泥水平衡頂管在管道穿越鐵路中

泥水平衡頂管機(jī)在管道穿越鐵路路基中的應(yīng)用通過分析手掘式與泥水平衡頂管各自特點(diǎn)及適用范圍，經(jīng)比較，針對排水管道工程穿越鐵路、公路路基下的淤泥質(zhì)、高含水地層的具體情況，選用了安全性好的泥水平衡頂管施工工藝。對泥水平衡頂管工作原理，工作關(guān)鍵步驟及施工經(jīng)驗進(jìn)行了介紹，可為類似地質(zhì)條件下的管道穿越提供參考。頂管施工是盾構(gòu)施工以后發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，它利用微開挖或不開挖技術(shù)對地下管線、管道和地下電纜進(jìn)行鋪設(shè)、修復(fù)或更換的一種新的施工方法。從1953中國第一次引進(jìn)手掘式頂管施工開始，經(jīng)多年的改進(jìn)，使其具有了適應(yīng)多土質(zhì)、長距離，安全性等特點(diǎn)，頂管施工在燃?xì)?、光纜、城市供排水等施工中得到普遍應(yīng)用。1工程概況焦柳鐵路K495+874處現(xiàn)有一座1－3.0m拱形排水涵，兼有排污和泄洪雙重功能，由于該涵孔徑較小，無法滿足襄陽護(hù)城河的排洪要求，造成襄陽公園及周邊地區(qū)內(nèi)澇情況嚴(yán)重，為徹底解決這一狀況，設(shè)計在焦柳鐵路K495+905處修建2×￠2.4m+1×￠1.5m鋼筋砼圓涵，每條管線長60m,并將雨水和污水分開排走。施工地段位于襄樊市漢江一橋橋頭，考慮施工地段火車、汽車通行要求，采用了頂管施工。本工程地基土層自上而下描述依次為第①層鐵路、公路路基回填土，第②層灰黃色粉質(zhì)粘土，第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。地下水位為一1．8m，頂管作業(yè)層深度一10．75m，位于第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，為流塑、夾粉土、粉砂薄層。2穿越施工工藝的選擇對于以往的圓管施工，一般而言，有頂管、大開挖兩種穿越方式。由于施工地段交通繁忙且處于要道，不允許大開挖，本項目有手掘式頂管和泥水平衡頂管兩種常見的非開挖穿越方式可選擇。以下對手掘式頂管和泥水平衡頂管兩種施工工藝的特點(diǎn)進(jìn)行對比。2．1手掘式頂管施工特點(diǎn)①手掘式頂管有很大的局限性，由于手掘式?jīng)]有引入土壓平衡理論，因此對于頂進(jìn)面土壓很難控制；②采用手掘式頂管工法對于頂進(jìn)面土質(zhì)有較高的要求。首先，要求頂進(jìn)面土體的自立性要很好，其次，要求頂進(jìn)面的地下水壓力要很小；=3\*GB3③手掘式頂管的糾偏通常采用頂進(jìn)面局部超挖的方式，如果頂進(jìn)面發(fā)生流沙現(xiàn)象就無法局部超挖，因此也就很難糾偏了。2．2泥水平衡頂管特點(diǎn)針對本工程地下水位高，土質(zhì)為流塑的特點(diǎn)，需采用泥漿泵運(yùn)送棄土，因此考慮采用泥土平衡式頂管。①適用的土質(zhì)范圍比較廣，如在地下水壓力很高以及變化范圍較大的條件下，它也能適用；②可有效地保持挖掘面的穩(wěn)定、對所頂管道周圍的土體擾動比較小，相應(yīng)的對列車、公路交通影響也比較??；③與其他類型頂管比較，泥水平衡頂管施工時的總推力比較小，適宜于長距離頂管；④工作坑內(nèi)的作業(yè)環(huán)境比較好，作業(yè)也比較安全。由于它采用泥水管道輸送棄土，不存在吊土、搬運(yùn)土方等容易發(fā)生危險的作業(yè)。它可以在大氣常壓下作業(yè)，也不存在采用氣壓頂管帶來的各種問題及危及作業(yè)人員健康等問題。因此，綜合本次工程實際情況，決定采用泥水平衡頂管。3泥水平衡式頂管工藝原理泥水平衡式頂管是以含有一定量粘土和一定相對密度的泥漿水充滿掘進(jìn)機(jī)的泥水倉，并對它施加一定的壓力來平衡地下水壓力和土壓力，掘進(jìn)機(jī)在液壓千斤頂?shù)淖饔孟聦崿F(xiàn)掘進(jìn)，使掘進(jìn)機(jī)及緊隨其后的套管穿越土層，達(dá)到預(yù)先設(shè)計位置的一種頂管施工方式。4泥水平衡頂管施工測量放線測量放線出發(fā)井和接收井施工沉井和接收井就位安裝滑道、設(shè)置后背安裝機(jī)頭、頂進(jìn)設(shè)備頂進(jìn)停車回程、加接管道機(jī)頭就位、取機(jī)頭測量回填測量糾偏主管線穿越泥水平衡式頂管主要工作步驟如上圖以下分別對泥水平衡頂管的沉井施工、頂進(jìn)、測量、糾偏等關(guān)鍵步驟介紹。4．1沉井施工①制作測量放線后，在穿越管線兩側(cè)設(shè)出發(fā)井和接收井。根據(jù)現(xiàn)場情況，出發(fā)井設(shè)在鐵路左側(cè)尺寸為8m×12m，出發(fā)井底標(biāo)高比管線底標(biāo)高低1m，接收井尺寸為6m×1Om，坑底標(biāo)高比套管底標(biāo)高低0．4m。機(jī)械開挖基坑深約3m，刃腳沙墊層厚度20cm，寬90cm。C10混凝土墊層厚度20cm，寬55cm，平整度控制在5cm內(nèi)，以防在沉井制作前就出現(xiàn)不必要的傾斜，內(nèi)外井壁用建筑模板，支撐采用鋼管，井內(nèi)為滿堂腳手架，井外為1．②沉井下沉沉井下沉采用機(jī)械挖土，通過從井內(nèi)出土，清除刃腳正面阻力及沉井內(nèi)壁摩擦阻力后，依靠沉井自重下沉。在井壁澆注和下沉過程中，經(jīng)常測量傾斜度，注意沉井的下沉均勻性，沉井下沉過程中還要隨時掌握土層變化情況，分析和檢驗土壤阻力與沉井重量關(guān)系，控制出土部分及出土量，使沉井均勻平衡地下沉。如果沉井不下去時，可采用壓重下沉，注入觸變泥漿的方法，以減少摩擦阻力。井外壁用紅漆標(biāo)注井壁所在的設(shè)計標(biāo)高，以便檢查。根據(jù)每小時所測定的下沉量，確定自然下沉量來決定最后的挖土深度。③沉井封底當(dāng)沉井達(dá)到離設(shè)計深度lm時，放慢速度取土，測量沉降量，到離設(shè)計標(biāo)高30cm時，停止沉井取土，觀測3h，每30min檢查一次，累計沉降量不足5cm時進(jìn)行封底。根據(jù)設(shè)計位置設(shè)置滑道平臺，同時安裝和固定滑4．2頂進(jìn)①推力的理論計算：（以Φ24

F=F1十F

其中F—總推力

F1一迎面阻力

F2—頂進(jìn)阻力

F1＝π/4×2D×P

(D—管外徑2.9m

P＝K0×γ×H0

式中

K0—靜止土壓力系數(shù)，一般取0.55

H0—地面至掘進(jìn)機(jī)中心的厚度，取最大值11mγ—土的濕重量，取1.9t/m3

P＝0.55×1.9×11＝11.5t/m2

F1=3.14/4×2.9×2×12＝54.6t

F2

＝πD×f×L

式中f一管外表面平均（根據(jù)頂進(jìn)距離平均淤泥土）綜合摩阻力，取0.8t/m2

D—管外徑2.9L—頂距，取最大值70mF2＝3.14×2.9×0.8×70＝509.9t。配備200T×4臺液壓千斤頂能完全滿足頂力需要，活塞行程3000mm，主油泵最大供油壓40MPa，供油量10L／m②

頂進(jìn)頂進(jìn)工作流程如下：安放機(jī)頭→安裝承接口鋼環(huán)→安裝連接電纜、油管、進(jìn)出泥水管路、注漿管路→伸出頂鎬活塞桿→頂進(jìn)→縮回頂鎬活塞桿→拆出承接口鋼環(huán)→拆除機(jī)頭管內(nèi)電纜、油管、進(jìn)出泥水管路、注漿管路→安放鋼筋砼管繼續(xù)再頂。機(jī)頭切入土體后應(yīng)嚴(yán)格控制其水平、方向偏差不大于5mm。機(jī)頭進(jìn)入洞口后把機(jī)頭推進(jìn)土、砂層，待有應(yīng)力后再進(jìn)行刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)的同時向前艙注入清水，開啟泥漿泵把艙內(nèi)泥漿抽出至泥漿池，每次停止頂進(jìn)后要先停止轉(zhuǎn)動刀盤并及時啟動高壓清洗泵，以免造成管道堵塞。4．3測量頂管測量工具采用激光經(jīng)緯儀進(jìn)行水平及中心線的測量，并用激光進(jìn)行導(dǎo)向。頂管按照設(shè)定的管道中心線，在出發(fā)井建立地面、地下測量控制系統(tǒng)，控制點(diǎn)應(yīng)設(shè)在不易擾動，視線清楚，方便校核的地方，并加以保護(hù)，必要時增設(shè)控制二個以上便于校核中線樁。頂進(jìn)軸線由設(shè)計管道中心通過經(jīng)緯儀引入坑內(nèi)，然后對中觀測。管道進(jìn)入土層過程中，每頂進(jìn)1節(jié)管道對激光經(jīng)緯儀進(jìn)行一次校核。4．4糾偏頂進(jìn)過程中由于地質(zhì)條件變化不均勻，頂進(jìn)方向會出現(xiàn)偏差，如不及時進(jìn)行糾偏，會導(dǎo)致糾偏困難甚至無法調(diào)整，導(dǎo)致頂進(jìn)施工的失敗。糾偏應(yīng)貫穿在頂進(jìn)施工的全過程，盡量做到糾偏在偏位發(fā)生的萌芽階段。對于發(fā)生滾動偏差，由于刀盤正反向均可以旋轉(zhuǎn)，因此通過反轉(zhuǎn)頂管機(jī)刀盤就可以糾正滾動偏差。當(dāng)滾動偏差超過設(shè)定值時，頂管機(jī)自動控制系統(tǒng)會報警，提供操作者切換刀盤旋轉(zhuǎn)方向，進(jìn)行反轉(zhuǎn)糾偏。當(dāng)管道發(fā)生橫向或豎向偏差，利用頂管機(jī)的糾偏油缸進(jìn)行糾偏，當(dāng)機(jī)頭出現(xiàn)下俯時，可伸出頂管機(jī)下方2個糾偏油缸；當(dāng)機(jī)頭出現(xiàn)上仰時，可伸出頂管機(jī)上方2個糾偏油缸進(jìn)行糾偏。與豎直方向糾偏的原理一樣，左偏時可伸出頂管機(jī)左方2個糾偏油缸進(jìn)行糾偏，右偏時則可伸出頂管機(jī)右方2個糾偏油缸進(jìn)行糾偏。發(fā)現(xiàn)較大偏差應(yīng)分析發(fā)展趨勢，采用分次逐步糾正。顯示器上隨時顯示頂管頂進(jìn)過程的偏差數(shù)據(jù)，操作人員可以根據(jù)電腦數(shù)據(jù)隨時調(diào)整糾偏，并保持書面記錄。5結(jié)束語本次采用泥水平衡頂管機(jī)克服了淤泥、高含水的惡劣地質(zhì)條件，成功穿越鐵路、公路路基。與傳統(tǒng)的手掘式頂管相比，有5個優(yōu)越性：一是下沉量小，累計下沉量為50mm，