閉層變形尤為明顯;當(dāng)列車運(yùn)行48 h后,地表變形基本趨于穩(wěn)定。

3)覆土厚度越大線路結(jié)構(gòu)位移及地表變形越小、土壓力越大,當(dāng)覆土厚度小于2D時(shí),不利于頂管施工;覆土厚度不小于6D時(shí),地表變形量變化率已小于1%,是較施工理想的覆土厚度。頂管施工土壓力與黏聚力、內(nèi)摩擦角負(fù)相關(guān),復(fù)雜地層施工可通過(guò)預(yù)加固處理控制地表沉降量,且該類頂管施工土壓力計(jì)算建議優(yōu)先選用太沙基理論。