机械顶管在铁路下穿管线中的应用

机械顶管在铁路下穿管线中的应用

单岑岑

关键词：南水北调泥水平衡顶管铁路

1工程背景

南水北调工程是目前世界上最大的调水工程，主要解决我国华北和西北地区的水资源短缺问题[1]。作为我国城市水源替代和补充的重要民生工程，南水北调工程对于缓解我国水资源南多北少现状、优化资源配置、促进南北经济发展具有重要意义[2]。

笔者拟依托河南省焦作市南水北调水厂配套管网穿越铁路段工程，对泥水平衡顶管技术在铁路下穿管线应用中的工艺流程、沉井结构、路基沉降计算、质量控制措施等核心技术进行分析总结，以期为同类管线下穿铁路施工提供借鉴和指导。

2顶管技术的分类及适用范围

管线下穿铁路在施工过程中要满足以下四点要求：1、不中断铁路运营；2、保证铁路设备安全；3、管线平面位置关系满足要求；4、顶管沉降满足规范要求。下穿铁路顶管工程施工机具主要有敞开式顶管机、平衡式顶管机两种。其中，敞开式顶管机分机械式、挤压式、人工开挖三种方式。目前管线下穿铁路敞开式施工多采用线路架空顶进法，但顶进过程铁路路基坍塌范围较大，对铁路运营干扰较大。

平衡式主要采用泥水平衡法、土压平衡法、气压平衡法施工，其中，气压平衡法费用高、施工难度大，应用较少。

土压平衡式顶进法是一种通过大刀盘及仿形刀盘全端面切削机头正面土体，并借助主顶设备推进机头，从而将刀盘切削下来的渣土挤进土舱的一种顶管施工方法。土舱内的压力是控制土压平衡的关键，可借助机头顶进速度及螺旋输送机转速的改变来实现调节大小，进而平衡地下水压力和机头前方土压力。土压平衡顶进法施工适用于软土、硬土、砂砾和卵石层等。采用该技术弃土的运输和处理方便、简单，作业环境好，操作安全、方便，适合中、大型口径顶管作业，对铁路运营安全影响较小。

3实例分析

3.1地质概况

焦作市南水北调水厂配套管网下穿新焦铁路套管工程是焦作市南水北调配套工程下穿铁路的一个典型工程。工程场地地基土自上而下主要为杂填土、粉质粘土等，根据地质条件、排水管管径以及对铁路的影响等因素，并结合现有铁路路基填料、管线埋深情况及铁路沉降要求，圆管施工采用泥水平衡顶进法施工。圆管内径1.65m，壁厚0.165m，单节长度2.0m，套管设计总长为76m，共38节，埋深8m。

3.2工艺流程

图1为泥水平衡顶进法施工示意图，具体施工工艺流程为：制作沉井及机具、预制管到位→吊装砼管到轨道上→装顶铁→装密封圈→开启油泵顶进→出泥→管道贯通→拆工具管→回填沉井。

3.3沉井结构

沉井结构是铁路下穿管线顶管施工过程中的重要结构措施。由于本项目顶管设计高程距现状地面线距离大，因而考虑采用沉井结构作为出发井，在铁路两侧设置顶进施工的出发井和接收井。沉井制作程序为：场地整平→放线→开挖2m深工作坑→夯实基底，抄平放线验线→绑钢筋浇筑支刃脚→支护井身模板→浇筑混凝土→养护、拆模。沉井施工具体操作要点如下：

（1）出发井和接收井采用分节预制，沉井制作完成后，回填开挖的工作坑，使其回填地面线低于沉井井口15cm，防止雨水倒灌。沉井分节下沉时，首节应达到100%的设计强度后方可下沉，其他节段应达到70%的设计强度后方可下沉。

（2）出发井顶进端开孔孔径比圆管涵外径大30cm，接收井开孔孔径比圆管涵外径大30cm。

3.4路基沉降量计算

顶管施工会造成铁路路基沉降，因此，为保证铁路通行安全，确定管线埋置深度时，需满足铁路路基沉降量要求。泥水平衡法顶管施工过程中的地表变形由地层损失引起，工作原理可近似的认为符合peck公式假定，因此，路基沉降计算考虑采用工程界常用的peck提出的地面沉降横向分布估算公式[5]：

其沉降槽分布如图2所示：

式中S(x)为地面沉降量；x为离顶管轴线的水平距离；S(max)为管道轴线上方的最大地面沉降量；i为地面沉降槽宽度系数；V1为管道单位长度的土体损失量，通常采用挖掘面面积的百分率来估算土体损失的大小，令η为土体损失百分率，则V1=；η根据土体性质选取。

i的经验公式为：

H-顶管埋置深度，φ为土的内摩擦角。

对于本工点，η取0.8%，按照8m埋深计算结果如表1所示。

从表1可以看出，计算结果满足《铁路线路修理规则》文件中线路轨道静态集合尺寸容许偏差管理值的规定。

3.5质量控制措施

顶管施工技术发展日新月异，取得了很大的发展，但在施工过程中扔然存在一些问题，如：管位偏差过大、纠偏失控、管壁摩阻力过大、沉降量过大等[6]。因此，为保证施工质量，采用泥水平衡顶进法施工时，可从以下几个方面采取措施：

（1）设置泥浆套。泥浆套的作用主要体现在两个方面，一是减小管壁侧摩阻力；二是维持土体稳定，减少顶管所引起的沉降影响。浆液要按照高粘滞度，低失水量的要求进行配制，并且具有较好的稳定性。

本文以南水北调工程下穿新焦铁路顶管工程为例，详细介绍了泥水平衡法顶管施工在铁路下穿管线中的应用，实践证明：与传统的圆管涵顶进施工工艺相比，该技术无需开挖路基，施工工程可有效地保持挖掘面的稳定，对管道周围路基土扰动小，顶进距离长，施工周期短，临时占地少，扬尘少，工艺成熟，安全性高等优势明显，施工技术取得了良好的经济效益、社会效益和环保效益。

参考文献

[1]曹宝柱,刘嘉淳,郑聪.非开挖技术在南水北调平顶山配套工程中的应用[J].地质科技情报,2016(2):59-62.

[2]刘嘉淳,李志华,谈力昕,etal.泥水平衡顶管技术在商周高速穿越工程中的应用[J].地质科技情报,2016(2):28-32.