城市地下穿越工程頂管施工對鄰近既有地下管線的保護措施研究

李志鵬

（北京市政路橋管理養護集團有限公司市政工程七處，北京 100144）

1 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，城市化進程不斷推進，對城市基礎管網的升級改造也在持續進行。頂管施工具有非開挖、對路面破壞少、占地面積小、地層擾動小的優勢，逐漸成為城市地下穿越工程施工的首選工藝之一。而在城市區域內地下管線分布密集，多數頂管頂進渠道距離既有地下管線較近，極易影響地下管線的安全。因此，探究城市地下穿越工程頂管施工對鄰近既有地下管線的保護措施具有重要意義。

2 地下管線保護重要性

在城市化進程中，多用途建筑物或構筑物數量日益提升，相應的配套地下管線在既有管網系統中的組成更加繁雜。而出于后續維修便利性需求，城市地下穿越工程多沿路開展，施工不可避免地鄰近既有地下管線，施工過程極易擾動土體或地層，導致既有地下管線的穩定性、安全性下降，甚至造成整條管線出現毀壞性損傷，干擾相關社會活動的正常開展。比如，2020年12月5日，沂州路與陶然路交會處污水管網頂管施工造成熱力主管網泄漏，影響周邊部分區域供暖；2014年6月30日，大連岳林建筑工程有限公司在金州新區路安停車場附近進行水平定向鉆施工中，將中石油新大一線輸油管線鉆漏，導致原油泄漏，溢出原油流入市政污水管網。而通過構建一套安全性與科學性兼具的鄰近既有地下管線保護方案，可以利用適當的方法保護鄰近既有地下管線，避免地下管線毀損導致的項目停滯以及經濟損失，為地下穿越工程建設作業平穩開展提供依據。

3 穿越施工中鄰近既有地下管線的破壞原因

3.1 管壁受壓屈服破壞

在工程頂進施工鄰近高柔性既有地下管線時，因管道本身不能在自然環境內承受附近介質壓力，施工過程中極易導致管道壁受壓屈服破壞[1]。比如，靜水壓力環境內的中空柔性管道、周邊土體質地均勻位置埋設的中空柔性管道等。

3.2 管壁環向受力破壞

在工程頂進施工中，會不可避免地接觸既有管道的圍巖，而管道圍巖則可經接觸面向管線施加一個外部的作用力，一旦管道壁內環向應力達到屈服極限，會導致脆性管道出現脆裂失效問題。比如，剛性相較于周邊土體較大的柔性管道，在彎曲應力作用下進入屈服極限水平時極易出現局部屈服，進而發生毀損性開裂現象。

3.3 縱向應力屈服破壞

在地下穿越工程頂管頂進施工形成的地層擾動環境、土體損失環境、土壤侵蝕環境等外部環境作用情況下，管道兩側分別承受壓力、拉力，并在拉應力、壓應力作業下形成彎曲。因多數管線材料抗拉性能遠小于抗壓性能，在拉應變超出許可拉應變時，管線承受拉應力一側會發生開裂、形變等情況。

3.4 超撓曲破壞與構造破壞

城市地下穿越工程施工過程不可避免地對鄰近地下管線施加荷載，在荷載作用下，地下管線橫截面形狀會發生異變，甚至與橢圓形近似。此時，若環向撓度超過允許值，地下管線截面就會出現凹陷。

在地下穿越工程施工與地下管線接觸不協調時，管線截面會在局部受拉、大偏心受壓、滲透作用下失效，甚至出現接頭轉角超限、截面裂縫問題。

3.5 受彎矩破壞

在城市既有地下管線中，鋼管、鑄鐵管等剛性材質較為常見，剛性較大接頭狀態并非一體性，極易在地下穿越工程施工應力干擾下出現形狀異變，且異變程度超出許用形變，最終出現破碎滲漏[2]。

4 工程施工鄰近既有地下管線的保護措施

4.1 隔離保護

樹根樁是城市地下穿越工程施工中隔離既有地下管線的主要方式。通過樹根樁隔離頂管和既有地下管線基礎，可以避免頂管頂進過程中土體擠壓應力直接作用于既有地下管線基礎，加之樹根樁的彈性模量、強度遠超出土體，可以削弱頂管對土體的擾動作用，保護既有地下管線。制訂樹根樁隔離方案時，樹根樁底直徑與頂管底直徑呈倍數關系，兩者直徑比為1∶1.5～1∶2。技術人員應控制樹根樁直徑在300 mm以上、400 mm以內。樹根樁頂部在地面下，距離地面0.5 m以上、1.0 m以內。樹根樁施工流程如圖1所示。

圖1 樹根樁施工流程

在樁孔定位環節，技術人員可以根據既有打設位置進行樣洞開設，勘探既有地下管線情況，避開既有地下管線設置樹根樁孔位。

根據工藝規劃要求，結合鉆孔孔徑大小、現場操作條件，技術人員可以選擇恰當的鉆機型號，多為地質鉆機或油壓巖芯回轉鉆機，后者具有立軸角度調整功能。同時，為突破凈空低對樁孔鉆進過程的限制，技術人員可以實現準備長度在0.5～2.0 m的短鉆桿、短鉆具，并配備牙輪鉆頭或合金鋼鉆頭（混凝土基礎）、合金肋骨式鉆頭（軟黏土）。在鉆機入場后，技術人員應精準對接樁點，并調整鉆機底部基層至平整、穩定且鉆桿與基層呈90°。進而結合前期規劃的樁孔鉆設傾角、方位，進行鉆機方向、立軸視角調整，控制樁位偏差小于20.0 mm，直樁垂直偏差小于1.0%。

在鉆孔過程中，技術人員可以選擇機械擴孔鉆（或水力擴孔鉆）的方法保證鉆頭直徑與樹根樁直徑相等，鉆孔深度較樹根樁規劃長度深0.5 m以上、1.0 m以內。鉆進過程中，技術人員可以在孔口位置放置護孔套管，護孔套管長度在1.0～2.0 m，緩慢鉆進。鉆孔完成后，技術人員可以利用清水清理樁孔至孔口溢出清水且水位不變。

在插鋼筋籠前，技術人員可以選擇1根或2～4根φ18 mm螺紋鋼，根據設計方案分段預制鋼筋籠，鋼筋籠外徑應小于樹根樁直徑50.0 mm。進而利用φ8 mm箍筋進行鋼筋籠外側橫向、縱向加固，箍筋之間的距離為200 mm。制作完畢后，對準樁位，垂直吊起鋼筋籠并平穩扶正（不與孔壁接觸），緩慢向下沉入樁孔內。注漿管則選擇外縮節形式接頭配合φ20～32 mm無縫鋼管制作。制作完畢后，對準孔位下放，并在封口后施加0.3～0.5 MPa的壓力開展壓力試驗，確保注漿管無泄漏。

在填碎石及注水環節，技術人員可以根據樁徑選擇適宜的碎石粒徑。一般樁直徑小于150 mm時，選擇的碎石粒徑為5.0～13.0 mm；樁徑超出150 mm時，選擇的碎石粒徑在5.0～25.0 mm。碎石清洗后，以一個較小的速度投入孔口填料漏斗并輕輕搖動鋼筋籠促使碎石密實填筑樁孔。孔深在20.0 m以上時，由注漿管壓入適量清水并利用棉紗封堵。

在壓漿環節，技術人員可以根據樹根樁側向受力的特點選擇水灰比為0.4～0.5的水泥漿，水泥∶砂∶水比例為1.0∶0.3∶0.4/0.5。注漿前，均勻攪拌3.0 min以上，在0.3～0.5 MPa壓力下均勻注漿至漿液上冒。在一次注漿初次凝結后，在1.5～2.0 MPa壓力作用下進行二次注漿。注漿完畢后，將樹根樁頂部混凝土開鑿至鋼筋出露，錨入澆筑承臺內，并牢固焊接樹根樁主筋、基礎鋼筋，完成樁頭處理。

4.2 注漿保護

在地下穿越工程既有地下管線分布較為密集或位于道路交叉口時，樹根樁無法發揮作用，這時，可以利用壓密注漿保護的方法。特別是在地下上穿隧道施工過程中，接近隧道時，頂管機不可避免地會對隧道周邊土體進行擠壓，增加隧道臨近地下管線形狀異變的概率。而在地下管線上方穿越時，因土體卸載、擾動，管線頂部土壓力向低水平發展，會提高管線形狀異變概率。除此之外，在頂管機頭穿越后期后續管節仍然處于運動狀態，持續擾動地下管線周邊土體，增加地下管線形狀異變甚至毀損性破壞概率[3]。此時，通過在地下穿越前向地下管線上部土體注入漿液，可以促使上覆土壓力更高，降低頂管穿越后土體卸載幅度，同時，加固對應位置土體，避免頂管穿越時過度擾動地下管線。

既有管道頂部壓密注漿過程包括下注漿管、混合漿液封堵端口、注入漿液、提管注漿。在既有地下管線頂部壓密注漿時，技術人員應將向下鉆入深度作為控制重點，事先利用鋼釬打孔，配合振動器，將注漿管逐節振動至設計深度，避免超出標準深度的下鉆行為。在鉆桿到達設計位置后，技術人員可以依據每次20.0 cm的標準進行注漿管提升，先鄰近既有地下管線外側、后鄰近既有地下管線內側，低壓緩慢注漿，確保壓密注漿保護質量。比如，對于既有排水管，技術人員可以對管線周邊2.0 m范圍內土體（頂管在既有地下管線的投影面外延2.0 m，結構頂部0.5 m到頂管頂部2.0 m）進行加固，漿液選擇P·O42.5普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿，水灰比為0.5，注漿壓力在0.2～0.6 MPa，漿液灌入流量在20.0 L/min以內。同時，在每回次漿液灌注中斷時，技術人員應以首次漿液灌注相應深度壓力數值為依據，將球閥關閉，每間隔5.0～10.0 min開啟球閥，進行次回漿液灌注。進而拔出注漿管0.5 m后進行下回次漿液灌注，提高壓密注漿質量。

4.3 沉降監測

在頂管施工過程中，要切實做好信息化施工監測，應對布設的管線沉降監測點采取有效的變形監測，密切關注頂管施工影響區域道路及管線變形情況是否可控，要嚴格按施工應急預案執行做好對監測預警信息的響應和反饋，保證對既有地下管線的有效保護。

5 結語

綜上所述，根據頂管施工的特點，在距離頂管較近的既有地下管線位置設置樹根樁，并在樹根樁無法實施的位置壓密注漿加固土體，可以降低對頂管施工和鄰近既有地下管線間土體的擾動程度，對工程穿越既有管線起到一定的保護作用，同時，在頂管施工過程中通過有效的沉降監測，能反映頂管施工對管線周邊土體的擾動影響是否可控，以此做到在保護穿越施工影響范圍內既有管線運行安全的前提下，順利實施工程施工。