某供水管線頂管施工對(duì)既有鐵路影響性分析

摘要：地下土體的開(kāi)挖卸荷對(duì)土體產(chǎn)生了一定的影響，場(chǎng)地應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)都會(huì)發(fā)生改變，從而影響到既有建筑的穩(wěn)定性，危害結(jié)構(gòu)安全。文章以某供水管道頂管下穿既有鐵路路基為項(xiàng)目背景，通過(guò)數(shù)值模擬的方式詳細(xì)闡述頂進(jìn)過(guò)程對(duì)鐵路影響。

[作者簡(jiǎn)介]顧嫚（1988—），女，本科，工程師，從事地基基礎(chǔ)檢測(cè)工作。

1 工程概述

本工程為市政供水管道下穿既有鐵路項(xiàng)目，供水管道為1000 mm鋼管，壁厚16 mm，管道運(yùn)行壓力0.4 MPa。鐵路為P50鋼軌的有縫線路，鋪設(shè)鋼筋混凝土軌枕，鐵路路基填土高度約4.2 m。線路處于曲線段，曲線半徑為1 000 m。

場(chǎng)地土層分布主要為3層：1層為素填土，結(jié)構(gòu)松散，成分以黏性土為主，場(chǎng)區(qū)普遍分布;2層為黏土夾粉土（Q4d），干強(qiáng)度高，韌性高，中壓縮，上部夾粉土，厚度0.4 m，4.0～4.4 m為淤泥，高壓縮性。地基承載力特征值fak=115 kPa。3層為粉質(zhì)黏土（Q3m），硬塑為主，中壓縮性，底部有薄層粉砂，地基承載力特征值fak=170 kPa。地下穩(wěn)定水位變化幅度約1.0～1.5 m?？睖y(cè)期間測(cè)得地下水穩(wěn)定水位埋深為2.30 m。擬建場(chǎng)地地下水主要為潛水。

護(hù)涵選用2-1.5 m鋼筋混凝土圓管，由生產(chǎn)廠家預(yù)制，按2 m一節(jié)生產(chǎn)。采用“F”型企口。2根護(hù)套管平行并排布置，水平凈間距為1.06 m。頂管與鐵路路基夾角為65°。護(hù)套管頂距離鐵路軌頂7.9 m，頂管總長(zhǎng)度約150.00 m。工作井尺寸為7.5 m×6.5 m，工作井設(shè)置在北側(cè)，距鐵路中心線35.46 m，如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

本文中土體采用了硬化土本構(gòu)模型，該模型是對(duì)Mohr-Coulomb模型的改進(jìn)，由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，適用于淤泥或砂土行為特性。硬化土模型可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。由初始偏應(yīng)力引起的軸應(yīng)變和材料剛度的減小，雖然類似于雙曲線（非線性彈性）模型，但相對(duì)于彈性理論，更接近塑性理論，并且考慮了巖土不同的膨脹角及屈服帽[1]。相對(duì)于Mohr-Coulomb模型，這是個(gè)材料模型更加詳細(xì)的模型，彈性模量可根據(jù)加載和卸載設(shè)置為不同的值。但一般情況下卸載時(shí)彈性模量設(shè)置更大的值，以防止開(kāi)挖模型時(shí)由于應(yīng)力釋放引起的過(guò)大膨脹的現(xiàn)象，過(guò)高的壓力作用在土體上時(shí)會(huì)發(fā)生壓縮破壞的情況。通常情況下，引起破壞的壓力非常大，采用Mohr-Coulomb模型分析時(shí)即使不考慮這部分也不會(huì)有問(wèn)題。但是，為了更準(zhǔn)確地模擬土體的壓縮行為，模型考慮了圓或橢圓的壓縮破壞屈服面，如圖2所示。剪切硬化行為可以用摩擦角φ和等效塑性應(yīng)變?chǔ)?23γp·γp的關(guān)系來(lái)輸入，膨脹角sinψ由Row的公式（sinψ=sinφ-sinφcv1-sinφsinφcv）來(lái)計(jì)算，其中γp為偏塑性應(yīng)變;φcv為摩擦角[2]，土層參數(shù)取值如表1所示。

本模型計(jì)算加固區(qū)段頂管施工對(duì)于鐵路路基的變形影響，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的分析通過(guò)連續(xù)介質(zhì)有限元法采用MIDAS GTS NX軟件進(jìn)行計(jì)算，考慮頂管、路基及土體之間的相互作用，將它們作為一個(gè)整體考慮。計(jì)算范圍內(nèi)圍巖及上部鐵路路基采用三維實(shí)體單元模擬;護(hù)涵管片采用2D板單元模擬，板厚0.27 m;考慮鐵路與管道的三維空間位置關(guān)系，相交角度約為65°。鐵路路基與下部土層模型采取共節(jié)點(diǎn)方式處理，可以有效的傳遞上下部應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果，達(dá)到協(xié)同分析的目的[3]?？紤]人工挖土推進(jìn)對(duì)上部路基的影響，本文對(duì)已施工至里程進(jìn)行開(kāi)挖施工階段分析，即頂進(jìn)至路基正下方。頂管及整體有限元模型位置關(guān)系如圖3、圖4所示，模型施工階段的定義如表2所示。

3 結(jié)果分析

對(duì)模型進(jìn)行15個(gè)施工步分析，本文重點(diǎn)討論頂管推進(jìn)過(guò)程中地面以及鐵路的影響變形。圖5、圖6顯示為頂管推進(jìn)至路基正下方時(shí)的變形量，從圖中可以看出，路基處于沉降狀態(tài)。這是由于土體卸荷過(guò)程導(dǎo)致了土層原狀應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，應(yīng)力場(chǎng)向管道臨空面轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致土層向下變形，從而影響上部鐵路基礎(chǔ)沉降[4]。在管道頂進(jìn)至路基正下方階段，測(cè)點(diǎn)6 653和6 720的沉降結(jié)果為4.71 mm和4.49 mm，豎向變形矢量及應(yīng)力矢量為向下趨勢(shì);水平變形結(jié)果為0.12 mm和0.31 mm，水平向變形矢量向?yàn)楣ぷ骶较颍绞噶渴且驗(yàn)楣ぷ骶?個(gè)階段開(kāi)挖，因此引起位移矢量會(huì)有向右側(cè)的趨勢(shì)。

通過(guò)全過(guò)程施工階段的結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如表3所示。可以看出隨著頂管頂進(jìn)過(guò)程，路基沉降值趨于增大。從變形結(jié)果散點(diǎn)圖7、圖8中也可看出，工作井施工及頂進(jìn)開(kāi)始階段，路基已發(fā)生變形，因此在工作井開(kāi)挖階段，就應(yīng)該做好路基的變形監(jiān)測(cè)工作。隨著頂進(jìn)施工靠近路基正下方，變形會(huì)增加，最大值約為4.711 mm。

4 結(jié)論及建議

本文通過(guò)采用數(shù)值模擬的方式考慮三維空間效應(yīng)計(jì)算工作井開(kāi)挖及頂管施工引起的路基變形，有幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）三維空間效應(yīng)在數(shù)值模擬中起到一定作用，分析變形時(shí)需要考慮頂管推進(jìn)全過(guò)程對(duì)線路變形的影響。

（2）工作井的施工對(duì)路基的沉降有影響，因此，需要對(duì)工作井做好開(kāi)挖圍護(hù)工作，不可一次性開(kāi)挖到底。

（3）頂管穿越路基正下方時(shí)，處于路基變形較大階段。同時(shí)在頂管穿越前期，對(duì)路基的變形同樣有一定影響，不可隨意快速頂進(jìn)。

（4）頂管推進(jìn)過(guò)程對(duì)路基有較大的擾動(dòng)影響，因此對(duì)于土體的卸荷過(guò)程，一定要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路基變形狀態(tài)，及早施加相應(yīng)支護(hù)手段。只有加強(qiáng)階段的變形監(jiān)測(cè)，才能保證鐵路線路的運(yùn)營(yíng)安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 王煥定，焦兆平.有限單元法基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] GTS NX通用巖土有限元分析軟件用戶手冊(cè)[R].

[3] 王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[4] 徐芝綸. 彈性力學(xué)簡(jiǎn)明教程[M]. 北京：高等教育出版社，2002.