輸水管道穿越高鐵淺覆土頂進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉宇

（遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局，遼寧鐵嶺112003）

輸水管道穿越高鐵淺覆土頂進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究

劉宇

（遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局，遼寧鐵嶺112003）

文中依托大型輸水管道穿越京哈鐵路工程。為解決大型輸水“高鐵200 m之內(nèi)禁止降水，30 m之內(nèi)嚴(yán)禁明挖”的問題，同時保證穿越京哈高速鐵路工程施工進(jìn)度、質(zhì)量要求。分析套管頂進(jìn)過程影響因素，提出凍結(jié)開挖面克服土體液化，利用無污染甘油做減阻措施減少頂進(jìn)對原地貌的影響；以及空鉆釋放水壓力等措施，保證套管頂進(jìn)過程偏差符合要求。

輸水管道；穿越高鐵；關(guān)鍵技術(shù)

1 工程信息

1.1 工程概況

遼西北供水工程供水管線在開原境內(nèi)由京哈高鐵八寶屯特大橋橋下通過。供水管線分四孔分別由八寶屯特大橋第126～129孔穿越鐵路，管線與京哈高鐵的交叉角度為60°，交叉處鐵路里程為京哈高鐵K810+419.30。

即有京哈高鐵為32 m簡支箱梁，圓端型橋墩，承臺尺寸為6.2×10.2 m，承臺高2.0 m，為8根1.0 m樁基礎(chǔ)。交叉處梁底至地面最小距離為5.1 m，施工期間橋下禁止通行大型施工設(shè)備。

每根供水管線為φ3 220 mm帶加勁環(huán)鋼管。每根供水管線為φ3 220 mm鋼管，外套DN4000× 3000H8頂管，頂管為4座獨立的1～4.0 m頂管，頂管內(nèi)徑4.0 m，壁厚0.4 m，單節(jié)長度3.0 m，設(shè)計覆土厚度按照1.0 m考慮，每根頂管長度為63.0 m。該處管線為4×DN3200輸水鋼管穿越，工作壓力1.4 MPa。高速鐵路運行安全管理條例規(guī)定：高鐵200 m之內(nèi)禁止降水，30 m之內(nèi)嚴(yán)禁明挖。

1.2 水文地質(zhì)

場地內(nèi)地下水類型主要為：上層滯水和承壓水。

1）上層滯水：整個場地內(nèi)均有分布，賦存于耕植土中，接受大氣降水和人工灌溉補給，以蒸發(fā)為主要排泄方式，水位埋深較淺，地表直接出露，鉆孔在2.0 m左右揭露。

2）承壓水：整個場地內(nèi)均有分布，埋深7.8～9.6 m，水位高程74.4～75.9 m，賦存于粉細(xì)砂及圓礫中。根據(jù)前期勘察資料得知，圓礫層的下部為風(fēng)化片巖，與這次勘察揭露的粉質(zhì)黏土均為微透水地層，造成圓礫層中的地下水具有了一定的承壓性。

2 套管頂進(jìn)過程地基變化分析

2.1 頂進(jìn)施工地基變化影響因素

1）套管頂進(jìn)時振動引起土體液化。高速鐵路既有線安全管理規(guī)定：鐵路兩側(cè)200 m內(nèi)禁止降水，場地內(nèi)上層滯水。地下水豐富。整個場地內(nèi)均有分布，水位埋深較淺，地表直接出露，鉆孔在2.0 m左右揭露。頂管的施工過程會對周圍土體有擠壓剪切作用，可以直接改變土體的密實度，進(jìn)而影響土體強(qiáng)度、承載力以及壓縮性等等。頂進(jìn)過程發(fā)生土體液化現(xiàn)象。

土體液化：振動使飽和砂土或粉土趨于密實，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇增加。這種急劇上升的孔隙水壓力來不及消散，使有效應(yīng)力減小，當(dāng)有效應(yīng)力完全消失時，砂土顆粒局部或全部處于懸浮狀態(tài)。此時，土體抗剪強(qiáng)度等于零，形成“液體”現(xiàn)象。

2）套管頂進(jìn)過程土體遷移。土體的結(jié)構(gòu)性是在環(huán)境、沉積力、土顆粒性質(zhì)以及各種地質(zhì)力綜合作用下形成的，對于土體的力學(xué)性能有顯著影響。由于該地段覆土1.0 m左右且為未加固的原狀土，靈敏度高、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的土體，在受到頂管施工擾動作用后，土顆粒之間的平衡體系破壞，使得土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，土體強(qiáng)度降低，壓縮性增強(qiáng)，頂進(jìn)影響到土體的變形。

3）套管頂進(jìn)時地下承壓水大。場地內(nèi)地下水存在承壓水。整個場地內(nèi)均有分布，埋深7.8～9.6 m，水位高程74.4～75.9 m，賦存于粉細(xì)砂及圓礫中。根據(jù)前期勘察資料得知，圓礫層的下部為風(fēng)化片巖，與這次勘察揭露的粉質(zhì)黏土均為微透水地層，造成圓礫層中的地下水具有了一定的承壓性。承壓水位于套管下方0.6 m左右，對套管頂進(jìn)過程會產(chǎn)生一定的上浮力。

2.2 冷卻凍結(jié)法減少土體液化

頂進(jìn)過程中正逢遼寧地區(qū)11月至12月，該地區(qū)在此階段氣溫急速下降至-5～-30℃，凍土深度可達(dá)2.0 m。若采用冷卻板回溫凍結(jié)，會影響到橋梁基礎(chǔ)的耐久性。創(chuàng)新性提出：利用環(huán)境氣溫進(jìn)行冷卻土體，施工時間由白天改為夜晚。具體操作如下：

1）采用鋼板擋住機(jī)頭出掌子面防止坍塌，用鋼板作為散熱介質(zhì)，早上6：00-22：00進(jìn)行涼塞冷卻、降溫。具體施工時間為22：00-5：30，此方法可凍結(jié)掌子面3 m左右。

2）考慮每天頂進(jìn)速度為4～5節(jié)管,在頂進(jìn)前段打設(shè)φ20 cm凍結(jié)孔，穿越①、②號土層。放置冷卻循環(huán)管，利用冷凍鹽水循環(huán)的進(jìn)回液管進(jìn)行降溫，必要時壓緊孔口管密封裝置，封閉該孔，以確保頂進(jìn)處的完好凍結(jié)狀態(tài)。

3）對離凍結(jié)區(qū)較近的管線與構(gòu)筑物進(jìn)行泡沫板隔離保溫，防止凍壞既有線基礎(chǔ)。防止凍結(jié)面積過大而增加頂進(jìn)阻力，在管頂覆土1.2 m長冷卻管使用土工布進(jìn)行包裹。

根據(jù)實施后檢測：管內(nèi)土體無液化，土壤的黏聚力提高至32.0 kPa左右，土體具有良好的穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場開挖面穩(wěn)定性要求。

2.3 套管外側(cè)涂刷新型潤滑劑減阻

套管潤滑需要采用潤滑劑需考慮材料揮發(fā)性、制作過程對的污染和凝固時間等因素。借鑒常用以石油瀝青為材料的潤滑層，提出新的采用水泥砂漿和植物甘油做潤滑層，該潤滑層無色透明，且甘油屬于無污染、水溶性材料，具體操作如下：

1）水泥石膏砂漿（內(nèi)摻建筑膠）打底，防裂膩子分遍找平基層，甘油和酒精為材料制作滑動面。制作出無色透明減阻層。

2）套管推進(jìn)過程中，在基層滑動面上覆蓋減阻層，對不同厚度減阻層的效果進(jìn)行研究，共分為8個工況進(jìn)行分析。最終確定減阻層的最佳厚度以40 mm。

3）套管涂刷甘油后，根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況發(fā)現(xiàn)，管周土體形變相對較小，局部雖然出現(xiàn)小部分涌土現(xiàn)象，對既有線路基礎(chǔ)和頂進(jìn)偏差影響較小，另外涌土情況可通過人工進(jìn)行調(diào)平。

4）套管頂進(jìn)前，在周邊土體內(nèi)插入直徑20 mm的鋼管，均勻注入液型粗粒潤滑劑，由球狀高吸水樹脂組成。吸水前是微小顆粒，吸水后膨脹為直徑3～5 mm的小球體，將滑動摩擦改為滾動摩擦。

通過套管涂刷甘油和增加液型粗粒潤滑劑進(jìn)行減阻，管土之間的摩擦系數(shù)降低至0.23，可滿足現(xiàn)場施工要求。

2.4 空鉆釋放地下承壓水

1）施工前根據(jù)圖紙和地質(zhì)斷面圖分析和計算旋噴樁孔位，回字形插打，空鉆以釋放承壓水壓力。

2）在頂管附近，布設(shè)水位監(jiān)測管2排，在監(jiān)測管內(nèi)安設(shè)水壓計（6 m/組，4個/組)。從頂進(jìn)前一周開始監(jiān)測承壓水壓力，直至頂進(jìn)結(jié)束。

實施后，承壓水的孔隙水壓力降低至0.01 MPa，對頂管影響較小。

2.5 頂力與偏移量監(jiān)測成果與分析

套管頂進(jìn)過程中，由于地質(zhì)條件的變化和外力的影響，套管頂進(jìn)過程中的實際高程和中心位置往往會偏離設(shè)計值，這種偏離現(xiàn)場成為軸線偏差。通常把發(fā)生在垂直面上的高程偏差值定義為高程偏差，把發(fā)生在水平面上的涵節(jié)中心位置相對設(shè)計位置的左右偏差稱為中心偏差。在實際施工中，高程偏差和中心偏差往往同時存在。為分析頂進(jìn)就位施工過程中套管偏移量及所采取的糾偏措施效果，對從開始施工至頂進(jìn)距離63 m時，靠近頂進(jìn)涵身沿豎向的高程偏差和水平向的中心偏差進(jìn)行了監(jiān)測，并對糾偏過程中涵端所受頂力的變化情況進(jìn)行了監(jiān)測。

根據(jù)實施后的數(shù)據(jù)顯示：頂進(jìn)偏差在允許范圍之內(nèi)，其中軸線偏差最大值為：93 mm＜150 mm，偏差值平緩穩(wěn)定，無劇烈波動情況發(fā)生。

3 結(jié)語

文中著重對大型輸水管道穿越京哈鐵路工程施工技術(shù)進(jìn)行全面的分析。在確保輸水管線穿越高速鐵路的工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度、成本等綜合因素的基礎(chǔ)上，首次提出并采用超大管徑套管一次頂進(jìn)法穿越高速鐵路的施工技術(shù)，并將頂進(jìn)長度延伸到63 m以上。達(dá)到施工過程高鐵路基零位移的質(zhì)量目標(biāo)。

［1］余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，1988：115-116.

［2］符禮斌.超淺層頂管施工控制技術(shù)［D］.重慶：重慶交通學(xué)院，2004.

［3］王水林.頂管施工中的環(huán)境效應(yīng)分析［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2000.

［4］焦永強(qiáng).頂管施工與原體測試［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2002.

［5］Liao，H.J Construction of a pipe roofed underpass below groundwater table Proceedings of the Institution of Civi Engineers，GeotechnicalEngineeing，V119，n4，Oct，1996：202-210.

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2016-12-11