泥水平衡式頂管在鐵路工程中的沉降控制措施

汪 新 上海鐵路局經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)處

頂管施工是近年來(lái)被廣泛運(yùn)用的一種地下工程施工方法，它不需要開(kāi)挖面層，根據(jù)土層性質(zhì)、管徑、地下水位等條件，施工中可選用手掘式、網(wǎng)絡(luò)擠壓式、土壓平衡式、泥水平衡式等不同類(lèi)型的頂管機(jī)。頂管施工在鐵路工程中的應(yīng)用，一般由于市政工程建設(shè)中雨污水管、燃?xì)夤堋㈦娏νㄐ殴艿裙芫€(xiàn)穿越鐵路路基時(shí)加設(shè)套管的需要。為確保鐵路行車(chē)安全，需要嚴(yán)格控制頂管施工中及施工后的路基沉降值，在黏性土或砂性土的地層中，采用泥水平衡式頂管的施工方法較多。

1 影響路基沉降的因素分析

1.1 開(kāi)挖面引起的地層損失

在挖掘頂進(jìn)過(guò)程中正面土體擾動(dòng)，土體向開(kāi)挖面方向移動(dòng)，引起地層損失。泥水平衡法頂管施工，地層損失約為0.1%～1%。

1.2 機(jī)頭與后繼管節(jié)外徑差值引起的地層損失

為便于管道泥漿套的形成，減小頂進(jìn)阻力，機(jī)頭外徑在制造時(shí)一般要比后繼管節(jié)外徑大20～30 mm，這樣后繼管節(jié)外圍就有10～15 mm 的建筑空間，如后繼管節(jié)壓漿量不足，其壓力不足于支撐土體壓力，就會(huì)引起地層損失。

1.3 相鄰管節(jié)不平整度過(guò)大引起的地層損失

由于管節(jié)制造精度問(wèn)題或施工時(shí)管節(jié)拼裝問(wèn)題等，會(huì)引起相鄰管節(jié)不平整，此種情況下，如壓漿量不足，其壓力不足于支撐土體壓力，也會(huì)引起地層損失。

1.4 機(jī)頭糾偏引起的地層損失

機(jī)頭糾偏形成的斷面為橢圓形而非圓形，橢圓面積與設(shè)計(jì)圖形之差值，即為糾偏引起的地層損失。由于在含水的松軟土層中因機(jī)頭外周土體自力性極差，隨著機(jī)頭的頂進(jìn)，其外周空隙被隨即變形的土體所填充，所以該部分土體很難以壓漿來(lái)彌補(bǔ)。

2 最大沉降量估算

泥水平衡式頂管引起的路基沉降，視土質(zhì)情況、覆土深度、操作水平等因素而不同，按照不排水情況下開(kāi)挖所形成的路基沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積這一理論，最大沉降量一般可按式

（1）進(jìn)行估算：

式中：V--土體總損失

i--沉降槽寬度，i=H/[ πtg (45°-Ф/2)]

H--管節(jié)中心至路基頂面高度

Ф--土的內(nèi)摩擦角

頂管施工產(chǎn)生的路基沉降橫向分布近似為一正態(tài)分布曲線(xiàn)，如圖1 所示，其中影響范圍W=2.5i。

圖1 路基沉降橫向分布圖

2.1 開(kāi)挖面引起的地層損失

根據(jù)地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，泥水平衡式頂管超挖量可控制在1%以?xún)?nèi)。如按1%計(jì)算，則：

式中：Dc1--管節(jié)外徑

π--圓周率

2.2 機(jī)頭與后繼管節(jié)外徑差值引起的地層損失

式中：D--機(jī)頭外徑

a--機(jī)頭外周半徑與管節(jié)外周半徑之差，一般取0.01 m

K--注漿不足率，一般取0.2

2.3 相鄰管節(jié)不平整度引起的地層損失

Vc2=π×Dc1×ap×Kp×n式中：Dc1--管節(jié)外徑

ap--相鄰管節(jié)外周半徑之差，最大差值取0.005 m

Kp--注漿不足率，取0.2

n--穿越某處土層管節(jié)半徑差值大于5 mm 的出現(xiàn)次數(shù)(按10%計(jì)算)

2.4 機(jī)頭糾偏引起的地層損失

式中：D--機(jī)頭外徑

L--機(jī)頭長(zhǎng)度

a--機(jī)頭頂進(jìn)軸線(xiàn)與管道軸線(xiàn)的夾角(弧度)，按最大糾偏角0.15°計(jì)算

2.5 土體總損失

2.6 管頂最大沉降量

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某市污水管穿越鐵路套管工程，路基為填方地段，路基面至管節(jié)中心高度為6.0 m，選用1-Φ2.0 m 鐵路C40 鋼筋混凝土F 型頂管（2 m/節(jié)）作為污水管的套管，管節(jié)外徑2.44 m，頂進(jìn)長(zhǎng)度54 m，穿越土層為黏土（內(nèi)摩擦角按30°）。

由于該頂管工程所穿越的鐵路為客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)，對(duì)路基沉降控制的要求非常嚴(yán)格，結(jié)合工程所在區(qū)域?yàn)轲ば酝?，因此選用泥水平衡式頂管機(jī)，頂進(jìn)機(jī)頭長(zhǎng)2.5 m，外徑2.46 m。

3.2 沉降量估算

沉降槽寬度

開(kāi)挖面引起的地層損失

機(jī)頭與后繼管節(jié)外徑差值引起的地層損失

相鄰管節(jié)不平整度引起的地層損失

取n=(54/2)×10%=3

機(jī)頭糾偏引起的地層損失

土體總損失

管頂最大沉降量

3.3 采取的主要措施

3.3.1 沉降監(jiān)測(cè)

（1）監(jiān)測(cè)設(shè)置

設(shè)置沉降監(jiān)測(cè)主要采集相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，頂進(jìn)前即在穿越鐵路路基段每隔5 m 的沉降槽斷面設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，每斷面3 個(gè)點(diǎn)，沉降槽中部及兩邊各設(shè)置1個(gè)點(diǎn)，并在可能沉降的范圍以外設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)1 處，測(cè)量標(biāo)志使用鋼筋樁，測(cè)量?jī)x器采用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀和銦鋼水準(zhǔn)尺，監(jiān)測(cè)的相對(duì)精度約0.3 mm。

（2）監(jiān)測(cè)頻率

測(cè)量頻率為機(jī)頭切口經(jīng)過(guò)前10 m后20 m(共30 m)范圍內(nèi)每頂進(jìn)2 m 測(cè)一次，30 m 后每頂進(jìn)4 m 測(cè)一次。頂進(jìn)結(jié)束后3 日后測(cè)量沉降值及沉降速率，7日后測(cè)量最終沉降值。

（3）數(shù)據(jù)整理與反饋

每一次測(cè)量成果對(duì)應(yīng)施工進(jìn)度，施工參數(shù)整理成圖表形式，及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)操作人員，操作人員根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土壓力設(shè)置值、泥水壓力、注漿量、頂進(jìn)速度、泥水濃度等各種參數(shù)。

3.3.2 確保注漿質(zhì)量

由于管道外圍就有10～15 mm 的建筑空間，觸變泥漿是防止管道外周土層坍落以控制地層移動(dòng)的主要支承介質(zhì)，頂進(jìn)過(guò)程中做到同步壓漿，以迅速填充管道外周的空隙，形成完整泥漿套，同時(shí)嚴(yán)格控制泥漿壓力，防止跑漿。

3.3.3 合理掌握頂進(jìn)速度

一般情況下，頂進(jìn)速度控制在20～30 mm/min，土壓力的波動(dòng)值控制在-0.02～0.02 MPa，當(dāng)監(jiān)測(cè)儀表上顯示機(jī)頭工作壓力突然減小時(shí)，適當(dāng)加快推進(jìn)速度，以減小機(jī)頭與開(kāi)挖面之間的有害空間，防止地層坍落；當(dāng)工作壓力突然增大時(shí)，減緩?fù)七M(jìn)速度，以減小開(kāi)挖面土體的被動(dòng)土壓力，防止地層隆起。

3.3.4 控制頂進(jìn)軸線(xiàn)偏差

頂進(jìn)過(guò)程中通過(guò)測(cè)量監(jiān)控，及時(shí)采取糾偏，避免大曲率糾偏對(duì)土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，減小地層損失。頂進(jìn)前，在工作坑內(nèi)建立了測(cè)量系統(tǒng)，頂進(jìn)操作時(shí)在監(jiān)視儀表上每偏離中心一格即代表偏差10 mm，達(dá)到20 mm 時(shí)即采取糾偏，實(shí)際頂進(jìn)結(jié)束時(shí)，軸線(xiàn)偏差最大值為15 mm。

3.3.5 置換觸變泥漿

為防止滯后沉降，在頂進(jìn)結(jié)束后，即利用注漿設(shè)備，及時(shí)采用水泥漿對(duì)觸變泥漿進(jìn)行置換，共用水泥2 t。

3.4 效果

該工程通過(guò)采取以上控制措施后，頂進(jìn)過(guò)程中路基沉降值基本為0，3 日后測(cè)量未發(fā)現(xiàn)有明顯沉降，7 日后測(cè)量最終沉降值為4 mm，小于理論上估算的最大沉降量14 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

工程應(yīng)用實(shí)踐證明，泥水平衡式頂管法在鐵路工程中運(yùn)用時(shí)，采取沉降監(jiān)測(cè)、確保注漿質(zhì)量、合理掌握頂進(jìn)速度、控制頂進(jìn)軸線(xiàn)偏差，以及頂進(jìn)后對(duì)觸變泥漿及時(shí)進(jìn)行置換等措施，能夠有效控制施工中及施工后的路基沉降值，可為此類(lèi)工程提供借鑒。

[1]姜玉松.《地下工程施工技術(shù)》.武漢理工大學(xué)出版社.2008.