頂管穿越高速公路設計分析

商賀嵩

(河北省交通規劃設計研究院有限公司 石家莊市 050000)

隨著我國管網與路網的日益發展與完善，新建管線穿越運營期的高速公路現象非常普遍，如何采取合理的方法既能滿足管線的施工要求又能確保高速公路不斷交、保證后期運營安全勢在必行。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上可行、經濟成本最優、社會影響最小，但對新建管線頂管穿越高速公路方案設計詳細考慮與過程計算分析還鮮有開展。以石家莊市主城區應急水源工程穿越新元高速公路為例，總結分析新建管線頂管穿越高速公路方案設計過程中的詳細考慮與計算分析，為后續工程建設提供參考。

1 頂管穿越設計原則

新建管線穿越既有高速公路方案設計時需重點考慮套管長度、覆土厚度、穿越角度三方面因素，結合相關規范設計要求，其穿越設計原則如下：

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

(2)《頂管施工技術及驗收規范》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，否則應采取相應的技術措施”。

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

2 項目穿越方案比選

2.1 項目概述

石家莊市主城區應急水源工程(地下水)，地下水應急水源為滹沱河雙廟深層地下水，單井開采量5000m3/d。供水管線全長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，設計壓力為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 確定項目穿越方案

管線線位設計時應盡量避免穿越既有高速公路，當二者交叉不可避免時，應結合造價經濟性、運營安全性、施工難易程度及公路管養單位意見綜合考慮穿越方案。一般管線與公路交叉時，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、運營安全穩定性及管養單位意見，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。以前述新建應急水管穿越新元高速公路為例，采用土壓平衡機械頂進施工法，套管尺寸為DN1500mm鋼筋混凝土鋼承口Ⅲ級管(壁厚150mm)，套管長度按公路用地界外30m控制為191m，套管覆土厚度按距高速公路邊溝底不小于3m和按管養單位意見距高速公路路面不小于6m進行雙控，考慮套管頂進施工難易程度和節省工程造價，其中頂進長度為140m，工作井、接收井側依次直埋長度為25m、26m。

3 頂管穿越方案計算分析

針對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長度、覆土厚度和地質條件不同，因此，針對每一位置處頂管穿越均需計算頂力、后背墻反力、是否設置中繼間及路面沉降計算等問題。

3.1 穿越頂力計算

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

F0=πD1Lfk+NF

式中：F0為總頂力標準值(kN)；D1為管道的外徑(m)；L為管道設計頂進長度(m)；fk為管道外壁與土的平均摩阻力(kN/m2)；NF為頂管機的迎面阻力(kN)。

對于土壓平衡式大刀盤切削端口頂管機的迎面阻力，可按下式計算：

式中：Dg為頂管機外徑(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目為例，D1為1.8m，L為140m，fk取10kN/m2(穿越土層為細砂)，Dg為1.82m，γs為18kN/m3，Hs為8.7m。經計算，NF=405.5kN，F0=8322kN，所以為保證套管由工作井入土至接收井出土，頂管機提供有效應力需大于8322kN。

3.2 管道許用頂力與后背墻反力計算

為保證頂管頂進過程順利完成，頂管機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，否則會出現套管壓碎或后背墻破壞，致使頂管施工停頓現象。而管道許用頂力和后背墻反力計算可按《頂管施工技術及驗收規范》[3](2006)中第5.3.6條、7.1.8條計算公式依次計算。本項目中套管混凝土等級為C50，經計算許用頂力[Fr]=6450kN；工作井埋深為8.1m，后背墻寬度、高度依次為6m、5m，被動土壓力系數取3.0，經計算考慮后背支撐的后背墻允許施加頂力為11173kN。

3.3 中繼間設置

工程應用中，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行控制，即為5160kN。本項目下穿新元高速公路互通區頂管頂進所需頂力為8322kN，大于頂管施工允許最大頂力，無法一次達到要求的頂進距離，需考慮在施工的管線之間安裝中繼間進行輔助施工，實行分段逐級頂進。中繼間的設置原則，一般第一個中繼間應安裝于頂管機后20～40m處，因為它不但要克服地層的摩阻力，還要克服切削刀盤向前頂進的反作用力；且第一個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%。經計算，需設置2個中繼間，第一道中繼間布置在頂管機后方30m的位置，第二道中繼間布置在頂管機后方65m的位置，中繼間的布置位置應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，工作井主頂油缸最大設計推力為5160kN，考慮千斤頂70%的工作效率可布設4臺2000kN千斤頂同時頂進；中繼間油缸最大的設計推力均為2520kN，考慮千斤頂70%的工作效率可布設12臺500kN千斤頂頂進。中繼間位置可根據現場地質情況進行調整，頂管頂進時注意控制頂進速度并隨時注意頂進方向。

3.4 路面沉降驗算

采用頂管方式穿越高速公路路基段，路基土與管道之間會留下一定空隙，經過車輛荷載反復作用下，可能會導致路面出現沉降及塌陷。因此，本項目確保頂管覆土厚度不小于6m，使管道遠離路基工作區和路面結構層，做好應急預案，同時對路面沉降進行驗算，確保沉降值小于規范要求值。根據《給水排水工程頂管技術規程》[2](CECS 246：2008)規定“頂管穿越公路造成的路面沉降量應小于或等于20mm”，穿越施工引起的地面沉降計算方法主要有經驗法和解析法，目前工程界常采用Peck提出的地面沉降橫向分布經驗公式計算地面沉降。經計算管道軸線上方的公路路面最大沉降量為2.6mm，向兩側逐漸趨于零，滿足規范要求。

4 頂管施工注意事項

對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計算分析完成后，重視頂管施工現場監管工作同樣非常重要。頂管穿越高速公路工程專項施工應由具有相應資質和類似工程經驗的施工單位進行，施工前施工單位需編制完整的施工組織設計、安全保證措施和應急預案，經安評單位評審合格后方可開展現場施工。因穿越位置地質情況復雜，工作井、接受井基坑開挖應嚴格按照分層開挖、分層固化、嚴禁超挖，單層開挖深度不宜大于1.0m。禁止雨季施工，如不得已在雨季施工，應做好工作井、接收井周邊的截、排水措施，防止周邊雨水流進井內；如遇強降雨，應停止工作井、接收井內施工作業，全部人員應撤離現場。

5 結論

(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進行頂力、后背墻反力、中繼間及路面沉降計算分析。

(3)為快速、安全完成頂管穿越工作，重視施工現場監管工作尤為重要。