頂管施工技術在下穿鐵路路基中應用的研究

索新愛 李 媛 王 馨

(1.天津華興勘察設計有限公司，天津 300241； 2.中國核電工程有限公司，北京 100089)

1 工程概況

北京新機場項目供油工程津京第二輸油管道穿越北金聯絡線鐵路K4+169.10防護套管項目位于天津市濱海新區唐津高速與北金聯絡線鐵路交口東側。管道規格為D600×8.8 mm，L415直縫埋弧焊鋼管，常溫輸送，設計壓力為6.3 MPa。采用1-Φ1.55 m鋼筋混凝土防護套管進行保護，防護套管全長75.48 m，穿越處夾角為79°。

2 頂管設計

2.1 設計原則

2.1.1防護套管長度

結合工程規劃路由，防護套管穿越既有鐵路路基，交叉角度不宜小于45°。套管邊緣距離鐵路接觸網桿和貫通、自閉、通信、信號桿等支柱基礎邊緣的水平距離不得小于3 m[1]。

1)穿越位置處鐵路既有地界；

2)鐵路安全保護區(一般地區為梁或路基坡腳、路塹坡頂外15 m)；

3)北京鐵路局臨近營業線施工范圍、考慮大型機械施工水平傾倒安全距離。

頂管長度取以上3條最大值。

2.1.2防護套管埋深

套管頂部距離自然地面應不小于1.5D(套管外徑)，且不小于2.0 m。遇有魚塘、排污河流時按照塘底或河底沖刷線下不小于1.5D來考慮。

2.2 工作坑和接收坑設計

工作坑和接收坑深6.06 m，均采用φ1.0 m鉆孔樁結構防護，樁長15 m。鉆孔樁上設置冠梁，冠梁高度1.0 m、寬度1.2 m。為確保頂管頂進過程中工作坑的穩定及鐵路行車安全，基坑內設置工字鋼圍檁+φ60.9 cm鋼管?；拥卒佋O0.5 m厚C20混凝土墊層，導軌預埋其中，后背墻采用C30鋼筋混凝土。底板底采用φ0.6 m@0.4 m高壓旋噴樁地基加固，處理深度5 m。

基坑周圍采用φ0.6 m@0.4 m雙排高壓旋噴樁止水帷幕防水，每根攪拌樁的樁長為9 m?；觾仍O集水井集水，基坑底用0.5 m厚C20混凝土封底，確保工作坑的安全無水作業。

2.3 頂力計算

本項目采用1-φ1.55 m鋼筋混凝土防護套管，平均覆土厚度4.31 m，防護套管產品規格為Φ1550T8-S，控制頂力6 100 kN[2]。

防護套管的總頂力估算如式(1)所示[3]：

F0=πD1Lfk+NF

(1)

其中,F0為總頂力標準值，kN；D1為管道的外徑,1.88 m；L為管道設計頂進長度,75.48 m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，取5.0 kN/m2；NF為頂管機的迎面阻力，kN。

(2)

其中，Dg為頂管機外徑2.18 m；γs為土的濕重度，取17.7 kN/m3；Hs為防護套管埋深4.31 m。

F0=3.14×1.88×75.48×5+3.14/4×2.18×17.7×4.31=2 512 kN。

因此，總頂力F0=2 512 kN小于控制頂力6 100 kN，滿足要求。

2.4 頂管施工準備

頂進前在工作坑內沿頂進方向鋪設枕木排，并架設導向軌(60 kg/m)。頂管采用機頭頂進。管節必須全面檢驗，發現外觀有缺陷的一律禁止使用。頂進前管外壁均勻涂抹石蠟，以減少頂進阻力。管節之間的橡膠止水圈需提前上好。利用環形頂鐵將掉放在軌道上的管節緩慢推進，平順對接接頭。管節如有破壞、翻轉、出槽等現象，必須重新更換管節、調整橡膠圈，重新安放對接。

2.5 鐵路線路加固

為了減少頂管頂進過程中對鐵路運輸安全性的不利影響，避免因頂管施工造成的損失，頂進之前必須加固鐵路線路。加固形式通常采用3-5-3扣軌法，加固長度為25 m,頂進施工過程中鐵路行車限速為45 km/h。無縫線路實施線路加固前后，需據實對無縫線路進行應力放散，并檢測軌溫變化。頂進施工結束后，應嚴格執行隔六換一的原則拆除木枕。

2.6 注漿加固

利用注漿壓力將土顆粒間及裂隙中的水分和空氣排出，并使得漿液占據土顆粒間的空間。經過固結作用，原來松散的土顆粒形成具有高強度、高防水性及化學穩定性好的結合體，起到加固土體的作用。

注漿質量與注漿壓力和漿液濃度有著密切的關系，路基的密實度、強度都是影響注漿壓力的關鍵因素，注漿濃度與注漿體材料密切相關。

2.6.1注漿材料特性

注漿采用無收縮注漿液，以水泥為主體，根據現場試驗配入適當比例的粉煤灰，有時為改善漿液的性能可加入適當的外加劑。

注漿材料應滿足如下要求：

1)固結硬化的時間可根據工程施工的要求適當調整；

2)滲透性需滿足不同土質的要求；

3)在富含地下水的地區，也應具有很強的固結性；

4)漿液滲入地下水后無污染。

2.6.2注漿材料配合比

1)水泥漿。

水灰比1∶1～1.1∶1。水玻璃摻量為水泥用量的5%(重量比)，水泥采用超細水泥。

2)當遇到跑漿、冒漿、注漿量或注漿壓力已達到要求等情況時需隨時調整注漿進度或漿液濃度。

2.6.3注漿參數

鐵路路基范圍內注漿時漿液壓力為0.5 MPa～1.0 MPa，地基土漿液注入率采用15%，保證注漿固結后地表隆起累計值不大于8 mm，注漿徑向范圍控制在1 m以內。頂進管節就位后通過預留注漿孔注漿，注漿壓力為0.1 MPa～0.6 MPa，擴散半徑按1 m考慮。注漿完成后需采用雷達探測地基密實性，如發現空洞應進行二次補強。

2.7 頂進糾偏

1)本工程要求圓管頂進最大扎頭不允許超過5 cm。

2)頂進糾偏堅持勤測量、多微調原則，每次糾偏角度不宜過大。要做到“勤測勤糾、多糾微糾”，保證偏差在偏差警戒線以內。

3)初始推進階段，方向主要是主頂油缸控制，一方面要減慢主頂推進速度，另一方面不斷調整油缸編組和機頭糾偏[4]。

2.8 施工監測

本基坑支護安全等級為Ⅱ級，為了保證防護結構的安全性，及時了解周圍環境隨基坑開挖的變化，必須對基坑施工進行動態監測。監測主要分為應力監測與變形監測。變形監測儀器主要采用經緯儀、水準儀和測斜儀等，應力監測儀器主要采用應變計和壓力傳感器等[5]。主要監測項目有：樁頂水平及豎向位移、鋼支撐軸力、支護結構深層水平位移、水位觀測、地面沉降等。

2.8.1基坑及頂進區域周圍環境的監測點布置

1)基坑防護樁的水平位移和垂直位移監測：基坑每個角點和中點布置一個位移監測點，保證每邊測點不少于3個。

2)基坑周邊地表沉降觀測：沿基坑周邊向外每隔5 m設一個沉降監測點；地下管線地表也需布置監測點。

2.8.2監測報警值

1)基坑防護樁頂水平位移：累計位移30 mm或變形速率3 mm/d。

2)基坑防護樁頂豎向位移：累計位移20 mm或變形速率3 mm/d。

3)支護結構深層水平位移：累計位移50 mm或變形速率3 mm/d。

4)基坑周邊地表沉降：累計位移30 mm或變形速率3 mm/d。

5)當檢測數據達到報警值時，應及時報警并啟動應急事故處理預案。

2.8.3巡視檢查內容

工程施工過程中需對基坑防護結構的成型質量、實際土質情況與勘察報告有無出入、基坑周邊環境變化等進行巡視檢查。確保施工安全有序的進行。

2.8.4監測頻率

頂進工程施工全過程都應時刻監測。在基坑施工之前進行3次觀測，取得監測初始值?；娱_挖深度小于5 m時1次/2 d，開挖至5 m～10 m時1次/1 d，開挖至大于10 m到底板澆筑后7 d內2次/d，底板澆筑后7 d～28 d期間1次/d，底板澆筑28 d后到施工結束1次/3 d。頂進期間每天觀測一次，基坑及周圍環境出現異常情況時要加密觀測，發生大量沉降、不均勻沉降或嚴重裂縫時，應連續觀測。

3 結語

本工程采用頂管技術穿越鐵路路基，減少了對既有鐵路運營的影響，實現了地下管道的非開挖敷設。取得良好的社會和經濟效益，對同類工程具有良好的借鑒意義。

參考文獻：

[1] 國能油氣[2015]392號，國家能源局國家鐵路局關于印發《油氣輸送管線與鐵路交匯工程技術管理規定》的通知[Z].

[2] 鐵路頂管通用圖[Z].北京：北京鐵路局，北京市市政工程研究總院,1996.

[3] CECS 246—2008,給水排水工程頂管技術規程[S].

[4] 葛春輝.頂管工程設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2012:183-190.

[5] 李家鑫,于庭偉.頂管施工技術在市政工程中的應用[J].施工技術,2007,7(45)：23-25.