大口径圆管长距离穿越既有线关键技术探讨

2011-05-08 12:06洪汉麟

铁道建筑 2011年1期

洪汉麟

(南昌铁路局九江桥工段，江西九江 332000)

随着我国铁路与公路的跨越式发展，地方区域性的建设也随之加速，尤其是市政给排水、石化、通讯、电力等行业也不断扩展投入，大量的管线需穿越铁路与公路的既有路基，特别是近两年，西气东输、北气东输的天然气管道大量穿越铁路既有干线的区间与站场，需要在这些穿越路基管线外增设钢筋混凝土圆管作护套管。这些圆管顶进工程大部分都是比较成功的，但也出现了不少问题，有的圆管不能顶进到位或者顶进中出现左右方向、高低水平偏移，管口脱节漏水，管口破裂，路基下陷等质量和安全问题。下面就如何防止这类问题发生，进行相关技术探讨。

1 顶管工程施工的特点

在20世纪80年代之前，铁路既有线顶管施工大部分采用直径1.2 m以下的圆管。随着国民经济的发展，建设规模不断扩大，需要穿越铁路干线路基的圆管口径越来越大，从1.5 m到2.0 m直径的圆管比较多，目前，研究大口径圆管的顶进施工成为当务之急。另外，过去顶管都在既有线的区间单线居多，现在的顶管施工都是在区间双线、四线，有的在站场，所以，要面对的是长距离的圆管顶进。现在铁路干线的行车速度都在120 km/h以上，慢行都要在45 km/h以上，所以，更要研究在高速运输状况下的圆管顶进施工技术。

2 圆管顶进关键技术

圆管顶进是在不破坏路基的土体，将圆管顶进穿越既有线的路基。第一，顶进施工要确保行车线路安全，轨道的方向、水平变化不超标，列车能正常运行。第二，顶进施工中要确保有足够的顶力，承受顶力的后背墙不出现失稳，确保顶进过程正常顺利。第三，顶进施工中要确保管子的方向、水平偏移不超标，顶进到位的管子能正常使用。所以，圆管顶进要达到以上效果，就要充分发挥路基土在顶进中能形成卸力拱的特点。一般圆管顶部覆盖土层较厚(H＞5a1)，土质坚硬(fkp＞8)时，作用于涵管上部竖直土压可按卸力拱(见图1)计算。如果不能形成卸力拱，路基就可能出现下沉甚至坍陷现象。图1中，H为管顶以上覆土厚度(m);fkp为土体密实系数;2a为管外径(m);2a1为卸力拱长径(m);h1为卸力拱高度(m);h′为卸力拱与夹角垂线交点高度(m);h为圆管外半径(m)，h=a;hx为卸力拱任意点高度(m);θ=45°-φ/2，φ为土体摩擦角。

图1 卸力拱示意

3 圆管顶进中主要受力计算

圆管顶进工程设计时需要进行各种计算。其中，有圆管的设计计算，线路架空的设计计算，盾构设备的设计计算，最大顶力的设计计算，后背墙的设计计算等。考虑到圆管和盾构设备都有定型产品，线路架空是采取保护性的架空，在这里主要考虑最大顶力和后背墙的设计计算。

3.1 顶管的最大顶力设计计算

由于顶管一般都在覆土较厚的路基土体内顶进施工，所以，要考虑管顶线路上部活载、线路与加固材料荷载、管子上部土体荷载、管子本身重量所产生的摩阻力。因此，克服以上摩阻力需最大顶力P为

式中，P为设计最大顶力(kN);K为系数，一般取1.2;N1为线路上部活载(kN);N2为覆土上部线路与加固材料重量(kN);N3为管子上部覆土重量(kN);N4为管子本身重量(kN);f为管子与土体的摩阻系数，无试验资料时，可取0.7～0.8。

式中，填土厚度H≥1 m(从轨底算起)时，不计列车竖向动力作用;l为顶管覆土长度(m);qh为竖向压力(kPa)。

式中，A为行车轨重量(kN);B为行车轨枕重量(kN);C为加固线路纵梁重量(kN);D为加固线路横梁重量(kN)。

卸力拱的管顶土体重量为

式中，νo为土体的重度(kN/m3);而 a1=a+htanθ=a+htan(45°- φ/2)，h=a，h1=a1/fkp;φ，νo，fkp可查土体系数表取得(见表1)。

当管顶土质松软、不稳定及覆土薄时的土体重量为

表1 土体系数表

式中，ν1为钢筋混凝土的重度(kN/m3)。

为了简化计算，也可采用以下经验公式来求最大设计顶力P

式中，n为土质系数，其中，江西、安徽境内的黏性土为1.5～1.8，含水的淤泥与流沙为2.3～2.6;G为管子的单重(kN/m)。

3.2 后背墙抵抗阻力的计算

在铁路工务技术手册《桥涵》中介绍，后背墙的被动土压力就是顶进的抗力。

式中，P′为后背墙的极限抗力(kN)，按被动土压力计算而得;K为系数，一般取1.2～1.5。

在这里P′如果按被动土压力来计算的话，采用朗肯土压力理论，其基本假设条件是挡土墙墙背竖直、光滑，墙后填土面水平，而实际施工中，墙后填土大部分是一个斜面并高出水平面，与假设条件不符。如采用库仑土压力理论，其基本假设条件是墙后土体是均质的无黏性土(c=0);挡土墙产生主动或被动土压力时，墙后填土形成滑动土楔，其破裂面为通过墙踵平面;滑动楔体为刚性，本身无变形。而实际施工中，墙后土体经常是黏性土(c≠0)，并且滑动楔体不是刚性的，而是有变形的。从以往的每次顶进施工中所出现的情况来看，后背墙承受油顶的推力时，它会出现变形，尤其是利用原状土体，如顶力过大时，会将后背墙后的土体推动，向土体的临空面，即向后、向上的一个圆弧面滑动。所以，笔者认为，用后背墙验算它的抗剪强度更为合理。而抗剪强度公式为 τf=c+σtanφ，σ为剪切面上的法向应力;c为土的黏聚力;φ为土体内摩擦角。

一般情况下，后背墙抗力RC的经验公式为

式中，Kx为后背墙的土抗系数，当管顶覆土浅时，Kx=0.85，管顶覆土深时，Kx=0.5h/H+1;B为后背墙宽度(m);H背为后背墙高度(m);h背为后背墙顶至地面的高度(m)。

3.3 压润滑浆后的摩阻力计算

为了减小顶管中的摩阻力，顶管可用压润滑浆，管子外壁注浆后，可减阻30% ～40%，压浆后的顶力 P″为

式中，P″为压浆后的顶力(kN);K为系数，一般取1.4～1.5。

4 顶管工程实例

2009年在西气东输工程中有一天然气管道要穿越一处站线，需要在天然气管道外增设一根内径1.5 m的钢筋混凝土圆管。这个圆管采用顶进方法穿越四股道下的高路基，顶进距离l=64 m，从线路轨底至圆管顶部有厚H=13 m的覆土。所以，顶进中没有采用保护性线路架空，而是安排一个班组人员24 h专门观察和养护该地段的线路。

刚开始，由于施工队伍没有估计到该项工程的难度，所以，在顶进施工中，只制作了一个简单的枕木与片石堆码成的后背墙。顶进距离长达l=64 m，这么长距离顶进又没采用中继法施工。顶进到34 m时，用2台1 000 kN和1台2 000 kN的油顶，压力才25.5 MPa就把后背墙挤垮，不得不重新浇灌混凝土后背墙，并在浇灌混凝土之前还打入8根12.5 m(L轨)长的钢轨至土中(见图2)。

图2 后背墙的施工

之后用2台2 000 kN的油顶，压力到22 MPa就能顶动，并继续顶进。当顶到38 m时，压力达到26 MPa，后采用压润滑浆液，油顶的压力下降到15 MPa。但是，当顶到60 m时，第一节管口前方出现坍塌，后采用带土强行顶进，混凝土后背墙出现滑动趋势，即在混凝土后背墙上堆码片石压重，最后将圆管顶进到位。由于该顶管采用了盾构设备，所以，圆管顶进到位后方向与水平都能满足施工规范的要求。

根据工程情况，进行了相关受力的验算。首先，对该圆管顶进的摩阻力进行了计算。该工程路基土压实多年，按卸力拱计算，管顶覆土高H=13 m，顶进距离l=64 m，4股道，路基顶部线路长度按 L轨=12.5 m，没有架空线路，管子内径2b=1.5 m，外径2a=1.8 m。