微型顶管工程对铁路的影响分析

张伟俊　崔旭东

【摘 要】随着城市的日益发展，地下、地上的管线和建筑也随之增加，顶管施工往往会遇到穿越公路、铁路、地下管线、河流、地上重要建筑等特殊地段。这些特殊地段的顶管施工对地面的沉降控制要求更高。本文针对微型顶管下穿棠溪至广州西铁路工程，采用FLAC2D有限差分软件对微型顶管下穿棠溪至广州西铁路时引起的地面变形进行数值模拟分析；结果表明，微型顶管穿越铁路路基时引起的地表变形量是很小的，当左线完成后，地表最大沉降位置位于左线微型顶管正上方，数值为1.97mm，当双线微型顶管完成后地表最大的沉降位置位于两顶管连线中心线的正上方，数值为3.462mm，与现场监测数据较为吻合；考虑到棠溪至广州西铁路的重要性，为了保护铁路的安全运营，在顶管下穿铁路时采取架空防护的保护措施，并结合工程实践取得了较好的效果。

【关键词】微型顶管；地表沉降；FLAC2D

0 引言

目前，随着城市规模的不断扩大，通过电力隧道实施输电和配电线路的地下化，可以改善城市的市容环境，强化城市的减灾和防灾功能，实现稳定的输电，可以带来巨大的经济和社会效益；近年来，为了适应经济社会的快速发展，传统的挖沟埋管法具有很多缺点，如影响交通、破坏路面、破坏地表植被、影响正常的商业活动和居民的日常生活、大量的土方工程等。因此顶管技术迅速发展，它是继盾构施工后发展起来的一种地下管道施工方法，它不需开挖面层，且能穿越公路、铁路、地面建筑物以及各种地下管道等，随着经济的发展和人们环保意识的增强，该法近年在全国各大城市大量推广应用而成为一种常规的施工方法。

顶管施工引起地表沉降的原因主要有以下三部分：

1）开挖面间隙引起的地层损失；2）浆液流动引起的地层损失；3）地下水流失。开挖面间隙引起地层损失受平衡土压力、出土率和顶进速度的影响。

本文以广州环西站110kV送电线路工程为背景，采用FLAC2D有限差分软件对微型顶管穿越棠溪至广州西铁路时引起的地面变形进行数值模拟分析，继而对铁路采取架空防护保护措施，施工中根据监控点监测所得反馈数据，不断调整相关技术参数使得沉降值控制在有关部门允许的范围之内。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

环西站110kV送电线路工程（解口110kV罗三甲乙线）为220kV环西变电站配套工程，工程位于广州市荔湾区，站西路东西两侧，对加强荔湾区北部、越秀区中东部110kV电网结构、提高供电可靠性等方面起到积极的作用。由于线路需穿越棠溪至广州西铁路（微型顶管左线穿越铁路里程约为K2264+413，右线穿越铁路里程约为K2264+416），故采用顶管法施工，两端的工作井采用明挖法施工，顶管工程长度为39.640m，由1号工作井始发，2号工作井吊出，顶管采用钢筋混凝土圆管作护涵，护涵内经1.2m，壁厚为120mm，管节长2.5米，C50混凝土制作，两顶管中心距为3m，埋深4.9～9.8m，每一顶管计划穿8条180PE管（其中两条备用），3条100PE管（两条备用），180PE管每根穿一条电缆，100PE管供回流线使用。

1.2 微型顶管与棠溪至广州西铁路位置关系

微型顶管由工作井1始发，工作井2吊出，与既有铁路接近为空间正交，夹角为87°，在穿越棠溪至广州西铁路处顶管埋深是5.0m，其中工作井1距离铁路约为30.5m，工作井2距离铁路约为8.1m；铁路为单线铁路，路基形式为碎石道床，由具有一定粒径、级配和强度的硬质碎石堆集而成；微型顶管以及工作井与棠溪至广州西铁路的平面位置关系见图1，微型顶管与棠溪至广州西铁路的空间位置关系如图2所示。

1.3 工程地质条件

1.3.1 地层岩性特征

本区段地貌单元属剥蚀残丘，地面有起伏，高程约9.16～13.64m，最大高差4.45m。场地岩土层按成因类型自上而下分别为填土层（Q4ml）、残积层（Qel）及白垩系（K）砂砾岩带，地层特征分层描述如下：

1）人工填土层（Q4ml）

灰黄色，灰白色，局部杂色，稍湿，松散～稍压实，主要由粉质粘土、中粗砂、砖头、碎石、砼块等建筑与生活垃圾组成，硬质物含量约占30～60%；层厚1.80～7.20m；平均4.46m；顶面标高9.19～13.64m，平均11.90m。平均纵波波速为742.68m/s。物理力学性质差。在图上代号为“①”。

2）残积土层（Qel）

该层主要为粉质粘土，棕红色、褐红色，硬塑，泥质粉砂岩风化残积土，稍有光滑，韧性中等，层厚4.40～11.70m；顶面埋深1.80～7.20m；顶面标高6.42～8.12m。在图上代号为“②”。

3）基岩（K）

该场地下伏基岩为白垩系全风化泥质粉砂岩，棕红色，原岩结构可辨，已风化成坚硬土状，遇水软化；厚度18.20～25.40m，平均4.12m；顶面埋深11.60～13.70m，平均12.82m；顶面标高-4.31～2.02m。在图上代号为“③”。

1.3.2 水文地质条件

1）地表水

拟建工程场地位于西湾路附近，主要接受大气降水，降雨后汇集地表水等向排水沟、河涌排泄。

2）地下水

场区地下水赋存类型包括第四系孔隙水和基岩裂隙水。拟建微型顶管第四系孔隙水主要赋存于杂填土中，接受大气降水的渗入补给。场地基岩裂隙水主要沿泥质粉砂岩风化裂隙带分布，一般分布在岩面附近和浅部裂隙发育带，由孔隙水渗入补给为主，富水性较弱。上述二种类型的地下水，水力联系较差，地下水较贫乏。地下水对混凝土结构具有微侵蚀性，对钢结构有微腐蚀性。

2 微型顶管穿越棠溪至广州西铁路时引起的数值分析

2.1 土层参数

根据广东有色工程勘察设计院野外钻探以及原位测试资料，棠溪至广州西铁路附近可将勘探深度内沿线岩土层分为3层，地层地质状况从上到下依次为杂填土、粉质粘土以及全风化的泥质粉砂岩，顶管穿越的土层为粉质粘土。本次计算采用FLAC2D有限差分软件进行分析微型顶管穿越棠溪至广州西铁路时引起的地面变形。根据环西站110KV送电线路工程岩土工程勘察报告，选择代表性土层参数见表1。

2.2 有限元模型

取垂直于微型顶管的横剖面作为研究对象，按照平面应变问题考虑，计算取15m×12m的分析区域，其中顶管顶部至地表取实际埋深，顶管底部以下取6m，模型左右边界两侧采用水平向约束，垂直方向可自由滑动，底部边界采用垂直方向约束，上部边界取为自由边界，模型如图3所示。

土层采用弹塑性本构模型，Mohr-Coulomb屈服准则模拟。

2.3 计算步骤

为了综合反映微型顶管施工对棠溪至广州西铁路路基变形的影响规律，本次数值分析对左右线的开挖进行了连续的模拟，并在模拟过程中考虑了火车荷载的作用，以使较好的反映实际开挖工况；采用以下的模拟步骤：

①赋予岩土体初始应力场。

②用有限差分软件FLAC2D提供的null模型模拟微型顶管左线的开挖，计算至整个模型平衡。

③使用model null 命令继续挖除右线微型顶管，计算完成所有时步直至平衡，然后赋予火车荷载，计算至整个模型平衡，以使综合考虑双线微型顶管开挖完成后火车通过时引起的地表变形规律。

2.4 计算结果

本次数值分析模拟了双线微型顶管穿越铁路路基时引起的沉降变形规律，其中图4和图5为左线开挖完成后引起的水平和竖向应力云图，图6和图7为左线开挖完成后引起的竖向沉降云图和地表变形规律；图8和图9为右线开挖完成后引起的水平和竖向应力云图，图10和图11为右线开挖完成后引起的竖向沉降云图和地表变形规律，结果表明：

微型顶管穿越铁路路基时引起的地表变形量是很小的，当左线完成后，地表最大沉降位置位于左线微型顶管正上方，数值为1.97mm，当双线微型顶管完成后地表最大的沉降位置位于两顶管连线中心线的正上方，数值为3.462mm。

3 地表沉降控制标准

一般地段地表沉降控制标准为：地表最大下沉值为30mm，隆起量为10mm；在靠近棠溪至广州西铁路段地表沉降控制标准按铁路轨道设计规范（TB 10082-2005）3.0.8规定：线路有碴轨道静态平顺度应符合下表所示：

4 铁路保护措施

考虑到棠溪至广州西铁路的重要性，为了保护铁路的安全运营，现场施工时因铁路部门要求，在顶管下穿铁路时采取以下保护措施：

1）微型顶管在铁路下施工时，在影响线范围之内。

线路采用架空防护的保护措施，其中线路架空防护主跨采用D16型施工便梁，副跨纵梁采用四片I63C工字钢梁，横抬梁采用I36C工字钢梁，实施过程中应加强纵梁之间、纵横梁之间、横梁与钢轨之间的联接可靠；纵梁与支墩之间传力可靠；横梁与既有钢轨连接处应加设绝缘橡胶垫；整个施工过程中应遵守现行《铁路线路修理规则》、《铁路工务安全规则》等规范，从而有效地保护铁路的运行安全。

2）顶管加降阻剂，如膨润土等，以减少由于顶管顶进力加大而对土体的扰动。

3）与铁路工务部门密切配合，为避免沉降累计，在整个施工中，每趟列车经过前监测一次，沉降或隆起大于4mm时，即超过铁路轨道容许偏差时，应立即对铁路进行处理。

5 现场施工情况

本次施工过程中对棠溪至广州西铁路进行系统全面地跟踪监测，实行信息化施工；根据监测数据，铁路路基的最大沉降为3.6mm，与数值分析结果较为吻合，并且满足规范要求，顶管施工现已施工完毕。

6 结论

本文针对微型顶管下穿棠溪至广州西铁路工程，采用FLAC2D有限差分软件对微型顶管下穿棠溪至广州西铁路时引起的地面变形进行数值模拟分析，并与顶管施工过程中实际监测数据做对比，得出以下结论：

1）由有限差分数值分析可知，当左线完成后，地表最大沉降位置位于左线微型顶管正上方，数值为1.97mm，当双线微型顶管完成后地表最大的沉降位置位于两顶管连线中心线的正上方，数值为3.462mm，与顶管工程施工过程中铁路路基实际监测数据较为吻合。

2）考虑到棠溪至广州西的重要性，为了保护铁路的安全运营，在顶管下穿铁路时可采取架空防护、顶管加降阻剂、施工过程加强监测的保护措施。

3）施工过程中根据监控点监测所得反馈数据，不断调整相关技术参数使得沉降值控制在有关部门允许的范围之内，铁路路基的最大沉降为3.6mm，满足规范要求。

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[责任编辑：杨玉洁]