顶管下穿铁路路基变形影响规律及顶进参数分析

郝晓光(中国铁路北京局集团有限公司 总工程师室，北京 100860)

0 引言

顶管技术最早在日本和欧美国家开始使用，是一种非开挖技术，始发井顶进时开挖掘进面土体，在后推力的作用下产生扰动，可使用泥浆减小摩擦力，减小土体变形，最后通向到达井[1]。随着我国市政建设的需求及铁路网的加密，采用顶管法穿越铁路的工程越来越多。与传统的明挖方式相比，顶管法具有对地面交通及人们的正常活动影响小，施工过程中土方开挖、回填量小及拆除地面障碍物少等优点[2]。由于上述优点，顶管技术已经被广泛应用于实际工程中，但顶管作业过程中也不可避免地对周边地层产生扰动，导致土体发生变形。当下穿铁路路基时，将会使铁路路基变形，当变形超过一定范围时，会严重影响铁路路基安全，因而顶管施工在穿越工程中对铁路路基的影响受到越来越多的关注。

目前，国内外学者针对顶管近距下穿铁路线路工程，采用数值模拟和现场试验的方法进行了一定程度的研究，刘波等[3]通过大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道的数值模拟与现场试验分析，得到顶管施工过程中，下覆隧道竖向位移先后经历了初始下沉、隆起增强和隆起稳定3个阶段，采用微欠挖施工工艺有效控制了隧道最终隆起和地面最终沉降。冉红玲[4]采用数值模型分析顶管施工中地表横向和纵向变形规律，并且对不同顶管埋深、管径、正面推进力、摩擦力及地层损失等影响土体变形的因素分别进行了探讨。魏纲等[5]通过理论分析与试验研究得到顶管施工引起土体扰动的机理。杨转运[6]研究了超浅层顶管施工引起路基地层移动。王斌等[7]在顶管穿越路堤中进行了实测地基变形和扰动程度的分析。

在实际变形预测和分析方法中，单纯依靠理论分析法、经验公式法和模型试验法等，往往因其假定条件、工程类型、试验模拟条件等因素限制，难以对实际工程提出建设性的指导意见。相比之下，数值模拟分析结合实际监测数据和工程类比法在一定程度上能更好地解决实际穿越工程所面临的问题。部分实际工程表明，依据顶管施工特点，更加主动、宏观地把握顶管推进过程，对减少土层扰动、控制地表变形起着重要作用。

以往研究多侧重于顶管穿越地铁线路，而目前针对近距双顶管下穿铁路路基控制方面的研究尚少。在此，依托天津赤龙河治理工程顶管隧道下穿李港铁路区段工程开展研究，在结合数值模拟与监测数据分析基础上，重点分析掘进过程中铁路路基的变形规律，为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

该工程为2根内径3 000 mm顶进钢筋混凝土圆管涵穿越李港铁路，工程平面图如图1所示。既有李港铁路为单线无缝线路， 60型钢轨，Ⅲ型钢筋混凝土轨枕，路基为普通土填筑，穿越里程为K20+072.49，交叉角度为90度。顶管置于李港铁路路肩下5.384 m处，管顶高程为-2.23 m，距既有李港铁路轨底6.21 m，穿越施工剖面图图2所示。

顶管采用16节圆管，半径为1.5 m，每节长3.0 m，全长48.0 m，两根顶管间距1 m，两根顶管共长96.0 m。工作井长度11.08 m，宽度为12 m，深度为9.47 m；接收井长度11.08 m，宽度5 m，深度为9.0 m。

工程场地范围内土层情况如表1所示。钢筋混凝土圆管涵处于②层粉质粘土中。铁路路堤下约有厚度为2 m的杂填土层，土质稳定性较差。

图1 工程平面位置关系图

图2 工程剖面位置关系图

表1 土层物理力学参数

2 数值模型计算

2.1 模型建立

模型采用有限元软件ANSYS建立，土体采用Drucker-Prager本构模型，尺寸为50 m×75 m×25 m。土体及路基道床采用Solid45单元模拟，对于管道材料，由于其弹性模量比土层弹性模量大的多，所以将管道材料看成弹性体，采用shell63壳单元进行模拟。

边界条件的选取，除了顶面取为自由边界，其他面均采取法向约束。

数值模拟分析时考虑以下问题：①结合实际监测范围，对监测线上顶管施工进行模拟和结果的提取；②模拟顶管施工前，首先平衡初始地应力场；③假定既有铁路路基结构为线弹性材料；假定新建顶管隧道、既有铁路路基与土体之间符合变形协调原则。

模型中路基参数取值：密度为2.00 g·cm-3，弹性模量为1.30×102MPa，泊松比为0.30。土层参数见表1，计算模型如图3所示。

图3 计算模型图

数值计算中模拟实际顶管施工步序，首先开挖工作井和接收井激活土体侧面单元，模拟盾构掘进中土体开挖和盾构机前进，按照实际施工工序，顶管按照3 m顶进1步，先顶进北侧顶管，最后顶进南侧顶管。整个顶管施工过程可以看作开挖和管材跟进支护2个步骤。在开挖前先假设土体内部仅存在重力产生的初始地应力，且土体变形已经完成，开挖完成后，整个土体也是在重力作用下完成变形。

2.2 变形分析

选取平行于既有铁路路基坡脚处的2排观察线(图3中A线、B线)，以及路基顶部中心线(图3中C线)的最终竖向变形值和横向位移，得到各观察线竖向变形情况如图4所示，横向变形情况如图5所示，其中竖向变形负值表示下沉，正值表示上浮；横向变形负值表示沿顶进方向，正值表示与顶进方向相反。

图4 顶管穿越完成后路基观察线竖向变形情况

图5 顶管穿越完成后路基观察线横向变形情况

由图4可看出，该工程中路基沉降槽约为穿越中心点左右各10 m范围内，形成“V”型沉降槽，以穿越中心为轴两侧对称，其中路基顶部中心线C最大沉降变形约为9.5 mm、路基坡脚线B最大变形为11.4 mm、路基坡脚线A最大变形为7.5 mm，A和B观察线上最大变形点沉降相差3.9 mm，原因在于接收井距离B观察线较近，接收井的开挖导致B观察线上土体的扰动，顶管进一步的穿越造成了叠加变形影响。因此，在类似工程中应防范接收井或始发井的开挖对于邻近建(构)筑物的影响；变形最大点均在穿越中心位置附近，在穿越工程中控制穿越中心位置处沉降至关重要，应加强对于穿越位置处的铁路路基防护，当处于正在穿越位置时，应提高监测频率，随时掌握变形动态。

由图5可看出，路基横向变形的变形槽约为穿越中心点左右各20 m范围内，横向变形影响范围较大。最大横向变形为1.6 mm，在本工程中横向变形对路基安全影响较小，实际监测数据中横向变形基本为零，在此不对横向变形进行分析。但是，由于横向变形影响范围较大，所以在今后类似工程施工时建议对横向变形也采取变形监测，可以提前采用数值模拟的方法预测变形情况及横向位移影响范围，对于强烈影响位置应随时掌握变形动态。

3 监测方案与结果分析

路基安全主要通过观测路基和地表沉降量来分析预判。沉降观测点应在对其产生扰动的施工后完成埋设，及时读取初始值[8]。

3.1 监测方案

为有效了解顶管施工在穿越中对铁路路基的影响，采用了人工监测方法对铁路路基竖向位移进行变形监测。根据设计文件及现场实际情况，考虑顶管施工对既有线路的影响具有提前性和滞后性，结合本段地质情况、结构埋深和工程经验，铁路路基沉降人工监测点间距为5 m，此外，在顶管中心线与既有铁路相交处加密布置，共布设人工监测点14个，测点布置图如图6所示。其中，测点布置线E与数值模拟中的观察线A对应，测点布置线F与数值模拟中的观察线B对应。

图6 人工监测测点布置图

3.2 监测数据分析

提取人工监测点在顶管穿越段完成后的竖向沉降量值，实际监测点布置线中监测数值与数值模拟观察线中模拟结果对比，实际监测线与观察线沉降量变化如图7所示。

图7 实际监测线与观察线沉降量变化对比图

从图7可以看出，铁路路基数值模拟整体变形趋势和实际监测变形趋势是相同的，验证了模型的合理性。实际监测线E中最大变形点为L1-5，最大变形量为7.8 mm；监测线F中最大变形点为L2-4，最大变形量为9.2 mm。

工程于2017年4月10日开始圆管的顶进，在顶管顶进前10天进行了人工监测提取初始值，直至穿越工程完成，变形趋于稳定。实际监测中，在穿越段施工期间增加了监测频率。提取人工监测点自工程开始至穿越完成后每次监测的变形最大值，绘制变形曲线，如图8所示。

图8 实际监测点L1-1～L2-7不同时间阶段变形曲线

在实际顶管工程顶进记录表中，4月10日开始北侧顶管施工，起始位置盾构推进端面距离路基中心线37.6 m(见图1)，4月14日北侧顶管穿越完成；4月17日开始南侧顶管施工，4月19日南侧顶管穿越完成。

由图8可看出，4月10日开始北侧顶管施工，此时路基两侧监测点开始出现微小程度的竖向位移，掘进至4月13日第一次监测时，此时顶管顶进了29 m，推进断面距离铁路路基中心线8.6 m，A和B观察线上观察点L1-3至L1-5、L2-3至L2-5开始下沉。在4月13日至4月14日施工时间内，顶管共顶进18 m，完成北侧顶管穿越施工。在穿越铁路路基过程中，此时人工监测频率提高到4次/d，观察点位移发生了显著变化，待穿越完成后路基变形趋于缓和。

同样，南侧顶管4月17日开始施工至4月19日施工完成，2根圆管涵全部顶进施工完成后，沉降变化趋于稳定。虽有前后时间关系，但是从变形图上可以看出南侧顶管在顶进过程中(4月17日—4月19日)与北侧顶管顶进过程中(4月10日—4月14日)，人工监测测点有着相似的变形趋势。

根据工程顶进记录表中的顶进距离并结合监测数据分析，顶管施工推进到距离铁路路基中心线8.6 m(约3D，D为顶管管壁直径)时，铁路路基竖向变形开始显著变化，当掘进面穿越中心线约3D距离后，铁路路基变形逐步趋于缓和并维持稳定。

4 顶进参数分析

顶管施工是由掘进机切削土体后开挖，再由工作井中千斤顶顶进，因而对掘进机前方一定土体产生强烈的扰动作用，土体先处于卸载状态，而后随着千斤顶的顶进，掘进机前方土体处于挤压状态。由于掘进机的管径大于后续管节直径，会产生地层损失，管节周围土体处于卸载状态，产生应力松弛。同时由于顶管的顶进，在管壁与土体接触面上产生摩擦阻力。由于这些力的共同作用，在顶管周围产生不同的应力区。这些附加应力在土中会产生位移和变形，如果施工参数控制得当，则这些变形和位移会很小；如果参数控制不好，会产生较大的土体位移，轻则影响既有铁路运营安全，重则造成安全事故。因此，对于顶管施工中顶进参数的控制至关重要。

(1)掘进机正面推进力。顶管施工引起土体的变形，是多种因素耦合作用的结果，其中掘进机正面推进力对地表变形影响显著，正面推进力越大，引起的土中的附加应力越大，如果正面推进力大于推进面被动土压力，随着推进面的接近和远离，路基土体会出现隆起和下沉现象，使轨道产生不平顺，尤其加大行车时的轨道不平顺，对铁路的正常安全运营产生严重的不利影响，施工中应严格控制掘进机正面的推进力，并且尽量防止纠偏等可能引起地层损失的情况出现，保证铁路运输安全。

(2)摩擦力影响。顶管施工中，正常的摩擦力对地面变形的影响较小，但一些特殊情况，如施工停顿时间过长，四周松土会塌落在管壁上抱实，同时水分也会从减阻浆液中离析出来，使重新启动时摩擦力大大增加，从而引起对土体的扰动和拖带效应明显增加，造成地面位移的增加，从而使铁路路基位移变大，危及列车行驶安全。在实际施工中，因环向空腔不连续、不均匀、泥浆流失、地下水及压注浆工艺等，可能会对注浆减摩效果产生影响，使摩擦力增加，对地面变形影响增大。因此，实际顶进施工过程中为了保障铁路的运行安全要防止此类情况的发生，同时注意注浆减摩的效果。

(3)同步注浆与二次注浆。同步注浆是保证地面建筑物、地下管线、盾尾密封及衬砌管片安全的重要环节，通过对地层特点分析并结合监控量测结果及时调整注浆参数，可使环形间隙能够较均匀填充，并防止管涵承受不均匀偏压，对于穿越工程的顺利完成及保证既有铁路设施的安全具有重要意义。

在工程施工完成后，根据实际监测结果，及时调整线路几何形位，可以有效保证铁路线路的正常安全运营，若出现变形波动，还可进行二次注浆进行加固处理，进一步保证铁路路基安全。

5 结论与建议

结合盾构顶管下穿李港铁路路基实际工程，通过数值模拟计算与监测数据分析，可以得出以下结论。

(1)数值模型中，坡脚观察线的计算沉降量在9.5～11.4 mm范围内，与实际人工监测数据结果变形规律有一致性，量值相当，验证了数值模拟方法在分析此类工程问题中具有较好的可靠性。

(2)由于横向变形影响范围较大，为了进一步确保既有铁路的安全运行，建议在今后类似工程施工时对横向变形也采取变形监测分析，或者提前采用数值模拟的方法预测变形情况及横向影响范围，对于强烈影响位置应随时掌握变形动态，对影响铁路安全的因素及时把控。

(3)顶管施工推进到距离铁路路基中心线约3D距离时，铁路路基竖向变形开始显著变化，当掘进面穿越中心线3D距离后，铁路路基变形将逐步趋于缓和并维持稳定。因此，在今后类似工程施工中，掌握变形影响规律，对强烈影响区及时采取措施、加强铁路的安全防护。

(4)为了及时采获变形数据，建议施行自动化监测与人工监测相结合的方式，如果只实行人工监测，则应在变形较显著的穿越距离内提高监测频率，以平衡工程经济与沉降控制，有效保证穿越工程的顺利进行和既有铁路的安全运营。

(5)近距双顶管施工在密贴下穿铁路线路时，应严格控制掘进机正面的推进力，防止正面推进力过大，造成路基的隆起和下沉现象；还应防止因摩擦力增大而出现沉降量较大的情况，必要时对扰动范围内土层进行加固，依据监测变形值及时调整线路几何形位，可以有效保证铁路线路的安全运营。

参考文献：

[1] 喻军，龚晓南.考虑顶管施工过程的地面沉降控制数值分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33(S1)：2605-2610.

[2] 刘航军，曹振生，刘宗志，等.顶管隧道施工环境影响研究[J].施工技术，2017，46(1)：89-93，98.

[3] 刘波，章定文，刘松玉，等.大断面顶管通道近接穿越下覆既有地铁隧道数值模拟与现场试验[J]. 岩石力学与工程学报， 2017，36(11)：2850-2860.

[4] 冉红玲.顶管施工对既有城市轨道交通路基变形影响及控制研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[5] 魏纲，徐日庆，屠玮.顶管施工引起的土体扰动理论分析及试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004(3)：476-482.

[6] 杨转运.超浅层顶管施工引起路基地层移动数值模拟[J].重庆建筑大学学报，2008(5)：58-62.

[7] 王斌，陈帅，陶柏峰，等.顶管穿越路堤实测地基变形和扰动程度分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29(S1)：2805-2812.

[8] 韩灵灵.地铁竖井、横通道转入大断面正线隧道施工安全控制技术[J].铁路节能环保与安全卫生，2016，6(5)：251-255.