頂管穿越鐵路設(shè)計(jì)施工中的控制與管理
——以給水管道穿越鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路為例

王志斌

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司）

1 引言

國(guó)家推進(jìn)城市的建設(shè)發(fā)展，首當(dāng)其沖的是城市基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)，包括合理的給排水建設(shè)。目前，城市中的給排水建設(shè)工程通常采用大開(kāi)挖、頂管施工等施工工藝。大開(kāi)挖施工對(duì)既有地面破壞嚴(yán)重，尤其是穿越道路的項(xiàng)目，不僅會(huì)對(duì)道路造成破壞，施工過(guò)程中同樣會(huì)存在斷路現(xiàn)象，對(duì)城市的交通造成影響。而頂管施工會(huì)在很大程度上避免諸類現(xiàn)象的發(fā)生。

隨著頂管施工工藝的發(fā)展，它的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受人們的歡迎，但頂管施工對(duì)施工地段的地質(zhì)條件、機(jī)械設(shè)備、工人技術(shù)水平要求比較高，因此，頂管施工質(zhì)量越來(lái)越受人們的重視[1]。

2 工程概況

本工程位于河南省鄭州市四港聯(lián)動(dòng)大道與鄭港十一路交叉口附近，給水管道與鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路發(fā)生交叉，深度6.81m。防護(hù)涵管采用φ2150mm鋼筋混凝土管，管長(zhǎng)為41m。

本工程穿越設(shè)計(jì)時(shí)速為250km/h的鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際高鐵，且鄭機(jī)高鐵已經(jīng)進(jìn)入試車階段，即將通車運(yùn)行，因此，施工過(guò)程中，要求減少對(duì)高鐵路基的擾動(dòng)，確保鄭機(jī)高鐵的安全。根據(jù)地勘報(bào)告本工程所在位置具有雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土等土層。地下水層主要有上層滯水、下層承壓水，上層滯水處于粉土土層中，主要補(bǔ)給方式為大氣降水和地表水，受地勢(shì)影響較大。下層承壓水處于粉質(zhì)黏土中，地下水位變化較小，橫向補(bǔ)給是地下水的主要來(lái)源，且此地區(qū)地下水位較高。

本工程設(shè)計(jì)施工的技術(shù)難點(diǎn)為：①地下水位較高，頂管施工中需要降水，而大面積降水會(huì)對(duì)高鐵路基產(chǎn)生影響。②施工場(chǎng)地狹窄，在頂管施工過(guò)程中，存在頂進(jìn)坑和接收坑開(kāi)挖和支護(hù)問(wèn)題。③高鐵地基為高預(yù)壓處理地基；頂管作業(yè)路徑為：從天然地基穿越高預(yù)壓處理地基再回到天然地基；因此，設(shè)計(jì)施工中需要考慮頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)地基的擾動(dòng)，引起的土應(yīng)力的釋放從而導(dǎo)致路基沉降。

3 設(shè)計(jì)措施

3.1 帷幕樁設(shè)計(jì)

頂管設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)地下水降水問(wèn)題進(jìn)行考慮，尤其在不穩(wěn)定土層中，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易引發(fā)事故[2]。為保證工程質(zhì)量，在頂進(jìn)坑與接收坑周邊采取措施如下：在工程開(kāi)挖前，采用高壓旋噴工藝對(duì)頂進(jìn)和接收坑四周分別設(shè)置一圈止水帷幕樁，將坑體地下水與周邊地下水進(jìn)行了隔斷，避免了大面積降水產(chǎn)生路面沉降現(xiàn)象，同時(shí)，也對(duì)坑體周邊土體進(jìn)行了加固。

3.2 頂進(jìn)、接收坑坑體支護(hù)

由于施工場(chǎng)地狹窄，頂進(jìn)、接收坑開(kāi)挖形式為垂直開(kāi)挖，支護(hù)方式為鋼板+鋼梁支護(hù)。頂進(jìn)施工過(guò)程中，頂進(jìn)機(jī)后背墻土體被動(dòng)土壓力較大，鋼板+鋼梁支護(hù)可以保證坑壁變形的協(xié)調(diào)一致性，同時(shí)，施工完成后鋼板和鋼梁可以重復(fù)使用，降低了工程成本。

3.3 化學(xué)注漿

本工程頂進(jìn)路徑為：天然地基層—高預(yù)壓處理地基層—天然地基層，土的壓實(shí)度不同，頂進(jìn)機(jī)的正面主動(dòng)土壓力隨著頂進(jìn)過(guò)程而變化，在不同地基層交界處，周邊土層及導(dǎo)軌的摩擦力無(wú)法與之抗衡，容易產(chǎn)生頂進(jìn)機(jī)的反彈，難以控制頂進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)方向。從天然地基層頂入高預(yù)壓處理地基層時(shí)，易傾向于向下爬低；從高預(yù)壓處理地基層頂入天然地基層時(shí)，易傾向于向上爬高。為避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，在頂進(jìn)機(jī)頂進(jìn)路徑上，天然地基層采用了化學(xué)注漿設(shè)計(jì)，同時(shí)，化學(xué)注漿對(duì)天然地基層起到了壓實(shí)擠密作用，一定程度上減小了頂進(jìn)過(guò)程中對(duì)原狀土擾動(dòng)而引起的不均勻沉降現(xiàn)象。

3.4 頂力計(jì)算

頂進(jìn)機(jī)后背墻設(shè)計(jì)依據(jù)為頂管頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的頂進(jìn)力的大小。頂進(jìn)機(jī)總頂力由2部分組成：頂管正面阻力和頂管周圍的摩阻力，因此，計(jì)算總頂力的公式如下：

式中，F(xiàn)為頂管頂進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的總頂力，kN；F1為頂管正面阻力，kN；F2為頂管周圍摩阻力，kN。

頂管正面阻力的計(jì)算公式為：

式中，D為頂管外徑，m；e為開(kāi)口率；R為擠壓阻力，kN/m2，取R=300～500kN/m2。

其中，開(kāi)口率e的取值為：

式中，S1為頂管開(kāi)口面積，m2；S2為頂管橫截面積，m2。

頂管周圍摩阻力的計(jì)算公式為：

式中，L為頂管總長(zhǎng)度，m；f2為單位長(zhǎng)度頂管摩阻力，kN/m。

其中，單位長(zhǎng)度頂管摩阻力的計(jì)算公式為：

式中，D為頂管外徑，m，頂管采用的管材一般其壁厚為其內(nèi)徑的1/10；f為頂管與土的平均阻力，kN/m2，如表1所示。

采用以上公式計(jì)算，本工程采用4個(gè)300t的千斤頂頂進(jìn),上下各2個(gè),額定最大頂力為1200t，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，按75%利用率計(jì)算，總頂力為9000kN。

4 施工措施

本工程頂進(jìn)方向?yàn)橹本€頂進(jìn)，施工過(guò)程中，通過(guò)坐標(biāo)控制，保證頂進(jìn)的方向，同時(shí)，在頂進(jìn)過(guò)程中采取相應(yīng)措施，確保頂進(jìn)坡度滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

4.1 施工工序

帷幕樁施工—工作坑開(kāi)挖—基坑底基礎(chǔ)及坑體支護(hù)—安裝導(dǎo)軌—設(shè)置后背墻—安裝主頂設(shè)備—安裝頂管機(jī)頭—安置起重機(jī)械—安置土方運(yùn)輸設(shè)備—安放管節(jié)—頂進(jìn)—砌筑檢查井。

4.2 控制要點(diǎn)

1）鋪設(shè)引導(dǎo)軌

引導(dǎo)軌起到對(duì)頂管前進(jìn)方向中心線和頂進(jìn)坡度的控制作用，因此，引導(dǎo)軌的安裝、緊固、連接應(yīng)做到準(zhǔn)確、牢固。引導(dǎo)軌鋪設(shè)完成后，要對(duì)引導(dǎo)軌進(jìn)行復(fù)測(cè)、復(fù)驗(yàn)。對(duì)引導(dǎo)軌的中心線、坡度進(jìn)行定期檢查，做好現(xiàn)場(chǎng)記錄。

2）頂管間的連接

常用的連接方式為：鋼管焊接、混凝土管采用黏結(jié)劑進(jìn)行封堵。目的為防止管內(nèi)流質(zhì)泄漏對(duì)周圍環(huán)境造成影響或周圍土在主動(dòng)土壓力下滲入管內(nèi)，污染管內(nèi)流質(zhì)。但管管之間連接時(shí)，應(yīng)控制后管與管之間的軸線及相鄰兩管之間的坡度滿足設(shè)計(jì)要求[4]。

3）注漿減摩

注漿減摩是頂管施工中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，頂管頂進(jìn)過(guò)程中受到管壁和土體間的摩阻力影響。采用注漿，可以在管壁與周圍土體間形成一層潤(rùn)滑層，以減小頂進(jìn)過(guò)程中的摩阻力，同時(shí)，漿體會(huì)對(duì)頂管周圍局部不密實(shí)土體起到一個(gè)填充擠密的作用。

4）頂管頂進(jìn)過(guò)程中的控制

頂管頂進(jìn)過(guò)程中，最難也是最重要的是頂管之間的軸線控制。①進(jìn)洞軸線控制，即在施工前對(duì)每節(jié)管進(jìn)行編號(hào)，標(biāo)注每根管的頂進(jìn)順序。通過(guò)計(jì)算，確定每根管頂進(jìn)時(shí)的坡度、頂進(jìn)力度、頂進(jìn)速度。②頂進(jìn)過(guò)程中的控制，即頂進(jìn)過(guò)程中，按計(jì)算結(jié)果合理控制頂進(jìn)機(jī)的頂進(jìn)力，設(shè)置合理的頂進(jìn)夾角。派專人進(jìn)行不間斷測(cè)量，及時(shí)把控頂管的走向、高程和軸線。③施工完成后的復(fù)核，即為防止頂進(jìn)過(guò)程中每根管道的誤差積累出現(xiàn)在頂管的出口，因此，頂進(jìn)完成后對(duì)頂管出口段進(jìn)行檢查是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，檢查頂進(jìn)過(guò)程中是否出現(xiàn)超挖等現(xiàn)象，出現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

5 施工控制及管理

5.1 施工控制要點(diǎn)

1）對(duì)有可能造成破壞的鐵路路面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其方法是在防護(hù)涵管φ2150mm鋼筋混凝土管上方的鐵路及周圍路面設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，施工作業(yè)過(guò)程中每天指定專人進(jìn)行沉降觀測(cè)，如出現(xiàn)沉降或沉降超出合理范圍，停止施工，找出造成沉降的原因，采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

表1 頂管壁與土的平均磨擦力（f）

2）在施工作業(yè)過(guò)程中，常用的預(yù)防地面沉降的措施主要有：①控制開(kāi)挖量避免超挖；②根據(jù)地勘資料，對(duì)頂進(jìn)過(guò)程中不同土層采用相應(yīng)的注漿壓力，控制注漿速度，均勻注漿；③頂進(jìn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置合理的頂進(jìn)速度，盡量減少對(duì)頂管周圍原狀土的擾動(dòng)。

5.2 施工管理措施

1）現(xiàn)場(chǎng)制定一套合理的管理辦法，建立相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)，職責(zé)分明。

2）與設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位積極溝通，做好圖紙的交底工作，形成圖紙會(huì)審紀(jì)要。

3）編制施工組織設(shè)計(jì)并報(bào)建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理單位認(rèn)可。對(duì)于特殊工點(diǎn)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)編制作業(yè)指導(dǎo)書(shū)，并對(duì)相應(yīng)人員進(jìn)行施工培訓(xùn)，規(guī)范施工，同時(shí)制定重大事故預(yù)防措施。

4）專業(yè)技術(shù)人員持證上崗，施工機(jī)具及測(cè)量?jī)x器必須在合格檢校范圍內(nèi)。

5）所有進(jìn)場(chǎng)原材料必須提供合格證，并按規(guī)范要求現(xiàn)場(chǎng)采樣送檢有資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，確保現(xiàn)場(chǎng)材料的質(zhì)量。

6）科學(xué)有序施工，禁止蠻干、盲干，樹(shù)立大局意識(shí)，把控好質(zhì)量關(guān)，將質(zhì)量隱患遏制在萌芽中。

7）對(duì)工人進(jìn)行安全培訓(xùn)，進(jìn)行技術(shù)交底，上工前做好安全防護(hù)，施工過(guò)程中設(shè)立專人進(jìn)行安全巡檢，杜絕現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)人身安全問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

頂管施工是市政工程穿越鐵路和城市交通中行之有效的施工工藝，受諸多因素的影響，頂管施工對(duì)頂進(jìn)過(guò)程中的土層特性要求較高，為提高施工質(zhì)量，需要在設(shè)計(jì)、施工階段分別針對(duì)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)及敏感點(diǎn)采取一定的技術(shù)措施，加強(qiáng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量把控。本工程作為一個(gè)穿越高速鐵路的頂管設(shè)計(jì)施工應(yīng)用案例，希望對(duì)以后的同類工程有借鑒作用。