顶管施工技术在下穿铁路路基中应用的研究

索新爱 李 媛 王 馨

(1.天津华兴勘察设计有限公司，天津 300241； 2.中国核电工程有限公司，北京 100089)

1 工程概况

北京新机场项目供油工程津京第二输油管道穿越北金联络线铁路K4+169.10防护套管项目位于天津市滨海新区唐津高速与北金联络线铁路交口东侧。管道规格为D600×8.8 mm，L415直缝埋弧焊钢管，常温输送，设计压力为6.3 MPa。采用1-Φ1.55 m钢筋混凝土防护套管进行保护，防护套管全长75.48 m，穿越处夹角为79°。

2 顶管设计

2.1 设计原则

2.1.1防护套管长度

结合工程规划路由，防护套管穿越既有铁路路基，交叉角度不宜小于45°。套管边缘距离铁路接触网杆和贯通、自闭、通信、信号杆等支柱基础边缘的水平距离不得小于3 m[1]。

1)穿越位置处铁路既有地界；

2)铁路安全保护区(一般地区为梁或路基坡脚、路堑坡顶外15 m)；

3)北京铁路局临近营业线施工范围、考虑大型机械施工水平倾倒安全距离。

顶管长度取以上3条最大值。

2.1.2防护套管埋深

套管顶部距离自然地面应不小于1.5D(套管外径)，且不小于2.0 m。遇有鱼塘、排污河流时按照塘底或河底冲刷线下不小于1.5D来考虑。

2.2 工作坑和接收坑设计

工作坑和接收坑深6.06 m，均采用φ1.0 m钻孔桩结构防护，桩长15 m。钻孔桩上设置冠梁，冠梁高度1.0 m、宽度1.2 m。为确保顶管顶进过程中工作坑的稳定及铁路行车安全，基坑内设置工字钢围檩+φ60.9 cm钢管。基坑底铺设0.5 m厚C20混凝土垫层，导轨预埋其中，后背墙采用C30钢筋混凝土。底板底采用φ0.6 m@0.4 m高压旋喷桩地基加固，处理深度5 m。

基坑周围采用φ0.6 m@0.4 m双排高压旋喷桩止水帷幕防水，每根搅拌桩的桩长为9 m。基坑内设集水井集水，基坑底用0.5 m厚C20混凝土封底，确保工作坑的安全无水作业。

2.3 顶力计算

本项目采用1-φ1.55 m钢筋混凝土防护套管，平均覆土厚度4.31 m，防护套管产品规格为Φ1550T8-S，控制顶力6 100 kN[2]。

防护套管的总顶力估算如式(1)所示[3]：

F0=πD1Lfk+NF

(1)

其中,F0为总顶力标准值，kN；D1为管道的外径,1.88 m；L为管道设计顶进长度,75.48 m；fk为管道外壁与土的平均摩阻力，取5.0 kN/m2；NF为顶管机的迎面阻力，kN。

(2)

其中，Dg为顶管机外径2.18 m；γs为土的湿重度，取17.7 kN/m3；Hs为防护套管埋深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，总顶力F0=2 512 kN小于控制顶力6 100 kN，满足要求。

2.4 顶管施工准备

顶进前在工作坑内沿顶进方向铺设枕木排，并架设导向轨(60 kg/m)。顶管采用机头顶进。管节必须全面检验，发现外观有缺陷的一律禁止使用。顶进前管外壁均匀涂抹石蜡，以减少顶进阻力。管节之间的橡胶止水圈需提前上好。利用环形顶铁将掉放在轨道上的管节缓慢推进，平顺对接接头。管节如有破坏、翻转、出槽等现象，必须重新更换管节、调整橡胶圈，重新安放对接。

2.5 铁路线路加固

为了减少顶管顶进过程中对铁路运输安全性的不利影响，避免因顶管施工造成的损失，顶进之前必须加固铁路线路。加固形式通常采用3-5-3扣轨法，加固长度为25 m,顶进施工过程中铁路行车限速为45 km/h。无缝线路实施线路加固前后，需据实对无缝线路进行应力放散，并检测轨温变化。顶进施工结束后，应严格执行隔六换一的原则拆除木枕。

2.6 注浆加固

利用注浆压力将土颗粒间及裂隙中的水分和空气排出，并使得浆液占据土颗粒间的空间。经过固结作用，原来松散的土颗粒形成具有高强度、高防水性及化学稳定性好的结合体，起到加固土体的作用。

注浆质量与注浆压力和浆液浓度有着密切的关系，路基的密实度、强度都是影响注浆压力的关键因素，注浆浓度与注浆体材料密切相关。

2.6.1注浆材料特性

注浆采用无收缩注浆液，以水泥为主体，根据现场试验配入适当比例的粉煤灰，有时为改善浆液的性能可加入适当的外加剂。

注浆材料应满足如下要求：

1)固结硬化的时间可根据工程施工的要求适当调整；

2)渗透性需满足不同土质的要求；

3)在富含地下水的地区，也应具有很强的固结性；

4)浆液渗入地下水后无污染。

2.6.2注浆材料配合比

1)水泥浆。

水灰比1∶1～1.1∶1。水玻璃掺量为水泥用量的5%(重量比)，水泥采用超细水泥。

2)当遇到跑浆、冒浆、注浆量或注浆压力已达到要求等情况时需随时调整注浆进度或浆液浓度。

2.6.3注浆参数

铁路路基范围内注浆时浆液压力为0.5 MPa～1.0 MPa，地基土浆液注入率采用15%，保证注浆固结后地表隆起累计值不大于8 mm，注浆径向范围控制在1 m以内。顶进管节就位后通过预留注浆孔注浆，注浆压力为0.1 MPa～0.6 MPa，扩散半径按1 m考虑。注浆完成后需采用雷达探测地基密实性，如发现空洞应进行二次补强。

2.7 顶进纠偏

1)本工程要求圆管顶进最大扎头不允许超过5 cm。

2)顶进纠偏坚持勤测量、多微调原则，每次纠偏角度不宜过大。要做到“勤测勤纠、多纠微纠”，保证偏差在偏差警戒线以内。

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[4]。

2.8 施工监测

本基坑支护安全等级为Ⅱ级，为了保证防护结构的安全性，及时了解周围环境随基坑开挖的变化，必须对基坑施工进行动态监测。监测主要分为应力监测与变形监测。变形监测仪器主要采用经纬仪、水准仪和测斜仪等，应力监测仪器主要采用应变计和压力传感器等[5]。主要监测项目有：桩顶水平及竖向位移、钢支撑轴力、支护结构深层水平位移、水位观测、地面沉降等。

2.8.1基坑及顶进区域周围环境的监测点布置

1)基坑防护桩的水平位移和垂直位移监测：基坑每个角点和中点布置一个位移监测点，保证每边测点不少于3个。

2)基坑周边地表沉降观测：沿基坑周边向外每隔5 m设一个沉降监测点；地下管线地表也需布置监测点。

2.8.2监测报警值

1)基坑防护桩顶水平位移：累计位移30 mm或变形速率3 mm/d。

2)基坑防护桩顶竖向位移：累计位移20 mm或变形速率3 mm/d。

3)支护结构深层水平位移：累计位移50 mm或变形速率3 mm/d。

4)基坑周边地表沉降：累计位移30 mm或变形速率3 mm/d。

5)当检测数据达到报警值时，应及时报警并启动应急事故处理预案。

2.8.3巡视检查内容

工程施工过程中需对基坑防护结构的成型质量、实际土质情况与勘察报告有无出入、基坑周边环境变化等进行巡视检查。确保施工安全有序的进行。

2.8.4监测频率

顶进工程施工全过程都应时刻监测。在基坑施工之前进行3次观测，取得监测初始值。基坑开挖深度小于5 m时1次/2 d，开挖至5 m～10 m时1次/1 d，开挖至大于10 m到底板浇筑后7 d内2次/d，底板浇筑后7 d～28 d期间1次/d，底板浇筑28 d后到施工结束1次/3 d。顶进期间每天观测一次，基坑及周围环境出现异常情况时要加密观测，发生大量沉降、不均匀沉降或严重裂缝时，应连续观测。

3 结语

本工程采用顶管技术穿越铁路路基，减少了对既有铁路运营的影响，实现了地下管道的非开挖敷设。取得良好的社会和经济效益，对同类工程具有良好的借鉴意义。

参考文献：

[1] 国能油气[2015]392号，国家能源局国家铁路局关于印发《油气输送管线与铁路交汇工程技术管理规定》的通知[Z].

[2] 铁路顶管通用图[Z].北京：北京铁路局，北京市市政工程研究总院,1996.

[3] CECS 246—2008,给水排水工程顶管技术规程[S].

[4] 葛春辉.顶管工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2012:183-190.

[5] 李家鑫,于庭伟.顶管施工技术在市政工程中的应用[J].施工技术,2007,7(45)：23-25.