下穿既有铁路管涵顶进施工的变形分析与安全控制研究①

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(云南大学建筑与规划学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

顶管施工是继盾构施工之后发展的一种地下管涵施工技术，它不需要开挖面层即可穿越铁路及各种构造物，顶管施工具有施工速度快、对周围基础设施影响小等优点[1]。但管涵下穿铁路不可避免的会对地层产生扰动，引起周围土体的应力改变和沉降变形，严重的会影响列车安全运营。若采用保守的施工技术对铁轨进行扣轨加固，将对繁忙的铁路产生极大的影响和经济的损失。Peck提出的沉降槽开挖公式表明，顶管施工开挖所形成的地表沉降槽的体积等于地层损失的体积，地层损失体积可根据地表沉降槽的体积反算出来[2]。因此，如何科学合理的制定管涵埋深，减少铁轨变形的不利影响是十分必要的。

1 沉降计算公式和沉降控制要求

Peck提出了著名的地层损失的概念[3]，假定不考虑土体排水的情况下，单洞开挖形成的地表沉降槽体积与地层损失体积相等。Peck公式假定开挖洞口周围土体是均匀的土体，且不受拉应力的散体介质，隧道开挖扰动范围能达到地表，隧道横断面为半无限平面。在此假设基础上，当单隧道掘进时，隧道横断面的地表沉降曲线计算公式如下：

(1)

(2)

式中：Smax为隧道中线最大沉降值，Sx为距离隧道中线x处的沉降值，i为沉降槽宽度系数，η为地层损失系数，A为开挖面积。

对于地表沉降槽系数i，国内外研究较多[4]，一般可表示为：

(3)

式中：H为埋深,R为计算半径，φ为土体内摩擦角。将式(3)带入式(2)即可求出隧道中心线处最大沉降值。

管涵下穿既有铁路导致的水平、高低变化量不应超出《铁路线路修理规则》[4]的技术标准。此外，还要满足地层及结构稳定要求。根据《铁路线路修理规则》运行速度在120km/h至160km/h双线铁路轨道几何尺寸容许偏差(临时修补)管理值要求如表1。

表1 容许偏差管理值

2 施工引起的铁轨沉降规律研究

2.1 模拟工况

根据《工程地质手册》[5]中岩土平均物理力学性质指标中的弹性模量、内摩擦角、粘聚力、容重、泊松比参数进行取值，建立不同土质、埋深下的三维数值模型。顶管混凝土和道床轨枕为各同向性的弹性材料，顶管混凝土外直径1710mm，构造物力学参数见表2。土体认定为各向同性的Mohr-Coulomb准则，参数见表3。施工时假定土体自重变形已经完成，归零初始自重位移。

表2 构筑物力学参数表

表3 岩土力学参数表

2.2 计算模型

2.3 数值模拟结果及分析

为了控制铁路轨枕的下沉量，每次进尺不大于0.2m。根据不同模拟工况所得到的地层竖向变形情况如下：

(1) 施工到铁路中心正下方时地表最大沉降量为-1.68mm(图1(a)(b))，掌子面拱顶最大沉降量为-5.68mm，满足要求。

(2)当上行线和下行线列车分别经过施工区域时(图1(c)(d))，列车荷载引起的地表最大沉降量为-23.71mm，最小沉降量为-6.5mm，从图中可以看出模型1的沉降量超出了允许管理值。

(3)在列车列车经过后向前顶推0.2m和开挖后段时引起的地表最大位移量为-8.49mm(图1(e)(f))。从图中可以看出模型1的沉降量已经超出了容许沉降值。

图1 各施工阶段的竖向位移

图2 顶管监控测点布置图

(4)在顶推完成后双行线列车荷载经过时(图1(g))，引起的地表最大沉降量为-23.95mm，最小沉降量为-6.7mm，在施工完成后的残余变形(图1(h))，地表最大沉降量为-7.0mm。从图中可以看出模型1的残余变形接近容许管理值。

(5)根据数值模型计算分析得出各工况的水平倾斜率在静态和动态下的最大倾斜率，从表4中看出倾斜率均满足要求。

图3 模型示意图

3 工程实例

3.1 工程概况

管涵下穿既有铁路工程位于占益县，管涵穿越长度为48m，埋深为4.85m，管涵为C40钢筋混凝土圆管、内径为1.35m，壁厚18cm，自东向西分别穿越沪昆铁路，管线中心线与沪昆铁路上行线、下行线交角90°。

表4 各工况最大静态和动态倾斜率

图4 施工期间地面沉降曲线

图5 施加顶推力时实测值和模拟值

图6 双线列车时实测值和模拟值

3.2 信息化监测方法

在路基两侧布置JMDL-62XX系列智能数码静力水准仪设备进行沉降监测。按顶管底部深度，以1∶1坡度布设沉降观测点。根据现场地形情况，施工前在路肩两侧分别设置5个观测点，间隔为4m，监测频率为2h。监测点布置见图2：

3.3 有限元分析与实测值对比

采用MIDAS GTS NX有限元分析软件进行计算。分析计算施工过程中对铁路运行线的影响。根据勘察报告，土层自上而下分别为：素填土、黏土、强风化岩。土体本构采用Mohr-Coulomb 准则，采用3D实体单元，参数见表5。顶管混凝土和道床及轨枕采用板单元模拟，见表2。计算主体模型沿铁路中心线方向取长度15m，路基横向宽度11m，顶管埋设深度及土层厚度按实际取值，见图3。

图7 残余形变的实测值和模拟值

图8 施加顶推力位移云图

图9 双向列车荷载位移云图

顶管中心处上下行轨道变形如图4，施工过程中上下行轨道变形规律基本一致，在刚开始顶进时，上行线轨道开始出现微量隆起，下行线轨道出现微量沉降。在施工到轨道线附近时上行轨道开始出现沉降，下行线轨道出现隆起，随着顶管施工顶进，沉降量持续增大，下行线轨道基本处于隆起状态，上行线轨道基本处于沉降状态，最大沉降量为-6.7mm，最大隆起量为1.58mm，均满足安全要求。在顶管施工至上下行线中间的掌子面时，施加顶推力向前顶推0.2m，下行线轨道出现隆起现象，实测值为4.19mm，模拟值为2.97mm，如图5，拱顶最大位移为-8.7mm，如图8。双线列车经过时，地表最大沉降的实测值为-6.7mm，模拟值为-9.01mm，如图6，拱顶最大位移为-13.4mm，如图9。顶管施工完毕后沉降趋于稳定，最终实测值残余形变为-4.48mm，模拟值的残余形变为-2.51mm，如图7。模拟值和实测值的水静态倾斜率和动态倾斜率最大值见表6，可见沉降值和倾斜率均低于容许管理值。模拟值能反映出施工期间的沉降变化趋势，数值模拟结果与工程实测值较为吻合。

表5 岩土力学参数表

表6 实测值和模拟值最大静态和动态倾斜率

4 结 论

(1) 随着顶管施工顶进，顶进侧的地表会先隆起后沉降，接收侧的地面出现微量隆起，实际工程的沉降值小于《铁路线路修理规则》中的要求。说明顶管施工下穿铁路对铁轨变形影响较小，只要做好轨道的安全防护即可满足铁路的安全运营。

(2) 在进行掌子面顶进过程中接收侧的线路地面出现隆起，最大值为4.19mm，但能在短时间内衰减，所以在施工期间应准确计算顶推力，避免由于顶推力过大引起铁路地表较大的隆起。

(3) 在施工期间要保证列车在施工区域范围内低于45km/h速度，来车前保证顶管满顶不可悬空，列车经过时停止施工，在列车经过后再进行施工。