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(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院, 昆明 650093；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 昆明 650201）

隨著我國市政建設(shè)的發(fā)展和鐵路網(wǎng)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(shù)作為一種非開挖施工技術(shù),與傳統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)[3-4],當(dāng)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(jìn)過程中,由于頂進(jìn)過程產(chǎn)生的巨大摩擦力的影響,將會使周圍土體產(chǎn)生不同程度的變形,有時會嚴(yán)重威脅到鐵路路基及列車運(yùn)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(jìn)行研究越來越受到人們的關(guān)注,這對于保障列車安全運(yùn)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(xué)者采用理論、試驗(yàn)和數(shù)值仿真進(jìn)行了卓有成效的研究.文獻(xiàn)[7]基于數(shù)值模擬,考慮頂管的摩阻力、機(jī)頭的壓力以及土體的抗力,分析了頂進(jìn)過程中誘發(fā)地表的變形規(guī)律.文獻(xiàn)[8]應(yīng)用有限元,分別對泥漿套、機(jī)頭的壓力以及土體的抗力進(jìn)行了計算,分析了頂管對地表變形的影響.文獻(xiàn)[9]在多種影響土層變形因素分析的基礎(chǔ)上,對超淺層頂管施工引起路基地層移動進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[10]在對地層損失參數(shù)重定義的基礎(chǔ)上,計算了路基土體的變形和位移.文獻(xiàn)[11]開展了頂管施工的現(xiàn)場試驗(yàn)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(xiàn)[12]對頂管施工過程中的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究.

相關(guān)研究側(cè)重于頂管施工過程中的力學(xué)效應(yīng)和頂管施工誘發(fā)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(fā)的鐵路路基變形及高鐵線路運(yùn)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(yùn)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(yùn)動規(guī)律、變形演化特征,以及頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)等在施工結(jié)束后的受力和位移狀態(tài),研究方法和結(jié)果可以為類似工程提供借鑒.

1 工程概況及頂管設(shè)計參數(shù)

昆明市天然氣高壓管網(wǎng)東入城線規(guī)劃穿越某高速鐵路客車環(huán)線,擬在D2K745+546處新建一圓形涵洞,涵軸線與該高鐵線路環(huán)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(shè)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(shè)計平面圖

圓管涵根據(jù)實(shí)際地形情況,全部采用單向頂進(jìn)施工.頂進(jìn)施工段涵長72 m,設(shè)計頂力1628 t,設(shè)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(nèi)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(jié)長度為2.0 m,圓管涵管材采用C50混凝土.圓管涵節(jié)基底位于全風(fēng)化砂巖夾頁巖和全風(fēng)化砂巖、頁巖地層.頂管頂進(jìn)過程中,隨頂隨挖,嚴(yán)禁超挖.每頂進(jìn)一個管節(jié)后,將下節(jié)管節(jié)吊裝到工作坑中,按承插口要求,與前節(jié)連接好后,繼續(xù)頂進(jìn).如此往復(fù)循環(huán),直至全部管節(jié)頂進(jìn).圖2為下穿頂管涵洞設(shè)計縱剖面圖.

圖2 下穿頂管涵洞設(shè)計縱剖面圖

2 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)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(xiàn)褐黃色；中間密,其組成成分多為粉質(zhì)黏土和碎石塊,一般厚度在0～8 m之間,局部可達(dá)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(zhì)黏土居多,土質(zhì)密實(shí)程度不一,包含多種其它成分,夾大量灰?guī)r塊石、混凝土塊、磚塊及砂頁巖碎石等.③泥炭質(zhì)土),顏色多為黑色和灰褐色；軟塑狀巖芯,質(zhì)輕,有腐敗植物以及有機(jī)質(zhì)分布其中,各種土質(zhì)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(zhì),局部存在大量砂質(zhì)；有層狀和透鏡體狀兩種形態(tài),一般厚0～3 m.⑤粉質(zhì)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(zhì)含雜質(zhì)少,層厚為0～3 m,具較弱的膨脹性.⑥粉質(zhì)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(dá)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(xì)粒結(jié)構(gòu),主要為泥質(zhì)膠結(jié),部分為鈣質(zhì)膠結(jié),中～薄層狀；頁巖質(zhì)地很軟,受風(fēng)化作用易剝落,該地層受風(fēng)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(zhì)結(jié)構(gòu),泥質(zhì)膠結(jié),分布大量風(fēng)化節(jié)理裂隙.

研究區(qū)地表水不發(fā)育.地下水主要為基巖裂隙水.段內(nèi)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(xué)參數(shù)

3.1 計算模型的構(gòu)建

計算模型選取整個下穿頂管部分,三維模型沿區(qū)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(fù)雜性,在實(shí)際計算過程中對模型做了適當(dāng)?shù)暮喕?對頂管及周邊部分的單元進(jìn)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(shù)為84520,節(jié)點(diǎn)總數(shù)為93056.文中路基部分為實(shí)體建模,軌道部分鑒于數(shù)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(zhì)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(zhǔn)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(xué)參數(shù)

模擬計算所參考的巖土力學(xué)參數(shù)依據(jù)《昆明煤氣(集團(tuán))控股有限公司昆明城市天然氣高壓管網(wǎng)東入城線下穿某高速鐵路客車環(huán)線設(shè)計書》和昆明地區(qū)類似工程巖土體力學(xué)參數(shù)而確定.巖土力學(xué)計算參數(shù)見表1.

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)

4 涵洞頂管下穿對高速鐵路路基影響的數(shù)值分析

4.1 下穿頂管施工結(jié)束后地表沉降分析

圖5為頂管施工結(jié)束后頂管上部地表最終垂直位移分布圖.在頂管施工結(jié)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(cè)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(jié)束后,地表位移較小,基本不會對高鐵線路路基產(chǎn)生影響.

圖5 頂管結(jié)束后最終地表垂直位移圖

4.2 下穿頂管施工結(jié)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(yùn)營產(chǎn)生較大的影響.圖6為頂管結(jié)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(xiàn)一定下沉,最大下沉值為3.26 mm,底板發(fā)生隆起,最大隆起位移為2.82 mm.涵洞圍巖整體較小,并未發(fā)生不均勻沉降和隆起.

圖6 頂管結(jié)束后涵洞圍巖沿Z方向位移圖

圖7為頂管施工結(jié)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(fā)現(xiàn),由于受兩側(cè)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(cè)圍巖位移向右,右側(cè)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(nèi).

圖7 頂管結(jié)束后涵洞圍巖沿Y方向位移圖

4.3 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

頂進(jìn)管道X軸和Y軸方向的位移均較小,其最大值出現(xiàn)在高鐵路塹邊坡下部頂進(jìn)管道頂板位置,其最大水平位移數(shù)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(jié)束后,頂進(jìn)管道產(chǎn)生的變形很小.頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)沿Z方向的位移分布如圖8所示.

圖8 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)沿Z方向位移圖

圖9和圖10分別是頂管結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力云圖.

圖9 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力圖

圖10 頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力圖

從圖中可以看出,涵洞頂板中間位置的主應(yīng)力極值比其它地方大,其值為19.82 MPa,位于頂管施工井頂進(jìn)部位,未超過頂進(jìn)鋼筋混凝土管道C50的抗壓強(qiáng)度,不會出現(xiàn)由于強(qiáng)度不足而發(fā)生的破壞.由于受土壓力的影響,頂進(jìn)管道在中間頂?shù)装逄幃a(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力,拉應(yīng)力最大值為3.27 MPa,而其他部位的拉應(yīng)力均未超過該值,在管道設(shè)計的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi).在頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)的大部分區(qū)域,均以壓應(yīng)力為主,而在頂管頂?shù)装?則出現(xiàn)了拉應(yīng)力.綜合應(yīng)力與位移分析結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)涵洞頂管施工結(jié)束后,頂管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好.

5 頂管現(xiàn)場施工中高鐵路基變形分析

根據(jù)天然氣管線下穿頂管施工對高鐵路基影響的數(shù)值計算分析結(jié)果,現(xiàn)場項目部按計劃進(jìn)行頂管施工.圖11為現(xiàn)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(shí)際施工過程中,加強(qiáng)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(shè)施(接觸網(wǎng)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(jìn)施工過程中鐵路路基等變形情況進(jìn)行了監(jiān)測,測點(diǎn)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(cè)路緣帶(如圖12所示),在頂進(jìn)施工期間,每天監(jiān)測1～2次,特殊情況下增加監(jiān)測頻次.

圖11 現(xiàn)場工作井

圖12 測點(diǎn)布置圖

經(jīng)現(xiàn)場巡查,在頂管施工過程中,高鐵路基及周邊地表并未出現(xiàn)明顯裂縫,接觸網(wǎng)立柱未發(fā)生傾斜.現(xiàn)場實(shí)測結(jié)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(cè)路緣最大位移均小于0.6 cm,與數(shù)值模擬計算結(jié)果具有一定的吻合性.圖13為頂管內(nèi)部情況,圖14為頂管施工結(jié)束后高鐵路基及軌道圖,頂管施工結(jié)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(chǎn)生的影響很小,基本不影響該高鐵線路的正常運(yùn)營.

圖14 施工結(jié)束后高鐵軌道及路基

6 結(jié) 論

1)研究表明,頂進(jìn)管道結(jié)構(gòu)的水平位移和垂直位移基本滿足控制要求,不會對涵洞結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.在應(yīng)力方面,頂進(jìn)管道主要以壓應(yīng)力為主,而在頂進(jìn)管道的頂?shù)装逦恢?則出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力,但拉應(yīng)力值處于管道設(shè)計的抗拉強(qiáng)度范圍之內(nèi).

2)計算得到頂管涵洞施工結(jié)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(yùn)營安全產(chǎn)生影響.

3)現(xiàn)場頂管施工過程觀測結(jié)果表明,高鐵路基及周邊地表并未出現(xiàn)明顯裂縫,高鐵路基及軌道面在施工過程和施工結(jié)束后出現(xiàn)的變形較小,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的可靠性,出現(xiàn)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(chǎn)生的影響很小,基本不影響該高鐵線路的正常安全運(yùn)營.