大口徑圓管長(zhǎng)距離穿越既有線關(guān)鍵技術(shù)探討

洪漢麟

(南昌鐵路局 九江橋工段，江西 九江 332000)

隨著我國(guó)鐵路與公路的跨越式發(fā)展，地方區(qū)域性的建設(shè)也隨之加速，尤其是市政給排水、石化、通訊、電力等行業(yè)也不斷擴(kuò)展投入，大量的管線需穿越鐵路與公路的既有路基，特別是近兩年，西氣東輸、北氣東輸?shù)奶烊粴夤艿来罅看┰借F路既有干線的區(qū)間與站場(chǎng)，需要在這些穿越路基管線外增設(shè)鋼筋混凝土圓管作護(hù)套管。這些圓管頂進(jìn)工程大部分都是比較成功的，但也出現(xiàn)了不少問(wèn)題，有的圓管不能頂進(jìn)到位或者頂進(jìn)中出現(xiàn)左右方向、高低水平偏移，管口脫節(jié)漏水，管口破裂，路基下陷等質(zhì)量和安全問(wèn)題。下面就如何防止這類問(wèn)題發(fā)生，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)探討。

1 頂管工程施工的特點(diǎn)

在20世紀(jì)80年代之前，鐵路既有線頂管施工大部分采用直徑1.2 m以下的圓管。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，需要穿越鐵路干線路基的圓管口徑越來(lái)越大，從1.5 m到2.0 m直徑的圓管比較多，目前，研究大口徑圓管的頂進(jìn)施工成為當(dāng)務(wù)之急。另外，過(guò)去頂管都在既有線的區(qū)間單線居多，現(xiàn)在的頂管施工都是在區(qū)間雙線、四線，有的在站場(chǎng)，所以，要面對(duì)的是長(zhǎng)距離的圓管頂進(jìn)?，F(xiàn)在鐵路干線的行車速度都在120 km/h以上，慢行都要在45 km/h以上，所以，更要研究在高速運(yùn)輸狀況下的圓管頂進(jìn)施工技術(shù)。

2 圓管頂進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

圓管頂進(jìn)是在不破壞路基的土體，將圓管頂進(jìn)穿越既有線的路基。第一，頂進(jìn)施工要確保行車線路安全，軌道的方向、水平變化不超標(biāo)，列車能正常運(yùn)行。第二，頂進(jìn)施工中要確保有足夠的頂力，承受頂力的后背墻不出現(xiàn)失穩(wěn)，確保頂進(jìn)過(guò)程正常順利。第三，頂進(jìn)施工中要確保管子的方向、水平偏移不超標(biāo)，頂進(jìn)到位的管子能正常使用。所以，圓管頂進(jìn)要達(dá)到以上效果，就要充分發(fā)揮路基土在頂進(jìn)中能形成卸力拱的特點(diǎn)。一般圓管頂部覆蓋土層較厚(H＞5a1)，土質(zhì)堅(jiān)硬(fkp＞8)時(shí)，作用于涵管上部豎直土壓可按卸力拱(見(jiàn)圖1)計(jì)算。如果不能形成卸力拱，路基就可能出現(xiàn)下沉甚至坍陷現(xiàn)象。圖1中，H為管頂以上覆土厚度(m);fkp為土體密實(shí)系數(shù);2a為管外徑(m);2a1為卸力拱長(zhǎng)徑(m);h1為卸力拱高度(m);h′為卸力拱與夾角垂線交點(diǎn)高度(m);h為圓管外半徑(m)，h=a;hx為卸力拱任意點(diǎn)高度(m);θ=45°-φ/2，φ為土體摩擦角。

圖1 卸力拱示意

3 圓管頂進(jìn)中主要受力計(jì)算

圓管頂進(jìn)工程設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行各種計(jì)算。其中，有圓管的設(shè)計(jì)計(jì)算，線路架空的設(shè)計(jì)計(jì)算，盾構(gòu)設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算，最大頂力的設(shè)計(jì)計(jì)算，后背墻的設(shè)計(jì)計(jì)算等?？紤]到圓管和盾構(gòu)設(shè)備都有定型產(chǎn)品，線路架空是采取保護(hù)性的架空，在這里主要考慮最大頂力和后背墻的設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1 頂管的最大頂力設(shè)計(jì)計(jì)算

由于頂管一般都在覆土較厚的路基土體內(nèi)頂進(jìn)施工，所以，要考慮管頂線路上部活載、線路與加固材料荷載、管子上部土體荷載、管子本身重量所產(chǎn)生的摩阻力。因此，克服以上摩阻力需最大頂力P為

式中，P為設(shè)計(jì)最大頂力(kN);K為系數(shù)，一般取1.2;N1為線路上部活載(kN);N2為覆土上部線路與加固材料重量(kN);N3為管子上部覆土重量(kN);N4為管子本身重量(kN);f為管子與土體的摩阻系數(shù)，無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，可取0.7～0.8。

式中，填土厚度H≥1 m(從軌底算起)時(shí)，不計(jì)列車豎向動(dòng)力作用;l為頂管覆土長(zhǎng)度(m);qh為豎向壓力(kPa)。

式中，A為行車軌重量(kN);B為行車軌枕重量(kN);C為加固線路縱梁重量(kN);D為加固線路橫梁重量(kN)。

卸力拱的管頂土體重量為

式中，νo為土體的重度(kN/m3);而 a1=a+htanθ=a+htan(45°- φ/2)，h=a，h1=a1/fkp;φ，νo，fkp可查土體系數(shù)表取得(見(jiàn)表1)。

當(dāng)管頂土質(zhì)松軟、不穩(wěn)定及覆土薄時(shí)的土體重量為

表1 土體系數(shù)表

式中，ν1為鋼筋混凝土的重度(kN/m3)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，也可采用以下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)求最大設(shè)計(jì)頂力P

式中，n為土質(zhì)系數(shù)，其中，江西、安徽境內(nèi)的黏性土為1.5～1.8，含水的淤泥與流沙為2.3～2.6;G為管子的單重(kN/m)。

3.2 后背墻抵抗阻力的計(jì)算

在鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)《橋涵》中介紹，后背墻的被動(dòng)土壓力就是頂進(jìn)的抗力。

式中，P′為后背墻的極限抗力(kN)，按被動(dòng)土壓力計(jì)算而得;K為系數(shù)，一般取1.2～1.5。

在這里P′如果按被動(dòng)土壓力來(lái)計(jì)算的話，采用朗肯土壓力理論，其基本假設(shè)條件是擋土墻墻背豎直、光滑，墻后填土面水平，而實(shí)際施工中，墻后填土大部分是一個(gè)斜面并高出水平面，與假設(shè)條件不符。如采用庫(kù)侖土壓力理論，其基本假設(shè)條件是墻后土體是均質(zhì)的無(wú)黏性土(c=0);擋土墻產(chǎn)生主動(dòng)或被動(dòng)土壓力時(shí)，墻后填土形成滑動(dòng)土楔，其破裂面為通過(guò)墻踵平面;滑動(dòng)楔體為剛性，本身無(wú)變形。而實(shí)際施工中，墻后土體經(jīng)常是黏性土(c≠0)，并且滑動(dòng)楔體不是剛性的，而是有變形的。從以往的每次頂進(jìn)施工中所出現(xiàn)的情況來(lái)看，后背墻承受油頂?shù)耐屏r(shí)，它會(huì)出現(xiàn)變形，尤其是利用原狀土體，如頂力過(guò)大時(shí)，會(huì)將后背墻后的土體推動(dòng)，向土體的臨空面，即向后、向上的一個(gè)圓弧面滑動(dòng)。所以，筆者認(rèn)為，用后背墻驗(yàn)算它的抗剪強(qiáng)度更為合理。而抗剪強(qiáng)度公式為 τf=c+σtanφ，σ為剪切面上的法向應(yīng)力;c為土的黏聚力;φ為土體內(nèi)摩擦角。

一般情況下，后背墻抗力RC的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，Kx為后背墻的土抗系數(shù)，當(dāng)管頂覆土淺時(shí)，Kx=0.85，管頂覆土深時(shí)，Kx=0.5h/H+1;B為后背墻寬度(m);H背為后背墻高度(m);h背為后背墻頂至地面的高度(m)。

3.3 壓潤(rùn)滑漿后的摩阻力計(jì)算

為了減小頂管中的摩阻力，頂管可用壓潤(rùn)滑漿，管子外壁注漿后，可減阻30% ～40%，壓漿后的頂力 P″為

式中，P″為壓漿后的頂力(kN);K為系數(shù)，一般取1.4～1.5。

4 頂管工程實(shí)例

2009年在西氣東輸工程中有一天然氣管道要穿越一處站線，需要在天然氣管道外增設(shè)一根內(nèi)徑1.5 m的鋼筋混凝土圓管。這個(gè)圓管采用頂進(jìn)方法穿越四股道下的高路基，頂進(jìn)距離l=64 m，從線路軌底至圓管頂部有厚H=13 m的覆土。所以，頂進(jìn)中沒(méi)有采用保護(hù)性線路架空，而是安排一個(gè)班組人員24 h專門觀察和養(yǎng)護(hù)該地段的線路。

剛開(kāi)始，由于施工隊(duì)伍沒(méi)有估計(jì)到該項(xiàng)工程的難度，所以，在頂進(jìn)施工中，只制作了一個(gè)簡(jiǎn)單的枕木與片石堆碼成的后背墻。頂進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)l=64 m，這么長(zhǎng)距離頂進(jìn)又沒(méi)采用中繼法施工。頂進(jìn)到34 m時(shí)，用2臺(tái)1 000 kN和1臺(tái)2 000 kN的油頂，壓力才25.5 MPa就把后背墻擠垮，不得不重新澆灌混凝土后背墻，并在澆灌混凝土之前還打入8根12.5 m(L軌)長(zhǎng)的鋼軌至土中(見(jiàn)圖2)。

圖2 后背墻的施工

之后用2臺(tái)2 000 kN的油頂，壓力到22 MPa就能頂動(dòng)，并繼續(xù)頂進(jìn)。當(dāng)頂?shù)?8 m時(shí)，壓力達(dá)到26 MPa，后采用壓潤(rùn)滑漿液，油頂?shù)膲毫ο陆档?5 MPa。但是，當(dāng)頂?shù)?0 m時(shí)，第一節(jié)管口前方出現(xiàn)坍塌，后采用帶土強(qiáng)行頂進(jìn)，混凝土后背墻出現(xiàn)滑動(dòng)趨勢(shì)，即在混凝土后背墻上堆碼片石壓重，最后將圓管頂進(jìn)到位。由于該頂管采用了盾構(gòu)設(shè)備，所以，圓管頂進(jìn)到位后方向與水平都能滿足施工規(guī)范的要求。

根據(jù)工程情況，進(jìn)行了相關(guān)受力的驗(yàn)算。首先，對(duì)該圓管頂進(jìn)的摩阻力進(jìn)行了計(jì)算。該工程路基土壓實(shí)多年，按卸力拱計(jì)算，管頂覆土高H=13 m，頂進(jìn)距離l=64 m，4股道，路基頂部線路長(zhǎng)度按 L軌=12.5 m，沒(méi)有架空線路，管子內(nèi)徑2b=1.5 m，外徑2a=1.8 m。

4.1 計(jì)算最大頂力P

(50 kg/m(軌)=0.5 kN/m，8根鋼軌，每根長(zhǎng) L軌=12.5 m;4股道24根軌枕，單位長(zhǎng)度軌枕重1.5 kN/m)

4.2 計(jì)算后背墻抗力RC

后背墻極限抗力

按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后背墻抗力RC為

式中，Kx=0.5h背/H背+1=1.4(B=5 m，H背=2.5 m，h背=2 m，νo=18 kN/m3，φ =45°)。

RC＜P′，不能滿足最大抗力需要。

4.3 計(jì)算壓漿后的頂力P″

而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是當(dāng)使用壓漿后，油頂壓力由原來(lái)的26 MPa下降到15 MPa，實(shí)際可減小摩阻力達(dá)到42%。而計(jì)算結(jié)果為(5 151-3 434)/5 151=33%，說(shuō)明實(shí)際壓漿效果比計(jì)算結(jié)果偏于安全。但是，一旦頂進(jìn)停止的時(shí)間較長(zhǎng)后再啟動(dòng)時(shí)，這時(shí)要克服靜止摩阻力，頂進(jìn)阻力就會(huì)更大，將達(dá)到壓漿前的阻力。

從這個(gè)工程看，后背墻的抗力要滿足長(zhǎng)距離頂管比較困難，所以，在長(zhǎng)距離頂管時(shí)采用中繼法將更加合理。同時(shí)，采用壓漿來(lái)減小摩阻力，也可以起到比較明顯的效果。

［1］王鐵行.土力學(xué)地基基礎(chǔ)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［2］中國(guó)非開(kāi)挖技術(shù)協(xié)會(huì).頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］鐵道部工務(wù)局.鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)《橋涵》［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1992.

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.