燃氣管道頂管穿越高速公路的設計研究

孫建華

（廈門華潤燃氣有限公司，福建 廈門 316004）

隨著中國經濟的飛速發展和城鎮化建設進度的加快，為加快燃氣用戶的開發以及片區管網的優化完善，燃氣管道經常需要穿越高速公路、鐵路等重要區域。以廈門市為例，沈海高速公路將集美區等島外區域一分為二，故燃氣管道穿越公路不可避免。對于高速公路這類重要區域都不允許開挖施工，而選用非開挖工藝施工，頂管法就是非開挖施工中一種常用的施工法，它具有施工周期較短、不影響交通、對周邊環境影響小等開挖法不可比擬的優越性。《油氣輸送管道穿越工程設計規范》（GB50423-2013）規定：“穿越鐵路或二級及二級以上公路時，應采用在套管或涵洞內敷設穿越管段”。燃氣管道若敷設于保護套管內實現穿越，則會對燃氣管道形成良好的保護，會更加安全可靠，同時也更有利于以后的維護運營。即在不影響高速公路正常運營的條件下，采用頂管（保護套管）穿越高速公路，燃氣管道再從頂管（保護套管）中穿過。頂管法釆用的保護套管宜采用鋼管或鋼筋混凝土套管，綜合材料采購、施工等多方面因素，保護套管一般選用鋼筋混凝土套管，燃氣管道一般選用雙面螺旋縫埋弧焊接鋼管。

1 套管管位的設計

1.1 套管平面管位的選擇

燃氣管道為輸氣管道，是市政工程的生命線，鋼筋混凝土套管是頂管的主體，其平面管位取決于燃氣管道的平面管位，燃氣管道的平面管位主要取決于燃氣管網建設的需要，同時，選擇時要避開地上、地下障礙物，滿足與相應障礙物的安全間距，使頂管的始發點至終點拉直線。根據物探和鉆探獲得的地勘資料，避開地下其他管線密集的地點，結合施工現場總平面布置的需要，最終確定穿越段的平面位置。

1.2 套管頂進深度的確定

套管頂進深度確定前，應詳細分析該工程的地質勘察報告。該地質勘察報告應包含地形、地質（地層、地質構造）、地貌、巖土性質、地下水水位（最高水位、最低水位和勘察時水位）、地下水壓力、地下水對鋼筋混凝土的腐蝕性以及各土層的物理力學性質參數等內容。

一般來講，管頂覆土層的厚度（不計淤泥層厚度）應大于管外徑1.5倍，且不小于3.0m。實際工程中，出于安全性考慮，頂管頂進的深度都遠大于1.5倍外徑，這時決定頂進深度的主要為土層性質、地下水以及工作井。

（1）土層性質。選擇頂管在什么深度、什么土層中頂進，都可以通過調整工作井深度的方法實現。根據當今的頂管水平，從淤泥到巖石各類土層都可頂進，只有相對適宜頂進的土層和相對不適宜頂進的土層。淤泥質黏土、黏土、粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土等土層適宜頂管，淤泥土、松填土和中等風化的巖石等土層不宜頂管。不宜頂管的土層施工時會出現頂管軸線不易控制、糾偏困難、施工緩慢等問題，從而增加工程造價。

（2）地下水。地下水對頂管深度的影響很大，地下水位的高低影響管道的受力分析，在同樣地質情況下，地下水位高時，管道受力小，而地下水位低時反而不利。當頂管穿越的土層位于地下水位以下，頂管施工易受地下水滲流影響，施工時需抽走地下滲流水，難度較大，也會增加工程造價。

（3）工作井。工作井的深度取決于套管頂進的深度，工作井一般采用沉井法施工，費用較高，深度的增加也必然會導致沉井施工難度的增加以及工程造價的增加，故頂管深度確定時須同時考慮工作井的造價問題。

總的來講，套管頂進深度確定時應綜合考慮地質土層的性質、覆土厚度、地下水位以及工作井的施工等問題，需在這些方面尋找一個平衡，即在穩定安全的情況下選定相對適宜的土層，最大限度地降低施難度與施工周期，減少工程造價。

2 套管管徑的選取及強度計算

頂管施工完成后，鋼筋混凝土套管埋設于高速公路路面下，承受套管結構自重、豎向土壓力、側向土壓力、地面堆積載荷以及地面車輛載荷，為保證高速公路的正常運行，需驗算在鋼筋混凝土套管頂進深度下能否承受住上述載荷，即該如何選擇套管的強度等級。鋼筋混凝土套管，執行《頂進施工法用鋼筋混凝土排水管》（JC/T 640）標準，混凝土強度不低于等級C40，一般接口釆用鋼承口接頭，并使用“O”型橡膠圈進行密封，每節標準長度2.0m。套管內徑的大小根據燃氣管道的外徑來進行選擇，一般套管與燃氣鋼管之間留有0.3～0.6m的空間以便施工與以后的維護更換。鋼筋混凝土套管管徑選定后，由壁厚、埋設深度、高速公路車輛載荷、堆積載荷等條件計算出（計算依據：《給水排水工程管道結構設計規范》GB 50332、《給水排水埋地預制混凝土圓形管管道結構設計規程》CECS143）該套管所承受的裂縫載荷數值與破壞載荷數值，然后利用此數值在《頂進施工法用鋼筋混凝土排水管》（JC/T 640）標準中選擇該管徑套管所合適的級別，該標準將頂進施工用的鋼筋混凝土套管分為I、II、III級，根據相應工程實例，在適宜的土層條件和埋設深度下，頂管穿越高速公路的套管級別一般選用II級鋼筋混凝土套管就可滿足載荷要求，并能在施工完成后長期穩定地安全運行。

例如，筆者負責設計的工程地點位于廈門市集美區的《天馬山路燃氣管道下穿沈海高速公路工程》，該工程工況條件如下：套管內徑1.0m，套管壁厚度0.1m，套管長度（節）2.0m；套管外徑1.2m，覆土厚度（距高速公路路面）5.5m，土壤力學指標若干；地面荷載，堆積荷載10kN/m2，車輛荷栽12kN/m2；一級公路荷載，套管管體混凝土強度等級C40。

燃氣鋼管管徑：D426×8，設計壓力級別：中壓A，套管頂進長度：111.5m。

經計算，裂縫荷載：34kN/m＜II級管［許用裂縫載荷］=69kN/m；破壞荷載：50.5kN/m＜II級管［許用破壞載荷］=100kN/m。故該工程選用II級鋼筋混凝土套管就可滿足載荷要求。

3 工作井的設計

3.1 工作井位置要求

（1）盡量遠離交通要道，距水、電源較近且便于出土的位置；（2）工作井與周邊或需穿越的建筑物、構筑物應有一定的安全距離；（3）根據地形和土質情況，充分考慮原土靠背的抗壓能力。

3.2 工作井施工方式

工作井由于面積較大，且背墻承受較大的頂力，同時，為防止流砂及施工過程中的坍塌，一般選擇沉井法施工。

3.3 工作井尺寸的確定

工作井應有足夠的空間和工作面，保證下管、安裝頂進設備和操作間距，井底長、寬尺寸可按如下公式計算：

工作井寬度：W=D+（2.4～3.2） （1）

式中，W為工作井寬度，m；D為頂管外徑，m。

工作井長度：L=L1+L2+L3+L4+L5 （2）

式中，L為工作井底長，m；L1為頂管頂進管尾端留置長度，m，鋼筋混凝土管一般留0.3m；L2為每節管長度，m，鋼筋混凝土管一般為2.0m；L3為出土工作間隙，一般為1.0～1.5m；L4為千斤頂長度，m；L5為靠背厚度，m。

工作井深度取決于套管埋設深度、套管管徑以及管道連接操作高度。

3.4 接收井

接收井僅是接收頂管機的場所，它不受頂力作用。井的尺寸要求能夠接收頂管機洞，以及滿足頂管內的管道與不同標高開挖施工管道相連接的尺寸要求。接收井尺寸比工作井尺寸小，結構相對簡單。土質較好，無地下水的地區，可挖一個土坑作為接收井。土質一般或存在地下滲流水的地方，接收井亦可采用沉井法施工。

4 頂管允許頂力

鋼筋混凝土套管頂管施工時，施工單位采用多少頂力應受到設計允許頂力的制約，設計人員應根據頂力結果（計算依據：《給水排水工程頂管技術規程》CECS246），提供頂管工作井的允許頂力和鋼筋混凝土套管的允許頂力，供頂管施工單位選擇頂管的頂力設備參考。具體設計時，操作流程如下：

（1）應先根據頂管的用途，與業主和施工單位一起研究計算決定頂管直徑、長度和可能選用的頂管機類型。

（2）根據工作井處的地質勘探資料，計算工作井靠背墻的允許頂力，并根據允許頂力對工作井進行結構配筋設計。

（3）計算所選用的鋼筋混凝土套管的允許頂力。

（4）取工作井背墻的允許頂力和鋼筋混凝土套管的允許頂力二者的較小值，提供給頂管施工的施工單位。施工單位根據頂進總長度、頂管機型號及頂進圖紙，估算頂管需要的總頂力。當總頂力超過工作井允許頂力或管材允許頂力時，應設置中繼間。當一道中繼間不能滿足時，再設若干中繼間，直至滿足總頂力要求為止。

5 套管內燃氣管道的設計

鋼筋混凝土套管頂管完成后，燃氣管道再從套管內穿過。燃氣管道一般選用雙面螺旋縫埋弧焊接鋼管，釆取焊接連接，焊縫外觀檢査合格后，同時，還要釆用100%射線探傷檢驗和100%超聲波探傷檢驗，以提升燃氣管道的安全性。燃氣管道敷設于套管內采用絕緣支架支撐，絕緣支架的連接釆用不銹鋼螺釘螺母。混凝土套管兩端用木質擋板和瀝青油麻封堵，外用防滲水泥沙漿封口。為及時檢測套管內燃氣管道的氣密性，在鋼筋混凝土套管相對高的一頭設置檢漏管，檢漏管的檢漏口設置于地面標高相對高處。同時，為防止套管內透水引起燃氣管道上浮，套管內燃氣管道相隔固定距離應設置止浮柱。燃氣鋼管的防腐采用三層擠壓聚乙烯防腐層的防腐法與犧牲陽極電保護法相結合的防腐措施，防腐膠帶的防腐等級為加強級，電保護釆用犧牲陽極保護，選用盤繞式鋅帶犧牲陽極保護，纏繞鋅帶與管道中心線成60°角，以筆者上述提到集美區《天馬山路燃氣管道下穿沈海高速公路工程》為例，其套管內燃氣鋼管的做法詳見圖1。

圖1

6 結語

本文總結了燃氣管道頂管穿越高速公路的設計中應涵蓋的各方面的內容以及一些常用的流程與注意事項，均為個人通過工作經驗所得之體會，實際工作中遇到具體實例還應具體分析。總而言之，設計過程中應與業主、施工單位及高速公路管理部門進行充分的溝通，在設計、施工、安全及運營等方面尋找平衡點，安全第一，同時兼顧施工的難度及造價問題，使設計文件符合安全可靠、滿足規定、經濟合理且施工維護方便的技術要求。