鐵路既有線頂進管涵施工關鍵技術與安全質量控制分析

李堃

（中鐵十一局集團第一工程有限公司，湖北襄陽 441000）

0 引言

在鐵路營運不中斷情況下，利用P50 型扣軌將既有鐵路線路加固，隨后將預制好的管涵頂推至既有線下方并注漿加固，最終形成下穿施工，這就是鐵路既有線頂進涵施工技術。此法施工將營業(yè)線運行的干擾降低到最小。本文簡要論述烏將線烏北至準東段擴能工程魏家泉站房頂進涵施工技術。

1 工程概況

烏將線烏北至準東段擴能工程位于新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市昌吉州境內。新增魏家泉站中心里程K44+800。魏家泉站房及配套工程完成后，站房用水從線路右側阜康收費站供水管接入，因此需要在既有路基下增設供水保護圓管涵1~1.75m 一座，里程位于既有線K44+680。既有線下頂進長度33m。

2 鐵路既有線頂進涵工程施工關鍵技術

2.1 工作坑開挖及防護技術

圓涵過既有線采用頂進法施工，K44+680 保護涵頂進工作坑設置在烏將線左側路基邊坡外。

根據施工需要和圓涵設計位置，現(xiàn)場確定工作坑開挖邊線，人工配合機械清理工作坑位置垃圾并整平場地。工作坑基底平面尺寸為：8m（長）×8m（寬），深度根據實際地面標高及設計圓涵標高嚴格控制，如圖1 所示。

圖1 工作坑平面

工作坑的支護按照設計方案，采用機械打入I20b 工字鋼，間距為1.0m，防護樁打設完成后，機械開挖工作坑，出土時做好防護，工作坑開挖至基底標高后，回填碎石墊層，用手提式打夯機碾壓密實（開挖前在開挖周邊范圍內人工進行探查，確認是否有管線、電纜等既有設備）。

工作坑挖至設計標高后若地質不良，對工作坑基礎進行換填處理。開挖成型后對基坑四周進行圍護，并懸掛警示牌?；觾仍O置集水坑，基坑頂部四周設置擋水坎，防止雨水沖刷浸泡工作坑，如圖2 所示。

圖2 工作坑防護

2.2 導向軌安裝施工技術

導向軌，即導向軌道。涵管頂進施工較大程度上依賴導軌的安裝質量。因而安裝好的導向軌應當穩(wěn)固牢靠，不得在施工過程中出現(xiàn)位移，并且應平順。導向軌的安裝精度必須滿足規(guī)范設計要求。

基坑底鋪設6000×800×50 的鋼板做頂進軌道基礎，上鋪舊木枕，導軌與木枕連接固定，防止導軌位移或下沉，如圖3 所示。

圖3 導軌安裝

2.3 后背加固施工技術

鐵路頂進涵基坑施工中，后背為重要組成部分。實際施工中，為了保障工程的施工效果，避免后背冒頂塌陷等工程事故的出現(xiàn)，在工程施工之前，工程技術人員應通過取樣測試和受力計算核準后背的最大頂力現(xiàn)狀，并依據計算數據進行后背工程的加固，以此確保頂進涵施工的順利開展，保證后期工程施工的安全性。圖紙設計在右側基坑底，頂進方向入口后端澆筑1m 厚C25鋼筋混凝土后背墻。

2.4 扣軌梁安拆施工技術

2.4.1 扣軌安裝

根據設計方案為保證施工期間的行車安全，在頂進涵作業(yè)點上下行50m 范圍內，即K44+630-K44+730 里程段，在涵管頂進作業(yè)期間既有線除進行線路加固外，列車需限速慢行施工，扣軌加固長度12.5m，采取3-5-3 吊軌加固法，扣軌與其下的普通岔枕采用φ22-U 型螺栓聯(lián)結在一起。按圖要求安裝扣軌采用16cm×24cm×350cm 普通木岔枕，根據烏魯木齊鐵路局建設管理處頂進施工線路防護要求，軌束梁上道后，為便于在軌道幾何尺寸發(fā)生變化時臨時補修，木岔枕按隔一穿一的方式布置于既有軌枕間，木岔枕與基本軌間需用絕緣膠墊和竹墊片墊實，混凝土枕不用抽換。

軌道采用汽車運輸，封鎖命令下達前0.5h 運至安全限界以外待命，2 臺25t 吊車配合裝卸及束梁。

線路施工穿岔枕前將材料和設備準備到位，封鎖命令下達后，將岔枕垂直線路方向擺放在左側路基邊，將穿梁部位道床進行掏槽，下穿方向為小里程向大里程方向垂直線路穿入，穿好后，用吊車將P50 鋼軌安放在岔枕上，并立即用U 型扣件將鋼軌加固成束梁，與岔枕加固連接；橫梁與縱梁間用絕緣膠墊墊好，然后將各部件扣緊。完成一組岔枕加固后立即恢復該處道砟，搗鼓線路，循環(huán)作業(yè)，如圖4~6 所示。

圖4 扣軌平面

圖5 吊軌線路加固現(xiàn)場

圖6 吊軌線路現(xiàn)場檢查加固

2.4.2 扣軌拆除及線路維修

封鎖命令下達后，組織線路工人進場進行鋼軌和岔枕及連接件的拆除施工，要求收放整齊，專人進行負責搬運，拆除扣軌施工完畢后，對線路道床補充道砟，并對線路進行檢查并維護，完畢后，工點安全員檢查作業(yè)點材料堆碼、機具擱放是否存在侵線，工點負責人、設備管理負責人等人員聯(lián)合檢查線路，是否影響放行。根據線路維護檢查的結果，若達到標準后，會同鐵路工務段聯(lián)合驗收，合格并簽證后恢復運營。

2.5 頂進設備配置

結合設計提供資料，本項目管涵頂進為無基圓涵，且埋深較深，考慮卸荷拱的作用。最大頂力按如下計算，如圖7 所示。

圖7 荷載

最大頂力：

式中：Pmax頂進涵的最大頂力（t）；

K 是安全系數，一般取值1.2；

L 頂進涵段長度，取33m；

fKP表示土層堅固系數，取為1；φ 表示土壤的內摩擦角，取為28°；

N′2表示涵管每米重量、施工人員、工具及少量未能及時運走的土重約 0.2t/m；f2、f3表示豎向和側向摩擦系數，f2=f3=0.8；ξ 靜土壓力系數ξ=0.3；

R 頂進涵刃角的正面阻力R=55t/m2；

A 則是頂進涵刃角的正面積，取為涵管截面積1.058（m2）。

經計算得最大頂力為591.7t，擬采用QYS500 型液壓千斤頂，最大行程為0.3m。配備所需千斤頂臺數，計算公式如下：

式中：Pmax最大頂力（t）；

P0單個千斤頂設計頂力（t）；

k 千斤頂效率系數，取k=0.7。

經計算，此涵洞需用2 臺500t/臺的千斤頂進行頂進作業(yè)。

千斤頂以涵洞中心尾軸對稱布置。除前后橫向頂鐵外，還需配備 10、15、20、30、60、80cm 長度的縱向頂鐵，便于每頂一鎬時抽換。千斤頂后側設置6000×700×50 鋼板作為支撐墊板。其頂進施工方向須與管涵軸線重合一致，避免偏頂；頂柱之間可采用方木等塞墊緊實。嚴禁千斤頂與涵身混凝土直接接觸工作，必須要有支墊防護，以防頂壞涵身混凝土。

圖8 千斤頂布設

2.6 頂進圓管施工

2.6.1 試頂

頂鎬及控制柜提前試頂，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，確保頂進時設備正常運轉。各項準備工作就緒后進行頂進施工。

頂進設備安裝、調試完畢，須進行試頂。試頂時應對相關部位設置觀測點，并設置專人觀察點位變化情況。開頂后，每當壓力泵油壓升高5~10MPa 時立即持壓停泵并進行點位觀察，發(fā)現(xiàn)異常，暫停頂進，檢查各部位測點無異常再繼續(xù)開泵頂進，直至管涵身移動前進。試頂后對各結構部位進行全面檢查，如無異常，方可進行下一道工序。

2.6.2 頂進

頂進施工采取吃土頂進的方法，當管節(jié)頂入土內40～60cm后，只采用人工挖土、運土，土方按照設計要求掏挖完畢后，再把圓管徐徐推進，循環(huán)往復。為減小頂進阻力要求，可采用管外壁涂石蠟，并通過注漿孔注入觸變泥漿。

每節(jié)管道長3m，采用25t 吊車下管，吊裝時，要有專人進行指揮，統(tǒng)一號令。管內挖土采用人工挖土，出土采用手推車運至管外，機械運至工作坑以外。由于管涵是沿著已挖好的土壁向前頂進，所以頂進管位的正確性很大程度上取決于管前挖土開挖形狀、方向，因此須嚴格控制管前周圍超挖量。在頂進過程中，涵管管端正上方位置允許有不大于1.5cm 的空隙，以減少頂進阻力。

頂進挖土時，嚴格按照設計圖紙要求施工，即：管前挖土長度，在鐵路道床下不超越管端以外10cm，在道床以外部分不超過20cm，并隨挖隨頂。下部135°范圍內嚴禁超挖。為了確保管涵頂進易于控制方向偏差，挖土時應預留不小于10cm 厚土層切土頂進。棄方應隨挖隨運，不得大量存積。挖土時應多頻次測量涵底（開挖斷面）標高，保持刃角坡度不變，嚴禁逆坡出現(xiàn)。

當前方刃角處挖土作業(yè)完成安全進尺后，開動油泵頂進管涵。千斤頂頂程完成后，然后油泵回油泄壓，頂心回縮，在其空擋處設置頂鐵，再開壓頂進。反復循環(huán)施工作業(yè)，直至管涵前進達到圖紙設計位置。

圓涵頂進施工作業(yè)前，在既有路基上布設沉降觀測樁。頂入路基范圍內應定期測定觀測樁的高程是否發(fā)生變化，以便掌握線路路基是否發(fā)生下沉變化。在頂進至路基范圍內應安排專人觀測路基的變化，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

2.6.3 觀測

在頂進過程中，及時觀測涵管頂進進尺情況，準確掌握管涵身的方向和高程。具體觀測方法為：在管涵涵頂和涵底上畫出控制線，用固定的標準線點觀測核對涵身中線位置，保證前進方向正確。管涵身前后標高和水平位置偏差，可用水平儀測量控制，以便控制偏差并合理調整。

2.6.4 糾偏

在澆筑導軌基礎時，按設計圖做好限位導向墩，并在頂進時用木板（屑）或鍥板將管涵身與限位導向墩之間的縫隙塞墊嚴實。管涵身端頭如有方向偏差，應及時糾正調整到位。

在頂管作業(yè)過程中，如首節(jié)圓管發(fā)生較大偏斜，必須及時糾正偏差，確保無誤后方可頂進。常用的糾偏方法為挖土校正法，其具體做法為：偏差值為10~20mm 時可選用此方法。當管涵偏離設計軸線一側時，可在在偏斜側少挖或留臺，而在管涵另一側適當超挖，再次頂進時，借預留的土臺側頂管首逐漸歸位。出現(xiàn)“翹頭”或“低頭”時，同樣使用挖土校正法進行調整。

2.7 注漿

圓涵頂進完成，對路基進行壓漿處理。頂進地段內路基注漿在列車慢行運行45km/h 條件下進行。

（1）布孔：布孔是壓漿工作的開始，嚴格布置孔位，注漿孔位置及間距嚴格按照設計要求進行。

（2）鉆孔：鉆孔采取管涵內上頂面進行鉆孔。

（3）制漿：采用水泥漿液，其配合比符合設計要求。

（4）注漿：注漿時要保證施工質量，控制好注漿壓力，注意觀察，防止線路路基面隆起。注漿順序應先外圍，后中間進行，先注路基兩側，再進行線間注漿。

3 施工質量控制

本文將此涵管頂進施工項目的施工質量關鍵控制點分為4道工序，它涵蓋了頂進施工的關鍵過程。

3.1 工作坑開挖

工作坑開挖一要確定管涵孔徑尺寸，結合頂進施工設備、坑位地質情況，嚴格控制邊坡開挖坡度?？紤]到在施工期間是否有降雨等，還應為其線路兩側邊坡增加砂袋或者覆蓋彩條布進行防護，同時也要對工作坑底積水排出。保證工作坑底部的大小在管涵平面尺寸的基礎上增加0.8m 左右的工作寬度即可。

3.2 導軌安裝

導軌安裝應順直、穩(wěn)固牢靠，嚴格控制設計高程、軌間內距及中心線偏差?？砂春芄?jié)的外徑作弧形樣板進行模擬頂進檢查。導軌高程及允許偏差為±2mm，中心允許偏差±3mm，管節(jié)外徑距滑板面不得小于2cm。

3.3 頂進作業(yè)

頂進涵的試頂，其目的是檢查各項設備是否能正常運行，頂力是否均勻、后背、涵管及導軌處是否有異常情況等。

頂管前，項目部必須向作業(yè)班組進行詳細的技術交底，并辦好書面手續(xù)。

首節(jié)管節(jié)安裝在導向軌上時，應測量管節(jié)的結構尺寸、中軸線及前后端的管頂、底高程，滿足規(guī)范設計要求后方可頂進作業(yè)。

施工過程中堅持勤測、勤糾、微糾的原則。挖土工作與觀測人員密切配合，根據橋涵頂進方向和水平的偏差，采取超挖、欠挖的措施進行糾偏。頂管動態(tài)控制必須在質量標準范圍以內，如果在頂進過程中，發(fā)現(xiàn)方向失控，立即停止頂進，采取糾偏措施后，方可繼續(xù)頂進。

頂管頂進時，采用信息反饋技術，做好測量記錄，優(yōu)化頂進參數，使沉降值降低到最小限度。

管節(jié)每前進一頂程，應測量軸線和高程，發(fā)現(xiàn)偏差應及時糾正。

頂進連續(xù)進行，應做好施工過程監(jiān)控。當頂進作業(yè)中遇到下述情況時，應立即停止頂進施工，并采取相應措施處理，完善后，再繼續(xù)頂進。

（1）頂管前方發(fā)生塌方或遇有障礙物。

（2）后背墻傾斜或嚴重變形。

（3）頂柱（鐵）發(fā)生扭曲現(xiàn)象。

（4）管位偏差超過允許偏差。

（5）管口頂力超過允許承載壓力發(fā)生損傷。

3.4 注漿

套管頂進到位后，利用管節(jié)預制時預留的注漿孔對管外壁與土體之間的空隙進行注漿封閉處理，注漿漿料配比采用1：1：1水泥砂漿，注漿壓力0.2~1MPa，注漿前應做注漿速度、注漿量、注漿效果試驗，根據具體情況注漿。

4 施工安全控制

4.1 安全控制措施

施工應與有關部門密切配合確保既有線運營安全，施工中采取的安全防護方案及措施應報請有關部門并經審查批準后，方可實施，同時請有關部門派出防護人員對施工防護進行指導，確保既有線運營安全。項目部將設置專職協(xié)調人員負責聯(lián)系，加強溝通協(xié)調，確保工程施工安全順利。

施工過程中，列車運行安全防護是重點，必須嚴格按照監(jiān)理、業(yè)主、鐵路等相關部門批準的施工方案及時間進行施工。若有變動，需進行再次上報審批，確保對既有鐵路的干擾降到最低，并確保既有鐵路的運營安全。

列車通過時，要立即停止頂進作業(yè)，人員撤離涵管外。每次挖完后抓緊頂進，并整修線路，監(jiān)護人員晝夜堅持崗位，每趟列車通過前均應檢查線路，確認符合列車放行條件。

施工前準備好通風設備（空壓機、通風管以及接通電路），空壓機置于工作坑底部便于施工位置，接好通風管，通風管符合設備要求，如施工中遇有廢氣或有毒氣體造成施工人員的身體不適，因及時開啟通風設備向涵內送風，確保人身安全。頂進過程中，設備管理單位人員全程監(jiān)護。

涵管頂進及扣軌梁維護及線路檢查嚴格執(zhí)行“每趟必檢”進行線路整修及扣軌梁聯(lián)結零件整治維護辦法進行檢修。

4.2 線路沉降觀測

鑒于線路行車安全考慮，對頂進施工過程中，路基橫豎向位移進行監(jiān)控量測。

4.2.1 觀測樁設置

位移監(jiān)測點的布設以平行管道中心線為向兩側設置縱斷面，相鄰縱斷面間距3m，共計設置5 道縱斷面，以垂直管涵中心線為橫斷面，起點橫斷面距離頂管進洞口外向1.5m，依次每6m 設置一道觀測橫斷面，臨近線路時中間斷面分設在兩側路肩上，共計設置8 道橫斷面，縱橫斷面交叉位置布設控制監(jiān)測點，每個斷面布設5 個測點。埋設約1.0m 長直徑16 鋼筋觀測樁，作記號，并標志保護，如圖9、圖10 所示。

4.2.2 觀測數據

圖9 縱斷面沉降觀測標位置

圖10 沉降觀測標平面位置

本次以頂進過程中施工觀測數據為例。每個觀測點的記錄數據必須反映出觀測頻次、時間、觀測高程、位移、本次量差、累計量差等基本要素，用數據結果進行現(xiàn)場施工作業(yè)指導控制。如若數據結果超標時，應及時通知施工負責人停止作業(yè)，并采取合理有效措施處理，到位后方可繼續(xù)作業(yè)。

4.2.3 結果分析

圖11 斷面4（路肩豎向位移觀測數據結果）

由圖11 可知：兩側最大隆起位移均為5mm，最大沉降位移亦均為7mm，均滿足相關規(guī)定要求。從圖中分析的，在管涵頂進到達測點前，路肩產生輕微隆起，可能由于管涵頂進時壓力對路基土的擠壓造成；在下穿測點過程中，各個測點均發(fā)生明顯隆起，說明頂進壓力對正上方路基作用明顯；在管涵離觀測點斷面處，各個測點緩慢下沉，并隨距離增加各個測點的位移變化規(guī)律基本趨于平緩，說明由于涵內挖土棄方、頂力作用減弱等因素使導致下沉。

5 結束語

綜上所述，下穿鐵路既有線管涵頂進施工時，要嚴格遵照監(jiān)理、業(yè)主及鐵路部門下發(fā)的施工要求、規(guī)定規(guī)程進行組織施工，在保證質量的同時亦要確保線路運行、施工安全，進而順利完成施工。本文用實例證實了鐵路既有線路頂進涵的實施過程，探討了鐵路既有線頂進涵在施工過程中關鍵的幾項技術，如工作坑開挖防護技術、既有線路加固技術、導向軌及后背加固施工技術、頂進設備配置等施工技術，通過該項目頂進涵的施工，可為以后類似頂進施工提供參考，有較大的實用性。