試論泥水平衡式頂管在鐵路工程中的沉降控制措施

摘 要：近年來，隨著我國經濟水平和科學技術的不斷發展，城市化的建設進程也在不斷的加快，各類的地下管道遍布于城市的每一個角落，伴隨著鐵路建設的不斷增加，不可避免的會出現城市地下管道下穿鐵路的情況，為了保證鐵路行車的安全，并保證城市的建設進程，這就對管道的施工提出了新的技術要求，因此，泥水平衡式頂管在下穿鐵路管道的施工中的應用也越來越廣泛，然而，其施工方法對路面的沉降也是存在著一定的風險的，因此分析施工過程中存在的影響因素，做到對最大沉降量進行合理的估算，并加強施工過程中的監測力度，采用高質量的泥漿進行灌注，控制機頭的頂級速度，對機頭的頂進進行合理糾偏，這樣才能夠在施工的過程中杜絕地面沉降的發生，為鐵路的行車安全提供可靠的保障，同時也保證了城市地下管道工程的順利實施，為城市人們提供良好的居住環境，進而為建設現代化城市作出更多的貢獻。

關鍵詞：泥水平衡式;頂管;沉降;控制措施

1 前言

隨著我國改革開放的進程不斷的加深，我國綜合國力得到了跳躍式的發展，我國的城市化建設的腳步也在不斷的加快，人們的生活水平發生了極大的改善，與此同時，城市之間的聯系也變的越來越緊密，這主要表現在城際鐵路、高速鐵路的建設在不斷的發展，然而在鐵路建設的過程中，難免會出現各種地下管線下穿既有鐵路的情況，這就需要泥水平衡式頂管施工的應用，這種施工方式可以在不破壞地表面層的情況下將地下棄土進行排除，并以泥水注入以平衡壓力進而到達施工的效果，然而在進行泥水平衡式頂管的施工過程中，會面臨著路面沉降的風險，為確保鐵路行車的安全，就需要對影響路面的沉降的各個因素進行分析，并要采取相應的措施來對其加以控制，這樣才能在保證不影響鐵路行車的基礎上，完成地下管道的施工，進而完成城市化的建設，為人們的生活提供更優質的服務，從而提高人們在城市中生活的幸福感。

2 影響路面沉降的因素分析

2.1 地面沉降的過程分析

泥水平衡式頂管在施工的過程中，主要是通過地面操作臺對機頭進行控制，在地下對土層進行挖掘，與此同時，還應具備排泥系統對棄土進行去除，并通過泥水的灌注來達到平衡土層等壓力的作用。當頂管在通過某一斷層時，可能會發生地面沉降的現象，這可以分為一下幾個階段。

1）第一個階段的主要原因是沒有達到壓力的平衡，主要表現在當頂管在通過地下某一斷層時，沒有控制好泥水的灌注壓力，出現壓力不足或過大的現象，這就導致在斷層前段為進行挖掘的土層發生形變，在這種情況下，就會造成開挖面正前面的土層出現損失的現象，進而會出現地表層沉降的現象。正常情況下，采用泥水平衡頂管的施工方法時，地層的損失量應控制在0.1%～1%，這樣才能最大限度的保證土層的完整性，才能在最大限度的防止土層沉降的現象發生，并為鐵路的安全行車提供可靠的保障。

2）在機頭進行挖掘的過程中，由于控制不當就會出現超挖的現象，導致地層發生損失。另外，機頭在地下進行挖掘時，還會出現糾偏控制不好而出現的問題，在這種情況下，機頭挖掘所形成的斷面不在是理論中的圓形，而是會形成橢圓形的斷面，這就導致因為斷面面積增大而出現底層損失，從而導致機頭在挖掘時損傷地表土層，使得土體對地面的支撐力下降，從而會產生地表沉降的風險。

3）在進行泥水平衡頂管的施工時，所面臨的另一個問題就是，當機頭通過某一斷面時，由于土層的質地比較松軟，導致土體因為機頭的頂進而發生移動，導致土體與管壁之間的控制被土壤所填充，這就會導致泥水無法充分的將空隙進行填補，如果不能及時的將管壁與周邊的土體之間的空隙進行及時的填埋，就會造成地表層與管壁之間存在著應力，這就會造成底層的應力釋放，從而導致地面存在著下沉的可能。

4）泥水平衡式頂管在黏土性質地的土層進行施工的過程中，由于土層比較柔軟，由于機頭在通過斷面時會發生震動，這就會導致土層發生擾動和松弛的現象，往往會在一段時間后存在發生土層塌陷的可能，這些都將成為影響在管道下穿鐵路時發生地面沉降的關鍵因素。

3 最大沉降量的估算

泥水平衡式頂管在下穿鐵路時通常會由于一些因素而導致地面發生沉降的危險，這其中的關鍵因素就是土體的質地情況、覆土的深度情況、以及操作人員的技術水平等，這就需要在進行泥水平衡式頂管施工前，要對其施工從理論上做好充分的計算，而這其中最大沉降量的估算尤為重要。最大沉降量的估算公式如下：

最大沉降量 δmax=V/2.5i 式（1）

式中：V--土體總損失

i--沉降槽寬度，i=H/[ πtg（45°-Ф/2）]

H--管節中心至路基頂面高度

Ф--土的內摩擦角

3.1 開挖面引起的地層損失

從最大沉降量的估算公式中可以看出，地層損失量是影響最大沉降量的一個重要的參數，而底層損失量可以解釋為是用超過頂管理論開挖量的體積VL 除以頂管理論開挖量 Vt 的百分比來表示，而在泥水平衡式頂管的施工中，土層的超挖量是允許控制在0.1%-1%的，那么地層的最大損失量就應以土體損失1%來計算，計算公式如下：

Vk=l/4×π×Dc12×1%

式中：Dc1--管節外徑

π--圓周率

通過以上公式，可以在泥水平衡式頂管施工前對土層的最大損失量進行有效的計算。通過對地層最大損失量的計算，可以通過數據直觀的反應出沉降發生的可能。

4 沉降的有效控制措施

4.1 沉降監測

在泥水平衡式頂管的施工過程中，加強監測力度是降低沉降發生的有效手段，首先應該針對頂管下穿鐵路的過程中進行觀測點的設置，這個過程應該將土質的軟硬考慮在內，一般情況下，相鄰的觀測點宜相隔5cm-10cm，而每個觀測點應在斷面取最少三個點加以監測，另外，提高監測的精度是提高監測質量所必要的方法，這就需要對監測人員進行思想上及業務上進行相關的培訓工作，使其能夠主動認真的對每一個監測點進行檢測，提高監測的質量，并做到能夠根據監測的數據及時的做出調整，這樣才能在第一時間發現地面沉降的風險，并能夠通過相應的措施來將杜絕沉降危險的發生。

4.2 確保注漿的質量

泥水平衡式頂管在進行施工時，為了防止地面沉降的發生，就需要及時的對管道與周圍的土體之間進行填充，保證土體擁有與原來相同的壓力來對地面進行支撐，特別是當泥水平衡式頂管下穿鐵路時，對填充的效果就提出了更加嚴格的要求，這就需要在施工時選擇質量良好的泥漿，防止因為泥漿的質量問題而發生地面沉降的現象。其次，泥水平衡式頂管的施工時，當機頭將土體挖掘后應做到及時的用泥漿進行填充，最好是能夠做好同步壓漿。這樣可以做到在第一時間在管道外部形成完整的泥水漿套，能夠保證為地面上層提供足夠的支撐力，保證地面的完整性，為列車的行進提供安全可靠的保障，進而也為城市的建設提供了更多了支持。

4.3 控制機頭的頂進速度

機頭的頂進速度是影響泥水平衡式頂管的施工的一個重要的參數，這主要是因為機頭的頂進會對周圍的土體造成一定程度的擾動，這會對土體的結構及質量產生影響，其表現在機頭對周圍土體的擾動變大，會使得地層發生沉降的概率增大，而機頭的頂進速度越慢則對周圍土體的影響越小，但這對大大的降低泥水平衡式頂管的施工速度，增加工程的工期，造成工程成本的增加，因此，控制合理的機頭頂進速度在頂管的施工過程中是十分重要的。一般情況下，機頭在進出洞階段的頂進速度應該適當的減慢，這主要是因為洞口附近的地面受損程度大，如果頂進速度過快會使得地面因為機頭的擾動而發生沉降，而當機頭在穿越障礙物時，其頂進速度應當適當的加快，這能夠保證機頭能夠順利的在地下進行前進，以防止因為障礙物的存在而使得機頭發生故障。在其他情況下，操作人員也應該時刻的觀察監測儀上的數據，特別是機頭的工作壓力，并根據壓力的變化情況來對機頭的頂進速度進行調整，當機頭壓力減少是應適當的加快頂進速度，反正則降低頂進速度。

4.4 控制機頭頂進軸線的偏差

泥水平衡式頂管在地下進行作業時，機頭的頂進過程中往往會因為各種各樣的問題而發生偏離行進路線的情況，這在一定程度上會對管道周圍的土體造成損失，而地層的損失很可能就會發生地面沉降的危險，因此，減少機頭在行進過程中發生偏移是減少地面沉降的必要措施。這就需要操作人員在施工的過程中，根據監測點所反饋的數據參數，對機頭的頂進方向及時的做出調整，同時要盡量保證機頭在頂進的過程中進行調整，而盡量避免機頭停止時進行調整，另外，當發現機頭的頂進路線發生偏移時，對機頭進行調整的角度要盡可能的小，防止因為角度過大而使得周圍土體的損失變大。這也對操作人員的專業技能提出了要求，因此，施工時應該選用有經驗的員工來對進行實際操作，這樣才能在最大程度上的降低鐵路下穿頂管的發生沉降的危險，提高頂管的施工質量，保證鐵路在施工段的質量不受影響，防止列車在行駛到施工段而發生危險，造成人們的生命和財產的損失。

4.5 施工完成后的監測工作

在泥水平衡式頂管施工完成后，應對地面的沉降情況進行測量，并做好相應的記錄，還應在7日后對地面的沉降進行再次的測量，并將該測量的結果作為地面的最終沉降值，如果其數值小于最大沉降量的估算值，那么說明該泥水平衡式頂管的施工質量是符合要求的，其可以滿足列車在地面上的行駛，而不會發生地面沉降的危險，同時也能夠滿足地下管道建設的功能的體現，為城市建設提高更多的服務，能夠很好展現出城市的功能，為人們的生活提供更多的便利，從而增加人們在城市中生活的幸福感。

4.6 鐵路的保護措施

在頂管下穿鐵路的施工過程中，要想保證地面的完整性及支撐力，進而保證鐵路的行車安全，除了采取合理的措施對頂管的施工過程進行有效的控制外，還應該對地面的鐵路進行相應的保護，因此，在地下頂管的施工之初就應對地下施工路段的鐵軌進行加固，并在頂管施工的過程中向鐵路部門提出申請降低列車行進的車速，并對鐵路的情況進行實時的監測，必要時還應對鐵路進行停車封鎖，防止在施工時，由于列車的行駛而造成施工出現質量問題而發生危險，或者是防止行車對泥水平衡式頂管的施工造成潛在的安全隱患，使得施工結束后的一段時間而發生地面沉降的危險，進而在鐵路行車時發生人身和財產的損失。

5 結語

總而言之，泥水平衡式頂管作為一種被廣泛應用的施工方式，其在下穿鐵路管道的施工中的應用也越來越多，而其施工的質量也直接的影響到了鐵路的行車安全，因此認真的對泥水平衡式頂管的施工過程中存在的問題進行分析，并做到對最大沉降量進行合理的估算，并加強施工過程中的監測力度，采用高質量的泥漿進行灌注，控制機頭的頂級速度，對機頭的頂進進行合理糾偏，這樣才能夠在施工的過程中杜絕地面沉降的發生，為鐵路的行車安全提供可靠的保障，同時也保證了城市地下管道工程的順利實施，為城市人們提供良好的居住環境，進而為建設現代化城市作出更多的貢獻。

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作者簡介：

方舟（1990.09--）;性別：男，籍貫：江蘇省宿遷人，學歷：本科，畢業于南京工程學院;現有職稱：助理工程師;研究方向：工程技術;