城市天然气管线涵洞顶管下穿对高铁路基的影响分析

郭延辉 杨 溢 杨志全 孔志军

（1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院, 昆明 650093；2.云南农业大学 建筑工程学院, 昆明 650201）

随着我国市政建设的发展和铁路网的不断增密,越来越多的市政管线涵洞工程必须穿越已有铁路线路[1-2].顶管技术作为一种非开挖施工技术,与传统明挖法施工相比,具有在施工过程中土方开挖、回填量小,对地面建筑、交通和行人活动影响更小等优点[3-4],当前,越来越多穿越铁路路基的市政涵洞工程选择顶管法施工.然而,在顶管顶进过程中,由于顶进过程产生的巨大摩擦力的影响,将会使周围土体产生不同程度的变形,有时会严重威胁到铁路路基及列车运行的安全[5-6],因此,针对下穿涵洞顶管施工对铁路路基的影响进行研究越来越受到人们的关注,这对于保障列车安全运营具有十分重要的意义.

针对顶管施工对地表的影响,众多学者采用理论、试验和数值仿真进行了卓有成效的研究.文献[7]基于数值模拟,考虑顶管的摩阻力、机头的压力以及土体的抗力,分析了顶进过程中诱发地表的变形规律.文献[8]应用有限元,分别对泥浆套、机头的压力以及土体的抗力进行了计算,分析了顶管对地表变形的影响.文献[9]在多种影响土层变形因素分析的基础上,对超浅层顶管施工引起路基地层移动进行了研究.文献[10]在对地层损失参数重定义的基础上,计算了路基土体的变形和位移.文献[11]开展了顶管施工的现场试验研究,揭示了土压力、孔隙水压力、水位以及深层土体位移和地表位移受顶管施工的变化.文献[12]对顶管施工过程中的力学效应进行了研究.

相关研究侧重于顶管施工过程中的力学效应和顶管施工诱发地表岩土体的变形,而针对城市天然气管线涵洞下穿高速铁路路基所引发的铁路路基变形及高铁线路运营安全问题的研究还很不足.本文以昆明市某天然气管线涵洞顶管下穿即将运营的高铁线路路基为背景,分析了下穿顶管施工引起高铁路基岩土体的运动规律、变形演化特征,以及顶进管道结构等在施工结束后的受力和位移状态,研究方法和结果可以为类似工程提供借鉴.

1 工程概况及顶管设计参数

昆明市天然气高压管网东入城线规划穿越某高速铁路客车环线,拟在D2K745+546处新建一圆形涵洞,涵轴线与该高铁线路环线斜交,角度均为64°,下穿处路线在半径R=1 200 m的圆弧上.下穿涵洞顶管设计平面图如图1所示,铁路路基距离涵洞顶面的距离为4.62 m.

图1 下穿顶管涵洞设计平面图

圆管涵根据实际地形情况,全部采用单向顶进施工.顶进施工段涵长72 m,设计顶力1628 t,设计采用4台600 t千斤顶,对称布置,后背墙采用C40混凝土.圆管涵内径为2.0 m,壁厚0.21 m,采用Φ2.0 m钢筋混凝土F型顶管,单节长度为2.0 m,圆管涵管材采用C50混凝土.圆管涵节基底位于全风化砂岩夹页岩和全风化砂岩、页岩地层.顶管顶进过程中,随顶随挖,严禁超挖.每顶进一个管节后,将下节管节吊装到工作坑中,按承插口要求,与前节连接好后,继续顶进.如此往复循环,直至全部管节顶进.图2为下穿顶管涵洞设计纵剖面图.

图2 下穿顶管涵洞设计纵剖面图

2 工程地质条件

研究区地层从上到下按形成原因可分为：①人工填筑土(Q4ml),颜色呈棕黄色以及杂色,部分呈现褐黄色；中间密,其组成成分多为粉质黏土和碎石块,一般厚度在0～8 m之间,局部可达10 m.②人工弃土(Qq4),颜色呈紫红、褐色、浅黄等杂色,组成成分以粉质黏土居多,土质密实程度不一,包含多种其它成分,夹大量灰岩块石、混凝土块、砖块及砂页岩碎石等.③泥炭质土),颜色多为黑色和灰褐色；软塑状岩芯,质轻,有腐败植物以及有机质分布其中,各种土质所占比例不均；主要呈层状、透镜体状,厚0～3 m.④松软土(),颜色主要为褐黄色和灰黄色；呈软塑状土体,含有多种杂质,局部存在大量砂质；有层状和透镜体状两种形态,一般厚0～3 m.⑤粉质黏土),颜色主要为褐黄色和紫红色；夹有灰以及灰黄色斑块和条带,土体呈硬塑状,土质含杂质少,层厚为0～3 m,具较弱的膨胀性.⑥粉质黏土(),颜色呈棕红色和浅黄色；土体为硬塑状,少量角砾存在其中；一般层厚为0～3 m,局部可达5 m.⑦砂岩夹页岩(),局部存在石英砂岩夹页岩,颜色多呈浅黄色、灰白色以及黄绿色等；砂岩呈粉细粒结构,主要为泥质胶结,部分为钙质胶结,中～薄层状；页岩质地很软,受风化作用易剥落,该地层受风化作用差异较大.⑧砂岩、页岩(),颜色呈褐黄色、褐灰色以及浅黄和灰褐色；岩体为砂泥质结构,泥质胶结,分布大量风化节理裂隙.

研究区地表水不发育.地下水主要为基岩裂隙水.段内含水地层主要为砂岩、页岩,含水性较低,透水性一般.地下水位较低,对工程影响较小.

3 计算模型及力学参数

3.1 计算模型的构建

计算模型选取整个下穿顶管部分,三维模型沿区间顶管涵洞纵向长度为72 m,宽度方向取50 m,高度方向取至地面以下30 m深处.考虑计算的复杂性,在实际计算过程中对模型做了适当的简化.对顶管及周边部分的单元进行加密分布,三维计算模型如图3所示,下穿顶管涵洞横剖面图如图4所示,总体模型的单元总数为84520,节点总数为93056.文中路基部分为实体建模,轨道部分鉴于数值模拟建模的局限性,轨道简化为荷载,轨道荷载换算为与路基同质的土柱,均布作用在路基面上.模型采用位移约束条件,在模型的左右边界固定X轴向的位移,在模型的前后边界固定Y轴向的位移,在模型底部固定3个方向的位移.由于地下水位较低,对工程影响较小,不考虑地下水的影响.计算采用Mohr-Coulomb屈服准则[13-15].

图3 总体模型示意图

图4 下穿顶管涵洞横剖面图

3.2 岩土力学参数

模拟计算所参考的岩土力学参数依据《昆明煤气(集团)控股有限公司昆明城市天然气高压管网东入城线下穿某高速铁路客车环线设计书》和昆明地区类似工程岩土体力学参数而确定.岩土力学计算参数见表1.

表1 岩土体力学参数

4 涵洞顶管下穿对高速铁路路基影响的数值分析

4.1 下穿顶管施工结束后地表沉降分析

图5为顶管施工结束后顶管上部地表最终垂直位移分布图.在顶管施工结束后,顶管涵洞上部地表略下沉,最大下沉位移为4 mm,位于高铁线路两侧路堑边坡部位,高铁路基中间位置最大位移为3 mm.地表沿X方向(垂直高铁线路方向)的位移量最大值小于3 mm.地表沿Y方向(沿高铁线路方向)的最大水平位移量均小于3 mm.顶管施工结束后,地表位移较小,基本不会对高铁线路路基产生影响.

图5 顶管结束后最终地表垂直位移图

4.2 下穿顶管施工结束后涵洞围岩位移分析

在顶管涵洞施工过程中,涵洞围岩变形过大或者沉降不均匀都会对高铁线路的安全运营产生较大的影响.图6为顶管结束后涵洞沿垂直方向的位移图,由于顶管的施工,涵洞顶板出现一定下沉,最大下沉值为3.26 mm,底板发生隆起,最大隆起位移为2.82 mm.涵洞围岩整体较小,并未发生不均匀沉降和隆起.

图6 顶管结束后涵洞围岩沿Z方向位移图

图7为顶管施工结束后,涵洞周围岩土体沿Y方向(沿高铁线路方向)的位移分布图.可以发现,由于受两侧土体的挤压作用,涵洞围岩在Y方向的位移具有一定的对称性,涵洞左侧围岩位移向右,右侧围岩位移向左,均指向涵洞中心.涵洞围岩及地表最大水平位移均较小,相对于涵洞的空间而言,顶管施工所引起的变形在允许范围内.

图7 顶管结束后涵洞围岩沿Y方向位移图

4.3 顶进管道结构稳定性分析

顶进管道X轴和Y轴方向的位移均较小,其最大值出现在高铁路堑边坡下部顶进管道顶板位置,其最大水平位移数值均较小.垂直方向的最大位移值为4.5 mm.可见,在顶管施工过程和施工结束后,顶进管道产生的变形很小.顶进管道结构沿Z方向的位移分布如图8所示.

图8 顶进管道结构沿Z方向位移图

图9和图10分别是顶管结构最大主应力、最小主应力云图.

图9 顶进管道结构最大主应力图

图10 顶进管道结构最小主应力图

从图中可以看出,涵洞顶板中间位置的主应力极值比其它地方大,其值为19.82 MPa,位于顶管施工井顶进部位,未超过顶进钢筋混凝土管道C50的抗压强度,不会出现由于强度不足而发生的破坏.由于受土压力的影响,顶进管道在中间顶底板处产生了一定的拉应力,拉应力最大值为3.27 MPa,而其他部位的拉应力均未超过该值,在管道设计的抗拉强度范围之内.在顶进管道结构的大部分区域,均以压应力为主,而在顶管顶底板,则出现了拉应力.综合应力与位移分析结果,可以发现涵洞顶管施工结束后,顶管结构稳定性较好.

5 顶管现场施工中高铁路基变形分析

根据天然气管线下穿顶管施工对高铁路基影响的数值计算分析结果,现场项目部按计划进行顶管施工.图11为现场工作井图片,为了确保顶管施工过程安全,尽量减少顶管施工对高铁线路路基等的影响,在实际施工过程中,加强对地下顶管管道破损情况,周边铁路(地表)及轨道、既有铁路设施(接触网立柱、电力贯通线)等有无裂缝、沉降和隆起的巡查.同时对管涵顶进施工过程中铁路路基等变形情况进行了监测,测点主要布置于顶管正上方与高铁线路左线和右线轨道面以及路缘两侧路缘带(如图12所示),在顶进施工期间,每天监测1～2次,特殊情况下增加监测频次.

图11 现场工作井

图12 测点布置图

经现场巡查,在顶管施工过程中,高铁路基及周边地表并未出现明显裂缝,接触网立柱未发生倾斜.现场实测结果表明,高铁路基及轨道面在施工过程中的变形很小,在顶管施工至高铁线路下方时,轨道面有一定的隆起,轨道面和两侧路缘最大位移均小于0.6 cm,与数值模拟计算结果具有一定的吻合性.图13为顶管内部情况,图14为顶管施工结束后高铁路基及轨道图,顶管施工结束后,铁路路基及轨道面最大垂直位移小于1 cm,满足高速铁路路基工程沉降变形控制的要求,顶管下穿工程对高铁路基产生的影响很小,基本不影响该高铁线路的正常运营.

图14 施工结束后高铁轨道及路基

6 结 论

1)研究表明,顶进管道结构的水平位移和垂直位移基本满足控制要求,不会对涵洞结构的整体稳定性产生影响.在应力方面,顶进管道主要以压应力为主,而在顶进管道的顶底板位置,则出现了一定的拉应力,但拉应力值处于管道设计的抗拉强度范围之内.

2)计算得到顶管涵洞施工结束后地表最终垂直位移量和水平位移量均较小,满足高铁路基沉降变形控制要求,基本不会对高速铁路路基及运营安全产生影响.

3)现场顶管施工过程观测结果表明,高铁路基及周边地表并未出现明显裂缝,高铁路基及轨道面在施工过程和施工结束后出现的变形较小,验证了数值模拟结果具有一定的可靠性,出现的变形符合高速铁路路基工程沉降变形控制的要求.整个下穿顶管工程对高铁路基产生的影响很小,基本不影响该高铁线路的正常安全运营.