頂管穿越高速公路設(shè)計(jì)分析

商賀嵩

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 石家莊市 050000)

隨著我國(guó)管網(wǎng)與路網(wǎng)的日益發(fā)展與完善，新建管線穿越運(yùn)營(yíng)期的高速公路現(xiàn)象非常普遍，如何采取合理的方法既能滿(mǎn)足管線的施工要求又能確保高速公路不斷交、保證后期運(yùn)營(yíng)安全勢(shì)在必行。張軍等[1]以大口徑給水管道穿越高速公路工程為例提出頂管穿越在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)、社會(huì)影響最小，但對(duì)新建管線頂管穿越高速公路方案設(shè)計(jì)詳細(xì)考慮與過(guò)程計(jì)算分析還鮮有開(kāi)展。以石家莊市主城區(qū)應(yīng)急水源工程穿越新元高速公路為例，總結(jié)分析新建管線頂管穿越高速公路方案設(shè)計(jì)過(guò)程中的詳細(xì)考慮與計(jì)算分析，為后續(xù)工程建設(shè)提供參考。

1 頂管穿越設(shè)計(jì)原則

新建管線穿越既有高速公路方案設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮套管長(zhǎng)度、覆土厚度、穿越角度三方面因素，結(jié)合相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求，其穿越設(shè)計(jì)原則如下：

(1)《公路安全保護(hù)條例》給出“高速公路的建筑控制區(qū)范圍，從公路用地外緣起向外的距離不小于30m，同時(shí)在公路建筑控制區(qū)內(nèi)，除公路保護(hù)需要外，禁止修建建筑物和地面構(gòu)筑物”。

(2)《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》給出“一般情況下，頂管的覆土厚度不小于3m，或者不小于1.5倍的管道外徑，否則應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施”。

(3)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》給出“公路與油氣輸送管道相交時(shí)，以正交為宜。必須斜交時(shí)，其交叉的銳角不宜小于30°”。

2 項(xiàng)目穿越方案比選

2.1 項(xiàng)目概述

石家莊市主城區(qū)應(yīng)急水源工程(地下水)，地下水應(yīng)急水源為滹沱河雙廟深層地下水，單井開(kāi)采量5000m3/d。供水管線全長(zhǎng)21.6km，在K268+500處穿越新元高速主線和兩條匝道，交叉角度依次為90°、71°和72°；穿越位置新元高速主線路基寬度42m，D、E匝道寬均為9m，穿越位置處供水管道為DN1000鋼管，設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa，穿越位置平面布置如圖1所示。

圖1 穿越新元高速平面位置圖

2.2 確定項(xiàng)目穿越方案

管線線位設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免穿越既有高速公路，當(dāng)二者交叉不可避免時(shí)，應(yīng)結(jié)合造價(jià)經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)營(yíng)安全性、施工難易程度及公路管養(yǎng)單位意見(jiàn)綜合考慮穿越方案。一般管線與公路交叉時(shí)，可采取明挖直埋、定向鉆穿越、頂管(涵)等方法，考慮高速公路不可斷交、運(yùn)營(yíng)安全穩(wěn)定性及管養(yǎng)單位意見(jiàn)，新建管線穿越既有高速公路常采用頂管(涵)法，其中圓形鋼筋混凝土套管最為普遍。以前述新建應(yīng)急水管穿越新元高速公路為例，采用土壓平衡機(jī)械頂進(jìn)施工法，套管尺寸為DN1500mm鋼筋混凝土鋼承口Ⅲ級(jí)管(壁厚150mm)，套管長(zhǎng)度按公路用地界外30m控制為191m，套管覆土厚度按距高速公路邊溝底不小于3m和按管養(yǎng)單位意見(jiàn)距高速公路路面不小于6m進(jìn)行雙控，考慮套管頂進(jìn)施工難易程度和節(jié)省工程造價(jià)，其中頂進(jìn)長(zhǎng)度為140m，工作井、接收井側(cè)依次直埋長(zhǎng)度為25m、26m。

3 頂管穿越方案計(jì)算分析

針對(duì)新建管線頂管穿越既有高速公路情況，因不同穿越位置處頂進(jìn)長(zhǎng)度、覆土厚度和地質(zhì)條件不同，因此，針對(duì)每一位置處頂管穿越均需計(jì)算頂力、后背墻反力、是否設(shè)置中繼間及路面沉降計(jì)算等問(wèn)題。

3.1 穿越頂力計(jì)算

頂管頂力計(jì)算方法可采取《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[2](CECS 246:2008)中給出的計(jì)算方法，其管道的總頂力可按下式估算：

F0=πD1Lfk+NF

式中：F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值(kN)；D1為管道的外徑(m)；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長(zhǎng)度(m)；fk為管道外壁與土的平均摩阻力(kN/m2)；NF為頂管機(jī)的迎面阻力(kN)。

對(duì)于土壓平衡式大刀盤(pán)切削端口頂管機(jī)的迎面阻力，可按下式計(jì)算：

式中：Dg為頂管機(jī)外徑(m)；γs為土的重度(kN/m3)；Hs為覆蓋層厚度(m)。

以前述頂管穿越新元高速公路項(xiàng)目為例，D1為1.8m，L為140m，fk取10kN/m2(穿越土層為細(xì)砂)，Dg為1.82m，γs為18kN/m3，Hs為8.7m。經(jīng)計(jì)算，NF=405.5kN，F(xiàn)0=8322kN，所以為保證套管由工作井入土至接收井出土，頂管機(jī)提供有效應(yīng)力需大于8322kN。

3.2 管道許用頂力與后背墻反力計(jì)算

為保證頂管頂進(jìn)過(guò)程順利完成，頂管機(jī)提供最大頂力不能大于管道許用頂力與后背墻可承受最大反力間的較小值，否則會(huì)出現(xiàn)套管壓碎或后背墻破壞，致使頂管施工停頓現(xiàn)象。而管道許用頂力和后背墻反力計(jì)算可按《頂管施工技術(shù)及驗(yàn)收規(guī)范》[3](2006)中第5.3.6條、7.1.8條計(jì)算公式依次計(jì)算。本項(xiàng)目中套管混凝土等級(jí)為C50，經(jīng)計(jì)算許用頂力[Fr]=6450kN；工作井埋深為8.1m，后背墻寬度、高度依次為6m、5m，被動(dòng)土壓力系數(shù)取3.0，經(jīng)計(jì)算考慮后背支撐的后背墻允許施加頂力為11173kN。

3.3 中繼間設(shè)置

工程應(yīng)用中，通常取頂管許用頂力和后背墻允許施加頂力較小值的80%作為頂管施工允許最大頂力進(jìn)行控制，即為5160kN。本項(xiàng)目下穿新元高速公路互通區(qū)頂管頂進(jìn)所需頂力為8322kN，大于頂管施工允許最大頂力，無(wú)法一次達(dá)到要求的頂進(jìn)距離，需考慮在施工的管線之間安裝中繼間進(jìn)行輔助施工，實(shí)行分段逐級(jí)頂進(jìn)。中繼間的設(shè)置原則，一般第一個(gè)中繼間應(yīng)安裝于頂管機(jī)后20～40m處，因?yàn)樗坏朔貙拥哪ψ枇Γ€要克服切削刀盤(pán)向前頂進(jìn)的反作用力；且第一個(gè)中繼間頂力富余量不宜小于40%，其余中繼間頂力富余量不宜小于30%。經(jīng)計(jì)算，需設(shè)置2個(gè)中繼間，第一道中繼間布置在頂管機(jī)后方30m的位置，第二道中繼間布置在頂管機(jī)后方65m的位置，中繼間的布置位置應(yīng)能保證克服前方管道的外壁摩阻力和頂管的迎面阻力之和。此時(shí)，工作井主頂油缸最大設(shè)計(jì)推力為5160kN，考慮千斤頂70%的工作效率可布設(shè)4臺(tái)2000kN千斤頂同時(shí)頂進(jìn)；中繼間油缸最大的設(shè)計(jì)推力均為2520kN，考慮千斤頂70%的工作效率可布設(shè)12臺(tái)500kN千斤頂頂進(jìn)。中繼間位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，頂管頂進(jìn)時(shí)注意控制頂進(jìn)速度并隨時(shí)注意頂進(jìn)方向。

3.4 路面沉降驗(yàn)算

采用頂管方式穿越高速公路路基段，路基土與管道之間會(huì)留下一定空隙，經(jīng)過(guò)車(chē)輛荷載反復(fù)作用下，可能會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)沉降及塌陷。因此，本項(xiàng)目確保頂管覆土厚度不小于6m，使管道遠(yuǎn)離路基工作區(qū)和路面結(jié)構(gòu)層，做好應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)對(duì)路面沉降進(jìn)行驗(yàn)算，確保沉降值小于規(guī)范要求值。根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[2](CECS 246：2008)規(guī)定“頂管穿越公路造成的路面沉降量應(yīng)小于或等于20mm”，穿越施工引起的地面沉降計(jì)算方法主要有經(jīng)驗(yàn)法和解析法，目前工程界常采用Peck提出的地面沉降橫向分布經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算地面沉降。經(jīng)計(jì)算管道軸線上方的公路路面最大沉降量為2.6mm，向兩側(cè)逐漸趨于零，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 頂管施工注意事項(xiàng)

對(duì)于新建管線采用頂管穿越既有高速公路工程，在頂管穿越方案相關(guān)計(jì)算分析完成后，重視頂管施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管工作同樣非常重要。頂管穿越高速公路工程專(zhuān)項(xiàng)施工應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)和類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)的施工單位進(jìn)行，施工前施工單位需編制完整的施工組織設(shè)計(jì)、安全保證措施和應(yīng)急預(yù)案，經(jīng)安評(píng)單位評(píng)審合格后方可開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)施工。因穿越位置地質(zhì)情況復(fù)雜，工作井、接受井基坑開(kāi)挖應(yīng)嚴(yán)格按照分層開(kāi)挖、分層固化、嚴(yán)禁超挖，單層開(kāi)挖深度不宜大于1.0m。禁止雨季施工，如不得已在雨季施工，應(yīng)做好工作井、接收井周邊的截、排水措施，防止周邊雨水流進(jìn)井內(nèi)；如遇強(qiáng)降雨，應(yīng)停止工作井、接收井內(nèi)施工作業(yè)，全部人員應(yīng)撤離現(xiàn)場(chǎng)。

5 結(jié)論

(1)新建管線穿越既有高速公路宜采用頂管穿越方案。

(2)頂管穿越方案需重點(diǎn)進(jìn)行頂力、后背墻反力、中繼間及路面沉降計(jì)算分析。

(3)為快速、安全完成頂管穿越工作，重視施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管工作尤為重要。