中铁十四局集团第三工程有限公司山东济南250000
摘要：本文结合穿越天津大北环铁路四条涵管，说明顶进涵是一种穿越既有铁路常见的施工形式，它具有施工便捷、安全、高效的特点。文章主要对陆路港配套涵管下穿大北环铁路顶进施工技术进行了探讨，特别对顶进涵的顶进力和顶进设备选型进行了分析，确保了工程顺利完成。
关键词：配套涵管下穿铁路顶进施工技术
TianjinportroadsupportingtheculvertunderthebignorthringrailwayPipejackingconstructiontechnology
HanJianwei
（TheNO.3EngineeningCo.,Ltd.ofChinaRailway14thBureauGroupCorporation,Shandongjinan250000,China）
AbstrsctThispaperthroughthetianjinfourbignorthringrailwayculvert,instructionsintotheculvertjackingincommonexi
stingrailwaysconstructionisakindofform,ithasthecharacteristicsoftheconstructionisconvenient,safeandefficient.
Articlemainlydiscussesthelandportmatchingbignorthringrailwayundertheculvertjackingconstructiontechnology
arediscussedinthispaper,especiallyforjackingculvertjackingforceandthejackingequipmentselectionareanalyzed,
toensurethattheprojectiscompleted
1工程概况
天津市陆路港园区内综合管线的总体规划，共有四条管线穿越既有大北环铁路，四条管线依次是燃气管、电力管、通信管和供水管。为保证管线的正常使用和铁路行车安全，根据现场的实际情况，对四条管线分别采用1-1.75m的钢筋混凝土防护套管进行保护，采用顶进法施工。保护管中心与大北环铁路交叉里程分别为BHDK26+648.21、BHDK26+654.21、BHDK26+658.21和BHDK26+662.21，交叉角度均为90度，处于四纬路框构与路基过渡段中，边缘至铁路路基坡脚边距离不小于20m。每一保护涵采用27节圆管，每节长3.125m，沉降缝宽2cm，总涵长84.9m。保护涵穿越大北环铁路5条线路，分别为正线上下行、到发线6道、H1道、渡线。
2地质情况
保护涵顶进范围内地质情况为淤泥质粉质黏土,并且穿越大北环铁路路桥过渡段，过渡段基底处理方式为水泥砂浆桩，桩长12m，桩径0.6m，桩间距1米，呈梅花形布置，水泥砂浆桩抽芯取样无侧限抗压强度为8.9MPa以上。
3主要施工技术
3.1施工工艺
施工场地内管线探挖防护→防护桩、止水帷幕施工→基坑开挖、封底、制作底板及后背→顶进设备安置及调试→顶进圆管、监测及纠偏→就位后管壁注浆→拆除后背及顶管设备→基坑回填。
3.2主要施工技术
3.2.1搅拌桩施工
本工程地下水位埋深较浅，工作坑及接收坑均采用双排搅拌桩止水帷幕防水，每根搅拌桩的桩长为13m，桩径均为60cm，桩间距为40cm。
3.2.2钻孔桩施工
水泥搅拌桩施工完成后，进行防护桩施工。在工作坑背墙侧采用一排φ125cm钻孔灌注桩防护，桩长10m，间距150cm，单保护涵后每侧设置4根，共计13根。冠梁高1m*宽1.45m*长18m。工作坑其余三个侧面采用10m长45b工字钢防护。
3.2.3钢板桩施工
顶进工作坑侧面及接收坑均采用10m长45b工字钢，排列方式均为一顺一丁。
3.2.4工作坑施工
本工程因4条管道距离较近，设计4条管线共用工作坑。顶进坑大小为18m长*10m宽*5.6m高，接收坑大小为18m长*6m宽*5.6m高。基坑的土方由机械配合人工挖土，分层、分段平衡开挖，先挖中间土，后挖两侧土，开挖至支撑下0.5m后及时架设双拼工字钢围檩和四个角加设八字支撑。第一道临时支撑设置在冠梁底端，与冠梁底端平齐。第二道支撑设置在冠梁以下2.0m处。开挖至距坑底300mm时应由人工开挖、找平。工作坑底以下采用水泥搅拌桩封底施工，搅拌桩桩长为2.5m，桩径为0.6m，桩间距为0.4m。（如图1.2所示）
3.2.5顶力计算与后背设计
后背作为千斤顶的支撑结构，要有足够的强度和刚度，且压缩变形要均匀，因此应进行强度和稳定性计算。本工程采用组合钢结构后背，这种后背安装方便，安装时应满足下列要求：使用千斤顶的着力中心高度不小于后背高度的1/3。
（1）顶力计算
推力的理论计算：（以Φ2100mm计算）
F＝F1＋F2
其中F—总推力F1—迎面阻力F2—顶力阻力
F1＝π/4×D2×P（D—管外径2.1mP—控制土压力）
P＝Ko×γ×Ho
式中Ko—静止土压力系数，一般取0.55
Ho—地面至掘进机中心的厚度，取最大值7.7m
γ—土的湿重量，取1.73t/m³
F1＝24.17t
F2＝πD×f×L
式中f—管外表面平均（根据顶进距离平均淤泥土）综合摩阻力，取0.8t/㎡
D—管外径2.1m
L—顶距，取最大值84.9m
F2＝447.86t。
因此，总推力F＝24.17+447.86＝472.03t。根据总推力、工作井所能承受的最大顶力及管材轴向允许推力比较后，取最小值作为油缸的总推力。工作坑设计允许承受的最大顶力为1291.5t，管材轴向允许推力892.8t，主顶油缸选用2台320t级油缸。每台油缸顶力控制在300t以下，这可以通过油泵压力来控制，千斤顶总推力600t。因此可满足要求。
（2）后背的计算
后背在顶力作用下，产生压缩，压缩方向与顶力作用方向一致。当停止顶进，顶力消失，压缩变形随之消失。这种弹性变形现象是正常的，顶管中，后背不应当破坏，产生不允许的压缩变形。后背不允许出现上下或左右的不均匀压缩。否则，千斤顶在后背上造成顶进偏差。为了保证顶进质量和施工安全，施工前应进行后背的强度和刚度受力计算。
计算公式
R=αB(γH2Kp/2+2Ch+γhHKp）
式中：
R-总推力之反力（一般大于推力的1.2－1.6）
a－系数（取1.5－2.5之间），此处取2
B－后座墙的宽度（M）此处取5m
γ－土的容重（KN/M3)
H－后座墙的高度(m)，此处取4.5m
Kp-被动土压系数tg2（45°+ø/2）
c-土的内聚力（kPa)一般情况下取10
h-地面到后座墙顶部土体的高度（M），此处取3m
按上式计算，工作井后背墙加钻孔桩和止水帷幕能承受1291.5T顶力＞实际顶力600T。完全能满足要求。
（3）后背采用混凝土后背和5cm厚钢后背结合的形式，混凝土强度为C25，高2m,1m厚，长为18m，深入工作基坑底板下0.4m，后背底部与底板钢筋连接。
（4）底板为钢筋混凝土结构，厚度0.5m，混凝土强度C20，导轨连接件预埋在其中，导轨置于混凝土上。在距后背墙1m处安装TDJ2激光经纬仪，安装时应先安装经纬仪特制支架，支架用Φ40钢管和0.5cm厚的钢板制作，底部与底板预埋基础连接牢固。
3.2.6顶进作业施工
（1）顶管机选型：根据地质情况及现场路基地基处理情况，无法使用挤压式顶管机头，故选用TPD1800泥水平衡顶管机(外径为2100mm，重量25t，纠偏角度2.5°每小时出土机排量为17m³)。
1）泥水平衡顶管施工原理：泥水平衡顶管法是一种专业的非开挖施工技术，泥浆水在挖掘面上形成一层泥膜，借助主顶油缸的推力将掘进机头推入洞口的止水圈，电动机提供能量，转动切削刀盘，通过切削刀盘进入土层，最终掘进机和工具管被推到接收坑内吊起，同时把紧随掘进机和工具管的管道埋设在两坑之间。
2）泥水平衡顶管机优点：
①适用地质范围比较广，淤泥质粉质黏土、砂性土、碎石层、砾石层及强度较高土层，人工开挖困难地区，它都能适用。
②可有效地保持挖掘面的稳定，对所顶涵管周围的土体扰动比较小，引起地面的沉降比较小。
③与其他类型的机种相比，泥水顶管的切削力矩小，最适宜于硬土及复合地基处理地段里顶管。
④工作坑内的作业环境较好，采用泥水输送弃土，可以在各种环境下作业。且挖掘面稳定，不会造成地面沉降而影响交通及各种公用管线的安全。
⑤泥水输送弃土为连续作业，因而大大提高了推进速度，适宜于长距离顶管。
（2）顶管设施安装
1）安装后背：顶管后背结构为后背铁，后背铁表面要平顺，并且垂直于顶进管道的轴线，避免产生偏心受压；后背的安装允许偏差为：垂直度：0.1%H、水平扭转度：0.1%L（H为后背的高度，L为后背的宽度）。
2）安装主顶油泵：安装时主顶油泵比管道中心线下移8mm；油缸的轴线与管道轴线平行。油缸支架下部要实，左右、后端要撑紧。
3）搭设操作平台：操作平台上放置主顶油缸的液压动力站、储油箱、配电箱、操作设施等。同时操作平台也是施工人员使用扶梯上、下井的中转平台，平台四周安装护栏。
4）导轨安装：导轨支架采用H型钢加工而成，导轨固定在工作井的底板上导轨顶进时不产生位移（如图3）。导轨安装严格控制偏差值。
5）止水环安装
为防止推进机入洞时淤泥、砂涌入基坑，在顶进方向的墙壁上需安装止水环。首先进行测量，确定止水环安装的位置；其次将止水环底圈固定到墙壁上，用混凝土封闭底圈与墙壁之间缝隙；然后在底圈上固定防水橡胶板；最后安装止水圈压板，在推进机入洞之前才允许将止水环内的墙壁凿除。
6）泥水平衡顶进机头就位
使用50t吊车吊装，将顶管机头轻轻放入顶进坑内的导轨上，前端距井壁约400mm。就位后检查顶管机的轴线是否与顶进坑轴线、导轨轴线以及主顶油缸的轴线保持一致。在顶管机准确定位后，必须进行反复调试，确定顶管机运转正常后，方具备顶管入洞条件，以保证顶管入洞和顶进顺利。
（3）顶管施工
1）管节安放：将涵管摆放在导轨上，测量套管前端和后端的高程及管节的中心线，合格后方可进行顶进。
2）管节顶进：在工作坑内设置稳固的水准点及中线控制点，顶进首节管时，每顶进200-300mm，对中心线及高程测量一次，其后每顶进400-600mm测量一次，发现偏差及时调整纠偏，做到勤测勤纠。
3）现场用光电经纬仪对顶进方位进行控制，在工作坑底板上预埋好钢板待坑内其他设备安装完毕后，再进行经纬仪安装，在顶进过程中，激光经纬仪从始至终进行跟踪测量，方向修正时，通过激光靶上的激光点确认方向修正值。
4）顶进施工应昼夜不停，但在顶进过程中遇到顶管前方发生塌方或遇到障碍、后背变形、顶铁发生扭曲现象、管位偏差过大、顶力超过管口允许承受能力发生损伤，应立即停止顶进，迅速采取措施处理完善后再继续顶进。
5）顶进先后顺序：先顶进穿越大北环左线→大北环右线→6道到发线→渡线→H1道到发线。
6）出浆外运
在管内铺设Φ100排泥管道，由11KW管道式排污泵助送至井外集泥池，最后由泥浆车运至弃泥场。
（4）顶管施工技术要求
1）下管：当顶进结束，顶进完全收回后，拆下护口铁，开始吊运水泥管。注意水泥管的方向和位置。
2）安拆护口铁：接管前将电缆、注浆管拆卸下来，将护口铁吊运至地面；安装管节后，再将护口铁安装上。注意护口铁与水泥管口的形状配合，检查安装是否牢靠，吊装时注意安全。
3）顶进操作：顶进操作人员需按照操作规程对顶管机进行操作。顶进过程中，应及时的对顶管机姿态进行调整。
4）触变泥浆配置：根据施工情况配置触变泥浆，及时进行壁后注浆以减阻，并根据挖掘面的土质情况对泥浆成分进行改良调整，注浆设备加装隔膜型压力表，现场根据土质及覆土深度确认注浆压力。
5）管缝封闭：相邻混凝土管间存在缝隙，缝隙采用石棉水泥进行封闭填充，作业前需将管缝内的杂物清理干净，管缝深度保证大于20mm。管道内部的注浆孔，也采用石棉水泥填充。
6）设施拆除：混凝土管顶进、换浆、检测全部完成后，拆除顶镐设备、后背铁及导轨，基坑内的工字钢支撑暂不拆除，留做穿管、焊管施工时作保护支撑使用。
7）连续顶进，不能长期停顿。顶进间隔过长时，地下水渗出，土拱坍塌，会使顶力增加。检查首节顶管的高程、中线和坡度，顶进时连续测量。顶进时如有偏差过大，应立即停止顶进，进行纠偏。
8）停顶处置：顶进施工中，遇有特殊情况，停止顶进施工。为防止停顶时发生抱管现象，每停顶五小时，对管外壁进行润滑泥浆补注一次，注浆自掘进机后第一节管开始，依次向后进行。每停顶十小时开动主顶千斤一次，缓慢向前推进100mm。
4线路安全防护
4.1施工流程
施工时派专职驻站员到车站驻站，当施工过程中遇有险情时由现场主防护员及时用对讲机通知驻站员，再由驻站员告知车站运转室值班员。
4.2线路加固
根据北京铁路局工务处关于既有线顶进桥涵施工安全措施试行办法，采用3-5-3吊轨加固法加固线路（如图4）。
4.3安全措施：
（1）在施工地点每条线路两侧各100m范围，做好线路防爬锁定。
（2）涵管施工范围每隔5m在线路及两侧路肩上设固定观测点，观测点纵向间隔5m，每股道设5个观测点，选择一个固定水准点进行观测，发现线路变化较大时，及时采取措施，确保既有线路行车安全。
（3）设置防护人员，随时注意来车方向，发现列车开来及时通知施工人员，到指定地点避车。
（4）顶进期间三班负责人员要随时注意观察线路方向、高低、水平变化情况，并与顶进人员保持联系，发现问题立即停止顶进抢修线路，待线路达到运行条件时再开始顶进施工。
（5）拆除加固设备期间，需对线路进行道床清筛、捣固、顺坡整平并补充道碴。
（6）顶进就位后，拆除木枕应严格执行隔六换一的操作规程，换好一根捣固一根后才能进行下一组作业。
4.4慢行防护：
根据北京铁路局《既有线顶进桥涵施工安全措施》试行办法，该线路施工期间列车限速45km/h慢行，施工中严格按照《安规》规定，施工地点设置T字牌、慢行牌、减速地点标。
4.5线路恢复
保护涵管顶进就位后，应及时组织实施如下工作：
（1）拆除既有线路加固吊轨及纵横工字钢、线路回填道砟全面整修，并做好线路后期的监测和沉落整修。
（2）人工拆除后背钢筋砼梁、清理现场。
（3）及时和建设单位商定后续穿管工作，以便落实基坑回填、拔除工字钢及撤场工作。
5结束语
通过对穿越天津大北环铁路四条涵管顶进施工方法的研究，对水泥砂浆桩加固土层中顶进设备进行了选型，顶进施工前对既有铁路线路进行了加固，并采取了合理可靠的安全防护措施，对以后类似既有线顶进涵施工的设备选型和安全质量控制具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]《客货共线铁路桥涵工程施工技术指南》TZ203-2008.
[2]《路桥施工计算手册》人民交通出版社，2001.
[3]《铁路工程地基处理技术规程》TB10106-2010.
[4]《铁路营业线施工安全管理办法》铁运{2012}280号
作者简介：
韩建伟(1981-),男,工程师，主要从事铁路、公路工程施工与管理。