泥水平衡式頂管在鐵路工程中的沉降控制措施

汪 新 上海鐵路局經營開發(fā)處

頂管施工是近年來被廣泛運用的一種地下工程施工方法，它不需要開挖面層，根據(jù)土層性質、管徑、地下水位等條件，施工中可選用手掘式、網(wǎng)絡擠壓式、土壓平衡式、泥水平衡式等不同類型的頂管機。頂管施工在鐵路工程中的應用，一般由于市政工程建設中雨污水管、燃氣管、電力通信管等管線穿越鐵路路基時加設套管的需要。為確保鐵路行車安全，需要嚴格控制頂管施工中及施工后的路基沉降值，在黏性土或砂性土的地層中，采用泥水平衡式頂管的施工方法較多。

1 影響路基沉降的因素分析

1.1 開挖面引起的地層損失

在挖掘頂進過程中正面土體擾動，土體向開挖面方向移動，引起地層損失。泥水平衡法頂管施工，地層損失約為0.1%～1%。

1.2 機頭與后繼管節(jié)外徑差值引起的地層損失

為便于管道泥漿套的形成，減小頂進阻力，機頭外徑在制造時一般要比后繼管節(jié)外徑大20～30 mm，這樣后繼管節(jié)外圍就有10～15 mm 的建筑空間，如后繼管節(jié)壓漿量不足，其壓力不足于支撐土體壓力，就會引起地層損失。

1.3 相鄰管節(jié)不平整度過大引起的地層損失

由于管節(jié)制造精度問題或施工時管節(jié)拼裝問題等，會引起相鄰管節(jié)不平整，此種情況下，如壓漿量不足，其壓力不足于支撐土體壓力，也會引起地層損失。

1.4 機頭糾偏引起的地層損失

機頭糾偏形成的斷面為橢圓形而非圓形，橢圓面積與設計圖形之差值，即為糾偏引起的地層損失。由于在含水的松軟土層中因機頭外周土體自力性極差，隨著機頭的頂進，其外周空隙被隨即變形的土體所填充，所以該部分土體很難以壓漿來彌補。

2 最大沉降量估算

泥水平衡式頂管引起的路基沉降，視土質情況、覆土深度、操作水平等因素而不同，按照不排水情況下開挖所形成的路基沉降槽的體積應等于地層損失的體積這一理論，最大沉降量一般可按式

（1）進行估算：

式中：V--土體總損失

i--沉降槽寬度，i=H/[ πtg (45°-Ф/2)]

H--管節(jié)中心至路基頂面高度

Ф--土的內摩擦角

頂管施工產生的路基沉降橫向分布近似為一正態(tài)分布曲線，如圖1 所示，其中影響范圍W=2.5i。

圖1 路基沉降橫向分布圖

2.1 開挖面引起的地層損失

根據(jù)地區(qū)施工經驗，泥水平衡式頂管超挖量可控制在1%以內。如按1%計算，則：

式中：Dc1--管節(jié)外徑

π--圓周率

2.2 機頭與后繼管節(jié)外徑差值引起的地層損失

式中：D--機頭外徑

a--機頭外周半徑與管節(jié)外周半徑之差，一般取0.01 m

K--注漿不足率，一般取0.2

2.3 相鄰管節(jié)不平整度引起的地層損失

Vc2=π×Dc1×ap×Kp×n式中：Dc1--管節(jié)外徑

ap--相鄰管節(jié)外周半徑之差，最大差值取0.005 m

Kp--注漿不足率，取0.2

n--穿越某處土層管節(jié)半徑差值大于5 mm 的出現(xiàn)次數(shù)(按10%計算)

2.4 機頭糾偏引起的地層損失

式中：D--機頭外徑

L--機頭長度

a--機頭頂進軸線與管道軸線的夾角(弧度)，按最大糾偏角0.15°計算

2.5 土體總損失

2.6 管頂最大沉降量

3 工程應用

3.1 工程概況

某市污水管穿越鐵路套管工程，路基為填方地段，路基面至管節(jié)中心高度為6.0 m，選用1-Φ2.0 m 鐵路C40 鋼筋混凝土F 型頂管（2 m/節(jié)）作為污水管的套管，管節(jié)外徑2.44 m，頂進長度54 m，穿越土層為黏土（內摩擦角按30°）。

由于該頂管工程所穿越的鐵路為客運專線，對路基沉降控制的要求非常嚴格，結合工程所在區(qū)域為黏性土，因此選用泥水平衡式頂管機，頂進機頭長2.5 m，外徑2.46 m。

3.2 沉降量估算

沉降槽寬度

開挖面引起的地層損失

機頭與后繼管節(jié)外徑差值引起的地層損失

相鄰管節(jié)不平整度引起的地層損失

取n=(54/2)×10%=3

機頭糾偏引起的地層損失

土體總損失

管頂最大沉降量

3.3 采取的主要措施

3.3.1 沉降監(jiān)測

（1）監(jiān)測設置

設置沉降監(jiān)測主要采集相關監(jiān)測數(shù)據(jù)，頂進前即在穿越鐵路路基段每隔5 m 的沉降槽斷面設置沉降觀測點，每斷面3 個點，沉降槽中部及兩邊各設置1個點，并在可能沉降的范圍以外設置基準點1 處，測量標志使用鋼筋樁，測量儀器采用自動安平水準儀和銦鋼水準尺，監(jiān)測的相對精度約0.3 mm。

（2）監(jiān)測頻率

測量頻率為機頭切口經過前10 m后20 m(共30 m)范圍內每頂進2 m 測一次，30 m 后每頂進4 m 測一次。頂進結束后3 日后測量沉降值及沉降速率，7日后測量最終沉降值。

（3）數(shù)據(jù)整理與反饋

每一次測量成果對應施工進度，施工參數(shù)整理成圖表形式，及時反饋給現(xiàn)場操作人員，操作人員根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整土壓力設置值、泥水壓力、注漿量、頂進速度、泥水濃度等各種參數(shù)。

3.3.2 確保注漿質量

由于管道外圍就有10～15 mm 的建筑空間，觸變泥漿是防止管道外周土層坍落以控制地層移動的主要支承介質，頂進過程中做到同步壓漿，以迅速填充管道外周的空隙，形成完整泥漿套，同時嚴格控制泥漿壓力，防止跑漿。

3.3.3 合理掌握頂進速度

一般情況下，頂進速度控制在20～30 mm/min，土壓力的波動值控制在-0.02～0.02 MPa，當監(jiān)測儀表上顯示機頭工作壓力突然減小時，適當加快推進速度，以減小機頭與開挖面之間的有害空間，防止地層坍落；當工作壓力突然增大時，減緩推進速度，以減小開挖面土體的被動土壓力，防止地層隆起。

3.3.4 控制頂進軸線偏差

頂進過程中通過測量監(jiān)控，及時采取糾偏，避免大曲率糾偏對土體產生較大的擾動，減小地層損失。頂進前，在工作坑內建立了測量系統(tǒng)，頂進操作時在監(jiān)視儀表上每偏離中心一格即代表偏差10 mm，達到20 mm 時即采取糾偏，實際頂進結束時，軸線偏差最大值為15 mm。

3.3.5 置換觸變泥漿

為防止滯后沉降，在頂進結束后，即利用注漿設備，及時采用水泥漿對觸變泥漿進行置換，共用水泥2 t。

3.4 效果

該工程通過采取以上控制措施后，頂進過程中路基沉降值基本為0，3 日后測量未發(fā)現(xiàn)有明顯沉降，7 日后測量最終沉降值為4 mm，小于理論上估算的最大沉降量14 mm。

4 結束語

工程應用實踐證明，泥水平衡式頂管法在鐵路工程中運用時，采取沉降監(jiān)測、確保注漿質量、合理掌握頂進速度、控制頂進軸線偏差，以及頂進后對觸變泥漿及時進行置換等措施，能夠有效控制施工中及施工后的路基沉降值，可為此類工程提供借鑒。

[1]姜玉松.《地下工程施工技術》.武漢理工大學出版社.2008.