摘 要

摘　要：以某天然气中压管道连续穿越铁路、城市快速路、河流土压平衡顶管工程为例，分析顶管保护涵涵长的确定、上建高度的确定、工作坑的布置、顶进管道管材选择以及主要的施工

摘　要：以某天然气中压管道连续穿越铁路、城市快速路、河流土压平衡顶管工程为例，分析顶管保护涵涵长的确定、上建高度的确定、工作坑的布置、顶进管道管材选择以及主要的施工流程。为保证安全穿越，采取铁路线路加固和注浆加固的方法。对施工过程中防护桩施工和施工监测提出明确要求，探讨了顶进过程控制。

关键词：土压平衡顶管施工；  工作坑；铁路线路加固；  注浆加固；施工监测；  顶进过程控制

Design and Construction of Long-distance Earth Pressure Balance Pipe Jacking Engineering

Abstract：Taking an earth pressure balance pipe jacking engineering for natural gas pipeline continuous crossing of a railway，an urban expressway and a river for example，the determination of pipe jacking protection culvert length and civil engineering height，the layout of working pit，the selection of jaeking pipe material and the main construction process are analyzed．In order to ensure the safe crossin9，the reinforcement of railway line and the grouting reinforcement of jacking pipe are taken．The clear requirements for fender pile construction and construction monitoring in the construction process are put forward．The jacking process control is discussed．

Keywords：earth pressure balance pipe jacking construction；working pit；railway line reinforcement；grouting reinforcement；construction monitoring；jacking process control

 

1　工程概况

为了满足天津市节能减排总体要求，天津燃气集团需要建设一条DN800mm中压天然气管道。该管道需穿越某铁路、简阳路和大沽排污河。其中，某铁路为单线铁路，线路位于直线、平坡道上，轨型为60kg／m，钢筋混凝土枕木，非电气化，路基为普通土填筑，路肩高程5.2m；简阳路为城市快速路，双向八车道，交通繁忙；大沽排污河宽度为30.0m，河底高程为-1.1m。该燃气管道采用顶管施工，顶进管道采用内径为1750mm的钢筋混凝土圆管。考虑周围既有管线的标高，顶进管道管内底高程取-9.62m。

2　主要设计情况

2.1　顶进管道全长的确定

顶进管道采用63节钢筋混凝土圆管，全部顶进，每节长度为3.0m，顶进管道全长为189.0m。顶进过程中不设中继站。

2.2　顶进管道管材选择

顶管设计参照北京铁路局(京桥通—5002)《铁路顶管通用图》。顶进管道采用铁路专用双插口钢筋混凝土圆管，规格为Ø1750mm Ti-S，编号为T12，每节长3m，管壁厚度为175mm，圆管结构控制顶力为7450kN，顶进时需在圆管外壁涂石蜡减阻。圆管管口接缝见图1。

 

2.3　上建高度的确定

铁路轨底至顶进管道管顶的距离为13.86m，简阳路西侧路面至顶进管道管顶的距离为11.27m，大沽排污河河底至顶进管道管顶的距离为6.60m，铁路路肩至顶进管道管顶的距离为12.90m，简阳路东侧路面至顶进管道管顶的距离为11.07m。

2.4　工作坑的布置

在简阳路西侧设顶进工作坑实施顶进作业，工作坑边缘距离简阳路18.26m，接收工作坑设于既有某铁路东侧79.59m处。工作坑采用Ø1.0m钻孔灌注桩防护，钻孔灌注桩桩顶冠梁高为1m，桩长为20m；工作坑周围采用双排旋喷桩止水帷幕防水，每根旋喷桩的桩长为20m，桩径均为60cm，桩间距为40cm；工作坑采用Ø60.9cm钢管横向支撑，以确保工作坑的稳定及铁路行车安全。工作坑基底铺设50cm厚钢筋混凝土垫层，导轨连接件预埋在其中，导轨置于混凝土垫层上。后背墙采用钢筋混凝土结构。导轨采用60kg／m钢轨。

2.5　主要施工流程

本工程开工后首先应进行施工场地内管线改移、防护，进行止水帷幕及防护桩施工。本工程属于深基坑工程，为保证施工过程中基坑(包括顶进工作坑和接收工作坑)的安全，必须确保防护桩的施工质量。基坑防护桩完成后，进行基坑开挖、基底处理、安装横撑、安装滑板。在基坑工程完成后，顶进施工前必须取得铁路、市政、河道管理部门的同意，顶进施工前应到铁路管理部门登记要点。登记要点后进行顶进设备的安装调试和铁路线路加固，然后开始顶进施工。为保证顶进方向的正确，在顶进圆管的同时进行检测、纠偏，使顶进始终沿着正确的方向和高度进行。顶进就位后要在圆管与土体之间进行注浆加固，防止过大的沉降。待线路稳定后拆除线路加固设备，同步拆除后背墙，设检查井。经验收合格后对基坑分层回填、夯实，恢复地表。最后进行竣工验收。顶进流程见图2。

 

2.6　地基处理

顶进管道管底为承载力较低的淤泥质粉质黏土，结合本工程地下水丰富的特点，需要对基底进行注水泥浆液或AB型浆液加固。通过浆液的胶结、填充等作用，提高土层的内聚力，并封堵地下水。加施工场地内管线固后需采用雷达探测仪检测其密实度，并且加固后的地基应满足承载力不小于100kPa的要求。注浆方式以地面注浆为主，路基内采用斜注浆至设计高程。最后密封注浆孔。

3　铁路线路加固

顶管施工对铁路运输安全产生不利影响。为保证运输安全畅通，施工中必须对铁路线路进行加固。加固形式为3-5-3扣轨加固法；加固长度按保护管中心考虑受力要求，为25m；扣轨采用50kg/m钢轨。线路加固、顶进施工和拆除加固设备期间，铁路行车需限速慢行，设计限速为45km／h。拆除加固设备期间，需对线路进行道床清筛、捣固、顺坡整平并补充道砟。顶进期间线路方向、高程、水平等须加强检查。发现线路有横移迹象，立即停止顶进。有位置条件时，提前设地锚钢丝绳牵拉固定线路，以防横移。线路加固布置见图3。

 

施工总体安排和操作方法均需遵照现行规范TB 10203—2002《铁路桥涵施工规范》的规定。施工顶进操作时，应保证顶进管道全断面360°范围内不超挖，不扰动原状土结构。后背墙及滑道保证满足全线管道顶力要求，备齐用于管口破损加固的钢板内胀圈。作业人员上道作业时，必须做好防护措施。工具、材料的堆放不得侵界。施工限速期间，需设驻站防护员，电话通知施工现场主防护员列车运行情况，现场主防护员用高音喇叭通知现场作业人员。线路两侧防护员需认真嘹望，来车时及时通知现场主防护员和现场作业人员注意避让。

加强施工现场的设备检查。施工期间密切注意钢轨及道砟变化，加强观察，遇有异常，及时果断采取措施，确保安全。

施工期间严格按铁路技术规范执行，同时使用移动减速信号的防护办法防护，备齐各种防护用品并安装测速仪等设备。工点备用道砟不少于200m³。

顶进就位后，在拆除长枕木时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。线路加固全部撤出后，施工单位按照线路维修要求，全面维修达标，经工务部门同意后方可到车站登记消点，恢复正常行车。

4　注浆加固

4.1　注浆加固及止水原理

注浆时在不改变地层组织的情况下，将土层颗粒间存在的水强迫挤出，使颗粒间的空隙充满浆液并使其固结，达到改良土层性状的目的。注浆特性是使该土层粘结力和内摩擦角增大，从而使地层粘结强度及密实度增加，起到加固作用。颗粒间隙中充满了不流动而且固结的浆液后，土层透水性降低，形成相对隔水层。

4.2　浆液特性

本工程采用无收缩浆液，该浆液属于安全性、高渗透性的注浆材料，固结硬化时间可根据实际工程进行调整。无收缩浆液具有如下5个特点：

①固结硬化时间容易调整，设计硬化时间长的浆液也具有很高的强度。

②渗透性良好，特别是对微细砂层的渗透性更好。

③在地层中有流水的情况下也具有很强的固结性能。

④浆液强度、硬化时间、渗透性能可根据现场实际需要调整。

⑤浆液不流失，固结后不收缩，硬化剂无毒，对地下水不会造成污染。

4.3　浆液配比

浆液通常有两种：AB型浆液和水泥浆液。

AB型浆液采用P．O42.5硅酸盐纯水泥浆(加防腐材料)及水玻璃混合液，为增加浆液渗透力，水泥采用超细水泥。

水泥浆液：水灰质量比为1：1～1.1：1。水玻璃掺混量为水泥用量(质量)的5％。

当遇如下2种情况时，应采用停停灌灌方式或调整浆液浓度：

①水泥浆液扩散过远，即出现跑浆现象。

②注浆孔孔口附近冒浆。

4.4　注浆压力、扩散半径及注入率

注浆压力一般为0.1～0.6MPa，最大为1.5MPa；扩散半径按0.5m考虑；地基土浆液注入率(浆液与土体的体积比)采用15％，注浆加固后地表隆起累计不得大于20mm，注浆平面影响范围控制在2m以内。注浆完成后需采用雷达探测地基密实性。

4．5．1钻孔

①布孔：严格按照施工设计图布孔并进行复核。

②钻机定位：定位准确，钻头点位水平误差≤20mm，钻杆垂直误差≤1°。

③钻孔：密切观察钻进尺度及溢水出水情况，出现涌水时，立即停钻，先行注浆止水，再分析原因。确认止水效果后，方可继续钻孔。铁路线路注浆钻孔布置见图4。

 

4．5．2配料计量

配料计量工具必须经过检验合格，按照设计配方配料。

4．5．3现场控制

注浆按照实验确定的注浆程序施工。进浆量必须准确，严格控制注浆压力、注浆方向，并由专人操作。当压力突然上升或从孔壁、地面溢浆以及跑浆时，立即停止注浆。应采取措施解决，并确保注浆量。注浆完毕后，应采取措施保证不溢浆、不跑浆。由专人负责每道工序的操作记录。注浆全过程应加强施工检查和检测，防止地面出水溢浆、隆起和施工地段的地面沉降。

5　防护桩施工应注意的问题

基坑开挖前，首先进行防护桩的施工，为开挖安全创造有利条件，防护桩的施工应注意以下问题：

①钢筋笼主筋宜采用搭接焊，钢筋笼的焊接或搭接接头位置应相互错开。

②钢筋笼在起吊、运输和安装中应采取措施防止变形，并应有保护层垫块。钢筋笼吊装不得碰损孔壁，并应检测其水平位置和高程是否达到设计要求，合格后方可固定钢筋笼，灌注混凝土。

③灌注桩混凝土灌注过程中导管应始终插入混凝土中，严格控制导管不得提出混凝土面。单桩混凝土灌注时间不宜超过4h，混凝土必须连续灌注，不得中断。

④在钢筋较密处灌注混凝土时，必须注意确保混凝土的密实性，防止出现蜂窝麻面现象，保证混凝土的灌注质量。

⑤钻孔灌注桩成桩后应进行桩身混凝土质量检查，按照天津地方标准DB 29-20—2000《岩土工程技术规范》、交通部标准JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》及交通部标准JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》执行。

⑥冠梁施工前，应将钻孔灌注桩桩顶疏松的混凝土浮渣凿除清理干净，桩顶以上露出的钢筋长度应达到设计要求，保证冠梁与排桩连接牢固。

⑦基坑开挖过程中，应做好基坑内的排水工作，尽量避免雨季施工，如在雨季施工，必须准备足够的抽水设备。

⑧施工中应对基坑水平位移、周围桥梁结构及股道的变形和沉降、防护桩内力及钢管支撑的轴力进行监测。超过警戒值时及时调整支护参数。

⑨基坑开挖时应分层、分段对称平衡开挖，每层先挖中间土后挖两侧土，每层挖土厚度不宜超过3m，开挖至支撑下500mm后及时架设支撑。在支撑未安装好前，不得超挖下层土方。开挖至距坑底300mm时应由人工开挖、找平。

⑩在机械挖土过程中，要配备经验丰富的施工人员担当现场指挥，切实保护好桩身及支撑系统不受碰撞，并配以一定的人工挖土。

6　施工监测

整个施工过程中，要对既有的线路和防护桩进行施工监测，应从以下4方面着手：

①防护桩与周围环境的监测主要分为变形监测与应力监测。变形监测仪器主要采用经纬仪、水准仪和测斜仪等，应力监测仪器主要采用应变计和压力传感器等。监测的主要项目有：既有铁路路基、桩顶水平位移、钢管支撑轴力、桩身倾斜、水位观测、地面沉降等。

②通过动态信息管理，对监测数据及时处理并及时反馈以指导施工。发现防护桩异常情况应立即处理，防止发生工程事故。如实测桩体的最大水平位移超过允许值0.25％h的80％(h为基坑深度)，应采取适当措施并加密观测次数。

③基坑及防护桩报警值详见GB 50497—2009((建筑基坑工程监测技术规范》的相关要求。建筑基坑工程周边环境监测报警值按控制值的70％作为预警值，80％作为报警值。

④施工前需提前进场进行监测，并收集既有铁路沉降数据，根据监测数据，模拟沉降曲线，施工期间进行实时观测。如沉降监测值在沉降曲线以外，超出值大于允许值时应立即停止施工，并查找原因，待制定相应措施后方可继续施工。

7　顶进过程控制

顶进作业时，如果顶管掘进机操作不当，极易引起管前挖掘面出现失稳，造成顶力骤增或地面沉陷，引发质量安全事故。因此，加强顶进过程控制，是顶管施工质量控制的关键环节，必须给予高度重视。

7．1　初始顶进

我们把从破洞一直到第三节混凝土管全部推进土中的全过程称之为初始顶进。在顶管施工中，初始顶进是一个至关重要的阶段，它的成败将决定整个顶管过程的成败。

初始顶进分为以下3步：

第一步是破洞。在破洞之前，洞口必须有防止土体或砂层塌方的措施。在均匀的土质中顶进时，一般洞口采用砖砌封门。如果在砂土中，比较有效的两种方法是采取深层搅拌桩和高压旋喷桩，推荐采用高压旋喷桩来对工作坑洞口外土体进行加固。因为一般顶管施工都在比较狭小的场地，深层搅拌桩的施工设备庞大，占地大，桩机高度很高，在市区很容易受高压线等的制约，另外相比于高压旋喷桩机造价高，所以不推荐使用。高压旋喷桩机小，加固土体效果理想，加固顶管洞口外土体时可以采用纯水泥浆，也可以掺加适量的粉煤灰，主要根据工期和经济性选择。在工作坑洞口外侧采用水灰比(质量比)为1：1的水泥浆，添加水泥浆总质量2％的氯化钙，正常气温养护期为7～10d，因为养护期过长高压旋喷桩处理过的土体强度过大，机具穿过困难。而在接收工作坑洞口处理时则掺加水泥浆总质量30％的粉煤灰，养护期为28d。实践证明，其加固效果非常好，而且不影响顶进；另外高压旋喷桩还可用于对工作坑坑壁的预支护。

第二步是顶管机入土。当封门破除后，可把顶管机刀盘开动，用主顶油缸徐徐把顶管机推人土中。这一过程中应注意防止刀盘嵌入砂土中不转而顶管机壳体旋转，采取控制顶进速度和在顶管机左右两侧加设角撑的办法来防止顶管机壳体旋转。

第三步是将机头后方的两根混凝土管与机头管连接，形成一个整体，用来控制顶进段的高程和平面偏差。初始顶进工作完成后，应停下来进行一次全面的测量，并把测量数据绘成曲线，便于分析。

同时，在初始顶进中还需注意，在初始顶进的后期方可进行正常的方向校正工作，这是因为如果当第一节混凝土管尚未与顶管机后壳体连接时进行纠偏，这时顶管机的前壳体已在土中，后壳体还在导轨上，纠偏时前壳体不动，后壳体则有可能偏离导轨，不仅起不到纠偏作用，反而会带来更多的麻烦。在初始顶进阶段若非要纠偏不可，这时也只能用纠偏油缸推出(即使纠偏油缸伸出)，而不能用纠偏油缸拉(即不能使纠偏油缸缩回)。

7.2　顶管机刀盘转速和扭矩的控制和调整

在顶进过程中，根据土质情况和顶进效果进行刀盘转速和扭矩的控制和调整。正常顶进情况下刀盘应调至高转速、中低扭矩的状态工作，以获得较好的切削和土仓泥土搅拌效果。在施工中需停止刀盘回转时，应先停止顶进，让刀盘回转一段时间，观察到刀盘工作电流(或工作油压)开始回落后方可停止刀盘回转。在顶进过程中发现刀盘工作电流(或油压)异常上升时，应降低顶进速度或停止顶进，待刀盘电流(或油压)平稳后再按正常速度顶进。当顶管机头发生自转时，应将刀盘回转方向调至与顶管机头自转相同方向进行顶管机头的旋转偏移纠正。刀盘的重新起动应采取一切可能的措施降低起动阻力，在确认不会对设备造成破坏或进一步加大顶进困难后，方可加大扭矩起动刀盘。

7.3　顶进设备操作

顶进设备的操作应按前方顶进反馈的控制信息要求实施。初始顶进或中途停机重新顶进时，都应遵循从低速到高速的控制原则。顶进速度应尽量控制平稳，尤其要避免顶速突然加大的现象。对顶进过程中出现的任何工作油压波动都应及时分析原因并采取相应措施。遇到下列情况时应立即停止顶进，及时分析原因并采取相应措施，处理完善后再继续顶进：

①顶进顶力骤升或顶力达到最大值时；

②后背墙发生位移或后背墙开裂时；

③千斤顶油管不通或油泵工作不正常时；

④监视器工作不正常时；

⑤激光经纬仪工作不正常时；

⑥混凝土管出现裂缝或破损时；

⑦洞口止水圈漏水时；

⑧电路发生故障时。

7.4　高程及平面误差监测

土压平衡顶管施工测量应建立地面及地下测量控制系统，控制点应设在不易扰动、视线清楚、方便校核、易于保护处。为了实现对前端顶管机偏离轴线的动态监测，提高施工测量效率并与机械化顶管技术相适应，土压平衡顶管应采用激光导向进行监控。宜以激光测量数据作为顶进过程中判断前端顶管机高程及中线误差的主要依据。在没有激光测量仪器的情况下，可使用水准仪和经纬仪进行高程和平面误差的校验测量。使用水准仪和经纬仪对顶管机进行测量应安排在工作间隙进行，在纠偏过程中应增加测量次数，反之在顶进正常情况下可减少测量次数。每完成一节管子的顶进，应测量一次管道高程和平面误差；每个接口应测一点，有错口时测两点，并形成文件。顶进工作坑与接收工作坑贯通后，应进行管道最终验收测量。

7.5　纠偏操作

顶进过程中的纠偏是顶管作业质量的关键，若操作不当，可能造成顶力骤升，管接口破损，严重时可能造成管道无法顶进，引发严重的安全、质量事故和重大经济损失。尤其是在砂层中顶进，管道极易由于泥水过度冲刷造成顶管机机头下沉，因此，对于顶进过程的纠偏尤为重要。在机头和机头连接工具管出洞前，即使发生平面和高程偏差，也尽可能不要纠偏，因为此时纠偏，机头连接工具管尚位于导轨上，起不到纠偏效果；机头连接工具管出洞后，若高程和平面误差在±2cm以内时，可不纠偏，当高程或平面误差超出标准值2cm以上时，根据监视器内的光点位置变化趋势进行纠偏。纠偏必须有一个提前量，遵循“先纠高程，后纠平面，小角度连续纠偏”的原则，纠偏油缸的伸出量一次不得太大(以不超过2cm为宜)；当光点位置有反向移动趋势或移动速度放缓时，可将纠偏油缸缩回，停止纠偏；纠偏时还应观察监视器内仰俯角和旋转角变化，作为参考值，仰俯角和旋转角最大偏差不得超过原始值3°。当监视器中光点发生显著变化时，应停止顶进，测量人员须下坑对经纬仪进行重新校正复核，查找是否属仪器被触碰或震动所致；若不是，须进行原因分析，并会商处理办法。顶进工程中，操作人员应随时监测监视器各项数据的变化，并及时记录，在分析记录数据的基础上进行纠偏。顶管过程中，操作人员必须对顶管各项数据进行记录，顶进记录应做到记录准确、清楚、完整、及时，顶进记录每顶进一节管子记录数据不得少于一次，每班次不少于6次，尤其是交接班前，无论该管子是否完全顶进都应进行记录，交接班必须履行交接班手续，测量人员应相互沟通。测量人员应对测量仪器进行每作业班次不少于两次的校核，并保留校核记录。

7.6　顶进过程中工作坑管理

工作坑是圆管安装、顶进、泥土运输、测量等交叉作业的区域，应制定工作坑管理制度。应合理安排施工作业顺序并做好施工人员的调配管理，各道工序操作应有专人负责，职责分明。顶管机、工作坑内以及地面上设备的操作应有统一的施工指挥，按约定的信号操作，并设有报警信号。圆管吊运的方式、吊具强度及合理性等应经检查确认安全可靠。圆管从工作坑平台上吊运到主顶设备轨道上的过程中，应有相应措施保证施工人员的安全，并防止可能对圆管造成的损坏。圆管吊运到主顶设备轨道上后，应进行管端密封圈部位的清洁和润滑处理，并调整好圆管接口同心度。圆管对接宜借助主顶设备缓慢将圆管顶入，应注意检查密封圈的情况，防止被挤破或挤出。顶铁应有足够的刚度，顶铁上有锁定装置；顶铁的安装必须保证对位准确，防止千斤顶活塞杆偏心受力；边圈与管口之间应采用缓冲材料衬垫。施工过程中应注意防止顶进千斤顶活塞杆被硬物撞伤，应及时清除洒落在活塞杆上的泥砂和污物。施工过程中应注意保护好测量基准点及固定在工作坑内的测量仪器等，测量点及测量仪器应定时或定况进行校核。施工过程中应避免出现互相干扰的交叉作业。施工现场应设置圆管存放区，圆管应排放整齐，以方便吊运下管。

7.7　施工指令及记录

土压平衡顶管施工应有统一的施工组织和现场指挥，顶进指令、纠偏指令、停止指令应由有关负责人做出。顶进应昼夜连续进行施工，除顶管机停机正常维护或不可抗拒情况下，不得停止作业。每班均应填写施工记录。施工记录应包括长度、顶力或油泵压力、管位偏差及其校正情况、土质水位变化、出现的问题、应注意的事项。交接班时应将施工记录向下一班交接清楚。应设专职人员对顶管施工设备进行定期保养和日常维修，做维修保养记录。

8　结语

本顶管工程于2012年6月开始工作坑开挖、既有线路加固、顶进，于8月竣工。本工程施工过程安全、防护达标、施工速度快、工程质量优良，获得了业主单位、铁路管理单位、市政管理单位的一致好评，取得了很好的经济效益和社会效益。

 

 

本文作者：杨惠丰

作者单位：天津市津燃热电有限公司