1引言

城市施工环境变得愈来愈复杂，难以施工、难以控制的特点，作为非开挖技术之一的顶管施工技术，也应与时俱进，适应社会和复杂环境的要求。本文鉴于此种情况下，着眼于工程实例的一类顶管施工技术的研究与运用。

2 砂层中穿越铁路顶管存在问题分析

2．1砂层中穿越铁路顶管存在的问题

粉细砂地质条件下穿越高速铁路时，管道覆土浅的一类顶管在顶进施工过程，砂土在刀盘的挠动下，易液化，形成流砂，再加上排泥砂量、顶进速度控制不当，以及循环泥浆配比不当，就会造成顶管机刀盘前方砂质土体塌陷，地层地基下沉，导致铁路道轨沉降量超标，或地基隆起，影响高速铁路运行安全。

2．2导致铁轨拱降因素分析

（1）导致隆起因素分析。①顶进时，顶进速度过快，排土不及时，致使土体受挤压，导致地基土隆起，铁轨拱起；②顶进时，循环管进浆压力过大，排浆压力过小，泥浆得不及到时排放，致使土体受挤压，导致地基土隆起，铁轨拱起。

（2）导致沉降因素分析。①在砂层中顶进时，循环泥浆性能指标不符合要求，起不到护壁作用，砂土在刀盘的挠动下液化，形成流砂，造成顶管机刀盘前方砂质土体的塌陷，地基下沉，导致铁路轨道沉降，影响高速铁路运行安全；②顶进时，顶进速度过慢，排土量大于切削土体与进浆量，造成地层地基下沉，导致铁路道轨沉降；③顶进时，刀盘直径过大，造成管顶超挖量过大，注浆不及时，管道贯通后，没有注水泥浆稳固，造成地基下沉，导致铁路道轨沉降；④管节之间，流泥、砂，导致土体流失，造成地层地基下沉，铁路道轨沉降。

3 粉细砂层中穿越铁路顶管施工技术

3．1泥水平衡式机械顶管平衡原理分析

泥水平衡式顶管机是以泥水压力平衡地下水压力和机械方式平衡土压力的双重平衡功能的顶管机。它的泥水平衡原理是：具备一定浓度的循环泥浆在顶管机泥水仓内保证一定的压力，来平衡地下水压力。其机械平衡土压力的方式也非常简单，可参照图1。当土压力p作用在刀盘上时，刀盘会产生一反力p'。因此，可以通过控制泥水仓的压力和顶进速度来达到平衡挖掘面的水土压力，从而保持挖掘面的稳定。本文侧重讨论了采用这种泥水平衡式顶管机进行顶管施工、确保工程质量的技术要领。

3．2顶进速度控制技术

3．2．1

顶进速度的确定

顶进速度快慢主要是根据刀盘转速、土质、进排浆量来确定。刀盘转速快、削土量大、排泥量大，顶进速度也应快，反之则慢；土质松软、压缩量大、易切削、管道覆土深时，顶进速度可适当调快，反之则慢。

砂层中顶管时，顶进速度没跟进，刀盘与前方土体形成泥水隔层，容易造成砂土的塌陷，路轨地基下沉。顶管施工时，为了保证土体一不受挤压，二不塌陷，就必须控制刀盘削土量、循环泥浆进浆量与排浆量保持一个平衡.据于这一原理，确立以下顶进速度计算公式。

3．2．2 顶进速度控制技术

根据式（2）计算得顶进速度，再通过调节主顶液压站油压来控制主顶千斤顶每分钟伸出量，从而达到控制顶进速度的目的。

3．3进排浆压力控制技术

3．3．1

进排浆压力的确定

泥水平衡式顶管机在施工过程中的泥水平衡的基本原理见图2。

泥水平衡的基本原理：当顶管机正常工作时，阀门l和2均打开，而阀门3则关闭。这时，泥浆从进浆管经过阀门l而进入顶管机的泥水仓。而泥水仓中的泥浆则通过阀门2由排浆管排出。我们只要调节控制进、排泥浆的流量，就可以使顶管机的泥水仓中建立起一定的压力，从而达到平衡顶管机前端水土压力的目的。

顶管机在地下水位h2的深度以下施工，顶管机的直径与h3相等，地下水的高度自顶管机底开始，其高度为h1。

图2中，P1为顶管机顶部的地下水压力；P3为顶管机底部的地下水压力；P2为顶管机的泥浆压力；P5为顶管机底的泥浆压力。

由于泥水平衡顶管机在施工过程中泥水仓的泥浆压力必须比地下水高出一个p1即在图中高出△p水头部分，这个△p般取10-20kPa之间，这时，在顶进底部被增加一个△p后的地下水压应为p4，在顶部的大小均为P2。应为增加的这个△p是泥水压力，所以，它同地下水有不同的相对密度，因而当顶进顶部的压力相同时，顶管机底的压力是不相同的，此时，顶管机底的泥水压力为p5。

实际上，泥水平衡顶管机泥水仓内是在BDEC（见图2）这个梯形压力区内工作的。如果将BD作为理想的挖掘面，也阻隔了地下水向泥水仓内的渗透。而泥水仓内的“BDEC”的梯形压力同时也平衡了土压力，从而保持了挖掘面的稳定。

所以，在停止顶进前，不仅要关闭阀门1和2，同时还要保持BDEC这个压力梯度。如果停止顶进过程中，由于渗漏或其他原因使这个压力梯度起变化，那么挖掘面就会失稳。

3．3．2进排浆压力控制技术

控制进排浆压力的目的是保证泥水仓压力。顶管泥浆循环系统，通常排浆泵功率、排浆管是固定不变，排浆量的多少可以通过开关阀门、增减压力来达到；保证泥水仓的压力主要通过变频器控制进浆泵电机的转速，达到控制进浆的流速、流量来实现；再则，可以通过开启旁通阀，来实现泥浆的小循环，保证泥水仓的压力。

3．4循环泥浆配比技术

循环泥浆作用分析：①护壁作用，防止泥浆渗漏、阻隔地下水向泥水仓渗透；②携渣作用，泥浆必须有一定浓度的悬浊液，才可能把颗粒状的固体携带出；③润滑作用，泥浆须有润滑刀盘的作用，所以泥浆必须具备一定粘性；④冷却作用，刀盘在切削土体时，摩擦产生的热量，通过循环泥浆携带走，从而保证刀盘良好工作性能。

泥水循环的进排泥水的调配是确保挖掘面稳定的条件之一，同时也是确保泥水能正常输送不可忽视的一个重要环节。根据地质资料，顶管穿越的粉细砂层，当泥浆浓度在小于1.1时，不能很好地起到护壁、携渣的作用，一般控制在1.10-1.20之间，能保证挖掘面的稳定。

3．5其它辅助控制技术

（1）刀盘超挖量小于10mm，即顶管机刀盘直径大于管道外径不得超过20mm，超挖空间及时注浆支护；

（2）穿越铁路时，顶管机外及时注触变泥浆，后面管道穿越时及时补浆，防止路轨地基沉降；

（3）防止顶管进出洞口、管节间、注浆孔洞等部位漏浆、流泥、流砂；

（4）顶进过程中，每两小时监测一次路轨、周围地面沉降量，作预警措施；

（5）管道贯通后，及时采用水泥砂浆或水泥浆置换管道外的触变泥浆，防止路轨地基沉降。

4 应用实例

广州市西江引水工程——穿越京广铁路顶管工程，管道为DN3380钢筋混凝土管，管道外径4080mm，管段长142m，穿越的土层为粉砂土，土的结构较松散、稳定性差、胶结性差、遇扰动易坍塌；且地下水丰富，水土补给充分、密切，地下水深0.8m，管道覆土较浅，顶部覆土埋深仅3.5m，穿越铁道范围内覆土5m。

（1）顶进速度的确定与控制技术

根据式（2）计算得顶进速度如下：

在施工过程中，穿越铁路时，顶进速度控制在4.4cm/min.最后出色地完成了此顶管施工任务。

（2）进排浆压力的确定与控制技术

穿越铁路时，根据式（3）-（5）计算确定泥水压力如表2，其中A取10kPa。

实际顶管施工中，通过控制进浆量，将泥水仓压力控制在0.0187MPa，确保了顶管穿越铁路的安全。

（3）循环泥浆配比技术针对该工程砂质土的特性，循环进浆泥水中添加粘性土等成份进行配料，经过反复试验配比，确定循环泥浆密度控制在1.20±0.02.可很好地起到护壁、携渣的作用，控制路轨地基土的沉降，确保了高速铁路运行安全。

（4）其它辅助控制技术该管段顶进采用大刀盘泥水平衡式顶管机进行顶管施工，为了尽可能减少轨道沉降量，刀盘经过加工改造，直径比管道外径大15mm（刀盘直径4095mm，管道外径4080mm），即管道外只有7.5mm的空隙。

为了把沉降量控制在最小，触变泥浆使用的是优质钠基膨润土，并添加了一种添加剂，保证触变泥浆注到管道外四周后，长时间呈絮凝状、稳定地充填在管道外壁与土体间的空隙，顶管过程中良好地起到支撑作用，从而防止了路轨地基的沉降。

施工过程中，由于加强管理、方法得当，防止顶管进出洞口、管节间、注浆孔洞等部位漏浆、流泥、流砂现象的发生，并在管道贯通后，及时采用水泥浆置换了管道外的触变泥浆，有效了防止后期路轨地基的沉降。

最终，经监测，从穿越铁路开始的沉降量为零，到穿越铁路完毕沉降量仅为4mm，再到整段管道的贯通沉降量为6mm.最后监测的结果为8mm。顶管自始至终，监测均未发现轨道拱起的现象。

5 结论

通过各项顶管施工技术措施，克服了在粉细砂地质条件下穿越高速铁路，管道覆土浅，沉降要求高等众多技术难点，最后取得了该段顶管施工的成功。顶管管道贯通一个月之后铁路最大累计沉降量仅为8mm，避免发生因铁路沉降量过大而出现运行安全事故，很好地保护了铁路的正常运营，取得了良好的社会效益和经济效益。