大直径管道下穿地质复杂铁路路基施工关键技术研究

（中铁二十五局集团 第六工程有限公司，广西 柳州 545007）

【摘 要】文章以湛江麻章污水处理厂大口径顶管穿越黎湛铁路路基施工为实例，对泥水平衡顶进与铁路防护结合施工进行概述，同时介绍该工程顶管施工工法选择、顶力计算、工作井设计、地表沉降量值评估、铁路加固防护措施，对同类管道的施工起到一定的借鉴作用。

【关键词】下穿铁路；泥水平衡顶管；沉降

【中图分类号】U213 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0043-05

1 工程概况

麻章污水处理厂厂外配套管网一期工程在B段穿过黎湛铁路，截污管道外径为2 900 mm，内径为2 400 mm，长约50 m，采用泥水平衡顶管机掘进施工。顶管与铁路夹角近90°，顶管下穿既有黎湛铁路位置为电气化双线铁路路基，采用无缝钢轨及有砟轨道，路基顶宽约15 m，底宽约26 m，路基高度约2.0 m。管道埋深为6.0～10.0 m，管道坡度为2‰。穿越的土层主要为第⑤层软塑～可塑粉质黏土，容许承载力为110 kPa，该层土天然容重r=19.1 kN/m3，直接快剪凝聚力C=18.3 kPa，内摩擦角p=9.7°。

2 泥水平衡顶管掘进机顶进施工方法

一进场即先进行地基注浆加固，然后同时施工工作井和接收井，为下阶段顶管作好准备。

2.1 泥水平衡頂管工作原理

泥水平衡顶管法的工作原理是采用机械掘进技术，其特征如下：刀盘将切削的土壤先送入泥水仓，然后送水泵将具有一定浓度的泥水送至挖掘面，通过刀盘充分搅拌后，由排泥泵经排泥管道将泥水送至地面泥浆池，经沉淀或分离后泥水可重复利用，残渣外运；掘进过程中，通过刀盘及顶速平衡正面压力，调节循环水压力用以平衡地下水压力；采用流体输送切削入泥仓的土体，顶进过程不间断，施工速度快；无需土质改良或降水处理，施工后地表沉降小。通常，泥水平衡顶管的主要设备有掘进机、主顶设备、测量设备、井内旁通控制系统等；辅助设备包括泥水埋处理、注浆设备、中继间等。由于本次开挖使用的掘进机具有以上这些特殊的构造，因此它的破碎能力较强，破碎的最大粒径可达到掘进机口径的40%～45%，破碎的卵石强度可达200 MPa（如图1所示）。

2.2 工作井和接收井施工參数

（1）工作井的净宽度B≥D1+2×1.2（管道两侧各留1.2 m操作空间）。

（2）工作坑的净长度L≥l2+l3+l4+k。

式中：D1为管道的外径；l2为顶管机长度，D2900长4.5 m；l3为千斤顶长度，为1.8 m；l4为环形顶铁厚度，为1.5 m；k为后座和顶铁的厚度，为0.5 m。

（3）接收坑内最小净宽度B≥D2+2×1.0（管道两侧各留1 m操作空间）。式中：B为接收井内净宽度（m），D2为顶管外径。计算得：D2400顶管工作井，L≥4.5+1.8+1.5+0.5=8.3 m，B≥2.9+2×1.2=5.3 m，按圆形井设计，R≥[（4.5+1.8+1.5）2+2.92]0.5=8.32 m，因此圆形工作井内直径取8.4 m。

D2400顶管接收井，L≥4.5，B≥2.9+2×1=4.9，按圆形井设计，R≥[4.52+2.92]0.5=5.35 m，因此圆形接收井内直径取6.0 m。

为了满足工作井、接收井井底地基承载力要求，必须对井底进行止水幕处理。工作井：止水幕两端加固宽度为4.2 m，两侧加固宽度为10.8 m，加固深度均为17.9 m；管底加固长度为24.1 m，井底直径为8.4 m，深度均为9.6 m。接收井：止水幕两端加固宽度为4.2 m，两侧加固宽度为9 m，加固深度均为12.85 m；井底直径为6.0 m，深度均为7.2 m。经加固后，地基承载达到120 kPa，可满足井底地基承载力要求。特殊情况下，如遇井上浮现象，可利用井底集水井（砂底），采取临时降、排水措施。顶管工作井井内布置如图2所示。

如果发生流砂管涌和隆起的现象，随即向井内灌水压重，不让地下水自由流动带动砂土涌流，消除流砂管涌和隆起的现象，然后进行水下封底，稳定井壁。水下砼达到设计强度后抽干井内水，在井内进行清淤，浇素砼垫层或做过滤层后绑扎底板钢筋，浇灌底板砼。

2.3 顶推力计算与后靠背设计

本工程顶管外径为2.9 m的钢筋混凝土圆管，管壁厚0.25 m，混凝土强度等级为C50，设计抗渗标号为W8，预制管节每段长2.5 m，采用承插式“F”形管接口。采用泥水平衡顶管施工，泥水平衡顶管的顶力包括泥水平衡压力和管壁摩阻力。

2.3.1 顶推力计算

在封闭的冲泥舱内加泥水压力平衡地下水压力，是防止泥砂涌入的重要方法。泥水压力一定要合理，若压力较小，大量的泥砂会涌入，造成路面被破坏，地表设施受损；若压力过大，会增大主千斤顶负荷，严重的可能产生冒顶现象。顶进阻力主要由迎面阻力、顶进阻力2个部分组成，即

F=F1+F2=π×2D×P/4+π×D×f×L

式中，F为总推力；F1为迎面阻力；F2为顶进阻力。

2.3.2 泥水平衡迎面阻力计算

F1=π×2D×P/4

F1=π/4×2D×P（D为管外径2.9 m；P为控制土压力）

P=K0×γ×H0

式中：K0为静止土压力系数，一般取0.55；H0为地面至掘进机中心的厚度，取最大值10 m；γ为土的湿重量，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 顶进阻力计算

F2=π×D×f×L

式中：F2为顶进阻力（kN）；D为顶管外径（m）；L为顶管长度（m）；f为管壁与土的平均摩擦阻力（kN/m2），采用触变泥浆减阻；一般淤泥、淤泥质细砂取f=1 kN/m2。

F2=3.14×2.9×1×50=455.3 t。

2.3.4 千斤顶选择

根据以上计算方式，结合顶管的长度、地质、管径等因素，同时考虑地下工程的复杂性及不可预见因素，顶管设备取2.0倍能力储备。由前面顶力计算可知，本工程最长管段的顶力为502.88 t，配备200 t×4台液压千斤顶能完全满足顶力的需要，活塞行程为3 000 mm，主油泵最大供油壓为40 MPa，供油量为10 L/min。

2.3.5 后靠背设计

为了保证顶进质量和施工安全，本工程采用钢筋混凝土沉井后背，后背要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀，需要承受的最大顶力按照3 000 kN计算，在工作井底部设置厚50 cm的钢筋砼后靠背，后靠背结构和沉井结构整体受力，经过验算校核，该工作井的后靠背能满足顶管的顶力要求，满足在8 120 kN的顶力作用下抗裂，竖向、横向的抗倾覆要求。泥水平衡法顶管施工示意图如图3所示。

2.3.6 顶进

顶进工作流程如下：安放机头→安装承接口钢环→安装连接电缆、油管、进出泥水管路、注浆管路→伸出顶镐活塞杆→顶进→缩回顶镐活塞杆→拆出承接口钢环→拆除机头管内电缆、油管、进出泥水管路、注浆管路→安放钢筋砼管继续再顶。

2.4 顶力测量和纠偏的方法

2.4.1 平面控制测量

严格控制好导线点和洞门复测、轨道定位、高程控制测量及顶管机和管节的跟踪测量。顶管机进洞前开始对机头进行跟踪测量，在顶管机背面仪表盘处及后靠背上安装激光经纬仪，随着机头的顶进，随时跟踪测量，根据测量的成果，对顶管机的左、右、上、下位移进行随偏随纠。测量时每天做好测量原始记录，并观察已顶进完成的管节沉降情况。

2.4.2 纠偏措施

（1）穿墙和纠偏阶段要求每顶进10～30 cm测量1次。正常顶进阶段为50～100 cm测量1次。

（2）工具管纠偏要在顶进过程中进行，绘制工具管侧点行进轨迹曲线图来指导纠偏，管轴线偏差不允许大起大落。

（3）纠偏控制由纠偏千斤顶进行，掘进机共有纠偏千斤顶4个，纠偏角度2.5°，能上、下、左、右4个方向进行全方位纠偏。一般情况，每次纠偏角度不大于0.5°，以适当的曲率半径逐步地返回到轴线上来，做到精心施工。

（4）纠偏由激光经纬仪进行测量，激光经纬仪发出的激光束照射在位于钻掘系统内的光靶上。根据测得的偏斜数据，操纵液动纠偏系统，使掘进系统前部铰接的机头产生偏摆，从而实现铺管方向的调节。纠偏过程分4个步骤进行，具体方法如图4所示。

为减小顶管对地面沉降变形的影响，根据工程地质资料选用大刀盘泥水平衡式顶管掘进机进行施工。顶管机装备顶力为8 000 kN，施工时主顶最大顶力不超过4 000 kN，在穿越铁路时控制主顶最大顶力不超过3 000 kN，避免引起鐵路路基隆起。

顶进时，通过管节上预留的注浆孔，向管道外壁压入一定量的减阻泥桨，在管道四周外围形成一个泥浆套，减小管节外壁和土层间的摩阻力，从而减小顶进时的顶力。根据工程施工总进度计划安排，采用1只顶管机头投入本工程可满足工期要求。

3 地层变形分析

3.1 Peck法

在顶管穿越铁路段的低沉变形计算中，参照盾构隧道引起地面沉降量及沉陷槽的计算原理，采用Peck法进行计算分析，其沉陷槽横向分布如图5所示，具体公式如上：

式中，Smax为管顶中心最大沉降量（m）；S（x）为横向距顶管中心x距离处的地面沉降量（m）；i为沉降槽曲线反弯点距离（m）；φ为顶管上部土层内摩擦角（°）；Z为顶管中心距地面高度（m）；V1为地层损失率（%）。

Peck法计算公式中，地层损失率与顶管顶进过程中引起的超挖量相关。根据规范要求，当在超挖空间进行注浆支护时，超挖量允许值应小于10 mm；当不进行注浆作业时，超挖量允许值应小于5 mm。在顶管穿越铁路的沉降计算中，超挖量取值为10 mm，地层损失率为0.86%。经计算，管道顶部最大沉降量为5.48 mm，本工程管道中心间距为10 m，在顶管沉降槽交汇处沉降量相互叠加为9.77 mm；沉陷槽宽度一般取5倍的沉降槽曲线反弯点距离，即54 m，因此本工程顶管穿越铁路的影响范围为81 m。

3.2 管道压浆加固

管道顶进完成及检查井施工完成后，对所有管线压浆进行地基处理，最大限度地消除因顶管施工造成的地面沉降。水泥浆填充可以有效地补偿顶管管外侧超挖部分，从而达到管体外侧土体密实。填充完毕后，做好施工记录，并保存有关资料。注浆材料以低标号水泥为主，注浆材料的配比按水泥∶粉煤灰=1∶1（重量比），加水量以目测稠度适当，能够具备注浆泵使用为宜。压浆时必须遵循“先压后顶、随顶随压、及时补浆”的原则。

3.3 变形监测

在顶管施工沿线特殊位置设置控制点，用于监测顶管顶进施工期间的地面沉降量，根据监测情况及时采取相应的措施。对地基处理范围内各道钢轨顶及轨枕每隔10 m用红油漆布置观侧点，在两侧路肩、坡脚及坡脚外10 m处，各设置1排观测桩，纵向间距为10 m，监测轨道及路基的沉降变形和水平位移。路基24 h水平或竖直位移超过5 mm，数据出现异常时，应立即停止施工，分析原因，调整施工参数并采取处理措施。经现场施工经验得知掘进机掘进的过程即是地层损失发生并对周围环境产生影响的过程，这一过程中引起土层变形主要有以下因素：一是机头的类型，即开挖面的稳定措施；二是泥浆套的形成质量；三是顶进纠偏的偏心度；四是管道的密封状况。其中，前2项为最主要因素，要弄清楚扰动原因并进行相应的分析是非常困难的。在分析中，可将掘进对地层的扰动用一个综合的地层损失来描述，得出最后沉降因素的评估值。

4 注浆加固防护措施

根据本工程地质条件，为保证工程建设顺利实施及既有黎湛铁路运营安全，采用帷幕加袖阀管注浆施工进行地基处理。注浆分主加固区及次加固区。对路基下部主要受力面土层进行处理设为注浆主加固区，对铁路路基路肩两侧7.5 m范围内设注浆次加固区。注浆孔纵向间距为1.50 m，注浆加固至涵管顶以上约7 m，涵管底以下约1 m，注浆范围沿铁路两侧各35 m。当注浆达到下列标准之一时，可结束该孔注浆：①注浆孔口压力维持在0.2 MPa左右，吸浆量不大于5 L/min，维持30 min。②冒浆点已超出注浆范围外3～5 m时。③单孔注浆量达到平均注浆量的1.5～2.0倍，且进浆量明显减少时。当达不到上述标准时，应清孔再次注浆。

5 结语

通过采用泥水平衡顶管和管道压浆加固技术及从沉降量和轨道短弦矢度值进行评估，成功解决湛江麻章污水处理厂大口径顶管穿越黎湛铁路路基的技术难题。施工实践证明，采用泥水平衡顶管施工技术，施工后地表沉降小，累计下沉量为30 mm，通过及时整修，未对列车运行造成影响；精度高，中线误差均在50 mm以内；效率高、环境污染小、进度快，24 h平均进度在20 m左右。同时，克服淤泥、高含水的恶劣地质等特殊条件下成功穿越铁路，积累了宝贵的施工经验，可为类似工程的施工起到一定的借鉴作用。

参 考 文 献

[1]丛茂强.软土中大直径顶管的施工扰动机理与控制研究[D].上海：上海交通大学，2013.

[2]钟宇宏.土压平衡顶管机顶管下穿铁路路基设计与施工[J].铁道建筑，2013（11）：60-63.

[3]JGJ 165—2010，地下建筑工程逆作法技术规程[S].

[责任编辑：钟声贤]

【作者简介】梁玉亮，男，广西柳州人，本科，中铁二十五局集团第六工程有限公司工程师，从事土木工程工作。