顶管法施工对铁路路基的影响分析★

贾颜康

(中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心，北京 100015)

顶管施工在市政、铁路、公路、水利等工程项目施工中应用非常广泛，顶管施工作为非开挖式的一种施工方法，与传统的明挖方式相比，具有对地面交通、建筑物及人们的正常活动影响小，施工过程中土方开挖、回填量小，拆除地面障碍物少等优点。采用顶管法施工下穿铁路路基时，由于顶管施工作业会不可避免地对扰动管片周边地层，导致管片附近土体发生变形，当变形超过一定范围时，会使周边地表或管片上方铁路路基发生较大的沉降，沉降较大时将会影响铁路行车的安全，因而顶管施工对铁路路基的影响研究受到越来越多的关注[1-3]。

1 工程概况

北京市某管涵工程在穿越一段既有铁路时，为减少对地面铁路建筑物的影响，采用机械顶管施工的方法下穿既有铁路。顶管下穿的既有铁路为两条试验线路，路基顶面宽度约11 m，路基高度2.6 m，路基边坡坡度1∶1.75。顶管管片采用钢筋混凝土管，管顶距离地面5.5 m，管片内半径1.5 m，管片外半径1.8 m，顶进过程中顶管的顶进力约80 kPa，顶管与铁路线路夹角约90°。

2 有限元数值仿真模拟

2.1 影响区域范围

顶管施工的影响区域范围参考TB 10314—2021邻近铁路营业线施工安全监测技术规程[4]第4章中规定邻近隧道施工横面的影响区域范围，影响区域范围见表1。

表1 隧道工程的邻近施工影响区

按照轻微影响区，并且邻近施工隧道横向影响区域按隧道竖向位移曲线边缘3i、邻近施工隧道纵向影响区域按3(H+D)计算，本工程顶管施工横向影响范围为4.5 m，纵向影响范围为21 m。

2.2 Midas GTS NX有限元计算模型的构建

本次顶管施工过程采用有限元分析软件Midas GTS NX进行模拟，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60 m，宽度方向取50 m，高度方向取至地面以下25 m深处，模型尺寸在顶管中心线的两侧和模型深度均大于2.1节中计算的影响范围，模型的建立尺寸能够满足计算需求。

在输入材料类型时，路基土体和路基下各土层的模型类型选用摩尔-库仑，混凝土顶管模型类型选用弹性结构，土体自上而下的厚度和计算参数见表2。

表2 土体参数

本项目建立的三维计算模型如图1所示，下穿顶管涵洞横剖面图如图2所示。

本模型各土层采用四面体实体单元，模型的单元总数为28 068，节点总数为9 295。建模时按照建立实体模型、设置材料属性及数据、划分网格的顺序建立模型，计算时根据计算内容设置边界约束、添加荷载，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。

2.3 施工过程模拟

模型中顶管总长度60 m，为了更好的研究顶管穿越路基施工过程中路基的沉降情况，在进行数值仿真时，按顶管施工每顶进10 m为一个工况，顶进施工工况见表3。

表3 顶管施工工况

根据施工工况，通过激活/钝化各岩土网格组或荷载，形成14个模拟施工阶段，各施工阶段的网格、边界、荷载激活状态如图3所示。

图3中，蓝色代表激活的模型网格组单元、荷载或边界，红色代表钝化的网格组或荷载，顶进施工时，依次激活或钝化顶管管片和管内土体网格单元模拟土体开挖和管片顶进过程。

3 计算数据分析

1)顶进过程中的数据分析。

选取顶管中心线上路基的中心点作为研究对象，分析路基的沉降影响，选取的节点位置见图4，顶管引起的沉降量数据见表4,路基沉降量与顶管的位置关系见图5。

表4 顶管施工引起的路基沉降数据表

由表4,图5可以看出，当顶管施工向路基方向推进时，路基逐渐发生隆起现象，路基最大隆起量为1.08 mm，当顶管施工顶过路基后，路基逐渐发生沉降，最大沉降量约16 mm。

2)顶进完成后路基纵向沉降数据分析。

选取顶管中心线上路基纵向的节点作为研究对象，分析路基的沉降影响，选取的节点位置见图6中的节点。

在选取顶的节点中，以中心节点为零点，分别用正值和负值表示两侧节点距离零点的距离，顶进完毕后，顶管施工引起的路基沉降数据见表5，路基沉降与路基中心点的变化关系见图7。

表5 顶管施工引起的路基沉降数据表

由表5,图7可以看出，当顶管施工完成后，路基沿线路方向距顶管中心线及两侧约8 m范围的路基发生了沉降，最大沉降量在顶管中心线的正上方，最大沉降量为15.9 mm,随着距离路基中心点纵向距离的增加，路基的沉降量逐渐变小，当距离路基中心点8 m位置时，路基的沉降量变为0 mm。距路基距离8 m～12.5 m的范围内，路基稍有隆起，最大隆起量约1.3 mm。距路基超过12.5 m后，路基的隆起逐渐减小。

3)顶进完成后路基横向的沉降影响。

选取顶管中心线上路基横向的中心点作为研究对象，分析路基的沉降影响，选取的节点位置见图8中的节点，顶管施工引起的路基沉降数据见表6，路基沉降与路基中心点的变化关系见图9。

表6 顶管施工引起的路基沉降数据表

由表6,图9可以看出，当顶管施工完成后，路基在横断面方向的沉降沿中心节点向两侧逐渐变小，路基最大沉降发生在路基中心点，最大沉降量约16 mm；路基横向方向，随着距路基中心点的距离增加，路基的沉降量逐渐变小。

4 顶管埋深和半径对路基的影响计算及分析

为进一步了解和分析顶管施工对路基的影响，采用本文第2节的计算方法，在Midas GTS NX中建立不同埋深和不同管径的模型，模拟计算顶管埋深和管道半径对路基沉降的影响。

4.1 顶管埋深对路基沉降的影响计算和分析

按照第1节和第2节所列的工程概况和岩土参数，将顶管的埋深在Midas GTS NX软件中设置为10 m、其他参数不变的方式进行计算，并且选取本文图4,图6，图8中的相同节点，将计算出的数据与埋深5.5 m时的数据同时绘制在一张曲线表上，可以得到不同埋深情况下，路基沉降与顶管埋深的对比图。不同埋深情况下，模型中路基中心点的沉降对比关系见图10，路基纵向方向的沉降对比关系见图11，路基横向方向的对比关系见图12。

从图10可以看出，顶管埋深由5.5 m变为10 m时，顶管在从始发端向路基方向顶进的施工过程中，路基表面土体的隆起值变小；顶管从路基下方顶进完成后，路基表层土体的沉降量变大。

从图11，图12可以看出，顶管埋深由5.5 m变为10 m时，路基各处的沉降变化规律没有发生变化，路基纵向中心线和横向中心线所选各节点的沉降值在埋深10 m时均比埋深5.5 m时大，顶管埋深5.5 m时，路基最大沉降量约16 mm；埋深10 m时，路基最大沉降量约23 mm。因此，在一定的埋深范围内，路基各处的沉降量会随着顶管埋深的增加而变大。

4.2 管径对路基沉降的影响计算和分析

按照第1节和第2节所列的工程概况和岩土参数，将顶管的半径在Midas GTS NX软件中设置为0.75 m、其他参数不变的方式进行计算，并且选取本文图4，图6，图8中的相同节点，将计算出的数据与半径1.5 m时的数据同时绘制在一张曲线表上，可以得到不同顶管半径情况下，路基沉降与顶管半径的对比图。不同半径情况下，模型中路基中心点的沉降对比关系见图13，路基纵向方向的沉降对比关系见图14，路基横向方向的对比关系见图15。

从图13可以看出，顶管半径由1.5 m变为0.75 m时，顶管在从始发端向路基方向顶进的施工过程中，路基表面土体的隆起值变小；顶管从路基下方顶进完成后，路基表层土体的沉降量变小。

从图14，图15可以看出，顶管半径由1.5 m变为0.75 m时，路基各处的沉降变化规律没有发生变化，路基纵向中心线和横向中心线所选各节点的沉降值在半径1.5 m时均比半径0.75 m时大，顶管半径为1.5 m时，路基最大沉降量约16 mm；半径为0.75 m时，路基最大沉降量约4 mm。因此，在一定的管径范围内，路基各处的沉降量会随着顶管管径的减小而变小。

5 结论

1)顶管施工在下穿铁路路基时，在顶管接近铁路路基施工过程中，铁路路基的土体会发生轻微的隆起现象，路基隆起的程度与顶管埋深和管径有关。在相同条件下，埋深较浅、管径较大的管道在顶进过程中引起的路基隆起现象相对更大；在顶管施工穿越铁路路基后，路基的土体会由隆起变为向下沉降。

2)顶管完成后，路基沿线路方向的沉降基本上呈对称分布。其中，顶管管径上方的路基沉降量大，路基远离顶管的位置沉降量小；路基沿线路横向的沉降基本上呈对称分布，其中，顶管管径上方的路基沉降量大，路基中心向路基两侧边坡的方向沉降量小。

3)顶管施工的管道埋深和管道半径尺寸对路基沉降的影响较大。顶管使用的管道尺寸在一定范围内，大半径的管道相对小半径管道顶管施工引起的路基沉降量大；在一定埋深范围内，埋深深度大的管道相对于埋深深度小的管道引起的路基沉降量大。