下穿铁路大截面矩形综合管廊盾构顶进技术

下穿铁路大截面矩形综合管廊盾构顶进技术

蒋盛

广州铁路工务实业发展有限公司

摘 要:随着城市化进程的发展，城市地下空间不断被开发，使得在下穿城市公路、铁路的地下综合管线的施工工艺应用日益剧增。本文以深圳市罗湖区宝安路污水泵站配套管网建设工程下穿广深铁路管廊工程为例，介绍项目概况、施工流程、原理、关键参数以及技术措施、铁路线路及设备加固技术、重难点分析及解决方案，可为类似工程提供参考。

关键词：下穿铁路 盾构顶进 线路加固 关键技术

一、盾构顶进技术的优势

盾构顶进施工占地面积小，施工安全性高。复杂地层，在用机械式封闭系统施工，安全可靠，确保上部交通设施、管线安全；没有扬尘和噪音“绿色、环保”。采用预制管节顶进，缩短工期。矩形截面比圆形截面利用率高。具有良好的社会效益。

二、项目概况

宝安路污水泵站配套管网建设工程下穿广深铁路管廊工程位于深圳市罗湖区。管廊总长68.0m，管节规格为：8.2 m×4.0m×1.5m（管廊内径为7m×2.7m），管廊中心线与广深铁路I线相交里程为K143+803，交叉角度为66°，管廊施工由西往东顶进穿越44道、10#与12#岔渡线（44道与广深铁路III线）、广深铁路III线、广深铁路II线、广深铁路I线、广深铁路IV线共6股道，铁路车流量密集，社会影响大。

本工程设工作井一个，工作井尺寸为长14.9m×宽12.0m×深9.2m，壁厚1.0m，工作井位于广深铁路西侧小公园处，距离广深铁路栏栅12米；设接收井一个，接收井尺寸为10.2m×7.0m ×8.4m，壁厚0.5m，接收井位于广深铁路东侧，距离铁路路围墙6米，均采用原位分节制作及下沉的沉井施工工艺。

三、盾构顶进施工流程

顶管井施工（工作井、接收井）→铁路线路扣轨加固完成→顶管机进场安装与调试→顶管洞门破除→顶管段始发→非铁路段正常顶进→铁路路基段管廊顶进（同步进行边坡支护及路基障碍物破除）→清障坑回填→铁路路基段继续顶进（遇到障碍物重复清障工作）→顶管机接收吊出→顶管机退场。

四、盾构顶进施工技术

1.盾构顶进施工原理

根据工程地质情况管廊主体采用8200×4000mm矩形泥水平衡式盾构顶进法施工、矩形管节支护。因受场地限制且管节为非标准管节，顶管管节采取委托专业管道生产厂家按照管节设计图纸进行预制，管节预制长度按1.5m/节（长1.5m×宽8.2m×高4.0m），最后一节长度按0.5m预制。

顶进机的前端切割面安装固定刮刀，刀座和刀盘焊接采用耐磨焊条。通过刀盘对前方土体进行切削，切削下来的泥土在泥土仓内形成塑性体，以平衡土压力，而在泥水仓内建立高于地下水压力20～40KPa的泥水、泥浆，以平衡地下水压力，保证土体不发生坍塌现象。刀盘刮刀对前面土体是全段面的刮动。刮刀对破裂的土体进行切割，掏空前方土体，当有大块土体或块石进入顶管机泥土仓，经刀盘转动时就会被轧碎，碎块泥土小于顶管机的隔栅孔就进入泥水仓被泥水循环管输送走。顶管机向前推进，通过循环的边切边顶直至管廊到位。

2.盾构顶进施工关键参数

主要性能参数包括：管廊顶力计算、混凝土管廊强度验算、工作井后背墙验算，计算根据工程地质勘察报告和水文地质资料选取适当参数，以满足施工要求。

初始顶进速度不宜过快，一般控制在1~2mm/min左右，根据偏差和旋转情况进行调整。加固区出土量控制在105%左右，非加固区出土量控制在95%左右。

正常顶进正面土压力设定结合施工经验，设定值应介于进浆压力与排浆压力之间。顶进速度控制在0～20mm/min，如遇正面障碍物，控制在10mm/min以内。严格控制出土量，防止超挖及欠挖，正出土量控制在理论出土量的98%～100%。

3.盾构顶进设备及材料控制

3.1后座千斤顶选用：后座主推系统选用14个200T级千斤顶，各油缸有其独立的油路控制系统。每只油缸顶力控制在1600kN以下（额定顶力的80%），这可以通过油泵压力来控制。

3.2导轨选用钢质材料制作，安装后的导轨应牢固，不得在使用中产生位移，并应经常检查。两导轨应顺直、平行、等高，其纵坡应与管道设计坡度一致。导轨安装的允许偏差为：轴线位置：3mm；顶面高程：0～+3mm；两轨内距：±2mm。

3.3千斤顶安装应固定在支架上，并与管道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上。千斤顶最大顶力不大于1600KN（额定顶力的80%）。

3.4油泵宜设置在千斤顶附近，油管应顺直、转角少。泵应与千斤顶相匹配，并应有备用油泵；油泵安装完毕，应进行试运转。顶进开始时，应缓慢进行，待各接触部位密合后，再按正常顶进速度顶进。顶进中若发现油压突然增高，应立即停止顶进，检查原因并经处理后方可继续顶进。

3.5顶管进出洞口采用Φ600@500×500双管旋喷桩进行土体加固兼作洞口止水.

3.6施工中应加强对泥浆压力和泥浆品质的控制。泥浆的浓度越高，对稳定工作面的效果越大，但流体输送设备和泥水处理设备的负担也随之增大，因此，应根据切削土体的实际情况进行适当控制。通常采用的泥浆比重值为1.05～1.3，粘度不小于25″。

4、盾构顶进过程控制

4.1在始发井出洞口安装可拆式止水钢圈，再在钢圈上上安装止水胶圈，达到止水效果。洞口安装好止水圈后，吊住工具头，顶出推进千斤顶，将环形顶铁对准工具头尾部，将工具头缓缓推进到井壁洞内。安装好所有管线（电力电缆、信号线、油管、触变泥浆管），转动刀盘，向工作仓注入一些泥浆，开始顶进，进入正常顶进工序。

4.2顶进千斤顶，舱内压力过大，地面隆起；舱内压力过小，地面沉陷，顶进过程中不断观察工作仓的泥水压力表，控制顶进速度和出土量保证舱内、舱外压力平衡；

4.3顶进过程中，要求边注入触变泥浆边顶进，不注浆不顶进的原则。停止顶进或拼接管段、排除故障等原因造成短期或长期停顶时，要求工具头中留有足够土塞或注泥浆平衡土压力。重新开始顶进时，应对整个管路进行补浆。顶进一节管后，回缩千斤顶，拆开水、电、气、通风、泥浆管路，吊入下一节管段，调直对中，安装好接头止水材料，安装回各顶铁，接通各管线，开动油泵顶进一个千斤顶行程，测量，纠偏，安放顶铁顶进，直至下一节管，又重复上述流程。测量工具头的偏位要作好记录及纠偏。

4.5当顶管管道接近接收井时，必须先复测本段管道的长度与设计长度相符，然后通过测量得知顶管机出口的具体位置，将接收井工具头出洞位置的混凝土护壁凿除。顶管机快速顶进，顶管机出洞。如遇地下水丰富时，用棉纱堵塞住管和洞口间的空隙，等顶管机完全出洞后即用水玻璃或水泥浆压住止水。

5.盾构顶进施工关键技术措施

5.1在初始顶进阶段正面水土压力大于管节周围的摩擦阻力。拼接管节时主推千斤顶在缩回前必须将已顶进的部分与井壁进行固定，防止管节发生后退，导致洞口止水装置受损。

5.2洞口止水圈安装非常关键，由于顶进出洞时不可避免有一定偏离出洞轴线位置，止水圈允许机头有2cm轴线位置，若机头偏差超过2cm，止水圈的安装位置必须根据实际偏差进行调整。机头的直径一般比混凝土管外径大2cm，使的管与洞之间有2cm的空隙，容易形成泥浆套，便于减少管壁与土之间的摩擦阻力。如果出洞处管下部为砂性土，为了防止管节穿墙时工具头流水流泥导致地面塌陷，或者顶进方向失去控制，必须对所顶进道外径的两侧和顶部的一定宽度和长度的范围内进行加固，从而使工具管在出洞或进洞时土体不发生坍塌现象。

5.3管节的顶进中遇到不稳定流砂层，则可不抽水，保持流砂层的稳定。少出土、多顶进。在顶进过程中，应该随时注意工具头前端的土压情况，保证使工具头前端土体不发生流沙坍塌。在含砂量过大的地层加注泥浆，以增加土体和易性和平衡土体的压力。

5.4管节顶进时要按设计要求的轴线、坡度进行，测量与纠偏的相互配合。即每顶进一段距离，测量一次工具头轴线及标高偏差情况，及时纠偏。每次纠偏角度要小，微机每次指出的纠偏角度变化值一般的都不大于0.5º。纠偏操作不能大起大落，如果在某处已经出现了较大的偏差，这时也要保持管节轴线以适当的曲率半径逐步地返回到轴线上来，避免相邻两段间形成过大夹角。

5.5为防止管节发生整体不均匀沉降，每段通道顶进完成后，利用触变泥浆注入口改注入填充料，增加管外壁土体的密实度。为防止因管顶卸土导致管节之间发生沉降，增加整体稳定性，采用在预制管节上预留6个直径52mm的圆孔。顶进时采用直径50mm，长度1m的钢棒连接。

5.6在长距离顶进中，随着距离的增长，管节经过不同的土质时，推力上升的很快，一旦摩擦阻力过大导致管节所受顶力不均匀，当顶力超过混凝土管所承受的极限时，混凝土管就有可能破坏，可采用在混凝土管周围注触变泥浆，将混凝土管与土之间的干摩擦变为湿摩擦，达到减阻的目的。

5.7顶进过程中做好地面及铁路沉降控制措施，采用地表和深层观测相结合的方法。沿顶进轴线的管线保护和重要区段应增加每天监测次数以致进行24小时跟踪监测。正常情况下地面的观测点每天进行1～2次沉降跟踪观测，经数据处理分析后作为及时调整掘进机参数的依据，减小地面沉降量。

5.8机头出洞时由于周围土体被破坏或在出洞时洞外泥水流失过多，造成出洞时掘进机因自重太重而下磕，可将机头垫高5mm，保持出洞时掘进机有一向上的趋势。调整后座主推千斤顶的合力中心，出洞时观察掘进机的状态，一旦发现下磕趋势，立即用后座千斤顶进行纠偏。在软土层中顶进混凝土管时，为防止管节漂移，可将前3～5节管与工具管联成一体。

五、铁路线路及设备加固技术

考虑铁路既有设备、铁路运营安全条件等原因，为减低减少管廊顶进施工对广深铁路运营的影响和保证铁路运营安全，在顶进施工前先对护管范围内6股道采用D型施工便梁及纵横梁进行架空加固，其中广深I线、II线、III线架空桥跨布置为6m+20m+6m，主跨采用D20施工便梁，副跨采用6m工字钢纵横梁加固方式，广深IV线架空桥跨布置为5m+20m+6m，主跨采用D20施工便梁，副跨采用5m及6m工字钢纵横梁加固方式；10#与12#岔渡线架空桥跨布置为6m+16m+2.5m，主跨采用纵横抬梁法，纵梁采用D16便梁的纵梁，横梁采用H30工字钢，副跨采用6m及2.5m工字钢纵横梁加固方式；44道架空桥跨布置为5m+12m+5m，主跨采用纵横抬梁法，纵梁采用D12便梁的纵梁，横梁采用H30工字钢，副跨采用5m工字钢纵横梁。顶进作业过程中，铁路列车限速45km/h，加强顶进过程中的线路监测，对线路进行日常维修保养。

六、重难点分析及解决方案

1.本工程穿越时速200km/h的国家繁忙干线广深铁路，施工场地狭小，顶进施工受铁路路基底下不明障碍物、铁路管线迁改及对铁路行车安全干扰较大、矩形顶进覆土厚度小。

解决方案：对顶进线路上影响较大的铁路设备及障碍物，分别制定有针对性的加固及破除保护方案，在顶进顶进之前，严格按照障碍物破除及管线保护方案对影响范围内的建构筑物进行破除或加固，在顶进过程中做好监测工作，及时解决监测发现的问题。顶进时控制施工各参数在可控范围，防止地面沉降或隆起超限。

2.本工程顶进顶进地层分布有较厚的砾砂，地下水比较丰富，防止顶进洞门涌水涌砂及管节接缝渗水是重点。

解决方案：工作井端头采用双管旋喷桩进行土体加固，局部缝隙采用双液注浆进行封堵，顶进施工前洞门进行探孔，检验洞门土体加固质量。工作井洞门按安装橡胶止水环，由于顶进隧道主要处于粗、砾砂层，橡胶圈容易受砂粒磨损而失去止水功能，因此，在止水环内部洞门钢环上再增设一道盾尾刷。管节接缝密封止水圈断面形式采用鹰嘴型。鹰嘴型止水圈具有更大的高度及压缩比，其止水能力优于锯齿形。

3.本工程属于大截面矩形顶进，顶进外包尺寸8.2×4.0m，一次顶进长度超过68m，总的顶进阻力大，如何确保顶进顺利贯通，是重点也是难点。

解决方案：首先，根据顶进地层的地质情况，通过试验优化调整触变减阻泥浆的配合比，最大程度的减少管节外壁与土体之间的摩阻力，从而减小总的顶进阻力。

结语：深圳市罗湖区宝安路污水泵站配套管网建设工程下穿广深铁路管廊工程采用的矩形管廊盾构顶进法，在过程中严格控制，加强监控量测，及时调整纠偏，于2022年10月管廊顶进部分已圆满完工。建设期间对既有铁路行车及周边环境造成的影响小，绿色环保，安全可靠。施工过程控制、关键技术措施、重难点及解决方案可为类似工程提供参考。

1