郭延輝 楊 溢 楊志全 孔志軍

（1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院, 昆明 650093；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 昆明 650201）

隨著我國市政建設(shè)的發(fā)展和鐵路網(wǎng)的不斷增密,越來越多的市政管線涵洞工程必須穿越已有鐵路線路[1-2].頂管技術(shù)作為一種非開挖施工技術(shù),與傳統(tǒng)明挖法施工相比,具有在施工過程中土方開挖、回填量小,對地面建筑、交通和行人活動影響更小等優(yōu)點[3-4],當(dāng)前,越來越多穿越鐵路路基的市政涵洞工程選擇頂管法施工.然而,在頂管頂進(jìn)過程中,由于頂進(jìn)過程產(chǎn)生的巨大摩擦力的影響,將會使周圍土體產(chǎn)生不同程度的變形,有時會嚴(yán)重威脅到鐵路路基及列車運(yùn)行的安全[5-6],因此,針對下穿涵洞頂管施工對鐵路路基的影響進(jìn)行研究越來越受到人們的關(guān)注,這對于保障列車安全運(yùn)營具有十分重要的意義.

針對頂管施工對地表的影響,眾多學(xué)者采用理論、試驗和數(shù)值仿真進(jìn)行了卓有成效的研究.文獻(xiàn)[7]基于數(shù)值模擬,考慮頂管的摩阻力、機(jī)頭的壓力以及土體的抗力,分析了頂進(jìn)過程中誘發(fā)地表的變形規(guī)律.文獻(xiàn)[8]應(yīng)用有限元,分別對泥漿套、機(jī)頭的壓力以及土體的抗力進(jìn)行了計算,分析了頂管對地表變形的影響.文獻(xiàn)[9]在多種影響土層變形因素分析的基礎(chǔ)上,對超淺層頂管施工引起路基地層移動進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[10]在對地層損失參數(shù)重定義的基礎(chǔ)上,計算了路基土體的變形和位移.文獻(xiàn)[11]開展了頂管施工的現(xiàn)場試驗研究,揭示了土壓力、孔隙水壓力、水位以及深層土體位移和地表位移受頂管施工的變化.文獻(xiàn)[12]對頂管施工過程中的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究.

相關(guān)研究側(cè)重于頂管施工過程中的力學(xué)效應(yīng)和頂管施工誘發(fā)地表巖土體的變形,而針對城市天然氣管線涵洞下穿高速鐵路路基所引發(fā)的鐵路路基變形及高鐵線路運(yùn)營安全問題的研究還很不足.本文以昆明市某天然氣管線涵洞頂管下穿即將運(yùn)營的高鐵線路路基為背景,分析了下穿頂管施工引起高鐵路基巖土體的運(yùn)動規(guī)律、變形演化特征,以及頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)等在施工結(jié)束后的受力和位移狀態(tài),研究方法和結(jié)果可以為類似工程提供借鑒.

1 工程概況及頂管設(shè)計參數(shù)

昆明市天然氣高壓管網(wǎng)東入城線規(guī)劃穿越某高速鐵路客車環(huán)線,擬在D2K745+546處新建一圓形涵洞,涵軸線與該高鐵線路環(huán)線斜交,角度均為64°,下穿處路線在半徑R=1 200 m的圓弧上.下穿涵洞頂管設(shè)計平面圖如圖1所示,鐵路路基距離涵洞頂面的距離為4.62 m.

圖1 下穿頂管涵洞設(shè)計平面圖

圓管涵根據(jù)實際地形情況,全部采用單向頂進(jìn)施工.頂進(jìn)施工段涵長72 m,設(shè)計頂力1628 t,設(shè)計采用4臺600 t千斤頂,對稱布置,后背墻采用C40混凝土.圓管涵內(nèi)徑為2.0 m,壁厚0.21 m,采用Φ2.0 m鋼筋混凝土F型頂管,單節(jié)長度為2.0 m,圓管涵管材采用C50混凝土.圓管涵節(jié)基底位于全風(fēng)化砂巖夾頁巖和全風(fēng)化砂巖、頁巖地層.頂管頂進(jìn)過程中,隨頂隨挖,嚴(yán)禁超挖.每頂進(jìn)一個管節(jié)后,將下節(jié)管節(jié)吊裝到工作坑中,按承插口要求,與前節(jié)連接好后,繼續(xù)頂進(jìn).如此往復(fù)循環(huán),直至全部管節(jié)頂進(jìn).圖2為下穿頂管涵洞設(shè)計縱剖面圖.

圖2 下穿頂管涵洞設(shè)計縱剖面圖

2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)地層從上到下按形成原因可分為：①人工填筑土(Q4ml),顏色呈棕黃色以及雜色,部分呈現(xiàn)褐黃色；中間密,其組成成分多為粉質(zhì)黏土和碎石塊,一般厚度在0～8 m之間,局部可達(dá)10 m.②人工棄土(Qq4),顏色呈紫紅、褐色、淺黃等雜色,組成成分以粉質(zhì)黏土居多,土質(zhì)密實程度不一,包含多種其它成分,夾大量灰?guī)r塊石、混凝土塊、磚塊及砂頁巖碎石等.③泥炭質(zhì)土),顏色多為黑色和灰褐色；軟塑狀巖芯,質(zhì)輕,有腐敗植物以及有機(jī)質(zhì)分布其中,各種土質(zhì)所占比例不均；主要呈層狀、透鏡體狀,厚0～3 m.④松軟土(),顏色主要為褐黃色和灰黃色；呈軟塑狀土體,含有多種雜質(zhì),局部存在大量砂質(zhì)；有層狀和透鏡體狀兩種形態(tài),一般厚0～3 m.⑤粉質(zhì)黏土),顏色主要為褐黃色和紫紅色；夾有灰以及灰黃色斑塊和條帶,土體呈硬塑狀,土質(zhì)含雜質(zhì)少,層厚為0～3 m,具較弱的膨脹性.⑥粉質(zhì)黏土(),顏色呈棕紅色和淺黃色；土體為硬塑狀,少量角礫存在其中；一般層厚為0～3 m,局部可達(dá)5 m.⑦砂巖夾頁巖(),局部存在石英砂巖夾頁巖,顏色多呈淺黃色、灰白色以及黃綠色等；砂巖呈粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),主要為泥質(zhì)膠結(jié),部分為鈣質(zhì)膠結(jié),中～薄層狀；頁巖質(zhì)地很軟,受風(fēng)化作用易剝落,該地層受風(fēng)化作用差異較大.⑧砂巖、頁巖(),顏色呈褐黃色、褐灰色以及淺黃和灰褐色；巖體為砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),分布大量風(fēng)化節(jié)理裂隙.

研究區(qū)地表水不發(fā)育.地下水主要為基巖裂隙水.段內(nèi)含水地層主要為砂巖、頁巖,含水性較低,透水性一般.地下水位較低,對工程影響較小.

3 計算模型及力學(xué)參數(shù)

3.1 計算模型的構(gòu)建

計算模型選取整個下穿頂管部分,三維模型沿區(qū)間頂管涵洞縱向長度為72 m,寬度方向取50 m,高度方向取至地面以下30 m深處.考慮計算的復(fù)雜性,在實際計算過程中對模型做了適當(dāng)?shù)暮喕?對頂管及周邊部分的單元進(jìn)行加密分布,三維計算模型如圖3所示,下穿頂管涵洞橫剖面圖如圖4所示,總體模型的單元總數(shù)為84520,節(jié)點總數(shù)為93056.文中路基部分為實體建模,軌道部分鑒于數(shù)值模擬建模的局限性,軌道簡化為荷載,軌道荷載換算為與路基同質(zhì)的土柱,均布作用在路基面上.模型采用位移約束條件,在模型的左右邊界固定X軸向的位移,在模型的前后邊界固定Y軸向的位移,在模型底部固定3個方向的位移.由于地下水位較低,對工程影響較小,不考慮地下水的影響.計算采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[13-15].

圖3 總體模型示意圖

圖4 下穿頂管涵洞橫剖面圖

3.2 巖土力學(xué)參數(shù)

模擬計算所參考的巖土力學(xué)參數(shù)依據(jù)《昆明煤氣(集團(tuán))控股有限公司昆明城市天然氣高壓管網(wǎng)東入城線下穿某高速鐵路客車環(huán)線設(shè)計書》和昆明地區(qū)類似工程巖土體力學(xué)參數(shù)而確定.巖土力學(xué)計算參數(shù)見表1.

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

4 涵洞頂管下穿對高速鐵路路基影響的數(shù)值分析

4.1 下穿頂管施工結(jié)束后地表沉降分析

圖5為頂管施工結(jié)束后頂管上部地表最終垂直位移分布圖.在頂管施工結(jié)束后,頂管涵洞上部地表略下沉,最大下沉位移為4 mm,位于高鐵線路兩側(cè)路塹邊坡部位,高鐵路基中間位置最大位移為3 mm.地表沿X方向(垂直高鐵線路方向)的位移量最大值小于3 mm.地表沿Y方向(沿高鐵線路方向)的最大水平位移量均小于3 mm.頂管施工結(jié)束后,地表位移較小,基本不會對高鐵線路路基產(chǎn)生影響.

圖5 頂管結(jié)束后最終地表垂直位移圖

4.2 下穿頂管施工結(jié)束后涵洞圍巖位移分析

在頂管涵洞施工過程中,涵洞圍巖變形過大或者沉降不均勻都會對高鐵線路的安全運(yùn)營產(chǎn)生較大的影響.圖6為頂管結(jié)束后涵洞沿垂直方向的位移圖,由于頂管的施工,涵洞頂板出現(xiàn)一定下沉,最大下沉值為3.26 mm,底板發(fā)生隆起,最大隆起位移為2.82 mm.涵洞圍巖整體較小,并未發(fā)生不均勻沉降和隆起.

圖6 頂管結(jié)束后涵洞圍巖沿Z方向位移圖

圖7為頂管施工結(jié)束后,涵洞周圍巖土體沿Y方向(沿高鐵線路方向)的位移分布圖.可以發(fā)現(xiàn),由于受兩側(cè)土體的擠壓作用,涵洞圍巖在Y方向的位移具有一定的對稱性,涵洞左側(cè)圍巖位移向右,右側(cè)圍巖位移向左,均指向涵洞中心.涵洞圍巖及地表最大水平位移均較小,相對于涵洞的空間而言,頂管施工所引起的變形在允許范圍內(nèi).

圖7 頂管結(jié)束后涵洞圍巖沿Y方向位移圖

4.3 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

頂進(jìn)管道X軸和Y軸方向的位移均較小,其最大值出現(xiàn)在高鐵路塹邊坡下部頂進(jìn)管道頂板位置,其最大水平位移數(shù)值均較小.垂直方向的最大位移值為4.5 mm.可見,在頂管施工過程和施工結(jié)束后,頂進(jìn)管道產(chǎn)生的變形很小.頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)沿Z方向的位移分布如圖8所示.

圖8 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)沿Z方向位移圖

圖9和圖10分別是頂管結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖.

圖9 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力圖

圖10 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力圖

從圖中可以看出,涵洞頂板中間位置的主應(yīng)力極值比其它地方大,其值為19.82 MPa,位于頂管施工井頂進(jìn)部位,未超過頂進(jìn)鋼筋混凝土管道C50的抗壓強(qiáng)度,不會出現(xiàn)由于強(qiáng)度不足而發(fā)生的破壞.由于受土壓力的影響,頂進(jìn)管道在中間頂?shù)装逄幃a(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力,拉應(yīng)力最大值為3.27 MPa,而其他部位的拉應(yīng)力均未超過該值,在管道設(shè)計的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi).在頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)的大部分區(qū)域,均以壓應(yīng)力為主,而在頂管頂?shù)装?則出現(xiàn)了拉應(yīng)力.綜合應(yīng)力與位移分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)涵洞頂管施工結(jié)束后,頂管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好.

5 頂管現(xiàn)場施工中高鐵路基變形分析

根據(jù)天然氣管線下穿頂管施工對高鐵路基影響的數(shù)值計算分析結(jié)果,現(xiàn)場項目部按計劃進(jìn)行頂管施工.圖11為現(xiàn)場工作井圖片,為了確保頂管施工過程安全,盡量減少頂管施工對高鐵線路路基等的影響,在實際施工過程中,加強(qiáng)對地下頂管管道破損情況,周邊鐵路(地表)及軌道、既有鐵路設(shè)施(接觸網(wǎng)立柱、電力貫通線)等有無裂縫、沉降和隆起的巡查.同時對管涵頂進(jìn)施工過程中鐵路路基等變形情況進(jìn)行了監(jiān)測,測點主要布置于頂管正上方與高鐵線路左線和右線軌道面以及路緣兩側(cè)路緣帶(如圖12所示),在頂進(jìn)施工期間,每天監(jiān)測1～2次,特殊情況下增加監(jiān)測頻次.

圖11 現(xiàn)場工作井

圖12 測點布置圖

經(jīng)現(xiàn)場巡查,在頂管施工過程中,高鐵路基及周邊地表并未出現(xiàn)明顯裂縫,接觸網(wǎng)立柱未發(fā)生傾斜.現(xiàn)場實測結(jié)果表明,高鐵路基及軌道面在施工過程中的變形很小,在頂管施工至高鐵線路下方時,軌道面有一定的隆起,軌道面和兩側(cè)路緣最大位移均小于0.6 cm,與數(shù)值模擬計算結(jié)果具有一定的吻合性.圖13為頂管內(nèi)部情況,圖14為頂管施工結(jié)束后高鐵路基及軌道圖,頂管施工結(jié)束后,鐵路路基及軌道面最大垂直位移小于1 cm,滿足高速鐵路路基工程沉降變形控制的要求,頂管下穿工程對高鐵路基產(chǎn)生的影響很小,基本不影響該高鐵線路的正常運(yùn)營.

圖14 施工結(jié)束后高鐵軌道及路基

6 結(jié) 論

1)研究表明,頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)的水平位移和垂直位移基本滿足控制要求,不會對涵洞結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.在應(yīng)力方面,頂進(jìn)管道主要以壓應(yīng)力為主,而在頂進(jìn)管道的頂?shù)装逦恢?則出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力,但拉應(yīng)力值處于管道設(shè)計的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi).

2)計算得到頂管涵洞施工結(jié)束后地表最終垂直位移量和水平位移量均較小,滿足高鐵路基沉降變形控制要求,基本不會對高速鐵路路基及運(yùn)營安全產(chǎn)生影響.

3)現(xiàn)場頂管施工過程觀測結(jié)果表明,高鐵路基及周邊地表并未出現(xiàn)明顯裂縫,高鐵路基及軌道面在施工過程和施工結(jié)束后出現(xiàn)的變形較小,驗證了數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可靠性,出現(xiàn)的變形符合高速鐵路路基工程沉降變形控制的要求.整個下穿頂管工程對高鐵路基產(chǎn)生的影響很小,基本不影響該高鐵線路的正常安全運(yùn)營.