铁路既有线顶进管涵施工关键技术与安全质量控制分析

李堃

（中铁十一局集团第一工程有限公司，湖北襄阳 441000）

0 引言

在铁路营运不中断情况下，利用P50 型扣轨将既有铁路线路加固，随后将预制好的管涵顶推至既有线下方并注浆加固，最终形成下穿施工，这就是铁路既有线顶进涵施工技术。此法施工将营业线运行的干扰降低到最小。本文简要论述乌将线乌北至准东段扩能工程魏家泉站房顶进涵施工技术。

1 工程概况

乌将线乌北至准东段扩能工程位于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市昌吉州境内。新增魏家泉站中心里程K44+800。魏家泉站房及配套工程完成后，站房用水从线路右侧阜康收费站供水管接入，因此需要在既有路基下增设供水保护圆管涵1~1.75m 一座，里程位于既有线K44+680。既有线下顶进长度33m。

2 铁路既有线顶进涵工程施工关键技术

2.1 工作坑开挖及防护技术

圆涵过既有线采用顶进法施工，K44+680 保护涵顶进工作坑设置在乌将线左侧路基边坡外。

根据施工需要和圆涵设计位置，现场确定工作坑开挖边线，人工配合机械清理工作坑位置垃圾并整平场地。工作坑基底平面尺寸为：8m（长）×8m（宽），深度根据实际地面标高及设计圆涵标高严格控制，如图1 所示。

图1 工作坑平面

工作坑的支护按照设计方案，采用机械打入I20b 工字钢，间距为1.0m，防护桩打设完成后，机械开挖工作坑，出土时做好防护，工作坑开挖至基底标高后，回填碎石垫层，用手提式打夯机碾压密实（开挖前在开挖周边范围内人工进行探查，确认是否有管线、电缆等既有设备）。

工作坑挖至设计标高后若地质不良，对工作坑基础进行换填处理。开挖成型后对基坑四周进行围护，并悬挂警示牌。基坑内设置集水坑，基坑顶部四周设置挡水坎，防止雨水冲刷浸泡工作坑，如图2 所示。

图2 工作坑防护

2.2 导向轨安装施工技术

导向轨，即导向轨道。涵管顶进施工较大程度上依赖导轨的安装质量。因而安装好的导向轨应当稳固牢靠，不得在施工过程中出现位移，并且应平顺。导向轨的安装精度必须满足规范设计要求。

基坑底铺设6000×800×50 的钢板做顶进轨道基础，上铺旧木枕，导轨与木枕连接固定，防止导轨位移或下沉，如图3 所示。

图3 导轨安装

2.3 后背加固施工技术

铁路顶进涵基坑施工中，后背为重要组成部分。实际施工中，为了保障工程的施工效果，避免后背冒顶塌陷等工程事故的出现，在工程施工之前，工程技术人员应通过取样测试和受力计算核准后背的最大顶力现状，并依据计算数据进行后背工程的加固，以此确保顶进涵施工的顺利开展，保证后期工程施工的安全性。图纸设计在右侧基坑底，顶进方向入口后端浇筑1m 厚C25钢筋混凝土后背墙。

2.4 扣轨梁安拆施工技术

2.4.1 扣轨安装

根据设计方案为保证施工期间的行车安全，在顶进涵作业点上下行50m 范围内，即K44+630-K44+730 里程段，在涵管顶进作业期间既有线除进行线路加固外，列车需限速慢行施工，扣轨加固长度12.5m，采取3-5-3 吊轨加固法，扣轨与其下的普通岔枕采用φ22-U 型螺栓联结在一起。按图要求安装扣轨采用16cm×24cm×350cm 普通木岔枕，根据乌鲁木齐铁路局建设管理处顶进施工线路防护要求，轨束梁上道后，为便于在轨道几何尺寸发生变化时临时补修，木岔枕按隔一穿一的方式布置于既有轨枕间，木岔枕与基本轨间需用绝缘胶垫和竹垫片垫实，混凝土枕不用抽换。

轨道采用汽车运输，封锁命令下达前0.5h 运至安全限界以外待命，2 台25t 吊车配合装卸及束梁。

线路施工穿岔枕前将材料和设备准备到位，封锁命令下达后，将岔枕垂直线路方向摆放在左侧路基边，将穿梁部位道床进行掏槽，下穿方向为小里程向大里程方向垂直线路穿入，穿好后，用吊车将P50 钢轨安放在岔枕上，并立即用U 型扣件将钢轨加固成束梁，与岔枕加固连接；横梁与纵梁间用绝缘胶垫垫好，然后将各部件扣紧。完成一组岔枕加固后立即恢复该处道砟，捣鼓线路，循环作业，如图4~6 所示。

图4 扣轨平面

图5 吊轨线路加固现场

图6 吊轨线路现场检查加固

2.4.2 扣轨拆除及线路维修

封锁命令下达后，组织线路工人进场进行钢轨和岔枕及连接件的拆除施工，要求收放整齐，专人进行负责搬运，拆除扣轨施工完毕后，对线路道床补充道砟，并对线路进行检查并维护，完毕后，工点安全员检查作业点材料堆码、机具搁放是否存在侵线，工点负责人、设备管理负责人等人员联合检查线路，是否影响放行。根据线路维护检查的结果，若达到标准后，会同铁路工务段联合验收，合格并签证后恢复运营。

2.5 顶进设备配置

结合设计提供资料，本项目管涵顶进为无基圆涵，且埋深较深，考虑卸荷拱的作用。最大顶力按如下计算，如图7 所示。

图7 荷载

最大顶力：

式中：Pmax顶进涵的最大顶力（t）；

K 是安全系数，一般取值1.2；

L 顶进涵段长度，取33m；

fKP表示土层坚固系数，取为1；φ 表示土壤的内摩擦角，取为28°；

N′2表示涵管每米重量、施工人员、工具及少量未能及时运走的土重约 0.2t/m；f2、f3表示竖向和侧向摩擦系数，f2=f3=0.8；ξ 静土压力系数ξ=0.3；

R 顶进涵刃角的正面阻力R=55t/m2；

A 则是顶进涵刃角的正面积，取为涵管截面积1.058（m2）。

经计算得最大顶力为591.7t，拟采用QYS500 型液压千斤顶，最大行程为0.3m。配备所需千斤顶台数，计算公式如下：

式中：Pmax最大顶力（t）；

P0单个千斤顶设计顶力（t）；

k 千斤顶效率系数，取k=0.7。

经计算，此涵洞需用2 台500t/台的千斤顶进行顶进作业。

千斤顶以涵洞中心尾轴对称布置。除前后横向顶铁外，还需配备 10、15、20、30、60、80cm 长度的纵向顶铁，便于每顶一镐时抽换。千斤顶后侧设置6000×700×50 钢板作为支撑垫板。其顶进施工方向须与管涵轴线重合一致，避免偏顶；顶柱之间可采用方木等塞垫紧实。严禁千斤顶与涵身混凝土直接接触工作，必须要有支垫防护，以防顶坏涵身混凝土。

图8 千斤顶布设

2.6 顶进圆管施工

2.6.1 试顶

顶镐及控制柜提前试顶，发现问题及时处理，确保顶进时设备正常运转。各项准备工作就绪后进行顶进施工。

顶进设备安装、调试完毕，须进行试顶。试顶时应对相关部位设置观测点，并设置专人观察点位变化情况。开顶后，每当压力泵油压升高5~10MPa 时立即持压停泵并进行点位观察，发现异常，暂停顶进，检查各部位测点无异常再继续开泵顶进，直至管涵身移动前进。试顶后对各结构部位进行全面检查，如无异常，方可进行下一道工序。

2.6.2 顶进

顶进施工采取吃土顶进的方法，当管节顶入土内40～60cm后，只采用人工挖土、运土，土方按照设计要求掏挖完毕后，再把圆管徐徐推进，循环往复。为减小顶进阻力要求，可采用管外壁涂石蜡，并通过注浆孔注入触变泥浆。

每节管道长3m，采用25t 吊车下管，吊装时，要有专人进行指挥，统一号令。管内挖土采用人工挖土，出土采用手推车运至管外，机械运至工作坑以外。由于管涵是沿着已挖好的土壁向前顶进，所以顶进管位的正确性很大程度上取决于管前挖土开挖形状、方向，因此须严格控制管前周围超挖量。在顶进过程中，涵管管端正上方位置允许有不大于1.5cm 的空隙，以减少顶进阻力。

顶进挖土时，严格按照设计图纸要求施工，即：管前挖土长度，在铁路道床下不超越管端以外10cm，在道床以外部分不超过20cm，并随挖随顶。下部135°范围内严禁超挖。为了确保管涵顶进易于控制方向偏差，挖土时应预留不小于10cm 厚土层切土顶进。弃方应随挖随运，不得大量存积。挖土时应多频次测量涵底（开挖断面）标高，保持刃角坡度不变，严禁逆坡出现。

当前方刃角处挖土作业完成安全进尺后，开动油泵顶进管涵。千斤顶顶程完成后，然后油泵回油泄压，顶心回缩，在其空挡处设置顶铁，再开压顶进。反复循环施工作业，直至管涵前进达到图纸设计位置。

圆涵顶进施工作业前，在既有路基上布设沉降观测桩。顶入路基范围内应定期测定观测桩的高程是否发生变化，以便掌握线路路基是否发生下沉变化。在顶进至路基范围内应安排专人观测路基的变化，发现问题及时处理。

2.6.3 观测

在顶进过程中，及时观测涵管顶进进尺情况，准确掌握管涵身的方向和高程。具体观测方法为：在管涵涵顶和涵底上画出控制线，用固定的标准线点观测核对涵身中线位置，保证前进方向正确。管涵身前后标高和水平位置偏差，可用水平仪测量控制，以便控制偏差并合理调整。

2.6.4 纠偏

在浇筑导轨基础时，按设计图做好限位导向墩，并在顶进时用木板（屑）或锲板将管涵身与限位导向墩之间的缝隙塞垫严实。管涵身端头如有方向偏差，应及时纠正调整到位。

在顶管作业过程中，如首节圆管发生较大偏斜，必须及时纠正偏差，确保无误后方可顶进。常用的纠偏方法为挖土校正法，其具体做法为：偏差值为10~20mm 时可选用此方法。当管涵偏离设计轴线一侧时，可在在偏斜侧少挖或留台，而在管涵另一侧适当超挖，再次顶进时，借预留的土台侧顶管首逐渐归位。出现“翘头”或“低头”时，同样使用挖土校正法进行调整。

2.7 注浆

圆涵顶进完成，对路基进行压浆处理。顶进地段内路基注浆在列车慢行运行45km/h 条件下进行。

（1）布孔：布孔是压浆工作的开始，严格布置孔位，注浆孔位置及间距严格按照设计要求进行。

（2）钻孔：钻孔采取管涵内上顶面进行钻孔。

（3）制浆：采用水泥浆液，其配合比符合设计要求。

（4）注浆：注浆时要保证施工质量，控制好注浆压力，注意观察，防止线路路基面隆起。注浆顺序应先外围，后中间进行，先注路基两侧，再进行线间注浆。

3 施工质量控制

本文将此涵管顶进施工项目的施工质量关键控制点分为4道工序，它涵盖了顶进施工的关键过程。

3.1 工作坑开挖

工作坑开挖一要确定管涵孔径尺寸，结合顶进施工设备、坑位地质情况，严格控制边坡开挖坡度。考虑到在施工期间是否有降雨等，还应为其线路两侧边坡增加砂袋或者覆盖彩条布进行防护，同时也要对工作坑底积水排出。保证工作坑底部的大小在管涵平面尺寸的基础上增加0.8m 左右的工作宽度即可。

3.2 导轨安装

导轨安装应顺直、稳固牢靠，严格控制设计高程、轨间内距及中心线偏差。可按涵管节的外径作弧形样板进行模拟顶进检查。导轨高程及允许偏差为±2mm，中心允许偏差±3mm，管节外径距滑板面不得小于2cm。

3.3 顶进作业

顶进涵的试顶，其目的是检查各项设备是否能正常运行，顶力是否均匀、后背、涵管及导轨处是否有异常情况等。

顶管前，项目部必须向作业班组进行详细的技术交底，并办好书面手续。

首节管节安装在导向轨上时，应测量管节的结构尺寸、中轴线及前后端的管顶、底高程，满足规范设计要求后方可顶进作业。

施工过程中坚持勤测、勤纠、微纠的原则。挖土工作与观测人员密切配合，根据桥涵顶进方向和水平的偏差，采取超挖、欠挖的措施进行纠偏。顶管动态控制必须在质量标准范围以内，如果在顶进过程中，发现方向失控，立即停止顶进，采取纠偏措施后，方可继续顶进。

顶管顶进时，采用信息反馈技术，做好测量记录，优化顶进参数，使沉降值降低到最小限度。

管节每前进一顶程，应测量轴线和高程，发现偏差应及时纠正。

顶进连续进行，应做好施工过程监控。当顶进作业中遇到下述情况时，应立即停止顶进施工，并采取相应措施处理，完善后，再继续顶进。

（1）顶管前方发生塌方或遇有障碍物。

（2）后背墙倾斜或严重变形。

（3）顶柱（铁）发生扭曲现象。

（4）管位偏差超过允许偏差。

（5）管口顶力超过允许承载压力发生损伤。

3.4 注浆

套管顶进到位后，利用管节预制时预留的注浆孔对管外壁与土体之间的空隙进行注浆封闭处理，注浆浆料配比采用1：1：1水泥砂浆，注浆压力0.2~1MPa，注浆前应做注浆速度、注浆量、注浆效果试验，根据具体情况注浆。

4 施工安全控制

4.1 安全控制措施

施工应与有关部门密切配合确保既有线运营安全，施工中采取的安全防护方案及措施应报请有关部门并经审查批准后，方可实施，同时请有关部门派出防护人员对施工防护进行指导，确保既有线运营安全。项目部将设置专职协调人员负责联系，加强沟通协调，确保工程施工安全顺利。

施工过程中，列车运行安全防护是重点，必须严格按照监理、业主、铁路等相关部门批准的施工方案及时间进行施工。若有变动，需进行再次上报审批，确保对既有铁路的干扰降到最低，并确保既有铁路的运营安全。

列车通过时，要立即停止顶进作业，人员撤离涵管外。每次挖完后抓紧顶进，并整修线路，监护人员昼夜坚持岗位，每趟列车通过前均应检查线路，确认符合列车放行条件。

施工前准备好通风设备（空压机、通风管以及接通电路），空压机置于工作坑底部便于施工位置，接好通风管，通风管符合设备要求，如施工中遇有废气或有毒气体造成施工人员的身体不适，因及时开启通风设备向涵内送风，确保人身安全。顶进过程中，设备管理单位人员全程监护。

涵管顶进及扣轨梁维护及线路检查严格执行“每趟必检”进行线路整修及扣轨梁联结零件整治维护办法进行检修。

4.2 线路沉降观测

鉴于线路行车安全考虑，对顶进施工过程中，路基横竖向位移进行监控量测。

4.2.1 观测桩设置

位移监测点的布设以平行管道中心线为向两侧设置纵断面，相邻纵断面间距3m，共计设置5 道纵断面，以垂直管涵中心线为横断面，起点横断面距离顶管进洞口外向1.5m，依次每6m 设置一道观测横断面，临近线路时中间断面分设在两侧路肩上，共计设置8 道横断面，纵横断面交叉位置布设控制监测点，每个断面布设5 个测点。埋设约1.0m 长直径16 钢筋观测桩，作记号，并标志保护，如图9、图10 所示。

4.2.2 观测数据

图9 纵断面沉降观测标位置

图10 沉降观测标平面位置

本次以顶进过程中施工观测数据为例。每个观测点的记录数据必须反映出观测频次、时间、观测高程、位移、本次量差、累计量差等基本要素，用数据结果进行现场施工作业指导控制。如若数据结果超标时，应及时通知施工负责人停止作业，并采取合理有效措施处理，到位后方可继续作业。

4.2.3 结果分析

图11 断面4（路肩竖向位移观测数据结果）

由图11 可知：两侧最大隆起位移均为5mm，最大沉降位移亦均为7mm，均满足相关规定要求。从图中分析的，在管涵顶进到达测点前，路肩产生轻微隆起，可能由于管涵顶进时压力对路基土的挤压造成；在下穿测点过程中，各个测点均发生明显隆起，说明顶进压力对正上方路基作用明显；在管涵离观测点断面处，各个测点缓慢下沉，并随距离增加各个测点的位移变化规律基本趋于平缓，说明由于涵内挖土弃方、顶力作用减弱等因素使导致下沉。

5 结束语

综上所述，下穿铁路既有线管涵顶进施工时，要严格遵照监理、业主及铁路部门下发的施工要求、规定规程进行组织施工，在保证质量的同时亦要确保线路运行、施工安全，进而顺利完成施工。本文用实例证实了铁路既有线路顶进涵的实施过程，探讨了铁路既有线顶进涵在施工过程中关键的几项技术，如工作坑开挖防护技术、既有线路加固技术、导向轨及后背加固施工技术、顶进设备配置等施工技术，通过该项目顶进涵的施工，可为以后类似顶进施工提供参考，有较大的实用性。