摘要：随着社会经济的飞速发展，城市基础设施的建设日新月异，各类市政管线穿越铁路节点亦成几何式增长。目前，泥水平衡顶进工法在管线穿越铁路节点中得到了广泛的运用，本文结合我公司承建的杭州笕丁路改扩建顶管工程顶管专业施工，提出泥水平衡法顶管在砂质粉土、淤泥质粉质粘土层沉井施工、顶进穿越的技术难点、施工工艺及线路防护的技术要求。
关键词：泥水平衡；顶管；砂质粉土；泥质粉质粘土；线路防护；技术交流
一、工程背景
杭州市笕丁路下穿铁路立交改扩建工程中，我公司承担了其中的给水弱电、雨水、电力保护涵的三处顶管专业施工。主体工程从2012年立项，合同工期两年，从2015年5月开工至2017年4月竣工，因建设单位对拆迁、红线内土地征用、三通一平等前期政策性工作未落实，工程迟迟不能开工，到2015年11月25日开始平整场地进行三通一平工作，后因杭州市要举办G20峰会，该工程被杭州市城乡建委列为G20峰会保障项目，需提前到2016年7月竣工，在G20峰会前开通交付使用。为此整体工程实际施工时间（减春放假一个月）被压缩为8个月，允许给顶管施工时间节点为48天（2015年12月12日至2016年1月30日）。时间紧、任务重，按常规施工作业，要完成三处顶管施工作业，需至少6个月工期，顶管作业未能推进，地方管线无法迁移，铁路营业线、临近营业线施工计划要报批，工序流程环环相扣，如何在允许的时间节点内完成关键工序，不影响主体工程的施工节点，是当时重中之重的，否则责任方将被问责。我们从多方着手，比选施工方案、采用成熟可控的施工技术，打下了这场硬仗，最终项目得到了杭州市城乡建委颁发特别贡献奖。
铁路概况：顶管区域需下穿既有铁路六股道，由华丰路（北）往石大线（南）分别为沪昆上行线、笕桥上行线、笕桥下行线、沪昆下行线及沪杭高铁上下行线，其中沪昆线处位于乔司～笕桥区间，铁路线路现状为：Ⅰ级无缝线路、全封闭电气化、电力牵引、自动闭塞、P60钢轨、线间距为9～12m，直线区段，列车最高速度120 Km/h。
二、工程地质
顶管穿越土层的工程地质描述如下：
杂填土：杂色，松散，湿，以碎石、砖块为主，粉土及粘性土充填其中，局部少量的素填土也划为此层。全场分布，层顶标高0.96～8.21m，层厚0.70～3.40m。不宜利用。
②-1 粘质粉土：黄褐色，稍密，湿，含氧化铁，无光泽反应，摇振反应较迅速。全场分布，层顶标高-0.44～5.01m，层厚0.60～3.90m。地基土的基本承载力σ=125KPa。
②-2 砂质粉土：灰色，稍～中密，湿，含氧化铁，无光泽反应，摇振反应迅速，局部为粘质粉土。全场分布，层顶标高-2.44～2.82m，层厚2.30～14.50m。地基土的基本承载力σ=140KPa。
③-1 淤泥质粉质粘土：灰色，流塑，饱和，含有机质、腐殖质，干强度中等，韧性中等，摇振反应无，局部夹薄层粉土。全场分布，层顶标高-11.86～-0.87m，层厚1.50～16.30m。地基土的基本承载力σ=70KPa。
勘探期间测得钻孔静止地下水位埋深在1.70～6.20m之间，相当于黄海高程-2.70～4.01m。
1#沉井基底位于②-2 砂质粉土层，该土层的渗透系数为10-4，且临近既有河道，地下水位丰富，施工难度大，沉井无采用常规明排水下沉的条件。若采用深井井点降水方案，则极易引起四周土体的沉降，不易于铁路行车安全。经我公司项目组与各方充分论证，最终确定该处沉降采用不排水下沉方案。
施工方案：沉井采用不排水下沉，如何保证沉井在下沉过程中沉井底部内外水土压力平衡、水土不流动是技术难点，否则随着沉井的下沉到一定标高后，沉井内土方被掏挖，井内水头下降了，沉井底部内水土压力小于外部水土压力，井外水土流向井内，沉内底连续不断的掏挖出来的土方，其实都是井底外部的土方，沉井不能下沉，始终在原标高，随着时间的累积，周边地貌下沉、变形，引起周边建筑物不稳定。如果为了加速沉井下沉，便于井内掏挖，用水泵井内抽水下降井内水位，便形成井内涌砂，加速周边地貌下沉、变形，引起周边建筑物不稳定，一旦发现，已经引起严重后果。
我们采取先在沉井四周在不影响沉井堆土的前提下打四只地下水位观测井，一般离沉井3~5米即可。沉井四周1~1.5米处采用Ⅳ型拉森钢板桩支护，桩长12m，每延米2.5根，以确保沉井下沉稳定性。开始沉井内用长臂挖机向井外掏挖土方，随着沉井内土方被掏空，沉井下沉，这一过程沉井下沉速度比较快，观测当井内土标高与井外水位观测井标高一致时，井内水头出现，此时开始用水泵向井内注水，井内水头稍微高于井外地下水位观测井水位即可，随着沉井内土标高不断下降，井内注水不断并逐步抬高井内水头标高，使沉井底部内外水土压力持平或井内压力大于井外压力，确保沉井外部水土不向井内流动，这是沉井下沉施工的关键控制点。
沉井浇筑时适当改进沉井的底部刃角结构，沉井底部刃角斜面与凹槽相结合，当沉井下沉到设计标高，第一次采用C30水下素混凝土封底60cm，刃角斜面部位与沉井底部咬合，待混凝土达到设计强度后，沉井内抽水清底堵漏，井底板布钢筋，C30混凝土进行二次封底40cm，与沉井底刃角槽咬合，确保沉井底板抗浮稳定性。
1#沉井原设计高度7.8m，沉井底板厚80cm，因施工时分二次封底，60cm+40cm，地面沉井浇筑时调整高度到8m。
沉井封底的技术措施
沉井水下封底是施工难点。采用提升导管法，导管可按扩散半径均匀布置在井内，上部带有装料漏斗，间距一般为2.5～4m，最深点应布置有导管。导管骨料多采用细砂粗细骨料之比为l：1～1：1.35，坍落为18～20mm。灌注先从最低点开始，当混凝土表面与左右基底相平后，再开始其余导管的同时灌注，避免混凝土从上往下流淌。采用多导管同时灌注混凝土，每根导管的灌注强度应不小于5～l0m3/m2，相邻两管混凝土的高差不得超过管距的1/l5～1/20混凝土灌注应连续同步进行。应避免一根导 管单独进行灌注，防止分层软弱混凝土被遮盖，造成封底混凝土内形成很多软弱夹层和斜搓接缝，影响质量。
对称沉井四周拔除钢板桩，并随拔随注砂浆密实钢板桩孔洞。
2#沉井基底位于②-2 砂质粉土层，该土层的渗透系数为10-4，土体渗透性强，且沉井边缘临近沪杭高铁225#桥墩，与桥墩沉台的最小距离仅为7.4m。2#沉井下沉施工，如何确保225#高铁桥墩、沉台、桥桩的稳定，是建设、设计、施工、监理单位及设备管理单位最担心但又必须面对的问题。
2016年1月9日，由杭州地铁公司组织，邀请杭州工务段、沪杭高铁维修段、中铁四院、杭州铁路设计院、上海轨交公司、杭州铁道建设等单位专家，对2#沉井下沉施工及对225#高铁桥墩防护进行了专题审查，会上提出采用沉井周边深井降水井内干土掏挖沉井方法，因深井降水容易引起周边土体下沉变形，容易引起225#高铁桥墩不稳定。专项方案在1#沉井施工方案的基础上，增加了对225#高铁桥墩的防护、监测。
施工方案：为避免沉井下沉引起桥墩承台的水平竖向位移，我们在高铁桥墩四周均设置Ⅳ型拉森钢板桩支护，桩长12m，每延米2.5根，施工结束后钢板桩不得拔除。同时在沉井下沉过程中对既有高铁桥墩进行实时监测，监测点布置在桥墩承台之上，下沉施工期间（2016年1月10日6：00-12日4：00）监测频率不小于2小时/次，下沉到设计标高并封底后48小时内（2016年1月12日6：00-14日4：00），监测频率不小于4小时/次，以后4天内内每天一次（2016年1月14日6：00-18日8：00）。
监测指标如表3-1所示：
表3-1 监测的控制标准和预警标准
沉井亦采用不排水下沉，沉井的支护及下沉方案与1#沉井一致。
同样，2#沉井原设计高度10.5m，沉井底板厚80cm，因施工时分二次封底，60cm+40cm，地面沉井浇筑时调整高度到10.7m。
对称沉井四周拔除钢板桩，并随拔随注砂浆密实钢板桩孔洞。
根据实际实际施工过程检测，没有出现报警情况，2#沉井下沉施工对225#高铁桥墩稳定没有影响。
（2016.1.10~11，2天，按2小时/次，1.12-1.13，4小时/次，1.14~1.18，1天/次）
4个监测点，出图，分垂直和水平
3#沉井基底位于③-1 淤泥质粉质粘土层，地基土的基本承载力σ=70KPa，地基承载力较差。
施工方案：本节点的难度在于沉井基底位于软弱土层，若处理不当，易产生基底隆起，从而引起沉井的倾覆，导致顶管顶进产生不可修复的偏差。我们考虑对沉井基底进行固化，以提高承载力，经论证分析，最终确定采用φ50cm水泥搅拌桩加固方案。沉井基底采用φ50cm水泥搅拌桩处理，有效桩长8m，桩间距1m，加固后地基承载力不小于100kpa。沉井四周采用Ⅳ型拉森钢板桩支护，桩长12m，每延米2.5根，以确保沉井下沉稳定性。沉井采用明排水下沉方案，即干挖下沉，因③-1 淤泥质粉质粘土层透水性小闭水效果好，12m长拉森钢板桩插入③-1 淤泥质粉质粘土层后，将沉井四周地下水完全隔离在施工空间外，沉井下沉、封底都比较顺利。
结论：沉井施工应充分考虑工程地质、水文水位及四周地形地貌等因素。粉砂土及渗透系数大于10-4的土层中沉井施工宜采用不排水下沉方案。沉井在承载力小于70KPa的软弱土层中施工须考虑基底加固方案。地下水位丰富区段沉井四周宜设置止水帷幕，常用的帷幕类型有：水泥搅拌桩、高压旋喷桩和拉森钢板桩，施工时应结合工程自身特点选择合适的桩型。沉井下沉施工应充分考虑对四周既有构建物沉降的影响，路基坡脚及铁路桥墩10m范围内，沉井降水方案不得采用井点降水。同时，对铁路路基及高铁桥墩的影响，水泥搅拌桩、高压旋喷桩止水帷幕要慎重考虑。
三、顶管施工方案
本工程顶管均为管径1500mm钢筋混凝土Ⅲ级管，顶管穿越地层土质为砂质粉土，施工难度较大。顶力计算和线路沉降观测是顶管施工的两大要点。
顶力计算：
顶管顶力计算采用经验公式：F=knGL
式中F为总推力（kN）；k为综合减阻系数，如果注浆技术成熟可靠，最小可取0.3-0.4；n为钢筋混凝土管土质系数。
四、铁路线路防护及监测：
根据上铁运发（2012）586号《关于公布<上海铁路局营业线施工管理安全实施细则>的通知》，铁总铁运（2012）280号《铁路营业线施工安全管理办法》，本工程中的穿越铁路顶管施工属于邻近营业线施工，按要求要与铁路设备管理单位签订安全协议、行车组织单位签订安全协议，并审报邻近营业线施工计划。
本工程线路防护工作委托设备管理单位实施。
顶管顶进期间，为了确保铁路路基的稳定，在施工过程中必须采取周密的二十四小时监测措施。监测内容如下：铁路路基的水平变形和沉降；铁路轨道的几何状态。
沉井洞口处理：
沉井洞口处理往往是设计、施工单位容易疏忽的问题。沉井下沉前顶管预留洞口用砖块砂浆封堵，下沉到设计标高后地下水土压在顶管机进洞、出洞时往往会出现严重的水土往沉井内灌问题。1#井、2#井沉井洞口处在②-2 砂质粉土层，顶管作业前先对洞口3*3*3m范围内采用花管静压注浆，对洞口进行土体固化。3#井沉井洞口处在③-1 淤泥质粉质粘土层，采用3*3*3m范围内Φ60cm高压旋喷搭接20cm施工，置换掉淤泥质粉质粘土层。
顶管机安装调试时洞口小的缝隙容易采用塞、木枕手段临时堵漏等顶管结束后再采用钢筋混凝土封堵加固。
五、结束语
沉井、顶进、铁路线路防护是顶管穿越铁路的三部分施工内容。通常施工单位对沉井施工习惯采用深井降水干挖、掏空沉井内土方，靠沉井自身重量下沉，下沉速度快，容易封底。但往往引起很多如周边地貌沉降、线路路基变更、桥墩不稳定等情况发生。有的为了隔离与外部的地下水，水泥搅拌桩、高压旋喷桩作止水帷幕，在铁路线路边或高铁桥墩附近，会隆起线路或对桥墩产生侧向压力。
通过总结、剖析杭州市笕丁路下穿铁路立交改扩建顶管工程中遇到的不同问题，提出了泥水平衡法顶管在粉砂土层、淤泥质土层不同地质条件下采取的不同工法，不排水下沉工艺适合粉砂土、高水位地层沉井施工，但水土平衡是关键。供相关设计、施工人员借鉴。
参考文献：
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[2] 刘建兰，龚照东.沪宁高速公路（江苏段）拓宽路面的拼接施工技术[J].上海公路.2005（04）
论文作者:庞祖康
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/2
标签：沉井论文; 桥墩论文; 标高论文; 顶管论文; 铁路论文; 土层论文; 封底论文; 《基层建设》2018年第29期论文;