泥水平衡顶管技术在穿越客专中的应用

摘要：本文主要对太原市北中环市政管线下穿石太铁路和石太客专时的构造物结构选择、涵洞布置、线路加固方案及施工过程控制做了介绍。为了减少对客专铁路行车运营影响，在铁路线路加固中，采取小截面的H型钢对线路进行加固，单根重量小，也利于人工操作，减少扰动枕木下的道砟。采用泥水平衡法顶管技术的方式顶进，通过泥浆来平衡顶进时土压力，避免因土压力过大造成路基隆起或土压力过小造成路基塌陷，且可以通过泥浆将土置换出来。经过实践证明，在高水位下，市政管道穿越客专铁路采用泥水平衡顶管施工，可以满足客专列车对线路沉降和稳定的要求，保证行车安全。

Abstract： This paper mainly introduces the structure selection， culvert layout， line reinforcement scheme and construction process control of Beizhonghuan municipal pipeline crossing Shitai Railway and Shitai Passenger Line. In order to reduce the impact on the passenger railway operation， in the reinforcement of the railway line， the H-shaped steel with small cross-section is used to reinforce the line， and the single weight is small， which is also beneficial to manual operation and reduces the ballast under the disturbing sleeper. The mud-water balance method is used to jack-up， and the mud is used to balance the earth pressure during jacking， to avoid the roadbed collapse caused by excessive road pressure or soil pressure caused by excessive earth pressure， and the soil can be replaced by mud. It has been proved by practice that under the high water level， when the municipal pipeline crossing the passenger railway， the mud-water balance pipe jacking construction can meet the requirements of the passenger trains for the settlement and stability of the line and ensure the safety of driving.

關键词：泥水平衡；下穿铁路；线路加固

Key words： mud-water balance；underpass railway；line reinforcement

中图分类号：U175 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0182-05

1 工程概况与施工难点

1.1 工程概况

太原市北中环涧河立交配套工程，共有电力、给水、热力、燃气、雨水、污水共计10条市政管线下穿石太客专双线及石太铁路双线，石太客专上下行位于中间，石太线上下行位于客专外侧，铁路自西向东分别为石太下行、石太客专上行、石太客专下行、石太上行，线间距分别为5.32m、5.08m、5.31m。既有四条铁路均为电气化铁路，轨型为P60无缝线路，III型混凝土枕，轨枕间距0.6m。顶管位置位于太原东站和太原北站之间，距离太原东站1.6km。

顶管内径除热力管道为1.75m圆管外，其余电力、给水、燃气、雨水、污水均为1.55m圆管。其中电力顶管长度为47.155m，天燃气和给水顶管长为44.01m。其余均为50.3m。所有顶管与铁路均为正交。

根据勘察揭露地下水情况与工程地质剖面图综合分析，拟建场地地下水类型为孔隙潜水。孔隙潜水层为②层粉土，主要受大气降水及侧向迳流补给，年变化幅度约0.5～1.0m。场地地下水静止水位埋深介于3.80～7.60m之间，静止水位标高介于804.69～811.09m之间。顶进范围处于高水位。

按照施工场地布置，十条管线共设置四个工作坑：电力顶管单独布置于一个工作坑内（1#坑），天然气、给水2个顶管布置于一个工作坑内（2#坑），污水顶管单独布置于一个工作坑内（3#坑），雨水（两条）、给水、热力（两条）、电力6个顶管布置于一处工作坑内（4#坑）。

1.2 施工技术难点

1.2.1 顶管穿越的土层基本上属于粉土黏土，具有高含水率，地基承载力标准值不大于100kPa。进行顶管施工技术难度大，土体流动性大，顶管开挖的工作面很容易失稳坍塌。

1.2.2 顶管穿越石太客专和石太铁路的路基，石太铁路行车密度大，顶进前需对线路进行应力放散和线路加固，整个顶进过程中慢行并严格控制线路沉降，安全要求高。

1.2.3 铁路路基及周边土体采用了止水帷幕和地基加固，主要是深层搅拌桩，形成加固后无侧限抗压强度达到1.0～4.0MPa 的复合地基土。

1.2.4 工期紧张，施工场地狭窄。十条管线布置在四个工作坑内。需分两批顶进完成。最近管距4.3m，施工交叉干扰大。

2 顶进涵洞下穿铁路的优越性

现铁路下穿铁路的施工方案有顶进框构桥与顶进涵洞两种施工方法。

2.1 顶进框构桥与顶进涵洞的施工方法相比下，顶进涵洞的优势如下：

2.1.1 顶进框构桥与顶进涵洞对于路基本体和线路的影响不同，顶进框构需要全部挖除框构范围的路基本体及道床，把各种荷载全部转换到加固体系，而顶进涵洞则是少部分切除路基土体，自下而上造成路基及道床变形，把各种荷载逐步传递到路基本体自然拱和加固体系上。

2.1.2 顶进框构与顶进涵洞加固体系中横梁受力模型有着根本的不同，顶进框构横梁作为加固体系主要受力杆件一端在路基面上另一端在框构上需截面系数较大的工字钢，而顶进涵洞横梁支点全部在路基面上只需满足分配荷载截面系数较小的工字钢。

2.1.3 顶进涵洞采用与顶进框构相同的加固方法，慢行点内道床挖槽达到500mm深度，对相邻轨枕基础的稳定性影响很大。由于顶进涵洞时管内掏土对路基本体没有形成悬空，此时的横纵梁均支撑于路基面上共同受力，仅对变形及时调整就可以恢复轨面平顺，因此横梁没有必要象顶进框构桥采用45b的大截面工字钢，改为矮型高强度H型钢挖槽深度可降至260mm大幅度减少对道床的扰动，结合高铁对轨道平顺性要求严格的特点，按照线下加固构件高强度扁平化，尽可能少扰动道床的原则，改进和完善顶进涵洞的加固方案将会减少道床受力体系的频繁转换，保持线路基础的稳定性，施工的综合效果会更好。

2.1.4 顶进框构与顶进涵洞的安全风险不同，顶进框构最大的风险是塌方造成的侧面或正面悬空使横纵梁承载跨度超过设计容许跨度中断行车，而顶进涵洞的风险是路基本体下部穿管后土体应力重新分配引起的竖向变形，除不良地质条件外其下沉量较小，采取枕木垛或螺旋千斤顶支撑措施均可及时处置。

2.2 小结

综上考虑，顶进涵洞只需切除部分路基土体，所需的加固措施更简单，减少了对道床的扰洞。由于本工程处于高水位动车线下，顶进多条并置涵洞，对土体扰动较大，且下穿时间较长，采用顶进涵洞下穿铁路较为合适。

3 顶进涵洞施工方案安全性验算

顶进涵洞的的安全性设计，主要考虑在顶进过程中保证钢轨正常的强度和变形。即在顶进过程中线路不变形，钢轨的变形满足规范正常使用要求，強度满足承载能力要求。

3.1 设计理念

采用强度和变形双控指标，分别以22t中荷载及17t高铁荷载计算强度和变形，以轨道几何尺寸容许值为变形条件，考虑体系杆件、动载挠度、变形的均匀等因素，慎重选择相互匹配的构件，确定动载系数，建立计算模型验算。每根H型钢的界面系数不小于900cm3，每6米范围内每根型钢按照不小于11t作用力计算，挠度按照1/500及几何尺寸规定控制，为了控制挠度采用弹性模量大的Q345以上的高强度工字钢。

根据详细的水文地质勘探资料，做顶管出发及接收基坑的后靠背、钢筋混凝土防护桩、止水帷幕和降水设计。

根据管位的土体力学指标，计算涵洞顶至路基面的覆土厚度，要求土体变形高度小于覆土厚度。计算并置顶进涵洞容许核心土厚度以及同步顶进和分批交替顶进工况的变形值，确定涵管的最小净距，要求核心土摩擦、粘聚力的总和必须大于顶进涵管核心土的作用力。

3.2 加固体系的验算

本工程为市政管线下穿石太铁路及石太客专铁路，采用纵横抬梁结合3-5-3吊轨，加固铁路线路。每侧纵梁采用3根I45b工字钢为一组，横梁采用HM 250×175的H型钢，间距为60cm。

3.2.1 建模过程

纵横梁采用刚性连接，纵横梁边界条件采用简支支承。纵梁下，每9m放置一块枕木垛。

在顶管施工最大沉降量估算中，计算得沉降槽影响范围为距顶管中心线4m范围内。按最不利情况考虑，纵梁完全架空8m。

3.2.2 荷载情况

移动荷载采用前进型机车单机+70kN/m。（图1）

3.2.3 纵横梁受力情况

加载荷载后，结果如下：

从图2可以得到，横梁梁单元最大应力为125.7MPa，小于180MPa，强度满足设计要求。

从图3可以得到，纵梁梁单元最大应力为84.6MPa，小于180MPa，强度满足设计要求。

通过建模实验，横梁最大位移约为11.6mm，为横梁跨中位置。横梁跨度为4.4m，最大容许挠度按L/300控制，则最大容许挠度为14.6mm。横梁的刚度满足设计要求；纵梁最大位移约为4.6mm，纵梁跨度为8m，最大容许挠度按L/400控制，则最大容许挠度为20.0mm。纵梁的刚度满足设计要求。

3.2.4 小结

以上计算，按照纵梁架空8m，横梁架空4.4m的最不利情况进行建模计算，计算结果均满足设计要求，可确保安全。

经检算和分析，确定采取“每侧纵梁采用3根I45b工字钢为一组，横梁采用HM 250×175的H型钢，间距为60cm”作为该项目的加固方案。

4 施工顺序及过程控制

4.1 施工顺序

场地平整—管线改移、防护—地基注浆加固、工作坑止水帷幕及钻孔桩、钢板桩—工作坑开挖及支撑、修筑后背墙—工作坑底板浇筑—顶进设备安装、调试—线路加固—泥水平衡掘进机进洞—吊放第一节钢筋混凝土管—顶进（注浆减阻）—依次循环—泥水平衡掘进机出洞、顶管结束。

4.2 过程控制

4.2.1 线路加固

①加固范围。

该区间Ⅲ型枕间距为1667根/km，枕间净距300mm，通过安全检算，为了确保顶进过程中铁路运营安全，横纵梁加固范围不小于地质勘探和顶管覆土变形破裂边缘再外延2m，即对顶管中心线两侧各12m范围内铁路采用纵横梁抬轨的方式进行加固，线路加固体系分为横梁、纵梁、扣轨等三部分，扣轨长度大于横纵梁加固长度，严格按照隔6穿1进行线路加固。通过线路加固，石太客专上行和石太下行加固成一个整体，石太客专下行和石太上行加固成一个整体。并确保挖石碴不破底，穿工字钢少动道床。

②线路加固方式。

横梁：采用H250型钢加固，按既有线轨枕隔一穿一进行布置，3.5m长木枕按H250型钢隔二穿一布置。扣轨与型钢及木枕采用U行卡及扣卡全部连接牢固。1、2#坑位置单侧设置横梁37道，3、4#坑位置单侧设置横梁50道，共计12m横梁174道。横梁间距为0.6m，扣轨与横梁用卡子连接；每隔1.8m横梁与主轨使用D型梁扣件实施连接；横梁顶设置20mm木板；

纵梁：采用I45b工字钢，石太客专线间设置2束纵梁，每两根并一束，客专线与石太线间各设置两束，每三根并一束，石太上下行路肩各设置一束纵梁，每三根并一束。共计设置纵梁8束。每6m左右在纵梁底部设螺旋千斤顶设置1处；

扣轨：采用P50kg/m，12.5m和25m两种钢轨交错设置，四股线路全部采用3-5-3形式。

③线路加固及拆除流程。

标记并方枕——穿入长木枕——安设扣轨——穿入横梁——抬设纵梁——圆管顶进——拆除扣轨——抽出木枕及横梁回填道碴——顺序拆除纵梁——线路养护及阶梯提速——恢复正常行车。

4.2.2 顶进施工

顶进施工采用泥水平衡法。主要由顶管机、泥水输送及泥水处理三个系统构成。（图4）

①工作机理：顶管机钻进时，通过泥水输送系统将泥水送至掘进机头掌子面处形成泥膜，利用泥膜来稳定掌子面。顶管掘进机的前部刀盘附近设有隔板，形成泥水压力仓，通过调节推进油缸，顶力和输送泥水压力就可以使泥水对开挖面地层保持一定的压力，这种压力与开挖面的地下水压力及土体压力之和相等时，就使顶管机开挖面处于压力平衡状态，保持了开挖面的稳定。同时，进机刀盘切削土层，被切削下来的泥土进入主切削刀后部开闭可调的进泥口与注入泥浆均匀搅拌，然后由排泥系统输送到地面，在沉淀池中将泥水和沙石分离，将泥土运走。分离后的泥水再送入输送泥水系统中循环使用。

②施工工艺流程如图5所示。

③顶进主要参数控制：

1）泥水仓压力控制值为110kPa。泥土仓压力控制值初步定为125kPa，待机头进入正常的土层后，静置24h，观察顶管掘进机土层压力表上的值，若此时值与该值不符，则以测定值为准，并对原来计算的总推力值进行相应的调整。

2）推进速度，一般控制在10mm/min左右。

3）泥水管理：泥水式机头泥水比重控制在1.15～1.25之间。

4）轴线控制：管道每顶进200～300mm时测一次中心轴线，若发现偏移趋势就进行纠偏，当偏移量达到20mm时，立即停止顶进，查明原因，在制订出切实措施后再继续顶进。为确保顶管轴线的正确，勤测勤纠。

5 施工注意事项

5.1 严格按照铁路局有关营业线和邻近营业线施工的有关规定办理相关手续并严格执行。顶进施工时列车限速45km/h，做好施工及慢行防护，每过一列车后均需认真检查线路情况，发现问题及时处理。

5.2 顶进时注浆使管周外壁形成泥浆润滑套，从而降低了顶进时的摩阻力，在注浆时做到以下几点：①选择优质的触变泥浆材料，对膨润土取样测试。②在管子上预埋压浆孔，压浆孔的设置要有利于浆套的形成。③膨润土的贮藏及浆液配制、搅拌、膨胀时间在12h以上。④压浆方式要以同步注浆为主，补浆为辅。在顶进过程中，要经常检查各推进段的浆液形成情况。⑤注浆设备和管路要可靠，具有足够的耐压和良好的密封性能。在注浆孔中设置一个单向阀，使浆液管外的土能倒灌而堵塞注浆孔，从而影响注浆效果。⑥注浆泵选择脉动小的螺杆泵，流量与顶进速度相应。

5.3 做好顶管初始顶进进洞与出洞的控制。顶管机进洞的推进过程是一个泥水平衡建立的过程。机头在进洞段施工中，开始时由于处于水泥土加固区域，在不影响泥水系统正常输送平衡条件下，切口水压较低。当千斤顶缩回安装管子之前必须作好临时支撑。当机头接近洞口时，保持好顶进时的泥土压力在0.1MPa左右，在距洞口前0.5m左右时，停止前进，拆除内侧临时封挡。当封挡拆除后应迅速、连续顶进管节，尽可能缩短机头出洞时间，让机头在充水水囊的止水状态下完成安全出洞。

5.4 本工程下穿客运专线，根据设计要求编制监测方案，布设控制网，设置监测点，确定频率观测，对围护桩顶水平位移、钢管支撑轴力，桩身倾斜，水位监测、地面沉降等进行监测。施工时还需对既有线路基及钢轨进行监测。如监测数值超出预警值，立即停止施工，查明原因，制定相应措施后方可施工。施工完毕后，继续进行沉降观测，沉降稳定后恢复运营速度。

5.5 顶进纠偏

①本工程要求圆管顶进最大扎头不允许超过5cm。

②顶进纠偏必须勤测量、多微调，每次纠偏角度应保持在10′～20′，不得大于1°。要做到“勤测勤纠、多纠微纠”，并设置偏差警戒线。

③初始推进阶段，方向主要是主顶油缸控制，一方面要减慢主顶推进速度，另一方面不断调整油缸编组和机头纠偏。

5.6 顶管施工质量通病及防治措施（表1）

5.7 成立指挥应急小组，制定各类应急预案并进行应急演练。施工现场准备必要的应急物资、发电机以及顶管机易损件的备品。对施工现场出现的各类危险情况采取必要的应急措施。

5.8 顶进完成后，按照设计要求及时进行回填。路基两侧夯填砂砾并压浆处理，确保路基密实。

参考文献：

[1]馬保松.顶管和微型隧道技术[M].人民交通出版社，2004.

[2]道岔下面桥涵顶进的线路架空验算[J].西部探矿工程，2005（5）：162-163.

[3]白建峰，曹宇.泥水平衡顶管技术在南水北调穿越高速公路工程中的应用[J].河南水利与南水北调，2015（21）.

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