頂管施工技術(shù)在下穿鐵路路基中應(yīng)用的研究

索新愛 李 媛 王 馨

(1.天津華興勘察設(shè)計(jì)有限公司，天津 300241； 2.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100089)

1 工程概況

北京新機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目供油工程津京第二輸油管道穿越北金聯(lián)絡(luò)線鐵路K4+169.10防護(hù)套管項(xiàng)目位于天津市濱海新區(qū)唐津高速與北金聯(lián)絡(luò)線鐵路交口東側(cè)。管道規(guī)格為D600×8.8 mm，L415直縫埋弧焊鋼管，常溫輸送，設(shè)計(jì)壓力為6.3 MPa。采用1-Φ1.55 m鋼筋混凝土防護(hù)套管進(jìn)行保護(hù)，防護(hù)套管全長(zhǎng)75.48 m，穿越處夾角為79°。

2 頂管設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

2.1.1防護(hù)套管長(zhǎng)度

結(jié)合工程規(guī)劃路由，防護(hù)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(wǎng)桿和貫通、自閉、通信、信號(hào)桿等支柱基礎(chǔ)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(hù)區(qū)(一般地區(qū)為梁或路基坡腳、路塹坡頂外15 m)；

3)北京鐵路局臨近營(yíng)業(yè)線施工范圍、考慮大型機(jī)械施工水平傾倒安全距離。

頂管長(zhǎng)度取以上3條最大值。

2.1.2防護(hù)套管埋深

套管頂部距離自然地面應(yīng)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(shí)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(shè)計(jì)

工作坑和接收坑深6.06 m，均采用φ1.0 m鉆孔樁結(jié)構(gòu)防護(hù)，樁長(zhǎng)15 m。鉆孔樁上設(shè)置冠梁，冠梁高度1.0 m、寬度1.2 m。為確保頂管頂進(jìn)過程中工作坑的穩(wěn)定及鐵路行車安全，基坑內(nèi)設(shè)置工字鋼圍檁+φ60.9 cm鋼管。基坑底鋪設(shè)0.5 m厚C20混凝土墊層，導(dǎo)軌預(yù)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(zhǎng)為9 m。基坑內(nèi)設(shè)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(yè)。

2.3 頂力計(jì)算

本項(xiàng)目采用1-φ1.55 m鋼筋混凝土防護(hù)套管，平均覆土厚度4.31 m，防護(hù)套管產(chǎn)品規(guī)格為Φ1550T8-S，控制頂力6 100 kN[2]。

防護(hù)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(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道的外徑,1.88 m；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)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(jī)的迎面阻力，kN。

(2)

其中，Dg為頂管機(jī)外徑2.18 m；γs為土的濕重度，取17.7 kN/m3；Hs為防護(hù)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(zhǔn)備

頂進(jìn)前在工作坑內(nèi)沿頂進(jìn)方向鋪設(shè)枕木排，并架設(shè)導(dǎo)向軌(60 kg/m)。頂管采用機(jī)頭頂進(jìn)。管節(jié)必須全面檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)外觀有缺陷的一律禁止使用。頂進(jìn)前管外壁均勻涂抹石蠟，以減少頂進(jìn)阻力。管節(jié)之間的橡膠止水圈需提前上好。利用環(huán)形頂鐵將掉放在軌道上的管節(jié)緩慢推進(jìn)，平順對(duì)接接頭。管節(jié)如有破壞、翻轉(zhuǎn)、出槽等現(xiàn)象，必須重新更換管節(jié)、調(diào)整橡膠圈，重新安放對(duì)接。

2.5 鐵路線路加固

為了減少頂管頂進(jìn)過程中對(duì)鐵路運(yùn)輸安全性的不利影響，避免因頂管施工造成的損失，頂進(jìn)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(zhǎng)度為25 m,頂進(jìn)施工過程中鐵路行車限速為45 km/h。無縫線路實(shí)施線路加固前后，需據(jù)實(shí)對(duì)無縫線路進(jìn)行應(yīng)力放散，并檢測(cè)軌溫變化。頂進(jìn)施工結(jié)束后，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)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(jù)土顆粒間的空間。經(jīng)過固結(jié)作用，原來松散的土顆粒形成具有高強(qiáng)度、高防水性及化學(xué)穩(wěn)定性好的結(jié)合體，起到加固土體的作用。

注漿質(zhì)量與注漿壓力和漿液濃度有著密切的關(guān)系，路基的密實(shí)度、強(qiáng)度都是影響注漿壓力的關(guān)鍵因素，注漿濃度與注漿體材料密切相關(guān)。

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(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配入適當(dāng)比例的粉煤灰，有時(shí)為改善漿液的性能可加入適當(dāng)?shù)耐饧觿?/p>

注漿材料應(yīng)滿足如下要求：

1)固結(jié)硬化的時(shí)間可根據(jù)工程施工的要求適當(dāng)調(diào)整；

2)滲透性需滿足不同土質(zhì)的要求；

3)在富含地下水的地區(qū)，也應(yīng)具有很強(qiáng)的固結(jié)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(xì)水泥。

2)當(dāng)遇到跑漿、冒漿、注漿量或注漿壓力已達(dá)到要求等情況時(shí)需隨時(shí)調(diào)整注漿進(jìn)度或漿液濃度。

2.6.3注漿參數(shù)

鐵路路基范圍內(nèi)注漿時(shí)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(jié)后地表隆起累計(jì)值不大于8 mm，注漿徑向范圍控制在1 m以內(nèi)。頂進(jìn)管節(jié)就位后通過預(yù)留注漿孔注漿，注漿壓力為0.1 MPa～0.6 MPa，擴(kuò)散半徑按1 m考慮。注漿完成后需采用雷達(dá)探測(cè)地基密實(shí)性，如發(fā)現(xiàn)空洞應(yīng)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)。

2.7 頂進(jìn)糾偏

1)本工程要求圓管頂進(jìn)最大扎頭不允許超過5 cm。

2)頂進(jìn)糾偏堅(jiān)持勤測(cè)量、多微調(diào)原則，每次糾偏角度不宜過大。要做到“勤測(cè)勤糾、多糾微糾”，保證偏差在偏差警戒線以內(nèi)。

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

2.8 施工監(jiān)測(cè)

本基坑支護(hù)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)，為了保證防護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性，及時(shí)了解周圍環(huán)境隨基坑開挖的變化，必須對(duì)基坑施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)主要分為應(yīng)力監(jiān)測(cè)與變形監(jiān)測(cè)。變形監(jiān)測(cè)儀器主要采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和測(cè)斜儀等，應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀器主要采用應(yīng)變計(jì)和壓力傳感器等[5]。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有：樁頂水平及豎向位移、鋼支撐軸力、支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、水位觀測(cè)、地面沉降等。

2.8.1基坑及頂進(jìn)區(qū)域周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

1)基坑防護(hù)樁的水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)：基坑每個(gè)角點(diǎn)和中點(diǎn)布置一個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保證每邊測(cè)點(diǎn)不少于3個(gè)。

2)基坑周邊地表沉降觀測(cè)：沿基坑周邊向外每隔5 m設(shè)一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；地下管線地表也需布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.8.2監(jiān)測(cè)報(bào)警值

1)基坑防護(hù)樁頂水平位移：累計(jì)位移30 mm或變形速率3 mm/d。

2)基坑防護(hù)樁頂豎向位移：累計(jì)位移20 mm或變形速率3 mm/d。

3)支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移：累計(jì)位移50 mm或變形速率3 mm/d。

4)基坑周邊地表沉降：累計(jì)位移30 mm或變形速率3 mm/d。

5)當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)警并啟動(dòng)應(yīng)急事故處理預(yù)案。

2.8.3巡視檢查內(nèi)容

工程施工過程中需對(duì)基坑防護(hù)結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量、實(shí)際土質(zhì)情況與勘察報(bào)告有無出入、基坑周邊環(huán)境變化等進(jìn)行巡視檢查。確保施工安全有序的進(jìn)行。

2.8.4監(jiān)測(cè)頻率

頂進(jìn)工程施工全過程都應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)。在基坑施工之前進(jìn)行3次觀測(cè)，取得監(jiān)測(cè)初始值。基坑開挖深度小于5 m時(shí)1次/2 d，開挖至5 m～10 m時(shí)1次/1 d，開挖至大于10 m到底板澆筑后7 d內(nèi)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(jié)束1次/3 d。頂進(jìn)期間每天觀測(cè)一次，基坑及周圍環(huán)境出現(xiàn)異常情況時(shí)要加密觀測(cè)，發(fā)生大量沉降、不均勻沉降或嚴(yán)重裂縫時(shí)，應(yīng)連續(xù)觀測(cè)。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程采用頂管技術(shù)穿越鐵路路基，減少了對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，實(shí)現(xiàn)了地下管道的非開挖敷設(shè)。取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)同類工程具有良好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國(guó)能油氣[2015]392號(hào)，國(guó)家能源局國(guó)家鐵路局關(guān)于印發(fā)《油氣輸送管線與鐵路交匯工程技術(shù)管理規(guī)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(shù)規(guī)程[S].

[4] 葛春輝.頂管工程設(shè)計(jì)與施工[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012:183-190.

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