公路工程下穿天然氣管道并行頂管同步頂進(jìn)技術(shù)研究

劉宇稀,申鐵軍

（1.山西路橋第四工程有限公司,山西 大同 037006; 2.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

在下穿天然氣管道并行頂管同步施工方面，過去的研究多為土層環(huán)境下徑向外荷載、內(nèi)水壓作用管節(jié)受力破壞的研究，對(duì)長(zhǎng)距離巖質(zhì)地層中頂進(jìn)時(shí)管體受力規(guī)律的研究還較少[1]。隨著工程建設(shè)項(xiàng)目的快速發(fā)展，頂管施工環(huán)境逐步深入巖層，亟需相關(guān)的研究成果指導(dǎo)工程實(shí)踐[2]。現(xiàn)場(chǎng)在初入上侵灰?guī)r段頂進(jìn)施工時(shí)，管節(jié)頂進(jìn)端內(nèi)壁混凝土出現(xiàn)了明顯的環(huán)向裂縫。裂縫平均最大寬度接近2 mm、長(zhǎng)度數(shù)十厘米[3]。為解決施工中出現(xiàn)的管節(jié)端環(huán)向裂縫發(fā)育問題，研究基于過往的研究基礎(chǔ)和施工經(jīng)驗(yàn)，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬程序工況模擬分析管節(jié)頂進(jìn)端的開裂機(jī)理[4]，并進(jìn)一步探究管節(jié)裂縫的修復(fù)及優(yōu)化措施，以保障項(xiàng)目頂管工程施工安全和質(zhì)量[5]。

1 地質(zhì)巖性

1.1 第四系全新統(tǒng)湖積、人工堆積層（Q41、Q48）

（1）湖積淤泥[地層編號(hào)（1-3）]。干強(qiáng)度中等，韌性中等。主要分布在湖底部，厚度0.4~2.6 m 不等。

（2）素填土[地層編號(hào)（1-2）]。呈松散－稍密狀，厚0.8~5.5 m，在局部地段分布，主要為已建湖堤堤身和魚塘之間的地埂。

（3）雜填土[地層編號(hào)（1-1）]。厚0.4~4 m，局部路面有15~30 cm 厚的混凝土，主要分布在官蓮湖大橋橋底和公路路基部位。

1.2 第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4a1）

（1）粉砂[地層編號(hào)（2-3）]?；遥嗷疑?，厚度不大于5 m，飽和，均勻性好。分布在堆積平原區(qū)，埋深13 m 以下，與工程關(guān)系不大。

（2）淤泥質(zhì)黏土[地層編號(hào)（2-2）]。飽和，流塑狀，高壓縮性，孔隙比較大，分布在堆積平原區(qū)。

（3）粉質(zhì)黏土[地層編號(hào)（2-1）]。褐黃－灰褐色，厚度0.8~8.1 m，可塑狀態(tài)，中－高壓縮性土，干強(qiáng)度高，韌性高。主要分布在堆積平原區(qū)。

2 技術(shù)的難點(diǎn)

路基施工環(huán)境復(fù)雜，路基上跨西氣東輸天然氣管道，西氣東輸天然氣管道輸送介質(zhì)為天然氣，管徑711 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，運(yùn)行壓力6 MPa 屬國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)天然氣管道有限責(zé)任公司、山西天然氣管理有限公司共同管理。管道旁2.0 m 范圍內(nèi)有專用光纜，管理單位屬保密單位[6]，見圖1~6。如按常規(guī)路基跨越天然氣管道施工，面臨以下施工難點(diǎn)：

圖1 天然氣管道所在位置

圖2 天然氣管道警示標(biāo)志

圖3 國(guó)防光纜所在位置

圖4 國(guó)防光纜警示標(biāo)志

圖5 天然氣管道開挖

圖6 天然氣管道基礎(chǔ)晾曬

2.1 地基承載力不足的問題

如設(shè)蓋板涵作為天然氣管道的保護(hù)涵，涵洞基底地基承載力要求≥400 kPa（因天然氣管道的特殊性，故該涵洞的地基承載力明顯高于普通涵洞），但該段路基土質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土，壓縮性大，地基承載力明顯不足[7]。采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)地基承載力。根據(jù)承載力基本允許值范圍[8]，該涵洞基坑開挖深度達(dá)到6.2 m 以上方能滿足設(shè)計(jì)要求的地基承載力，屬于深基坑開挖，且根據(jù)地質(zhì)鉆孔顯示，該處存在地下水[9]，土方開挖量較大，管道開挖后暴露時(shí)間長(zhǎng)，施工安全隱患高[10]。

2.2 專用光纜的保護(hù)問題

針對(duì)專用光纜的保護(hù)問題，按建設(shè)單位要求做到“五個(gè)嚴(yán)禁”“五個(gè)不準(zhǔn)”，具體參照《中華人民共和國(guó)軍事設(shè)施保護(hù)法實(shí)施辦法》和《國(guó)務(wù)院、中央軍委關(guān)于保護(hù)通信線路的規(guī)定有關(guān)內(nèi)容》[11-12]，施工期間，被管理單位告知，對(duì)該處涵洞而言，作用于基礎(chǔ)底面的垂直均布荷載總和不得大于200 kN/m。如問題一所述，涵洞基坑開挖深度達(dá)到6.2 m 以上即涵洞頂填土高度在6.2 m 以上，土體壓力為正常施工造成極大的難題[13-14]。

2.3 天然氣管道的問題

施工方被國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)天然氣管道有限責(zé)任公司、山西天然氣管理有限公司明確告知，不存在天然氣管道改線、位移、停氣的可能性。

3 技術(shù)的重點(diǎn)

（1）同步施工頂管相互擾動(dòng)下易導(dǎo)致沉降超限，并行頂管同步施工時(shí)，后行頂管再次穿越同一節(jié)點(diǎn)造成二次擾動(dòng)加劇沉降，大大提高了沉降控制難度[15]。

（2）小間距中隔墻承載力弱，大口徑頂管中心間距7.5 m，邊線凈距3.9 m，中隔墻厚度近似一倍管節(jié)直徑，相對(duì)厚度低、承載力弱，為保障上覆地層穩(wěn)定造成了較大的困難[12]。

4 主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)分析

4.1 主要研究?jī)?nèi)容

4.1.1 下穿燃?xì)夤艿佬￠g距并行頂管施工沉降控制技術(shù)根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)條件、下穿管道沉降控制要求，通過Midas GTS 建立數(shù)值分析模型，分析了并行頂管不同步距工況下地表沉降變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究了并行頂管頂進(jìn)施工的最優(yōu)步距，揭示了并行頂管施工步距影響地表沉降的作用機(jī)理，并從機(jī)理上提出了地表注漿加固措施，解決了并行頂管施工時(shí)地表沉降的技術(shù)難題[16]。

4.1.2 軟硬地層頂管保護(hù)層混凝土開裂機(jī)理及阻裂技術(shù)為解決穿越上侵灰?guī)r頂管管節(jié)頂進(jìn)端保護(hù)層混凝土裂縫發(fā)育問題，研究基于工程現(xiàn)場(chǎng)施工背景，采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)值模擬探究管節(jié)頂進(jìn)端保護(hù)層混凝土的開裂機(jī)理并提出有效的處置措施[17]。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)分析

（1）基于PECK 公式建立了管道－地表沉降監(jiān)測(cè)反饋體系，提出了先后頂管工作面縱向最優(yōu)步距、重點(diǎn)區(qū)段中隔墻注漿加固的沉降控制措施，有效解決了下穿燃?xì)夤艿啦⑿许敼芡绞┕こ两悼刂齐y的問題[18]。

（2）揭示了軟硬地層頂管管節(jié)保護(hù)層混凝土環(huán)向裂縫的開裂機(jī)理，并基于機(jī)理提出了加密注漿管網(wǎng)、優(yōu)化減阻泥漿的阻裂措施，有效避免了管節(jié)劣化導(dǎo)致的一系列工程事故[19]。

5 效益分析

5.1 下穿燃?xì)夤艿佬￠g距并行頂管施工沉降控制技術(shù)的效益分析

通過采用控制縱向間距、重點(diǎn)部位注漿的方式完成了雙線同期施工任務(wù)，相比于分次貫通施工，節(jié)省了工期近40 d，節(jié)省資金約60.2 萬元。現(xiàn)有條件下頂管作業(yè)工效為44 d/單線，考慮施工實(shí)際影響，采用雙線施工預(yù)計(jì)作業(yè)周期為90 d，現(xiàn)場(chǎng)采用同期雙線施工用時(shí)50 d，直接節(jié)省工期40 d。依據(jù)現(xiàn)有管理水平及人機(jī)料配置，節(jié)省頂管作業(yè)人員管理費(fèi)用約為6×400×40=9.6 萬元，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)管理人員費(fèi)用2×300×40=2.4 萬元，節(jié)省履帶吊、泥漿泵、變壓器等配套設(shè)施租賃費(fèi)用約47.1 萬元，節(jié)省特種作業(yè)人員費(fèi)用4×600×40=9.6 萬元?？傆?jì)施工節(jié)省費(fèi)用約68.7 萬元。其中注漿加固所需材料費(fèi)約3.1 萬元，作業(yè)費(fèi)用（包含人、機(jī)費(fèi)用）約5.4 萬元，施工與前期頂管作業(yè)同步進(jìn)行，不占用工期計(jì)劃時(shí)間。統(tǒng)計(jì)節(jié)省費(fèi)用為68.7-8.5=60.2 萬元。

5.2 軟硬地層頂管保護(hù)層混凝土開裂機(jī)理及阻裂效益分析

通過采用加密管網(wǎng)、注漿優(yōu)化等措施，避免了后續(xù)管節(jié)施工出現(xiàn)環(huán)向裂縫，節(jié)省管節(jié)修補(bǔ)人工投入約22 個(gè)工時(shí)，節(jié)省設(shè)備臺(tái)班3 個(gè)，合計(jì)約2.3 萬元。綜合上述，研究成果累計(jì)直接經(jīng)濟(jì)效益為節(jié)約成本約155 萬元，節(jié)約工期約60 d。

6 結(jié)語

該文研究針對(duì)頂管工程施工中并行頂管施工沉降控制與風(fēng)險(xiǎn)管控，探究了頂管施工存在的沉降、混凝土開裂施工風(fēng)險(xiǎn)因素，分別提出了有效的預(yù)防措施。立足于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，探索了并行頂管、頂管結(jié)構(gòu)、軟硬地層工況的施工技術(shù)，不僅為該行業(yè)的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)，也為類似地質(zhì)工程施工提供了借鑒參考，對(duì)于我國(guó)城市頂管工程建設(shè)、發(fā)展具有積極的意義。