一種頂管穿越公路的安全性評價方法研究

路 平

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

0 引言

西氣東輸一線工程把新疆自治區的天然氣輸送到東南沿海，是中國能源大動脈之一。

隨著城市規模的不斷擴大，多處建筑物占壓在西氣東輸管道上方，形成了高后果區。為了消除隱患，支持地方城市建設，中石油和地方政府共同出資，對占壓段管道進行改線。

西氣東輸管道改線工程PXBG002～PXBG003段在臨汾市境內穿越S329省道。穿越處省道樁號里程為K71+062，雙向兩車道，無中央分隔帶。

天然輸氣管道頂管穿越公路時，應依據公路工程行業規范和部門規章［1］，對以下三個方面進行安全性分析和評價:1)公路工程相關標準規范符合性檢查;2)鋼筋混凝土套管結構的安全性分析評價;3)頂推穿越施工對所穿越公路安全運營的分析評價。

1 公路工程相關標準規范符合性檢查

頂管穿越公路時須結合設計文件，從建筑限界、管道埋深、交叉角度、與公路的安全距離等方面，進行公路工程相關標準規范符合性檢查。

1.1 公路建筑限界要求

JTG D20—2017公路路線設計規范規定:建筑限界內嚴禁侵入任何障礙物［2］。因此頂管穿越的任何臨時和永久設施嚴禁侵入公路建筑限界。施工操作坑和接收坑應布置在公路用地范圍和路基應力擴散范圍外。

1.2 管道埋深要求

為了避免車輛沖擊荷載和自然環境對輸氣管道、混凝土保護套管的破壞，JTG D20—2017公路路線設計規范規定:穿越公路的保護套管頂面距公路底基層的底面應大于1.0 m［3］。

1.3 交叉角度要求

為了以最短路徑穿越公路，盡量減少對公路路基的損壞，輸氣管道的保護套管與公路宜采用大角度交叉。JTG D20—2017公路路線設計規范規定:公路與原油、天然氣輸送管道相交，以垂直相交為宜。必須斜交時，交叉角度宜不小于60°［4］。

1.4 輸氣管道與公路的安全距離

為了防止燃氣泄漏引起爆炸、火災事故以及次生交通事故的發生，輸氣管道須避讓公路一定距離。

交通部規定:天然氣管道中心線與公路用地范圍邊線的安全距離為20 m。

JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范規定:天然氣輸送管道離開特大、大、中橋應大于100 m，離開小橋應大于50 m。

2 管道結構設計安全性評價

根據JTG/TD65—04—2007公路涵洞設計細則第9.3.1條規定:混凝土圓管涵的設計可僅考慮車輛荷載、圓管涵自重和填土產生的等效荷載的作用組合。因此鋼筋混凝土套管的安全性評價不考慮管壁環向壓力和徑向剪力，僅考慮彎矩作用。

2.1 恒載計算

恒載由圓管涵自重M恒1和填土產生的等效荷載M恒2兩部分構成。根據JTG/T D65—04—2007公路涵洞設計細則第9.3.1條，M恒1，M恒2按下式計算:

即恒載在截面上的彎矩作用效應M恒為:

式中:q管——套管自重產生的等效荷載垂直壓力;

q土——上覆填土產生的等效荷載垂直壓力;

R——圓管涵管壁內外徑的平均半徑;

λ——側壓力系數，λ =tan2(45°－/2);

——土的內摩擦角，取 =35°。

2.2 活載計算

根據JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范，第4.3.1條和第4.3.2條規定，活載計算采用車輛荷載，填料厚度(包括路面厚度)不小于0.5 m的拱橋、涵洞以及重力式墩臺不計沖擊力。

依據JTG/T D65—04—2007公路涵洞設計細則第9.2.3條、JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范第4.3條和應力擴散原理，可得活荷載分布長度a和寬度b，如圖1，圖2所示。其中應力擴散角為30°。

圖1 計算荷載分布長度a

由圖1可知:

圖2 計算荷載分布寬度b

由圖2可知:

式中:q汽——車輛荷載產生的等效荷載垂直壓力;

h——路面至混凝土套管頂的距離。

車輛荷載在截面上的彎矩作用效應M活可按下式計算:

式中:R——圓管涵管壁內外徑的平均半徑;

λ——側壓力系數，λ =tan2(45°－/2);

——土的內摩擦角，取 =35°。

2.3 鋼筋混凝土套管結構的安全性分析

計算出恒載M恒和活載M活后，按JTG/T D65—04—2007公路涵洞設計細則第9.3.1-4條規定對鋼筋混凝土套管進行縱截面的承載能力和裂縫寬度的驗算［8］:

式中:Mu——鋼筋混凝土套管的正截面抗彎承載力;

Md——彎矩組合設計值;

γ0——按安全等級三級考慮，取 γ0=0.9;

Wtk——最大裂縫寬度，裂縫限值按鋼筋混凝土構件二類環境取0.20 mm。

3 對所穿越公路安全運營的分析評價

頂管施工工藝具有以下特點:1)路下頂管施工的同時可以保證路上交通暢通;2)操作坑、接收坑的開挖工作在公路用地范圍外作業，采用適當的防護措施后不影響公路和構筑物的安全和功能;3)較其他工法，具有挖方量少、工期短、造價低的特點;4)較其他工法，受天氣影響因素較小、施工場地小、施工簡單易行;5)適用于公路、市政等不宜放坡開挖溝槽的管道施工。頂管法穿越公路能保證公路的安全運營。

4 頂管穿越采取的應對措施

1)為了減小路基沉降，應根據地質情況選擇相適應的頂管機頭。管道的接頭應采用鋼襯頭連接，確保接口處于剛性連接，保證管道的平順性。2)施工頂進時應采取“少挖勤頂”的方式，根據不同的地質情況，控制挖土進尺與頂進速率，隨挖隨頂，在頂進施工期間應堅持不間斷施工，避免造成塌方。施工過程中應嚴禁超挖，以免造成路基下沉而引起路面開裂。3)在頂進過程中，在軸線上方每隔3 m布設一個沉降觀測點，管道頂進中保證安排專人持續監測路面變化，確保路基和土體穩定。