泥水平衡頂管技術(shù)在穿越客專中的應(yīng)用

夏生祥

摘要：本文主要對太原市北中環(huán)市政管線下穿石太鐵路和石太客專時的構(gòu)造物結(jié)構(gòu)選擇、涵洞布置、線路加固方案及施工過程控制做了介紹。為了減少對客專鐵路行車運(yùn)營影響，在鐵路線路加固中，采取小截面的H型鋼對線路進(jìn)行加固，單根重量小，也利于人工操作，減少擾動枕木下的道砟。采用泥水平衡法頂管技術(shù)的方式頂進(jìn)，通過泥漿來平衡頂進(jìn)時土壓力，避免因土壓力過大造成路基隆起或土壓力過小造成路基塌陷，且可以通過泥漿將土置換出來。經(jīng)過實(shí)踐證明，在高水位下，市政管道穿越客專鐵路采用泥水平衡頂管施工，可以滿足客專列車對線路沉降和穩(wěn)定的要求，保證行車安全。

Abstract： This paper mainly introduces the structure selection， culvert layout， line reinforcement scheme and construction process control of Beizhonghuan municipal pipeline crossing Shitai Railway and Shitai Passenger Line. In order to reduce the impact on the passenger railway operation， in the reinforcement of the railway line， the H-shaped steel with small cross-section is used to reinforce the line， and the single weight is small， which is also beneficial to manual operation and reduces the ballast under the disturbing sleeper. The mud-water balance method is used to jack-up， and the mud is used to balance the earth pressure during jacking， to avoid the roadbed collapse caused by excessive road pressure or soil pressure caused by excessive earth pressure， and the soil can be replaced by mud. It has been proved by practice that under the high water level， when the municipal pipeline crossing the passenger railway， the mud-water balance pipe jacking construction can meet the requirements of the passenger trains for the settlement and stability of the line and ensure the safety of driving.

關(guān)鍵詞：泥水平衡；下穿鐵路；線路加固

Key words： mud-water balance；underpass railway；line reinforcement

中圖分類號：U175 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0182-05

1 工程概況與施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

太原市北中環(huán)澗河立交配套工程，共有電力、給水、熱力、燃?xì)?、雨水、污水共?0條市政管線下穿石太客專雙線及石太鐵路雙線，石太客專上下行位于中間，石太線上下行位于客專外側(cè)，鐵路自西向東分別為石太下行、石太客專上行、石太客專下行、石太上行，線間距分別為5.32m、5.08m、5.31m。既有四條鐵路均為電氣化鐵路，軌型為P60無縫線路，III型混凝土枕，軌枕間距0.6m。頂管位置位于太原東站和太原北站之間，距離太原東站1.6km。

頂管內(nèi)徑除熱力管道為1.75m圓管外，其余電力、給水、燃?xì)?、雨水、污水均?.55m圓管。其中電力頂管長度為47.155m，天燃?xì)夂徒o水頂管長為44.01m。其余均為50.3m。所有頂管與鐵路均為正交。

根據(jù)勘察揭露地下水情況與工程地質(zhì)剖面圖綜合分析，擬建場地地下水類型為孔隙潛水?？紫稘撍畬訛棰趯臃弁?，主要受大氣降水及側(cè)向逕流補(bǔ)給，年變化幅度約0.5～1.0m。場地地下水靜止水位埋深介于3.80～7.60m之間，靜止水位標(biāo)高介于804.69～811.09m之間。頂進(jìn)范圍處于高水位。

按照施工場地布置，十條管線共設(shè)置四個工作坑：電力頂管單獨(dú)布置于一個工作坑內(nèi)（1#坑），天然氣、給水2個頂管布置于一個工作坑內(nèi)（2#坑），污水頂管單獨(dú)布置于一個工作坑內(nèi)（3#坑），雨水（兩條）、給水、熱力（兩條）、電力6個頂管布置于一處工作坑內(nèi)（4#坑）。

1.2 施工技術(shù)難點(diǎn)

1.2.1 頂管穿越的土層基本上屬于粉土黏土，具有高含水率，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于100kPa。進(jìn)行頂管施工技術(shù)難度大，土體流動性大，頂管開挖的工作面很容易失穩(wěn)坍塌。

1.2.2 頂管穿越石太客專和石太鐵路的路基，石太鐵路行車密度大，頂進(jìn)前需對線路進(jìn)行應(yīng)力放散和線路加固，整個頂進(jìn)過程中慢行并嚴(yán)格控制線路沉降，安全要求高。

1.2.3 鐵路路基及周邊土體采用了止水帷幕和地基加固，主要是深層攪拌樁，形成加固后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.0～4.0MPa 的復(fù)合地基土。

1.2.4 工期緊張，施工場地狹窄。十條管線布置在四個工作坑內(nèi)。需分兩批頂進(jìn)完成。最近管距4.3m，施工交叉干擾大。

2 頂進(jìn)涵洞下穿鐵路的優(yōu)越性

現(xiàn)鐵路下穿鐵路的施工方案有頂進(jìn)框構(gòu)橋與頂進(jìn)涵洞兩種施工方法。

2.1 頂進(jìn)框構(gòu)橋與頂進(jìn)涵洞的施工方法相比下，頂進(jìn)涵洞的優(yōu)勢如下：

2.1.1 頂進(jìn)框構(gòu)橋與頂進(jìn)涵洞對于路基本體和線路的影響不同，頂進(jìn)框構(gòu)需要全部挖除框構(gòu)范圍的路基本體及道床，把各種荷載全部轉(zhuǎn)換到加固體系，而頂進(jìn)涵洞則是少部分切除路基土體，自下而上造成路基及道床變形，把各種荷載逐步傳遞到路基本體自然拱和加固體系上。

2.1.2 頂進(jìn)框構(gòu)與頂進(jìn)涵洞加固體系中橫梁受力模型有著根本的不同，頂進(jìn)框構(gòu)橫梁作為加固體系主要受力桿件一端在路基面上另一端在框構(gòu)上需截面系數(shù)較大的工字鋼，而頂進(jìn)涵洞橫梁支點(diǎn)全部在路基面上只需滿足分配荷載截面系數(shù)較小的工字鋼。

2.1.3 頂進(jìn)涵洞采用與頂進(jìn)框構(gòu)相同的加固方法，慢行點(diǎn)內(nèi)道床挖槽達(dá)到500mm深度，對相鄰軌枕基礎(chǔ)的穩(wěn)定性影響很大。由于頂進(jìn)涵洞時管內(nèi)掏土對路基本體沒有形成懸空，此時的橫縱梁均支撐于路基面上共同受力，僅對變形及時調(diào)整就可以恢復(fù)軌面平順，因此橫梁沒有必要象頂進(jìn)框構(gòu)橋采用45b的大截面工字鋼，改為矮型高強(qiáng)度H型鋼挖槽深度可降至260mm大幅度減少對道床的擾動，結(jié)合高鐵對軌道平順性要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，按照線下加固構(gòu)件高強(qiáng)度扁平化，盡可能少擾動道床的原則，改進(jìn)和完善頂進(jìn)涵洞的加固方案將會減少道床受力體系的頻繁轉(zhuǎn)換，保持線路基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，施工的綜合效果會更好。

2.1.4 頂進(jìn)框構(gòu)與頂進(jìn)涵洞的安全風(fēng)險不同，頂進(jìn)框構(gòu)最大的風(fēng)險是塌方造成的側(cè)面或正面懸空使橫縱梁承載跨度超過設(shè)計容許跨度中斷行車，而頂進(jìn)涵洞的風(fēng)險是路基本體下部穿管后土體應(yīng)力重新分配引起的豎向變形，除不良地質(zhì)條件外其下沉量較小，采取枕木垛或螺旋千斤頂支撐措施均可及時處置。

2.2 小結(jié)

綜上考慮，頂進(jìn)涵洞只需切除部分路基土體，所需的加固措施更簡單，減少了對道床的擾洞。由于本工程處于高水位動車線下，頂進(jìn)多條并置涵洞，對土體擾動較大，且下穿時間較長，采用頂進(jìn)涵洞下穿鐵路較為合適。

3 頂進(jìn)涵洞施工方案安全性驗(yàn)算

頂進(jìn)涵洞的的安全性設(shè)計，主要考慮在頂進(jìn)過程中保證鋼軌正常的強(qiáng)度和變形。即在頂進(jìn)過程中線路不變形，鋼軌的變形滿足規(guī)范正常使用要求，強(qiáng)度滿足承載能力要求。

3.1 設(shè)計理念

采用強(qiáng)度和變形雙控指標(biāo)，分別以22t中荷載及17t高鐵荷載計算強(qiáng)度和變形，以軌道幾何尺寸容許值為變形條件，考慮體系桿件、動載撓度、變形的均勻等因素，慎重選擇相互匹配的構(gòu)件，確定動載系數(shù)，建立計算模型驗(yàn)算。每根H型鋼的界面系數(shù)不小于900cm3，每6米范圍內(nèi)每根型鋼按照不小于11t作用力計算，撓度按照1/500及幾何尺寸規(guī)定控制，為了控制撓度采用彈性模量大的Q345以上的高強(qiáng)度工字鋼。

根據(jù)詳細(xì)的水文地質(zhì)勘探資料，做頂管出發(fā)及接收基坑的后靠背、鋼筋混凝土防護(hù)樁、止水帷幕和降水設(shè)計。

根據(jù)管位的土體力學(xué)指標(biāo)，計算涵洞頂至路基面的覆土厚度，要求土體變形高度小于覆土厚度。計算并置頂進(jìn)涵洞容許核心土厚度以及同步頂進(jìn)和分批交替頂進(jìn)工況的變形值，確定涵管的最小凈距，要求核心土摩擦、粘聚力的總和必須大于頂進(jìn)涵管核心土的作用力。

3.2 加固體系的驗(yàn)算

本工程為市政管線下穿石太鐵路及石太客專鐵路，采用縱橫抬梁結(jié)合3-5-3吊軌，加固鐵路線路。每側(cè)縱梁采用3根I45b工字鋼為一組，橫梁采用HM 250×175的H型鋼，間距為60cm。

3.2.1 建模過程

縱橫梁采用剛性連接，縱橫梁邊界條件采用簡支支承?？v梁下，每9m放置一塊枕木垛。

在頂管施工最大沉降量估算中，計算得沉降槽影響范圍為距頂管中心線4m范圍內(nèi)。按最不利情況考慮，縱梁完全架空8m。

3.2.2 荷載情況

移動荷載采用前進(jìn)型機(jī)車單機(jī)+70kN/m。（圖1）

3.2.3 縱橫梁受力情況

加載荷載后，結(jié)果如下：

從圖2可以得到，橫梁梁單元最大應(yīng)力為125.7MPa，小于180MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

從圖3可以得到，縱梁梁單元最大應(yīng)力為84.6MPa，小于180MPa，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

通過建模實(shí)驗(yàn)，橫梁最大位移約為11.6mm，為橫梁跨中位置。橫梁跨度為4.4m，最大容許撓度按L/300控制，則最大容許撓度為14.6mm。橫梁的剛度滿足設(shè)計要求；縱梁最大位移約為4.6mm，縱梁跨度為8m，最大容許撓度按L/400控制，則最大容許撓度為20.0mm?？v梁的剛度滿足設(shè)計要求。

3.2.4 小結(jié)

以上計算，按照縱梁架空8m，橫梁架空4.4m的最不利情況進(jìn)行建模計算，計算結(jié)果均滿足設(shè)計要求，可確保安全。

經(jīng)檢算和分析，確定采取“每側(cè)縱梁采用3根I45b工字鋼為一組，橫梁采用HM 250×175的H型鋼，間距為60cm”作為該項(xiàng)目的加固方案。

4 施工順序及過程控制

4.1 施工順序

場地平整—管線改移、防護(hù)—地基注漿加固、工作坑止水帷幕及鉆孔樁、鋼板樁—工作坑開挖及支撐、修筑后背墻—工作坑底板澆筑—頂進(jìn)設(shè)備安裝、調(diào)試—線路加固—泥水平衡掘進(jìn)機(jī)進(jìn)洞—吊放第一節(jié)鋼筋混凝土管—頂進(jìn)（注漿減阻）—依次循環(huán)—泥水平衡掘進(jìn)機(jī)出洞、頂管結(jié)束。

4.2 過程控制

4.2.1 線路加固

①加固范圍。

該區(qū)間Ⅲ型枕間距為1667根/km，枕間凈距300mm，通過安全檢算，為了確保頂進(jìn)過程中鐵路運(yùn)營安全，橫縱梁加固范圍不小于地質(zhì)勘探和頂管覆土變形破裂邊緣再外延2m，即對頂管中心線兩側(cè)各12m范圍內(nèi)鐵路采用縱橫梁抬軌的方式進(jìn)行加固，線路加固體系分為橫梁、縱梁、扣軌等三部分，扣軌長度大于橫縱梁加固長度，嚴(yán)格按照隔6穿1進(jìn)行線路加固。通過線路加固，石太客專上行和石太下行加固成一個整體，石太客專下行和石太上行加固成一個整體。并確保挖石碴不破底，穿工字鋼少動道床。

②線路加固方式。

橫梁：采用H250型鋼加固，按既有線軌枕隔一穿一進(jìn)行布置，3.5m長木枕按H250型鋼隔二穿一布置?？圮壟c型鋼及木枕采用U行卡及扣卡全部連接牢固。1、2#坑位置單側(cè)設(shè)置橫梁37道，3、4#坑位置單側(cè)設(shè)置橫梁50道，共計12m橫梁174道。橫梁間距為0.6m，扣軌與橫梁用卡子連接；每隔1.8m橫梁與主軌使用D型梁扣件實(shí)施連接；橫梁頂設(shè)置20mm木板；

縱梁：采用I45b工字鋼，石太客專線間設(shè)置2束縱梁，每兩根并一束，客專線與石太線間各設(shè)置兩束，每三根并一束，石太上下行路肩各設(shè)置一束縱梁，每三根并一束。共計設(shè)置縱梁8束。每6m左右在縱梁底部設(shè)螺旋千斤頂設(shè)置1處；

扣軌：采用P50kg/m，12.5m和25m兩種鋼軌交錯設(shè)置，四股線路全部采用3-5-3形式。

③線路加固及拆除流程。

標(biāo)記并方枕——穿入長木枕——安設(shè)扣軌——穿入橫梁——抬設(shè)縱梁——圓管頂進(jìn)——拆除扣軌——抽出木枕及橫梁回填道碴——順序拆除縱梁——線路養(yǎng)護(hù)及階梯提速——恢復(fù)正常行車。

4.2.2 頂進(jìn)施工

頂進(jìn)施工采用泥水平衡法。主要由頂管機(jī)、泥水輸送及泥水處理三個系統(tǒng)構(gòu)成。（圖4）

①工作機(jī)理：頂管機(jī)鉆進(jìn)時，通過泥水輸送系統(tǒng)將泥水送至掘進(jìn)機(jī)頭掌子面處形成泥膜，利用泥膜來穩(wěn)定掌子面。頂管掘進(jìn)機(jī)的前部刀盤附近設(shè)有隔板，形成泥水壓力倉，通過調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸，頂力和輸送泥水壓力就可以使泥水對開挖面地層保持一定的壓力，這種壓力與開挖面的地下水壓力及土體壓力之和相等時，就使頂管機(jī)開挖面處于壓力平衡狀態(tài)，保持了開挖面的穩(wěn)定。同時，進(jìn)機(jī)刀盤切削土層，被切削下來的泥土進(jìn)入主切削刀后部開閉可調(diào)的進(jìn)泥口與注入泥漿均勻攪拌，然后由排泥系統(tǒng)輸送到地面，在沉淀池中將泥水和沙石分離，將泥土運(yùn)走。分離后的泥水再送入輸送泥水系統(tǒng)中循環(huán)使用。

②施工工藝流程如圖5所示。

③頂進(jìn)主要參數(shù)控制：

1）泥水倉壓力控制值為110kPa。泥土倉壓力控制值初步定為125kPa，待機(jī)頭進(jìn)入正常的土層后，靜置24h，觀察頂管掘進(jìn)機(jī)土層壓力表上的值，若此時值與該值不符，則以測定值為準(zhǔn)，并對原來計算的總推力值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2）推進(jìn)速度，一般控制在10mm/min左右。

3）泥水管理：泥水式機(jī)頭泥水比重控制在1.15～1.25之間。

4）軸線控制：管道每頂進(jìn)200～300mm時測一次中心軸線，若發(fā)現(xiàn)偏移趨勢就進(jìn)行糾偏，當(dāng)偏移量達(dá)到20mm時，立即停止頂進(jìn)，查明原因，在制訂出切實(shí)措施后再繼續(xù)頂進(jìn)。為確保頂管軸線的正確，勤測勤糾。

5 施工注意事項(xiàng)

5.1 嚴(yán)格按照鐵路局有關(guān)營業(yè)線和鄰近營業(yè)線施工的有關(guān)規(guī)定辦理相關(guān)手續(xù)并嚴(yán)格執(zhí)行。頂進(jìn)施工時列車限速45km/h，做好施工及慢行防護(hù)，每過一列車后均需認(rèn)真檢查線路情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

5.2 頂進(jìn)時注漿使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低了頂進(jìn)時的摩阻力，在注漿時做到以下幾點(diǎn)：①選擇優(yōu)質(zhì)的觸變泥漿材料，對膨潤土取樣測試。②在管子上預(yù)埋壓漿孔，壓漿孔的設(shè)置要有利于漿套的形成。③膨潤土的貯藏及漿液配制、攪拌、膨脹時間在12h以上。④壓漿方式要以同步注漿為主，補(bǔ)漿為輔。在頂進(jìn)過程中，要經(jīng)常檢查各推進(jìn)段的漿液形成情況。⑤注漿設(shè)備和管路要可靠，具有足夠的耐壓和良好的密封性能。在注漿孔中設(shè)置一個單向閥，使?jié){液管外的土能倒灌而堵塞注漿孔，從而影響注漿效果。⑥注漿泵選擇脈動小的螺桿泵，流量與頂進(jìn)速度相應(yīng)。

5.3 做好頂管初始頂進(jìn)進(jìn)洞與出洞的控制。頂管機(jī)進(jìn)洞的推進(jìn)過程是一個泥水平衡建立的過程。機(jī)頭在進(jìn)洞段施工中，開始時由于處于水泥土加固區(qū)域，在不影響泥水系統(tǒng)正常輸送平衡條件下，切口水壓較低。當(dāng)千斤頂縮回安裝管子之前必須作好臨時支撐。當(dāng)機(jī)頭接近洞口時，保持好頂進(jìn)時的泥土壓力在0.1MPa左右，在距洞口前0.5m左右時，停止前進(jìn)，拆除內(nèi)側(cè)臨時封擋。當(dāng)封擋拆除后應(yīng)迅速、連續(xù)頂進(jìn)管節(jié)，盡可能縮短機(jī)頭出洞時間，讓機(jī)頭在充水水囊的止水狀態(tài)下完成安全出洞。

5.4 本工程下穿客運(yùn)專線，根據(jù)設(shè)計要求編制監(jiān)測方案，布設(shè)控制網(wǎng)，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，確定頻率觀測，對圍護(hù)樁頂水平位移、鋼管支撐軸力，樁身傾斜，水位監(jiān)測、地面沉降等進(jìn)行監(jiān)測。施工時還需對既有線路基及鋼軌進(jìn)行監(jiān)測。如監(jiān)測數(shù)值超出預(yù)警值，立即停止施工，查明原因，制定相應(yīng)措施后方可施工。施工完畢后，繼續(xù)進(jìn)行沉降觀測，沉降穩(wěn)定后恢復(fù)運(yùn)營速度。

5.5 頂進(jìn)糾偏

①本工程要求圓管頂進(jìn)最大扎頭不允許超過5cm。

②頂進(jìn)糾偏必須勤測量、多微調(diào)，每次糾偏角度應(yīng)保持在10′～20′，不得大于1°。要做到“勤測勤糾、多糾微糾”，并設(shè)置偏差警戒線。

③初始推進(jìn)階段，方向主要是主頂油缸控制，一方面要減慢主頂推進(jìn)速度，另一方面不斷調(diào)整油缸編組和機(jī)頭糾偏。

5.6 頂管施工質(zhì)量通病及防治措施（表1）

5.7 成立指揮應(yīng)急小組，制定各類應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行應(yīng)急演練。施工現(xiàn)場準(zhǔn)備必要的應(yīng)急物資、發(fā)電機(jī)以及頂管機(jī)易損件的備品。對施工現(xiàn)場出現(xiàn)的各類危險情況采取必要的應(yīng)急措施。

5.8 頂進(jìn)完成后，按照設(shè)計要求及時進(jìn)行回填。路基兩側(cè)夯填砂礫并壓漿處理，確保路基密實(shí)。

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