大直徑管道下穿地質復雜鐵路路基施工關鍵技術研究

（中鐵二十五局集團 第六工程有限公司，廣西 柳州 545007）

【摘 要】文章以湛江麻章污水處理廠大口徑頂管穿越黎湛鐵路路基施工為實例，對泥水平衡頂進與鐵路防護結合施工進行概述，同時介紹該工程頂管施工工法選擇、頂力計算、工作井設計、地表沉降量值評估、鐵路加固防護措施，對同類管道的施工起到一定的借鑒作用。

【關鍵詞】下穿鐵路；泥水平衡頂管；沉降

【中圖分類號】U213 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0043-05

1 工程概況

麻章污水處理廠廠外配套管網一期工程在B段穿過黎湛鐵路，截污管道外徑為2 900 mm，內徑為2 400 mm，長約50 m，采用泥水平衡頂管機掘進施工。頂管與鐵路夾角近90°，頂管下穿既有黎湛鐵路位置為電氣化雙線鐵路路基，采用無縫鋼軌及有砟軌道，路基頂寬約15 m，底寬約26 m，路基高度約2.0 m。管道埋深為6.0～10.0 m，管道坡度為2‰。穿越的土層主要為第⑤層軟塑～可塑粉質黏土，容許承載力為110 kPa，該層土天然容重r=19.1 kN/m3，直接快剪凝聚力C=18.3 kPa，內摩擦角p=9.7°。

2 泥水平衡頂管掘進機頂進施工方法

一進場即先進行地基注漿加固，然后同時施工工作井和接收井，為下階段頂管作好準備。

2.1 泥水平衡頂管工作原理

泥水平衡頂管法的工作原理是采用機械掘進技術，其特征如下：刀盤將切削的土壤先送入泥水倉，然后送水泵將具有一定濃度的泥水送至挖掘面，通過刀盤充分攪拌后，由排泥泵經排泥管道將泥水送至地面泥漿池，經沉淀或分離后泥水可重復利用，殘渣外運；掘進過程中，通過刀盤及頂速平衡正面壓力，調節循環水壓力用以平衡地下水壓力；采用流體輸送切削入泥倉的土體，頂進過程不間斷，施工速度快；無需土質改良或降水處理，施工后地表沉降小。通常，泥水平衡頂管的主要設備有掘進機、主頂設備、測量設備、井內旁通控制系統等；輔助設備包括泥水埋處理、注漿設備、中繼間等。由于本次開挖使用的掘進機具有以上這些特殊的構造，因此它的破碎能力較強，破碎的最大粒徑可達到掘進機口徑的40%～45%，破碎的卵石強度可達200 MPa（如圖1所示）。

2.2 工作井和接收井施工參數

（1）工作井的凈寬度B≥D1+2×1.2（管道兩側各留1.2 m操作空間）。

（2）工作坑的凈長度L≥l2+l3+l4+k。

式中：D1為管道的外徑；l2為頂管機長度，D2900長4.5 m；l3為千斤頂長度，為1.8 m；l4為環形頂鐵厚度，為1.5 m；k為后座和頂鐵的厚度，為0.5 m。

（3）接收坑內最小凈寬度B≥D2+2×1.0（管道兩側各留1 m操作空間）。式中：B為接收井內凈寬度（m），D2為頂管外徑。計算得：D2400頂管工作井，L≥4.5+1.8+1.5+0.5=8.3 m，B≥2.9+2×1.2=5.3 m，按圓形井設計，R≥[（4.5+1.8+1.5）2+2.92]0.5=8.32 m，因此圓形工作井內直徑取8.4 m。

D2400頂管接收井，L≥4.5，B≥2.9+2×1=4.9，按圓形井設計，R≥[4.52+2.92]0.5=5.35 m，因此圓形接收井內直徑取6.0 m。

為了滿足工作井、接收井井底地基承載力要求，必須對井底進行止水幕處理。工作井：止水幕兩端加固寬度為4.2 m，兩側加固寬度為10.8 m，加固深度均為17.9 m；管底加固長度為24.1 m，井底直徑為8.4 m，深度均為9.6 m。接收井：止水幕兩端加固寬度為4.2 m，兩側加固寬度為9 m，加固深度均為12.85 m；井底直徑為6.0 m，深度均為7.2 m。經加固后，地基承載達到120 kPa，可滿足井底地基承載力要求。特殊情況下，如遇井上浮現象，可利用井底集水井（砂底），采取臨時降、排水措施。頂管工作井井內布置如圖2所示。

如果發生流砂管涌和隆起的現象，隨即向井內灌水壓重，不讓地下水自由流動帶動砂土涌流，消除流砂管涌和隆起的現象，然后進行水下封底，穩定井壁。水下砼達到設計強度后抽干井內水，在井內進行清淤，澆素砼墊層或做過濾層后綁扎底板鋼筋，澆灌底板砼。

2.3 頂推力計算與后靠背設計

本工程頂管外徑為2.9 m的鋼筋混凝土圓管，管壁厚0.25 m，混凝土強度等級為C50，設計抗滲標號為W8，預制管節每段長2.5 m，采用承插式“F”形管接口。采用泥水平衡頂管施工，泥水平衡頂管的頂力包括泥水平衡壓力和管壁摩阻力。

2.3.1 頂推力計算

在封閉的沖泥艙內加泥水壓力平衡地下水壓力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水壓力一定要合理，若壓力較小，大量的泥砂會涌入，造成路面被破壞，地表設施受損；若壓力過大，會增大主千斤頂負荷，嚴重的可能產生冒頂現象。頂進阻力主要由迎面阻力、頂進阻力2個部分組成，即

F=F1+F2=π×2D×P/4+π×D×f×L

式中，F為總推力；F1為迎面阻力；F2為頂進阻力。

2.3.2 泥水平衡迎面阻力計算

F1=π×2D×P/4

F1=π/4×2D×P（D為管外徑2.9 m；P為控制土壓力）

P=K0×γ×H0

式中：K0為靜止土壓力系數，一般取0.55；H0為地面至掘進機中心的厚度，取最大值10 m；γ為土的濕重量，取1.9 t/m3。

P=0.55×1.9×10=10.45 t/m2

F1=3.14/4×2.9×2×10.45=47.58 t

2.3.3 頂進阻力計算

F2=π×D×f×L

式中：F2為頂進阻力（kN）；D為頂管外徑（m）；L為頂管長度（m）；f為管壁與土的平均摩擦阻力（kN/m2），采用觸變泥漿減阻；一般淤泥、淤泥質細砂取f=1 kN/m2。

F2=3.14×2.9×1×50=455.3 t。

2.3.4 千斤頂選擇

根據以上計算方式，結合頂管的長度、地質、管徑等因素，同時考慮地下工程的復雜性及不可預見因素，頂管設備取2.0倍能力儲備。由前面頂力計算可知，本工程最長管段的頂力為502.88 t，配備200 t×4臺液壓千斤頂能完全滿足頂力的需要，活塞行程為3 000 mm，主油泵最大供油壓為40 MPa，供油量為10 L/min。

2.3.5 后靠背設計

為了保證頂進質量和施工安全，本工程采用鋼筋混凝土沉井后背，后背要有足夠的強度和剛度，且壓縮變形要均勻，需要承受的最大頂力按照3 000 kN計算，在工作井底部設置厚50 cm的鋼筋砼后靠背，后靠背結構和沉井結構整體受力，經過驗算校核，該工作井的后靠背能滿足頂管的頂力要求，滿足在8 120 kN的頂力作用下抗裂，豎向、橫向的抗傾覆要求。泥水平衡法頂管施工示意圖如圖3所示。

2.3.6 頂進

頂進工作流程如下：安放機頭→安裝承接口鋼環→安裝連接電纜、油管、進出泥水管路、注漿管路→伸出頂鎬活塞桿→頂進→縮回頂鎬活塞桿→拆出承接口鋼環→拆除機頭管內電纜、油管、進出泥水管路、注漿管路→安放鋼筋砼管繼續再頂。

2.4 頂力測量和糾偏的方法

2.4.1 平面控制測量

嚴格控制好導線點和洞門復測、軌道定位、高程控制測量及頂管機和管節的跟蹤測量。頂管機進洞前開始對機頭進行跟蹤測量，在頂管機背面儀表盤處及后靠背上安裝激光經緯儀，隨著機頭的頂進，隨時跟蹤測量，根據測量的成果，對頂管機的左、右、上、下位移進行隨偏隨糾。測量時每天做好測量原始記錄，并觀察已頂進完成的管節沉降情況。

2.4.2 糾偏措施

（1）穿墻和糾偏階段要求每頂進10～30 cm測量1次。正常頂進階段為50～100 cm測量1次。

（2）工具管糾偏要在頂進過程中進行，繪制工具管側點行進軌跡曲線圖來指導糾偏，管軸線偏差不允許大起大落。

（3）糾偏控制由糾偏千斤頂進行，掘進機共有糾偏千斤頂4個，糾偏角度2.5°，能上、下、左、右4個方向進行全方位糾偏。一般情況，每次糾偏角度不大于0.5°，以適當的曲率半徑逐步地返回到軸線上來，做到精心施工。

（4）糾偏由激光經緯儀進行測量，激光經緯儀發出的激光束照射在位于鉆掘系統內的光靶上。根據測得的偏斜數據，操縱液動糾偏系統，使掘進系統前部鉸接的機頭產生偏擺，從而實現鋪管方向的調節。糾偏過程分4個步驟進行，具體方法如圖4所示。

為減小頂管對地面沉降變形的影響，根據工程地質資料選用大刀盤泥水平衡式頂管掘進機進行施工。頂管機裝備頂力為8 000 kN，施工時主頂最大頂力不超過4 000 kN，在穿越鐵路時控制主頂最大頂力不超過3 000 kN，避免引起鐵路路基隆起。

頂進時，通過管節上預留的注漿孔，向管道外壁壓入一定量的減阻泥槳，在管道四周外圍形成一個泥漿套，減小管節外壁和土層間的摩阻力，從而減小頂進時的頂力。根據工程施工總進度計劃安排，采用1只頂管機頭投入本工程可滿足工期要求。

3 地層變形分析

3.1 Peck法

在頂管穿越鐵路段的低沉變形計算中，參照盾構隧道引起地面沉降量及沉陷槽的計算原理，采用Peck法進行計算分析，其沉陷槽橫向分布如圖5所示，具體公式如上：

式中，Smax為管頂中心最大沉降量（m）；S（x）為橫向距頂管中心x距離處的地面沉降量（m）；i為沉降槽曲線反彎點距離（m）；φ為頂管上部土層內摩擦角（°）；Z為頂管中心距地面高度（m）；V1為地層損失率（%）。

Peck法計算公式中，地層損失率與頂管頂進過程中引起的超挖量相關。根據規范要求，當在超挖空間進行注漿支護時，超挖量允許值應小于10 mm；當不進行注漿作業時，超挖量允許值應小于5 mm。在頂管穿越鐵路的沉降計算中，超挖量取值為10 mm，地層損失率為0.86%。經計算，管道頂部最大沉降量為5.48 mm，本工程管道中心間距為10 m，在頂管沉降槽交匯處沉降量相互疊加為9.77 mm；沉陷槽寬度一般取5倍的沉降槽曲線反彎點距離，即54 m，因此本工程頂管穿越鐵路的影響范圍為81 m。

3.2 管道壓漿加固

管道頂進完成及檢查井施工完成后，對所有管線壓漿進行地基處理，最大限度地消除因頂管施工造成的地面沉降。水泥漿填充可以有效地補償頂管管外側超挖部分，從而達到管體外側土體密實。填充完畢后，做好施工記錄，并保存有關資料。注漿材料以低標號水泥為主，注漿材料的配比按水泥∶粉煤灰=1∶1（重量比），加水量以目測稠度適當，能夠具備注漿泵使用為宜。壓漿時必須遵循“先壓后頂、隨頂隨壓、及時補漿”的原則。

3.3 變形監測

在頂管施工沿線特殊位置設置控制點，用于監測頂管頂進施工期間的地面沉降量，根據監測情況及時采取相應的措施。對地基處理范圍內各道鋼軌頂及軌枕每隔10 m用紅油漆布置觀側點，在兩側路肩、坡腳及坡腳外10 m處，各設置1排觀測樁，縱向間距為10 m，監測軌道及路基的沉降變形和水平位移。路基24 h水平或豎直位移超過5 mm，數據出現異常時，應立即停止施工，分析原因，調整施工參數并采取處理措施。經現場施工經驗得知掘進機掘進的過程即是地層損失發生并對周圍環境產生影響的過程，這一過程中引起土層變形主要有以下因素：一是機頭的類型，即開挖面的穩定措施；二是泥漿套的形成質量；三是頂進糾偏的偏心度；四是管道的密封狀況。其中，前2項為最主要因素，要弄清楚擾動原因并進行相應的分析是非常困難的。在分析中，可將掘進對地層的擾動用一個綜合的地層損失來描述，得出最后沉降因素的評估值。

4 注漿加固防護措施

根據本工程地質條件，為保證工程建設順利實施及既有黎湛鐵路運營安全，采用帷幕加袖閥管注漿施工進行地基處理。注漿分主加固區及次加固區。對路基下部主要受力面土層進行處理設為注漿主加固區，對鐵路路基路肩兩側7.5 m范圍內設注漿次加固區。注漿孔縱向間距為1.50 m，注漿加固至涵管頂以上約7 m，涵管底以下約1 m，注漿范圍沿鐵路兩側各35 m。當注漿達到下列標準之一時，可結束該孔注漿：①注漿孔口壓力維持在0.2 MPa左右，吸漿量不大于5 L/min，維持30 min。②冒漿點已超出注漿范圍外3～5 m時。③單孔注漿量達到平均注漿量的1.5～2.0倍，且進漿量明顯減少時。當達不到上述標準時，應清孔再次注漿。

5 結語

通過采用泥水平衡頂管和管道壓漿加固技術及從沉降量和軌道短弦矢度值進行評估，成功解決湛江麻章污水處理廠大口徑頂管穿越黎湛鐵路路基的技術難題。施工實踐證明，采用泥水平衡頂管施工技術，施工后地表沉降小，累計下沉量為30 mm，通過及時整修，未對列車運行造成影響；精度高，中線誤差均在50 mm以內；效率高、環境污染小、進度快，24 h平均進度在20 m左右。同時，克服淤泥、高含水的惡劣地質等特殊條件下成功穿越鐵路，積累了寶貴的施工經驗，可為類似工程的施工起到一定的借鑒作用。

參 考 文 獻

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[3]JGJ 165—2010，地下建筑工程逆作法技術規程[S].

[責任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】梁玉亮，男，廣西柳州人，本科，中鐵二十五局集團第六工程有限公司工程師，從事土木工程工作。