城市新建道路工程既有地下管道保護方案研究

劉 俐

（華東建筑設計研究院有限公司 市政工程設計院，上海市200041）

0 引言

城市用地規劃及地區控制性詳規等文件明確了城市市政設施用地范圍、走向和規模等，但在具體實施過程中，由于用地開發需求不同，財政計劃調整等，同地區的市政設施建設時序往往有較大差別。在周邊用地及市政道路、管線已經建成的情況下，新建道路工程的實施往往容易受到地下既有構筑物的限制，而市政管線是系統性工程，其遷移保護對周邊有較大影響，需市政管理部門協調，是工程實際中需要探討的重點。

相關研究表明，城市建設對地下管線的影響主要表現在受力和變形兩個方面，因此，實際工程中對管線的保護也是從這兩個方面采取相應措施。常用管線保護措施有隔離法、懸吊或支撐法、對管線進行加固處理（如鋼筋混凝土方包加固）、卸載保護法等等。在上海某道路改建項目中針對改建后人行道和非機動車道下管線的荷載變化情況，分別采用了超挖換填輕質土和預制蓋板涵卸載的方式[1]。針對道路工程與地鐵線路重合的情況，結合地鐵保護區加卸載要求，比較了橋跨保護和路基換填方案，并分析了粉煤灰、EPS和泡沫輕質土作為換填材料的優劣，綜合施工工藝及地下管線施工維護便捷性等，最終選用泡沫輕質土換填方案[2]。氣泡混合輕質土（以下簡稱輕質土）是土建工程領域近年開發的一種新型輕質填土材料，主要特點是密度比一般土體小,強度和密度可以調整，便于施工,固化后可直立等。輕質土在軟基處理、道路加寬、減荷換填、橋臺臺背（涵洞背）填土、滑坡地段填土、擋土墻背的填土、陡峭地段的垂直填土、隧道洞口及埋管的填土，以及解決道路凍脹翻漿等方面具有獨特的優點[3]。

綜合工程及研究實例可知，道路工程建設對既有地下管線的影響源自堆載條件的變化，為了減少工后荷載對管線的影響，通常采用護管橋涵或者輕質材料換填的處理方式。

1 工程概況

本工程北起錦繡東路，南至龍東大道，跨越張家浜處新建橋梁一座。其中錦繡東路至張家浜為建成段，建成段范圍內自北向南既有DN2400雨水管道，埋深8 m，DN300污水管道埋深約2 m，臨近張家浜處，管道斜穿接入道路東側現狀雨水泵站。工程終點接龍東大道交叉口處，現狀道路綠化帶下有東西向污水二期中線總管。

工程深化設計中，需要考慮兩處既有管線的遷移保護方案。

2 張家浜北側既有雨、污水管線遷移保護方案

由于現狀管線位于設計新建張家浜大橋下方如圖1所示，需同時考慮橋梁布跨及下部結構布置的影響。可行性研究階段，張家浜橋長設計330 m，北側橋頭填土高2.5 m，在此基礎上下述三個方案主要討論對雨水管道遷排、保護措施的比較，污水管道均考慮遷排處理。

圖1 張家浜北側現狀管道與新建張家浜橋橋位示意圖

2.1 方案一：管道遷排

橋跨維持可行性研究方案，根據現狀管線物探及竣工圖資料，需遷排雨水管230 m，污水管110 m，并廢棄兩處現狀工作井。

本段現狀雨水管道施工為頂管，共3個井，含兩座接收井、一座頂管井。為保證遷排期間雨水管道正常運行，避免大面積影響排水安全，在兩處接收井分別進行工法圍護（騎馬井），在道路東側輔道上設計一座頂管井分別頂至騎馬井，在騎馬井內采用管道鋪設至現狀雨水檢查井，在與現狀雨水檢查井接通時，啟動泵站，抽空管道內雨水，保證工程的安全性。對現狀廢除管段進行封堵，并填埋現狀檢查井。

現狀污水管局部與設計橋梁樁位存在沖突，因管線埋設淺管徑較小，搬遷比較容易，對與橋梁沖突管線進行搬遷處理。

2.2 方案二：雨水管道保留，增加橋跨

如圖2所示，為對φ2 400雨水管作出有效保護，在工可方案基礎上作出調整，盡可能通過橋梁跨越的方式保護雨水管，相關橋梁墩臺采用預應力形式，橋長370 m，北側橋頭臺后填土高度約1.3 m。

圖2 方案二橋跨布置與管道處理方案示意圖

2.3 方案三：雨水管道保留，橋梁臺后路基換填

工可方案北側0號橋臺位于斜穿管道上方，橋臺樁基間距過大不利于工程施工，橋臺調整為預應力結構則需加大承臺寬度，會造成現狀雨水工作井廢棄，如圖3所示。此方案需北側橋頭減少一跨，即橋長310 m，臺后填土高3 m，為減少橋臺后高填土對DN2 400雨水管道影響并減少臺后沉降，對臺后路基采用泡沫混凝土輕質材料換填。臺后接坡段采用懸臂式擋土墻，跨越雨水DN2 400管道的擋土墻采用鉆孔灌注樁。

圖3 方案三橋跨布置與臺后輕質換填示意圖

根據現狀覆土荷載，考慮一定的地面反開挖量，張家浜橋北側橋臺后K0+410～K0+500段范圍內采用泡沫輕質土換填，以減少永久荷載作用的不均勻性，減少差異沉降，最大下挖深度1.5 m。下挖到路床頂部設置一層防滲土工膜，其下鋪設一層金屬網，并在泡沫輕質土填筑頂部0.5 m的位置再設置一層金屬網。經計算進行換填體積約5 900 m3，具體數據見表1。

表1 張家浜橋北側橋頭臺后泡沫輕質土換填計算表

2.4 工程方案比選

方案一最大的優勢是管道遷排后，道路及橋梁均可采用常規的設計方案及成熟的施工方法，但是其造價最高，且管線遷排協調難度大、周期長，對項目工期整體影響最大。

方案二采用增加橋跨的方式，雖然橋梁結構形式及跨徑組合較多，一定程度上提高施工難度及復雜性，但對現狀管線附加荷載的影響最小，且造價較為適中。

方案三工程造價最低，工期最短，但泡沫輕質土換填范圍大，最大換填深度4.25 m，需反向開挖，雨水管道相對現狀卸載土柱2.2 m，施工期內需要分段開挖施工，必要時設置臨時堆載平衡，管道卸載期間易出現問題。路基完成換填后，路面鋪筑和壓實機械屬施工臨時荷載，需避免長時間停靠在DN2 400雨水管道上方投影區內。

綜合工程實施可行性及工程造價，考慮工期、施工難度和可控性，經相關市政管理單位及專家評議，最終采取方案二作為工程實施方案。

3 污水二期中線總管保護方案

本工程涉及的污水治理二期中線總管合流污水箱涵在龍東大道交叉口，沿龍東大道北側綠化帶鋪設，根據物探及竣工圖資料，箱涵斷面尺寸為6.65 m（寬）×3.5 m（高），箱涵底標高為-1.35 m，箱涵頂標高約為2.15 m。

針對管理方對管道上方荷載不變的要求，并考慮市政管線布設需求，提出以下兩種可行方案。

3.1 方案一：全部輕質材料換填

設計時參考項目周邊道路工程在涉及到污水管涵時采取的方案。

采用等量替換計算的方法來對合流污水箱涵范圍內道路附加荷載進行驗算，合流污水箱涵頂設計恒載及車輛活載總和與現狀合流污水箱涵頂面覆土壓力基本一致。

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）[4]4.3.4的第二條，“計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布。當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外邊的擴散線為準”。

根據物探資料，合流污水管埋深約2.1 m，現狀地面標高4.232 m，箱涵頂標高約為2.15 m。根據道路縱斷面設計，設計高程約4.322 m，道路建成后，箱涵埋深約2.17 m。

考慮后軸多軸雙輪組影響，最大附加荷載按4輪疊加考慮。

汽車荷載擴散至污水總管頂，橫橋向的分布寬度：

縱橋向的分布寬度：

汽車荷載在污水管頂的附加荷載：140 kN×4/（8 m×4.106 m）=17.048 kN/m2

換填后管頂土柱壓力計算及對比見表2。

因此換填1.65 m輕質混凝土滿足要求，換填寬度為污水管兩側各：2.17×tan30°=1.25 m，所需換填寬度為6.65+1.25×2=9.15 m。

換填路面結構基層考慮采用鋼筋混凝土結構，可以進一步擴散汽車荷載。

換填路面結構具體為：12 cm瀝青混凝土面層+30 cm鋼筋混凝土基層+165 cm泡沫混凝土+10 cm級配碎石。

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上述計算結果按照規范要求考慮最不利情況，但道路建成投入使用后，此極限情況出現概率較小，常規車輛軸重達不到標準軸重值即140 kN。因此，按規范要求車輛標準軸重值進行換填計算，大多數情況下，箱涵處于卸載狀態，而在無任何車輛通過情況下，箱涵上方相對現狀最大卸載約90 cm覆土壓力。

為避免箱涵上方荷載大幅度變化，考慮對汽車附加荷載進行合理折減，按取值10 kN/m2，計算輕質材料換填所需高度，見表3。

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參考常規車輛軸重參數值，汽車附加荷載取值10 kN/m2可以包含大多數情況下汽車通過時產生的活載，而此方案中泡沫混凝土換填高度為1.15 m，施工時可以保留箱涵上方30 cm原狀土，減少換填高度即土層開挖厚度。此工況下，無汽車通過時，卸載約50 cm覆土重；而最不利情況下，箱涵上方加載約40 cm覆土重。

3.2 方案二：護管橋加局部輕質換填

考慮到人行道及非機動車道下管線布設要求，在跨越既有污水二期總管的機動車道范圍內設置一座護管橋，上部結構為預制剛接空心板梁結構，橋臺采用樁柱埋置式橋臺，樁基采用直徑φ800 mm鉆孔灌注樁，保證箱涵凈距要求，橋面下方采用鋼砂混凝土置換原土重,如圖4所示。

圖4 污水二期箱涵護管橋立面示意圖

人行道和非機動車道范圍內采用路基形式，多于現狀荷載的進行局部泡沫輕質土換填，實現污水箱涵頂等載。

3.3 污水二期保護方案比選

方案一施工較為迅速且養護相對方便，污水二期箱涵埋深較淺，考慮到車輛荷載的土壓力影響，采用輕質材料置換土體的方式在實際使用中無法達到理想的等荷載換填。

方案二采用護管橋涵的方式對管道進行保護，路面上方相關荷載通過橋臺傳到橋基，對現狀箱涵不增加荷載，但由于埋深有限，遠期養護存在一定難度。

綜合兩種方案優缺點、適用性及專家意見，最終選取護管橋方案對污水二期箱涵進行保護。

4 結語

本文結合工程實際探討對新建道路下方既有管道的保護方案，盡量降低荷載變化對管道的影響。

在覆土增加的情況下，進行輕質材料換填是工程中常用的處理方式之一，其中泡沫輕質土應用廣泛。但在管道埋深較淺的情況下，需要考慮汽車荷載的作用。綜合管理部門意見，對于機動車道下的重要干管傾向于采用護管橋涵的方式做保護。此外，施工過程中要格外注意卸載對既有管道的影響，注意施工時序，保障施工期間管道使用安全。