城市天然氣管線涵洞頂管下穿對高鐵路基的影響分析

郭延輝 楊 溢 楊志全 孔志軍

（1.昆明理工大學 公共安全與應急管理學院, 昆明 650093；2.云南農業大學 建筑工程學院, 昆明 650201）

隨著我國市政建設的發展和鐵路網的不斷增密,越來越多的市政管線涵洞工程必須穿越已有鐵路線路[1-2].頂管技術作為一種非開挖施工技術,與傳統明挖法施工相比,具有在施工過程中土方開挖、回填量小,對地面建筑、交通和行人活動影響更小等優點[3-4],當前,越來越多穿越鐵路路基的市政涵洞工程選擇頂管法施工.然而,在頂管頂進過程中,由于頂進過程產生的巨大摩擦力的影響,將會使周圍土體產生不同程度的變形,有時會嚴重威脅到鐵路路基及列車運行的安全[5-6],因此,針對下穿涵洞頂管施工對鐵路路基的影響進行研究越來越受到人們的關注,這對于保障列車安全運營具有十分重要的意義.

針對頂管施工對地表的影響,眾多學者采用理論、試驗和數值仿真進行了卓有成效的研究.文獻[7]基于數值模擬,考慮頂管的摩阻力、機頭的壓力以及土體的抗力,分析了頂進過程中誘發地表的變形規律.文獻[8]應用有限元,分別對泥漿套、機頭的壓力以及土體的抗力進行了計算,分析了頂管對地表變形的影響.文獻[9]在多種影響土層變形因素分析的基礎上,對超淺層頂管施工引起路基地層移動進行了研究.文獻[10]在對地層損失參數重定義的基礎上,計算了路基土體的變形和位移.文獻[11]開展了頂管施工的現場試驗研究,揭示了土壓力、孔隙水壓力、水位以及深層土體位移和地表位移受頂管施工的變化.文獻[12]對頂管施工過程中的力學效應進行了研究.

相關研究側重于頂管施工過程中的力學效應和頂管施工誘發地表巖土體的變形,而針對城市天然氣管線涵洞下穿高速鐵路路基所引發的鐵路路基變形及高鐵線路運營安全問題的研究還很不足.本文以昆明市某天然氣管線涵洞頂管下穿即將運營的高鐵線路路基為背景,分析了下穿頂管施工引起高鐵路基巖土體的運動規律、變形演化特征,以及頂進管道結構等在施工結束后的受力和位移狀態,研究方法和結果可以為類似工程提供借鑒.

1 工程概況及頂管設計參數

昆明市天然氣高壓管網東入城線規劃穿越某高速鐵路客車環線,擬在D2K745+546處新建一圓形涵洞,涵軸線與該高鐵線路環線斜交,角度均為64°,下穿處路線在半徑R=1 200 m的圓弧上.下穿涵洞頂管設計平面圖如圖1所示,鐵路路基距離涵洞頂面的距離為4.62 m.

圖1 下穿頂管涵洞設計平面圖

圓管涵根據實際地形情況,全部采用單向頂進施工.頂進施工段涵長72 m,設計頂力1628 t,設計采用4臺600 t千斤頂,對稱布置,后背墻采用C40混凝土.圓管涵內徑為2.0 m,壁厚0.21 m,采用Φ2.0 m鋼筋混凝土F型頂管,單節長度為2.0 m,圓管涵管材采用C50混凝土.圓管涵節基底位于全風化砂巖夾頁巖和全風化砂巖、頁巖地層.頂管頂進過程中,隨頂隨挖,嚴禁超挖.每頂進一個管節后,將下節管節吊裝到工作坑中,按承插口要求,與前節連接好后,繼續頂進.如此往復循環,直至全部管節頂進.圖2為下穿頂管涵洞設計縱剖面圖.

圖2 下穿頂管涵洞設計縱剖面圖

2 工程地質條件

研究區地層從上到下按形成原因可分為：①人工填筑土(Q4ml),顏色呈棕黃色以及雜色,部分呈現褐黃色；中間密,其組成成分多為粉質黏土和碎石塊,一般厚度在0～8 m之間,局部可達10 m.②人工棄土(Qq4),顏色呈紫紅、褐色、淺黃等雜色,組成成分以粉質黏土居多,土質密實程度不一,包含多種其它成分,夾大量灰巖塊石、混凝土塊、磚塊及砂頁巖碎石等.③泥炭質土),顏色多為黑色和灰褐色；軟塑狀巖芯,質輕,有腐敗植物以及有機質分布其中,各種土質所占比例不均；主要呈層狀、透鏡體狀,厚0～3 m.④松軟土(),顏色主要為褐黃色和灰黃色；呈軟塑狀土體,含有多種雜質,局部存在大量砂質；有層狀和透鏡體狀兩種形態,一般厚0～3 m.⑤粉質黏土),顏色主要為褐黃色和紫紅色；夾有灰以及灰黃色斑塊和條帶,土體呈硬塑狀,土質含雜質少,層厚為0～3 m,具較弱的膨脹性.⑥粉質黏土(),顏色呈棕紅色和淺黃色；土體為硬塑狀,少量角礫存在其中；一般層厚為0～3 m,局部可達5 m.⑦砂巖夾頁巖(),局部存在石英砂巖夾頁巖,顏色多呈淺黃色、灰白色以及黃綠色等；砂巖呈粉細粒結構,主要為泥質膠結,部分為鈣質膠結,中～薄層狀；頁巖質地很軟,受風化作用易剝落,該地層受風化作用差異較大.⑧砂巖、頁巖(),顏色呈褐黃色、褐灰色以及淺黃和灰褐色；巖體為砂泥質結構,泥質膠結,分布大量風化節理裂隙.

研究區地表水不發育.地下水主要為基巖裂隙水.段內含水地層主要為砂巖、頁巖,含水性較低,透水性一般.地下水位較低,對工程影響較小.

3 計算模型及力學參數

3.1 計算模型的構建

計算模型選取整個下穿頂管部分,三維模型沿區間頂管涵洞縱向長度為72 m,寬度方向取50 m,高度方向取至地面以下30 m深處.考慮計算的復雜性,在實際計算過程中對模型做了適當的簡化.對頂管及周邊部分的單元進行加密分布,三維計算模型如圖3所示,下穿頂管涵洞橫剖面圖如圖4所示,總體模型的單元總數為84520,節點總數為93056.文中路基部分為實體建模,軌道部分鑒于數值模擬建模的局限性,軌道簡化為荷載,軌道荷載換算為與路基同質的土柱,均布作用在路基面上.模型采用位移約束條件,在模型的左右邊界固定X軸向的位移,在模型的前后邊界固定Y軸向的位移,在模型底部固定3個方向的位移.由于地下水位較低,對工程影響較小,不考慮地下水的影響.計算采用Mohr-Coulomb屈服準則[13-15].

圖3 總體模型示意圖

圖4 下穿頂管涵洞橫剖面圖

3.2 巖土力學參數

模擬計算所參考的巖土力學參數依據《昆明煤氣(集團)控股有限公司昆明城市天然氣高壓管網東入城線下穿某高速鐵路客車環線設計書》和昆明地區類似工程巖土體力學參數而確定.巖土力學計算參數見表1.

表1 巖土體力學參數

4 涵洞頂管下穿對高速鐵路路基影響的數值分析

4.1 下穿頂管施工結束后地表沉降分析

圖5為頂管施工結束后頂管上部地表最終垂直位移分布圖.在頂管施工結束后,頂管涵洞上部地表略下沉,最大下沉位移為4 mm,位于高鐵線路兩側路塹邊坡部位,高鐵路基中間位置最大位移為3 mm.地表沿X方向(垂直高鐵線路方向)的位移量最大值小于3 mm.地表沿Y方向(沿高鐵線路方向)的最大水平位移量均小于3 mm.頂管施工結束后,地表位移較小,基本不會對高鐵線路路基產生影響.

圖5 頂管結束后最終地表垂直位移圖

4.2 下穿頂管施工結束后涵洞圍巖位移分析

在頂管涵洞施工過程中,涵洞圍巖變形過大或者沉降不均勻都會對高鐵線路的安全運營產生較大的影響.圖6為頂管結束后涵洞沿垂直方向的位移圖,由于頂管的施工,涵洞頂板出現一定下沉,最大下沉值為3.26 mm,底板發生隆起,最大隆起位移為2.82 mm.涵洞圍巖整體較小,并未發生不均勻沉降和隆起.

圖6 頂管結束后涵洞圍巖沿Z方向位移圖

圖7為頂管施工結束后,涵洞周圍巖土體沿Y方向(沿高鐵線路方向)的位移分布圖.可以發現,由于受兩側土體的擠壓作用,涵洞圍巖在Y方向的位移具有一定的對稱性,涵洞左側圍巖位移向右,右側圍巖位移向左,均指向涵洞中心.涵洞圍巖及地表最大水平位移均較小,相對于涵洞的空間而言,頂管施工所引起的變形在允許范圍內.

圖7 頂管結束后涵洞圍巖沿Y方向位移圖

4.3 頂進管道結構穩定性分析

頂進管道X軸和Y軸方向的位移均較小,其最大值出現在高鐵路塹邊坡下部頂進管道頂板位置,其最大水平位移數值均較小.垂直方向的最大位移值為4.5 mm.可見,在頂管施工過程和施工結束后,頂進管道產生的變形很小.頂進管道結構沿Z方向的位移分布如圖8所示.

圖8 頂進管道結構沿Z方向位移圖

圖9和圖10分別是頂管結構最大主應力、最小主應力云圖.

圖9 頂進管道結構最大主應力圖

圖10 頂進管道結構最小主應力圖

從圖中可以看出,涵洞頂板中間位置的主應力極值比其它地方大,其值為19.82 MPa,位于頂管施工井頂進部位,未超過頂進鋼筋混凝土管道C50的抗壓強度,不會出現由于強度不足而發生的破壞.由于受土壓力的影響,頂進管道在中間頂底板處產生了一定的拉應力,拉應力最大值為3.27 MPa,而其他部位的拉應力均未超過該值,在管道設計的抗拉強度范圍之內.在頂進管道結構的大部分區域,均以壓應力為主,而在頂管頂底板,則出現了拉應力.綜合應力與位移分析結果,可以發現涵洞頂管施工結束后,頂管結構穩定性較好.

5 頂管現場施工中高鐵路基變形分析

根據天然氣管線下穿頂管施工對高鐵路基影響的數值計算分析結果,現場項目部按計劃進行頂管施工.圖11為現場工作井圖片,為了確保頂管施工過程安全,盡量減少頂管施工對高鐵線路路基等的影響,在實際施工過程中,加強對地下頂管管道破損情況,周邊鐵路(地表)及軌道、既有鐵路設施(接觸網立柱、電力貫通線)等有無裂縫、沉降和隆起的巡查.同時對管涵頂進施工過程中鐵路路基等變形情況進行了監測,測點主要布置于頂管正上方與高鐵線路左線和右線軌道面以及路緣兩側路緣帶(如圖12所示),在頂進施工期間,每天監測1～2次,特殊情況下增加監測頻次.

圖11 現場工作井

圖12 測點布置圖

經現場巡查,在頂管施工過程中,高鐵路基及周邊地表并未出現明顯裂縫,接觸網立柱未發生傾斜.現場實測結果表明,高鐵路基及軌道面在施工過程中的變形很小,在頂管施工至高鐵線路下方時,軌道面有一定的隆起,軌道面和兩側路緣最大位移均小于0.6 cm,與數值模擬計算結果具有一定的吻合性.圖13為頂管內部情況,圖14為頂管施工結束后高鐵路基及軌道圖,頂管施工結束后,鐵路路基及軌道面最大垂直位移小于1 cm,滿足高速鐵路路基工程沉降變形控制的要求,頂管下穿工程對高鐵路基產生的影響很小,基本不影響該高鐵線路的正常運營.

圖14 施工結束后高鐵軌道及路基

6 結 論

1)研究表明,頂進管道結構的水平位移和垂直位移基本滿足控制要求,不會對涵洞結構的整體穩定性產生影響.在應力方面,頂進管道主要以壓應力為主,而在頂進管道的頂底板位置,則出現了一定的拉應力,但拉應力值處于管道設計的抗拉強度范圍之內.

2)計算得到頂管涵洞施工結束后地表最終垂直位移量和水平位移量均較小,滿足高鐵路基沉降變形控制要求,基本不會對高速鐵路路基及運營安全產生影響.

3)現場頂管施工過程觀測結果表明,高鐵路基及周邊地表并未出現明顯裂縫,高鐵路基及軌道面在施工過程和施工結束后出現的變形較小,驗證了數值模擬結果具有一定的可靠性,出現的變形符合高速鐵路路基工程沉降變形控制的要求.整個下穿頂管工程對高鐵路基產生的影響很小,基本不影響該高鐵線路的正常安全運營.