泥水平衡顶管下穿铁路技术研究与应用

泥水平衡顶管下穿铁路技术研究与应用

郜晓朋

山西三建集团有限公司 山西省046000

摘要：铁路在中国的交通体系中起着举足轻重的作用。然而，在铁路的日常运营中，我们经常遇到各种工程问题，其中顶管下穿铁路的技术问题较为突出。本文将对泥水平衡顶管下穿铁路技术进行研究，并探讨其应用情况。

关键词：泥水平衡、顶管、铁路  

在城市化发展过程中，铁路线路与地下管线的交叉问题成为一个亟待解决的瓶颈。传统的施工方法可能会对现有的铁路线路和地下管线造成严重破坏，因此需要一种新的技术来解决这个问题。泥水平衡顶管技术应运而生，它可以有效地进行铁路下穿管线的施工，而不会对现有设施造成破坏。本文将对泥水平衡顶管下穿铁路技术进行研究与应用，介绍其完整的施工工艺。

一、泥水平衡顶管技术概述

泥水平衡顶管技术是一种非开挖的地下管道施工方法。其工作原理是通过在管道前方使用高压泥水喷射到土层上，形成一层泥膜，从而减小土壤的摩擦力。然后，顶管机头的切削和输送将土层中的土块和泥水一起送到后方，实现地下管道的施工。

该技术的优点在于适应各种土质，特别适用于软土地层。由于非开挖的特点，它不会对地面交通产生影响，也不会造成噪音、粉尘等环境污染。因此，它在城市管道施工、河流穿越以及铁路等工程中得到了广泛应用。

二、泥水平衡顶管下穿铁路的原理与特点

（一）工作原理：

泥浆注入：在开挖工作面前方，通过泥浆注入系统将泥浆（通常是水和细粘土的混合物）注入到施工工作面的土层中。注入泥浆可以平衡土层的压力，防止土层塌方和进水。

推进器推进：在泥浆的作用下，使用推进器（也称作盾构机或钻顶机）推动管道或隧道向前推进。推进器通常由曲柄机构、液压缸和推进盘组成。通过控制推进器的运动，可以实现管道的平稳推进。

泥浆的循环使用：推进过程中，不断循环使用泥浆。泥浆通过管道进入工作面，然后通过泥浆管道系统将刨土带出施工现场。经过泥浆处理设备的处理后，泥浆再次回到注入系统，形成循环使用。

（二）适用范围：

穿越软弱土层：泥水平衡顶管法适用于穿越软弱土层，如黏土、软土和砂质土等。通过泥浆的注入和土层的平衡，可以有效地控制土压、土塞和地面沉降等问题。

高地下水位地区：泥水平衡顶管法也适用于高地下水位地区，因为泥浆可以起到封闭和隔离地下水的作用，防止地下水渗入施工工作面。

适应不同管径和形状：泥水平衡顶管法可以适应不同管径和形状的管道或隧道，包括圆形、椭圆形和非圆形等。

（三）特点：

1. 无需明挖开挖：泥水平衡顶管技术不需要进行明挖开挖，减少破坏和对环境的影响。

2. 土层控制能力强：通过负压的作用，可以对土层进行控制，保证顶管施工的稳定性。

3. 施工速度快：相比于传统的施工方法，泥水平衡顶管技术施工速度更快，提高了工期效率。

三、泥水平衡顶管下穿铁路的施工工艺

（一）具体应用案例：

顶管作业方向由东向西顶进，主要穿越菜地、铁路段，总宽度约43米，顶管段长度约86米，分别在两侧设Y5 工作井（右侧）和Y6接收井（左侧），由东向西顶进，顶管深度与铁路高差约为4m，顶管所用套管采用 d2400 顶管专用管，内置 D2020×10 防腐螺旋焊缝钢管。

（二）施工工艺：

1、打设工作坑钢板支护桩

采用钢板桩，桩长12米，间距为后背0.2米，其余三面间距0.8米。施工前先根据图纸尺寸进行测量放线，挖出桩沟，用两根15×15厘米方木做水平控制梁，用10×10厘米角钢做垂直控制架，用履带式振动打桩机打沿坑内口线打入。打桩时应保证钢桩的垂直度，利用震抖缓慢将钢桩全部打入原地面标高。

为满足施工设备安装、运行及操作、存放材料面积、人员上下、下管、出土量施工面积，本工程顶管工作坑底部设置为：

主工作坑的尺寸为8m×5m，接收坑尺寸为5m×5m。

2、工作坑、接收坑基础

主工作坑基础做法采用卵石垫石10cm厚，底板浇20cm厚、C20混凝土，基础内每隔1.0米预埋16#槽钢1根,共9根,并与坑壁加固工字钢连接,其上焊接滑道,高程、位置要准确；接收坑的基础厚度及混凝土强度等级依照检查井底板图纸施做。

3、稳导轨、做后背、下设备，焊走道，做1.2m高护栏围固在工作坑四周

导轨采用重型钢轨，型号151，数量2根，长同底板长，和预埋钢板之间用横向的槽钢（8厘米宽）焊接，导轨的间距布置应使管外底离横向的槽钢顶面不小于2厘米，导轨长度按工作坑长度减去0.3米，满长铺设。导轨的高程误差和中线位移控制在2mm内。工作坑内的导轨是与主顶设备配套设置的，在安放时，保持固定即可。根据本项工程所处土质较软这一特点，我们将导轨高程控制在比设计管道高20mm的水平上，以求中和在掘进机及管子出坑后（脱离导轨）的下沉量。在接收坑内，为使掘进机在进坑时与管子保持在同一直线上，也设导轨，用槽钢按设计路线及高程做简易固定。

机头和混凝土管安放在导轨上，以保证混凝土顶进方向的精度，导轨和预埋槽钢焊接在一起。要求在顶进过程中能承受各种负荷，确保不位移、不变形、不沉降。安装导轨先复核管道中心线的位置。两根导轨保持相互平行，导轨坡度与设计管道坡度一致。顶管工作坑混凝土基础面的标高等于沟底标高减去导轨高度再减去10mm（垫铁调整高度）。导轨由钢轨、横梁和垫板组成，导轨采用50#的钢轨。

后背墙采用定型后背铁（长3.5米、高3.0米、厚0.35米），与钢桩之间灌注砼（C30、厚50厘米，钢筋布置为主筋φ15，分布筋φ12，纵横间距为15＊15ｃｍ，支撑筋φ12）找平，使后背墙的平面垂直于导轨。后背铁与钢桩用Φ16钢筋焊接牢固。

通过对最大顶力的计算，我们将采用4台200t等推力主顶油缸作为主顶设备，成上、下、左、右对称布置，行程要使其合力作用点低于后座被动土压力的合力点，使后座所能承受的推力为最大。

为防止顶铁受力不均,发生崩铁事故。保证顶铁与管道轴线平行,使千斤顶轴线、顶铁轴线和管道轴线处于平行。环型顶铁与混凝土管口之间加缓冲衬垫。

采用1.2米高护栏围固在工作坑四周。

4、测量仪器安装

为保证在顶管过程中顶进方位的准确，采用激光经纬仪对顶进方位进行控制。在工作坑底板上预埋好钢板（位置为管线线路中心左侧300mm），待坑内其它设备安装完毕后，再进行激光经纬仪安装，测量台的布置牢靠的固定在工作坑底板上预埋好钢板上，与顶进机架和后靠不相连接，并经常复测，消除工作坑位移产生的测量偏差，来确保施工测量的正确性。

为保证直观有效采用米格纸按比例分别画出高程变化趋势图，偏斜变化趋势图，以估评标准数据为临界线，在勘测校正的原则下将记录反映到图上，便于质量控制。

5、顶进前的准备工作：

把临时水准点、中线定好位置，准备测量校核使用，由于已知控制点的位置所限，满足不了施工需要，所以要增加一定数量的临时控制点，以保证施工正常进行。临时控制点的平面坐标及高程测定方法同已知点复核测量相同。检查井位置的测定一般采用经纬仪导线法或极坐标法。根据已知坐标计算出井位与已知控制点的相关坐标方位角及水平距离，用经纬仪实地测出井位，为了保证测量精度，应对其测定的井位采用第二种方法进行复测。

（2）液压系统、顶进系统安装试运行正常。

（3）检查后背加固是否牢靠

（4）检查轨道安装是否牢固

（5）吊装设备运行正常，吊具、吊索准备齐全。

（6）管内进水管、出泥浆管、连接螺栓备齐。

（7）将膨润土准备一个井段的用量，检查注浆泵、管路、阀门等配件齐全且运行正常。

（8）管外用照明设备、管内用的安全电压变压器、灯具线路正常。

（9）防雨设备齐全。

（10）顶铁配置齐备。

（11）泥浆池放置土地点的选定，以便于泥浆外运。

（12）人员安全防护用具、手用具等配备齐全。

（13）发电设备试运行正常备用。

6、顶进

顶进过程：安装顶铁，千斤顶油，活塞伸出一个工作行程后，千斤顶回油，活塞回缩，增加顶铁。重复以上工作循环，直至顶进长度超过一节管子长度后，撤去弧形顶铁，安装下节管。

本次施工主顶设备选用3m冲程的油缸，200T千斤顶4个，前端配有环型顶铁。考虑D1050的管长均为3m，在顶管接入时已无工作空间，加设厚度为50cm的弧形活动顶铁，安管时将其吊移。

在正式顶进前，对所有机器、电路、油路及其它设备进行最后一次测试。无误后即开始顶进。顶进前快速拆除龙门封堵；当主顶油缸顶进一段距离后，掘进机接触到坑外侧土体，机头刀盘开始工作。

7、接管、下顶铁、出镐顶进

管子稳定好后，上好胶圈，在胶圈上抹匀凡士林，下弧形顶铁，再下∪型顶铁，后开镐，先顶∪型顶铁，再顶弧形顶铁，再顶下一节管，将刚稳定好的管与前一节管顶严。同时连接好各种注浆管路、行灯电路、机头连接电路、随后重复上述步骤依次进行。

8、纠偏

管道偏离轴线主要是由于作用于工具管的外力不平衡造成的，外力不平衡的主要原因有：

（1）推进管线不可能绝对在一定直线上；

（2）管道截面不可能绝对垂直管道轴线；

（3）管节之间垫板的压缩性不完全一致；

（4）顶管迎面阻力合力与管道后断推进顶力合力重合不一致。

（5）推进的管道在发生挠曲时，沿管线纵向的一些地方会产生约束管道挠曲的附加抗力。

三、结语

泥水平衡顶管下穿铁路技术是一种先进的施工方法，能够解决铁路与地下管线的交叉问题，减少对现有设施的破坏。通过本文对其施工工艺的介绍，相信读者对该技术有了更深入的了解。在今后的城市建设中，泥水平衡顶管技术将有更广泛的应用前景。