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(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，城市化的建設(shè)進(jìn)程也在不斷的加快，各類的地下管道遍布于城市的每一個(gè)角落，伴隨著鐵路建設(shè)的不斷增加，不可避免的會(huì)出現(xiàn)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(shè)進(jìn)程，這就對(duì)管道的施工提出了新的技術(shù)要求，因此，泥水平衡式頂管在下穿鐵路管道的施工中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，然而，其施工方法對(duì)路面的沉降也是存在著一定的風(fēng)險(xiǎn)的，因此分析施工過(guò)程中存在的影響因素，做到對(duì)最大沉降量進(jìn)行合理的估算，并加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)力度，采用高質(zhì)量的泥漿進(jìn)行灌注，控制機(jī)頭的頂級(jí)速度，對(duì)機(jī)頭的頂進(jìn)進(jìn)行合理糾偏，這樣才能夠在施工的過(guò)程中杜絕地面沉降的發(fā)生，為鐵路的行車安全提供可靠的保障，同時(shí)也保證了城市地下管道工程的順利實(shí)施，為城市人們提供良好的居住環(huán)境，進(jìn)而為建設(shè)現(xiàn)代化城市作出更多的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：泥水平衡式;頂管;沉降;控制措施

1 前言

隨著我國(guó)改革開(kāi)放的進(jìn)程不斷的加深，我國(guó)綜合國(guó)力得到了跳躍式的發(fā)展，我國(guó)的城市化建設(shè)的腳步也在不斷的加快，人們的生活水平發(fā)生了極大的改善，與此同時(shí)，城市之間的聯(lián)系也變的越來(lái)越緊密，這主要表現(xiàn)在城際鐵路、高速鐵路的建設(shè)在不斷的發(fā)展，然而在鐵路建設(shè)的過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)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(yīng)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(jìn)行排除，并以泥水注入以平衡壓力進(jìn)而到達(dá)施工的效果，然而在進(jìn)行泥水平衡式頂管的施工過(guò)程中，會(huì)面臨著路面沉降的風(fēng)險(xiǎn)，為確保鐵路行車的安全，就需要對(duì)影響路面的沉降的各個(gè)因素進(jìn)行分析，并要采取相應(yīng)的措施來(lái)對(duì)其加以控制，這樣才能在保證不影響鐵路行車的基礎(chǔ)上，完成地下管道的施工，進(jìn)而完成城市化的建設(shè)，為人們的生活提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，從而提高人們?cè)诔鞘兄猩畹男腋８小?/p>

2 影響路面沉降的因素分析

2.1 地面沉降的過(guò)程分析

泥水平衡式頂管在施工的過(guò)程中，主要是通過(guò)地面操作臺(tái)對(duì)機(jī)頭進(jìn)行控制，在地下對(duì)土層進(jìn)行挖掘，與此同時(shí)，還應(yīng)具備排泥系統(tǒng)對(duì)棄土進(jìn)行去除，并通過(guò)泥水的灌注來(lái)達(dá)到平衡土層等壓力的作用。當(dāng)頂管在通過(guò)某一斷層時(shí)，可能會(huì)發(fā)生地面沉降的現(xiàn)象，這可以分為一下幾個(gè)階段。

1）第一個(gè)階段的主要原因是沒(méi)有達(dá)到壓力的平衡，主要表現(xiàn)在當(dāng)頂管在通過(guò)地下某一斷層時(shí)，沒(méi)有控制好泥水的灌注壓力，出現(xiàn)壓力不足或過(guò)大的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致在斷層前段為進(jìn)行挖掘的土層發(fā)生形變，在這種情況下，就會(huì)造成開(kāi)挖面正前面的土層出現(xiàn)損失的現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)地表層沉降的現(xiàn)象。正常情況下，采用泥水平衡頂管的施工方法時(shí)，地層的損失量應(yīng)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(xiàn)象發(fā)生，并為鐵路的安全行車提供可靠的保障。

2）在機(jī)頭進(jìn)行挖掘的過(guò)程中，由于控制不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)超挖的現(xiàn)象，導(dǎo)致地層發(fā)生損失。另外，機(jī)頭在地下進(jìn)行挖掘時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)糾偏控制不好而出現(xiàn)的問(wèn)題，在這種情況下，機(jī)頭挖掘所形成的斷面不在是理論中的圓形，而是會(huì)形成橢圓形的斷面，這就導(dǎo)致因?yàn)閿嗝婷娣e增大而出現(xiàn)底層損失，從而導(dǎo)致機(jī)頭在挖掘時(shí)損傷地表土層，使得土體對(duì)地面的支撐力下降，從而會(huì)產(chǎn)生地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

3）在進(jìn)行泥水平衡頂管的施工時(shí)，所面臨的另一個(gè)問(wèn)題就是，當(dāng)機(jī)頭通過(guò)某一斷面時(shí)，由于土層的質(zhì)地比較松軟，導(dǎo)致土體因?yàn)闄C(jī)頭的頂進(jìn)而發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致土體與管壁之間的控制被土壤所填充，這就會(huì)導(dǎo)致泥水無(wú)法充分的將空隙進(jìn)行填補(bǔ)，如果不能及時(shí)的將管壁與周邊的土體之間的空隙進(jìn)行及時(shí)的填埋，就會(huì)造成地表層與管壁之間存在著應(yīng)力，這就會(huì)造成底層的應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致地面存在著下沉的可能。

4）泥水平衡式頂管在黏土性質(zhì)地的土層進(jìn)行施工的過(guò)程中，由于土層比較柔軟，由于機(jī)頭在通過(guò)斷面時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，這就會(huì)導(dǎo)致土層發(fā)生擾動(dòng)和松弛的現(xiàn)象，往往會(huì)在一段時(shí)間后存在發(fā)生土層塌陷的可能，這些都將成為影響在管道下穿鐵路時(shí)發(fā)生地面沉降的關(guān)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(shí)通常會(huì)由于一些因素而導(dǎo)致地面發(fā)生沉降的危險(xiǎn)，這其中的關(guān)鍵因素就是土體的質(zhì)地情況、覆土的深度情況、以及操作人員的技術(shù)水平等，這就需要在進(jìn)行泥水平衡式頂管施工前，要對(duì)其施工從理論上做好充分的計(jì)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(jié)中心至路基頂面高度

Ф--土的內(nèi)摩擦角

3.1 開(kāi)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(gè)重要的參數(shù)，而底層損失量可以解釋為是用超過(guò)頂管理論開(kāi)挖量的體積VL 除以頂管理論開(kāi)挖量 Vt 的百分比來(lái)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(yīng)以土體損失1%來(lái)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

Vk=l/4×π×Dc12×1%

式中：Dc1--管節(jié)外徑

π--圓周率

通過(guò)以上公式，可以在泥水平衡式頂管施工前對(duì)土層的最大損失量進(jìn)行有效的計(jì)算。通過(guò)對(duì)地層最大損失量的計(jì)算，可以通過(guò)數(shù)據(jù)直觀的反應(yīng)出沉降發(fā)生的可能。

4 沉降的有效控制措施

4.1 沉降監(jiān)測(cè)

在泥水平衡式頂管的施工過(guò)程中，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度是降低沉降發(fā)生的有效手段，首先應(yīng)該針對(duì)頂管下穿鐵路的過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置，這個(gè)過(guò)程應(yīng)該將土質(zhì)的軟硬考慮在內(nèi)，一般情況下，相鄰的觀測(cè)點(diǎn)宜相隔5cm-10cm，而每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)在斷面取最少三個(gè)點(diǎn)加以監(jiān)測(cè)，另外，提高監(jiān)測(cè)的精度是提高監(jiān)測(cè)質(zhì)量所必要的方法，這就需要對(duì)監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行思想上及業(yè)務(wù)上進(jìn)行相關(guān)的培訓(xùn)工作，使其能夠主動(dòng)認(rèn)真的對(duì)每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，提高監(jiān)測(cè)的質(zhì)量，并做到能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)的做出調(diào)整，這樣才能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)地面沉降的風(fēng)險(xiǎn)，并能夠通過(guò)相應(yīng)的措施來(lái)將杜絕沉降危險(xiǎn)的發(fā)生。

4.2 確保注漿的質(zhì)量

泥水平衡式頂管在進(jìn)行施工時(shí)，為了防止地面沉降的發(fā)生，就需要及時(shí)的對(duì)管道與周圍的土體之間進(jìn)行填充，保證土體擁有與原來(lái)相同的壓力來(lái)對(duì)地面進(jìn)行支撐，特別是當(dāng)泥水平衡式頂管下穿鐵路時(shí)，對(duì)填充的效果就提出了更加嚴(yán)格的要求，這就需要在施工時(shí)選擇質(zhì)量良好的泥漿，防止因?yàn)槟酀{的質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生地面沉降的現(xiàn)象。其次，泥水平衡式頂管的施工時(shí)，當(dāng)機(jī)頭將土體挖掘后應(yīng)做到及時(shí)的用泥漿進(jìn)行填充，最好是能夠做好同步壓漿。這樣可以做到在第一時(shí)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(jìn)提供安全可靠的保障，進(jìn)而也為城市的建設(shè)提供了更多了支持。

4.3 控制機(jī)頭的頂進(jìn)速度

機(jī)頭的頂進(jìn)速度是影響泥水平衡式頂管的施工的一個(gè)重要的參數(shù)，這主要是因?yàn)闄C(jī)頭的頂進(jìn)會(huì)對(duì)周圍的土體造成一定程度的擾動(dòng)，這會(huì)對(duì)土體的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量產(chǎn)生影響，其表現(xiàn)在機(jī)頭對(duì)周圍土體的擾動(dòng)變大，會(huì)使得地層發(fā)生沉降的概率增大，而機(jī)頭的頂進(jìn)速度越慢則對(duì)周圍土體的影響越小，但這對(duì)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(jī)頭頂進(jìn)速度在頂管的施工過(guò)程中是十分重要的。一般情況下，機(jī)頭在進(jìn)出洞階段的頂進(jìn)速度應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p慢，這主要是因?yàn)槎纯诟浇牡孛媸軗p程度大，如果頂進(jìn)速度過(guò)快會(huì)使得地面因?yàn)闄C(jī)頭的擾動(dòng)而發(fā)生沉降，而當(dāng)機(jī)頭在穿越障礙物時(shí)，其頂進(jìn)速度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)募涌欤@能夠保證機(jī)頭能夠順利的在地下進(jìn)行前進(jìn)，以防止因?yàn)檎系K物的存在而使得機(jī)頭發(fā)生故障。在其他情況下，操作人員也應(yīng)該時(shí)刻的觀察監(jiān)測(cè)儀上的數(shù)據(jù)，特別是機(jī)頭的工作壓力，并根據(jù)壓力的變化情況來(lái)對(duì)機(jī)頭的頂進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)機(jī)頭壓力減少是應(yīng)適當(dāng)?shù)募涌祉斶M(jìn)速度，反正則降低頂進(jìn)速度。

4.4 控制機(jī)頭頂進(jìn)軸線的偏差

泥水平衡式頂管在地下進(jìn)行作業(yè)時(shí)，機(jī)頭的頂進(jìn)過(guò)程中往往會(huì)因?yàn)楦鞣N各樣的問(wèn)題而發(fā)生偏離行進(jìn)路線的情況，這在一定程度上會(huì)對(duì)管道周圍的土體造成損失，而地層的損失很可能就會(huì)發(fā)生地面沉降的危險(xiǎn)，因此，減少機(jī)頭在行進(jìn)過(guò)程中發(fā)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(guò)程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所反饋的數(shù)據(jù)參數(shù)，對(duì)機(jī)頭的頂進(jìn)方向及時(shí)的做出調(diào)整，同時(shí)要盡量保證機(jī)頭在頂進(jìn)的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)整，而盡量避免機(jī)頭停止時(shí)進(jìn)行調(diào)整，另外，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)頭的頂進(jìn)路線發(fā)生偏移時(shí)，對(duì)機(jī)頭進(jìn)行調(diào)整的角度要盡可能的小，防止因?yàn)榻嵌冗^(guò)大而使得周圍土體的損失變大。這也對(duì)操作人員的專業(yè)技能提出了要求，因此，施工時(shí)應(yīng)該選用有經(jīng)驗(yàn)的員工來(lái)對(duì)進(jìn)行實(shí)際操作，這樣才能在最大程度上的降低鐵路下穿頂管的發(fā)生沉降的危險(xiǎn)，提高頂管的施工質(zhì)量，保證鐵路在施工段的質(zhì)量不受影響，防止列車在行駛到施工段而發(fā)生危險(xiǎn)，造成人們的生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

4.5 施工完成后的監(jiān)測(cè)工作

在泥水平衡式頂管施工完成后，應(yīng)對(duì)地面的沉降情況進(jìn)行測(cè)量，并做好相應(yīng)的記錄，還應(yīng)在7日后對(duì)地面的沉降進(jìn)行再次的測(cè)量，并將該測(cè)量的結(jié)果作為地面的最終沉降值，如果其數(shù)值小于最大沉降量的估算值，那么說(shuō)明該泥水平衡式頂管的施工質(zhì)量是符合要求的，其可以滿足列車在地面上的行駛，而不會(huì)發(fā)生地面沉降的危險(xiǎn)，同時(shí)也能夠滿足地下管道建設(shè)的功能的體現(xiàn)，為城市建設(shè)提高更多的服務(wù)，能夠很好展現(xiàn)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?cè)诔鞘兄猩畹男腋８小?/p>

4.6 鐵路的保護(hù)措施

在頂管下穿鐵路的施工過(guò)程中，要想保證地面的完整性及支撐力，進(jìn)而保證鐵路的行車安全，除了采取合理的措施對(duì)頂管的施工過(guò)程進(jìn)行有效的控制外，還應(yīng)該對(duì)地面的鐵路進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，因此，在地下頂管的施工之初就應(yīng)對(duì)地下施工路段的鐵軌進(jìn)行加固，并在頂管施工的過(guò)程中向鐵路部門提出申請(qǐng)降低列車行進(jìn)的車速，并對(duì)鐵路的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)鐵路進(jìn)行停車封鎖，防止在施工時(shí)，由于列車的行駛而造成施工出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生危險(xiǎn)，或者是防止行車對(duì)泥水平衡式頂管的施工造成潛在的安全隱患，使得施工結(jié)束后的一段時(shí)間而發(fā)生地面沉降的危險(xiǎn)，進(jìn)而在鐵路行車時(shí)發(fā)生人身和財(cái)產(chǎn)的損失。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，泥水平衡式頂管作為一種被廣泛應(yīng)用的施工方式，其在下穿鐵路管道的施工中的應(yīng)用也越來(lái)越多，而其施工的質(zhì)量也直接的影響到了鐵路的行車安全，因此認(rèn)真的對(duì)泥水平衡式頂管的施工過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，并做到對(duì)最大沉降量進(jìn)行合理的估算，并加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)力度，采用高質(zhì)量的泥漿進(jìn)行灌注，控制機(jī)頭的頂級(jí)速度，對(duì)機(jī)頭的頂進(jìn)進(jìn)行合理糾偏，這樣才能夠在施工的過(guò)程中杜絕地面沉降的發(fā)生，為鐵路的行車安全提供可靠的保障，同時(shí)也保證了城市地下管道工程的順利實(shí)施，為城市人們提供良好的居住環(huán)境，進(jìn)而為建設(shè)現(xiàn)代化城市作出更多的貢獻(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

方舟（1990.09--）;性別：男，籍貫：江蘇省宿遷人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于南京工程學(xué)院;現(xiàn)有職稱：助理工程師;研究方向：工程技術(shù);