土压平衡顶管下穿铁路的施工控制

曲 洋

中铁十八局集团第三工程有限公司 河北 涿州 072750

近年来我国城市建设在大规模快速发展，大规模、大范围的综合管廊工程正破土动工，跨越既有铁路的管线工程也在逐年增加。预测施工引起的铁路路基沉降，保证顶管顺利掘进和铁路的安全运营，逐渐成为顶管工程设计与施工的关键[1-2]。为此，国内学者对顶管作业工程做了大量研究。

郝晓光[3]模拟了管道的顶进过程，分析了不同开挖面压力情况下顶管机头周围土层的应力应变情况；邱超等[4]分别从正面顶推力、摩擦力、地层损失、管径大小等方面出发，探讨了顶管下穿铁路对路基沉降的影响；李鑫波等[5]模拟了矩形顶管对地铁隧道的影响，从黏聚力、内摩擦角、填土高度、泊松比、弹性模量等方面分析了土质因素对地表沉降的影响，提出了相应的地层沉降控制措施。相比圆形顶管，矩形顶管能充分利用截面的空间优势，对土层适应能力更强。

基于此，本文以昆武高速地面排水下穿云冶铁路工程为例，采用有限元模拟法，研究了顶管下穿铁路施工对路基沉降的影响，以期为其他下穿铁路土压平衡顶管施工提供理论指导。

1 工程概况

背景工程场地处于京昆高速跨线桥两侧，地段为城市建成区边缘，交通较方便，地形起伏不大，建筑、菜地、荒地遍布，地面海拔1 905～1 914 m。勘探揭露表明，勘探地基土上覆地层主要为第四系上更新统湖冲积层、第四系全新统人工填土。

场地内水文地质条件受当地气候、地形地貌、岩性、地质构造、地表水系及人类活动等因素的影响，补给来源为地表水的渗入补给，根据地下水埋藏条件可划分为孔隙水、基岩裂隙水。

孔隙水主要赋存于黏性土中，受大气降水及地表水补给，随季节变化较大；基岩裂隙水主要赋存于弱风化、全-强风化白云岩和砾岩裂缝中。

2 数值模型计算

2.1 模型建立

利用有限元软件Ansys建立模型，将管道材料看成弹性体，采用shell63壳单元进行模拟。土体采用solid45单元模拟，并采用drucker-prager本构模型，尺寸为50 m×75 m×25 m。drucker-prager模型准则考虑了静水压力对屈服和破坏的影响，屈服曲面光滑、没有棱角，参数较少，易于试验测定，有利于塑性应力路径的确定，适用于岩土材料的本构模型计算。

2.2 边界条件与网格划分

网格划分决定了运算时间的长短与计算的准确性，本文模型采用扫掠划分而成。根据研究者对顶管影响范围的研究，铁路方面，保证铁路不发生z轴向位移。顶管x轴方向设为30 m；y轴方向拓展1倍管距，达30 m；z轴方向，实际开挖为85 m。对模型x轴左侧进行x方向约束，模型底面设置y轴方向约束，z轴前后两面对z轴约束，对称面进行对称约束设置，土层表面不设立约束。

3 监测方案与结果分析

3.1 覆土厚度的影响

不同覆土厚度下的土层纵向沉降如图1所示。由于顶管过程中侧向静止土压力小于附加压力，导致开挖前方12～20 m范围内出现5 mm左右隆起。但在厚4 m覆土下的变形完全隆起，表明厚4 m覆土层被完全破坏，施工工艺对土层沉降起到关键作用。在顶管开挖20 m后，纵向土层沉降变形为0。最终施工方案采用了厚12 m覆土层，并在距始发井0、15、30、45、60、75 m的位置布置测点，对地表纵向沉降进行测量。对比厚12 m覆土层纵向沉降测量值与计算值，发现计算值与测量值基本吻合，计算误差在允许范围之内。

不同覆土厚度下的土层横向沉降如图2所示。可以看出，4 m覆土厚度下的土层完全隆起，表明软土松软，不利于施工作业，如果加固不满足沉降要求，则需要换填土再次进行施工。8 m和12 m覆土厚度下沉降变形符合一般顶管沉降规律，8 m覆土厚度下沉降最大值接近16 mm；后续采用措施调整能使12 m覆土厚度下的最大沉降值为8 mm，不超过10 mm路基沉降标准。但在横向距离16 m处，土体出现隆起。主要原因是顶进过程中，顶管机通过后，受到挤压作用且两侧土体应力未消散，而顶管上方土体应力消散较快，导致土体出现微小隆起。

最终施工方案采用了厚12 m覆土层，并在距矩形管中线－30、－15、0、15、30 m的位置布置测点，对土层横向沉降进行测量。发现计算值与测量值基本吻合，证明了计算值的准确性。

图1 不同覆土厚度下的土层纵向沉降

图2 不同覆土厚度下的土层横向沉降

不同覆土厚度下的土层深度水平位移如图3所示。可以看出，4 m覆土厚度下水平位移较大，主要原因是处于软土区域；8 m覆土厚度时，水平位移达2.2 mm；管廊在8 m覆土厚度下处于卵石和软土之间，减小了土层的水平位移；而在12 m覆土厚度下，土层水平位移波动较小，表明土质对土层水平位移影响较大，且管廊位置影响最大水平位移。对比图1～图3可以看出：覆土厚4 m时，软土区域土层性质较差，不利于现场顶管施工；厚8 m覆土区的沉降则略大于10 mm的沉降要求；12 m覆土厚度下基本满足铁路路基沉降的需要。即由沉降分析得出：4 m覆土厚度下的软土层不利于顶管作业；12 m覆土厚度下的土层符合铁路路基10 mm的沉降标准；虽然8 m覆土厚度下地层沉降略大于路基规定，但可以对土层进行注浆加固处理，只需要把软土弹性模量从426 kPa提高到520 kPa即可满足工程需要。

3.2 火车荷载的影响

顶管推进时，铁路路基中心处的土层纵断面沉降如图4所示。由于顶管机的摩擦力与附加土压力作用，导致靠近路基断面时路基逐渐隆起；顶管机离开路基断面后，土中孔隙水压力的消散以及土体损失的加剧，使表层土出现沉降现象。开挖20 m之前，有火车荷载下的路基土层开始隆起，反映了无火车荷载处路基（0～15 m）与有火车荷载处路基（15～31 m）的土层密实度完全不一样，表明火车荷载对土层起到了一定的压实作用，从而使得土层沉降明显减少。

图3 不同覆土厚度下的土层深度水平位移

图4 推进时铁路路基中心处的土层纵断面沉降

图5 推进停止时铁路路基中心处的土层纵断面沉降

顶管推进停止时，铁路路基中心处的土层纵断面沉降如图5所示。可以看出，2种荷载下土层主要表现为先隆起后沉降，变化规律基本一致。总体沉降幅度较推进时减小很多，而土层扰动情况大致相同。主要原因是空气水压上升和下降、加载和卸载、松动和挤压导致土体变异逐步消散。由于土体骨架蠕动和孔隙水压力消散产生的再固结沉降加剧了沉降的幅度，导致40 m之后的土层没有隆起。无火车荷载处路基（0～15 m）与有火车荷载处路基（15～31 m）的土层压实度不同。顶管机头在距离15 m下方位置开挖时，路基发生2 mm左右的隆起，而在30、45、60 m远离路基处，土层下沉6～8 mm，符合铁路路基沉降标准。

有火车荷载比无火车荷载下的土层有更高的隆起，主要原因是在顶进过程中，有火车荷载对土层扰动加剧，破坏了部分卸载拱结构。因此顶管作业时，应预防土层进一步反弹隆起。

推进停止时，铁路路基中心处的土层横断面沉降如图6所示。无火车载荷下，开挖15 m以前对土层深度扰动很小，而开挖15 m以后，处于较大平衡波动状态，土层扰动很大。与无火车荷载相比，有火车荷载对土层扰动加剧，表明深度水平位移受顶管施工的影响较大；由于受顶管挤压作用，靠近顶管附近20 m左右深度处的土层水平位移为负值。而离开铁路路基30 m处，顶管对铁路路基的影响最大，随后逐渐减小，即此处路基压实度较好。

由桥墩中心处土层沉降（图7）可以看出，靠近桥墩处土层沉降呈现先增大后减小的趋势，说明在顶进过程中，摩擦力及附加推力作用于前方土体和顶管机周边，导致桥墩处土层隆起；而顶管机经过桥墩处后处于隆起状态，表明顶管机通过时仍对两边土体有挤压作用。其中，距离50 m以后，火车荷载影响减小，表明卸载拱效应及火车荷载使土层结构趋于稳定。

桥墩处顶管开挖停止时的土层变化形状与推进时颠倒，前期40 m处于土层沉降阶段，而40～70 m处持续隆起，即顶管抵达接收井时，土层出现抬头现象，施工时需做好安全防范措施。

4 结语

图6 推进停止时铁路路基中心处的土层横断面沉降

图7 桥墩中心处土层沉降

以昆武高速地面排水下穿云冶铁路工程为例，采用有限元模拟法，对土压平衡顶管下穿铁路工程的施工技术及质量控制进行了研究。研究得知，覆土厚度8、12 m能满足顶管土层沉降要求，最终设计方案采用12 m覆土厚度。顶管过程中，要注意土层反弹的隆起，顶管机前方0～15 m及3倍管径范围内的土层应进行加固处理。受顶管时加载卸载作用，推进停止时土层应力消散很快，附加推力、摩擦力对土层水平位移起决定作用。桥墩在顶管即将抵达接收井时，土层出现抬头现象，需要做好防范措施。研究结果能够为其他下穿铁路工程的顶管施工提供借鉴。