某供水管线顶管施工对既有铁路影响性分析

摘要：地下土体的开挖卸荷对土体产生了一定的影响，场地应力场和位移场都会发生改变，从而影响到既有建筑的稳定性，危害结构安全。文章以某供水管道顶管下穿既有铁路路基为项目背景，通过数值模拟的方式详细阐述顶进过程对铁路影响。

[作者简介]顾嫚（1988—），女，本科，工程师，从事地基基础检测工作。

1 工程概述

本工程为市政供水管道下穿既有铁路项目，供水管道为1000 mm钢管，壁厚16 mm，管道运行压力0.4 MPa。铁路为P50钢轨的有缝线路，铺设钢筋混凝土轨枕，铁路路基填土高度约4.2 m。线路处于曲线段，曲线半径为1 000 m。

场地土层分布主要为3层：1层为素填土，结构松散，成分以黏性土为主，场区普遍分布;2层为黏土夹粉土（Q4d），干强度高，韧性高，中压缩，上部夹粉土，厚度0.4 m，4.0～4.4 m为淤泥，高压缩性。地基承载力特征值fak=115 kPa。3层为粉质黏土（Q3m），硬塑为主，中压缩性，底部有薄层粉砂，地基承载力特征值fak=170 kPa。地下稳定水位变化幅度约1.0～1.5 m。勘测期间测得地下水稳定水位埋深为2.30 m。拟建场地地下水主要为潜水。

护涵选用2-1.5 m钢筋混凝土圆管，由生产厂家预制，按2 m一节生产。采用“F”型企口。2根护套管平行并排布置，水平净间距为1.06 m。顶管与铁路路基夹角为65°。护套管顶距离铁路轨顶7.9 m，顶管总长度约150.00 m。工作井尺寸为7.5 m×6.5 m，工作井设置在北侧，距铁路中心线35.46 m，如图1所示。

2 数值模拟

本文中土体采用了硬化土本构模型，该模型是对Mohr-Coulomb模型的改进，由非线性弹性模型和弹塑性模型组合，适用于淤泥或砂土行为特性。硬化土模型可以模拟不受剪切破坏或压缩屈服影响的双硬化行为。由初始偏应力引起的轴应变和材料刚度的减小，虽然类似于双曲线（非线性弹性）模型，但相对于弹性理论，更接近塑性理论，并且考虑了岩土不同的膨胀角及屈服帽[1]。相对于Mohr-Coulomb模型，这是个材料模型更加详细的模型，弹性模量可根据加载和卸载设置为不同的值。但一般情况下卸载时弹性模量设置更大的值，以防止开挖模型时由于应力释放引起的过大膨胀的现象，过高的压力作用在土体上时会发生压缩破坏的情况。通常情况下，引起破坏的压力非常大，采用Mohr-Coulomb模型分析时即使不考虑这部分也不会有问题。但是，为了更准确地模拟土体的压缩行为，模型考虑了圆或椭圆的压缩破坏屈服面，如图2所示。剪切硬化行为可以用摩擦角φ和等效塑性应变κ=23γp·γp的关系来输入，膨胀角sinψ由Row的公式（sinψ=sinφ-sinφcv1-sinφsinφcv）来计算，其中γp为偏塑性应变;φcv为摩擦角[2]，土层参数取值如表1所示。

本模型计算加固区段顶管施工对于铁路路基的变形影响，对整体结构的分析通过连续介质有限元法采用MIDAS GTS NX软件进行计算，考虑顶管、路基及土体之间的相互作用，将它们作为一个整体考虑。计算范围内围岩及上部铁路路基采用三维实体单元模拟;护涵管片采用2D板单元模拟，板厚0.27 m;考虑铁路与管道的三维空间位置关系，相交角度约为65°。铁路路基与下部土层模型采取共节点方式处理，可以有效的传递上下部应力及应变结果，达到协同分析的目的[3]。考虑人工挖土推进对上部路基的影响，本文对已施工至里程进行开挖施工阶段分析，即顶进至路基正下方。顶管及整体有限元模型位置关系如图3、图4所示，模型施工阶段的定义如表2所示。

3 结果分析

对模型进行15个施工步分析，本文重点讨论顶管推进过程中地面以及铁路的影响变形。图5、图6显示为顶管推进至路基正下方时的变形量，从图中可以看出，路基处于沉降状态。这是由于土体卸荷过程导致了土层原状应力场发生改变，应力场向管道临空面转移，导致土层向下变形，从而影响上部铁路基础沉降[4]。在管道顶进至路基正下方阶段，测点6 653和6 720的沉降结果为4.71 mm和4.49 mm，竖向变形矢量及应力矢量为向下趋势;水平变形结果为0.12 mm和0.31 mm，水平向变形矢量向为工作井方向，水平矢量是因为工作井第2个階段开挖，因此引起位移矢量会有向右侧的趋势。

通过全过程施工阶段的结果统计，如表3所示。可以看出随着顶管顶进过程，路基沉降值趋于增大。从变形结果散点图7、图8中也可看出，工作井施工及顶进开始阶段，路基已发生变形，因此在工作井开挖阶段，就应该做好路基的变形监测工作。随着顶进施工靠近路基正下方，变形会增加，最大值约为4.711 mm。

4 结论及建议

本文通过采用数值模拟的方式考虑三维空间效应计算工作井开挖及顶管施工引起的路基变形，有几点认识：

（1）三维空间效应在数值模拟中起到一定作用，分析变形时需要考虑顶管推进全过程对线路变形的影响。

（2）工作井的施工对路基的沉降有影响，因此，需要对工作井做好开挖围护工作，不可一次性开挖到底。

（3）顶管穿越路基正下方时，处于路基变形较大阶段。同时在顶管穿越前期，对路基的变形同样有一定影响，不可随意快速顶进。

（4）顶管推进过程对路基有较大的扰动影响，因此对于土体的卸荷过程，一定要实时监测路基变形状态，及早施加相应支护手段。只有加强阶段的变形监测，才能保证铁路线路的运营安全。

参考文献

[1] 王焕定，焦兆平.有限单元法基础[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] GTS NX通用岩土有限元分析软件用户手册[R].

[3] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4] 徐芝纶. 弹性力学简明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2002.