某供水管線頂管施工對既有鐵路影響性分析

Summary：地下土體的開挖卸荷對土體產生了一定的影響，場地應力場和位移場都會發生改變，從而影響到既有建筑的穩定性，危害結構安全。文章以某供水管道頂管下穿既有鐵路路基為項目背景，通過數值模擬的方式詳細闡述頂進過程對鐵路影響。[作者簡介]顧嫚（1988—），女，本科，工程師，從事地基基礎檢測工作。1工程概述本工程為市政供水管道下穿既有鐵路項目，供水管道為1000mm鋼管，壁厚16mm，管道運行壓力0.4MPa。鐵路為P50鋼軌的有縫線路，鋪設鋼筋混凝土軌枕，鐵路路基填土高度約4.2m。線路處于曲線段，曲線半徑為1000m。場地土層分布主要為3層：1層為素填土，結構松散，成分以黏性土為主，場區普遍分布;2層為黏土夾粉土（Q4d），干強度高，韌性高，中壓縮，上部夾粉土，厚度0.4m，4.0～4.4m為淤泥，高壓縮性。地基承載力特征值fak=115kPa。3層為粉質黏土（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=170kPa。地下穩定水位變化幅度約1.0～1.5m?？睖y期間測得地下水穩定水位埋深為2.30m。擬建場地地下水主要為潛水。護涵選用2-1.5m鋼筋混凝土圓管，由生產廠家預制，按2m一節生產。采用“F”型企口。2根護套管平行并排布置，水平凈間距為1.06m。頂管與鐵路路基夾角為65°。護套管頂距離鐵路軌頂7.9m，頂管總長度約150.00m。工作井尺寸為7.5m×6.5m，工作井設置在北側，距鐵路中心線35.46m，如圖1所示。2數值模擬本文中土體采用了硬化土本構模型，該模型是對Mohr-Coulomb模型的改進，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。由初始偏應力引起的軸應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]。相對于Mohr-Coulomb模型，這是個材料模型更加詳細的模型，彈性模量可根據加載和卸載設置為不同的值。但一般情況下卸載時彈性模量設置更大的值，以防止開挖模型時由于應力釋放引起的過大膨脹的現象，過高的壓力作用在土體上時會發生壓縮破壞的情況。通常情況下，引起破壞的壓力非常大，采用Mohr-Coulomb模型分析時即使不考慮這部分也不會有問題。但是，為了更準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和等效塑性應變κ=23γp·γp的關系來輸入，膨脹角sinψ由Row的公式（sinψ=sinφ-sinφcv1-sinφsinφcv）來計算，其中γp為偏塑性應變;φcv為摩擦角[2]，土層參數取值如表1所示。本模型計算加固區段頂管施工對于鐵路路基的變形影響，對整體結構的分析通過連續介質有限元法采用MIDASGTSNX軟件進行計算，考慮頂管、路基及土體之間的相互作用，將它們作為一個整體考慮。計算范圍內圍巖及上部鐵路路基采用三維實體單元模擬;護涵管片采用2D板單元模擬，板厚0.27m;考慮鐵路與管道的三維空間位置關系，相交角度約為65°。鐵路路基與下部土層模型采取共節點方式處理，可以有效的傳遞上下部應力及應變結果，達到協同分析的目的[3]?？紤]人工挖土推進對上部路基的影響，本文對已施工至里程進行開挖施工階段分析，即頂進至路基正下方。頂管及整體有限元模型位置關系如圖3、圖4所示，模型施工階段的定義如表2所示。3結果分析對模型進行15個施工步分析，本文重點討論頂管推進過程中地面以及鐵路的影響變形。圖5、圖6顯示為頂管推進至路基正下方時的變形量，從圖中可以看出，路基處于沉降狀態。這是由于土體卸荷過程導致了土層原狀應力場發生改變，應力場向管道臨空面轉移，導致土層向下變形，從而影響上部鐵路基礎沉降[4]。在管道頂進至路基正下方階段，測點6653和6720的沉降結果為4.71mm和4.49mm，豎向變形矢量及應力矢量為向下趨勢;水平變形結果為0.12mm和0.31mm，水平向變形矢量向為工作井方向，水平矢量是因為工作井第2個階段開挖，因此引起位移矢量會有向右側的趨勢。通過全過程施工階段的結果統計，如表3所示。可以看出隨著頂管頂進過程，路基沉降值趨于增大。從變形結果散點圖7、圖8中也可看出，工作井施工及頂進開始階段，路基已發生變形，因此在工作井開挖階段，就應該做好路基的變形監測工作。隨著頂進施工靠近路基正下方，變形會增加，最大值約為4.711mm。4結論及建議本文通過采用數值模擬的方式考慮三維空間效應計算工作井開挖及頂管施工引起的路基變形，有幾點認識：（1）三維空間效應在數值模擬中起到一定作用，分析變形時需要考慮頂管推進全過程對線路變形的影響。（2）工作井的施工對路基的沉降有影響，因此，需要對工作井做好開挖圍護工作，不可一次性開挖到底。（3）頂管穿越路基正下方時，處于路基變形較大階段。同時在頂管穿越前期，對路基的變形同樣有一定影響，不可隨意快速頂進。（4）頂管推進過程對路基有較大的擾動影響，因此對于土體的卸荷過程，一定要實時監測路基變形狀態，及早施加相應支護手段。只有加強階段的變形監測，才能保證鐵路線路的運營安全。Reference[1]王煥定，焦兆平.有限單元法基礎[M].北京：高