新建天然氣管道頂管穿越干線公路的施工過程數(shù)值模擬分析

摘要：隨著我國長輸油氣管道行業(yè)的高速發(fā)展，新建油氣管道與既有公路交叉問題日益凸顯。文章以大理到臨滄段某天然氣管道建設項目穿越干線公路的工程實例為研究背景，采用數(shù)值模擬的手段，建立頂管穿越既有公路的工作井和接收井基坑開挖、套管頂進與出土、基坑回填施工全過程的三維數(shù)值模型，分析了新建天然氣管道頂管施工對所穿越既有公路的影響，結(jié)論與現(xiàn)場情況基本吻合，可為類似的工程設計和施工提供參考和借鑒。

關鍵詞：新建天然氣管道；頂管施工；干線公路；施工過程；數(shù)值模擬

中圖分類號：U173.92

0 引言

近年來，隨著我國基礎設施建設的不斷完善，新建油氣管道與既有公路交叉問題日益突出，新建油氣管道涉路施工工程不斷增多。通常，為了最大限度地減小施工對所涉公路正常運營的影響，新建天然氣管線穿越既有干線公路時會采用頂管、水平定向鉆等非開挖技術進行施工。由此，有效地評定頂管、水平定向鉆等非開挖施工對所涉道路的影響是當前亟待解決的問題，具有一定的現(xiàn)實意義。

目前，頂管技術已被廣泛應用于各種地下管線工程中，其設計施工工藝較為成熟，相關研究成果也比較豐富［1-3］。通過分析研究，頂管施工對周邊環(huán)境影響相關的研究成果主要有經(jīng)驗公式法［4-5］、解析法計算模型［6-7］和數(shù)值模擬［8-10］幾大類型。其中，經(jīng)驗公式法操作方便，但其準確性和精度需要大量類似工程的實測數(shù)據(jù)進行支撐，而收集準確的實測數(shù)據(jù)非常困難。解析法具有一定的理論基礎，能夠考慮較多的影響因素，操作方便且適用性比較強，但存在假定條件較多且與實際存在差距的問題，導致理論計算值與實際觀測值存在一定差距，該方法仍具有一定的局限性。數(shù)值分析法能夠模擬各種地質(zhì)條件、施工工況和現(xiàn)場復雜的邊界條件，基本可用于所有工程的模擬分析，適用性非常強，特別是對于缺乏實測數(shù)據(jù)的地區(qū)進行頂管施工時，數(shù)值模擬結(jié)果對于設計施工具有非常重要的參考價值。

為此，針對新建天然氣管道頂管穿越干線公路的施工的問題，本文以大理到臨滄段某天然氣管道建設項目穿越干線公路的工程實例為研究背景，采用數(shù)值模擬的手段，建立起頂管穿越既有公路的施工全過程的三維數(shù)值模型，詳細分析了新建天然氣管道頂管施工對所穿越既有公路的影響。

1 工程概況

天然氣管道臨滄支線（一期）項目某段管道頂管穿越國道G215，項目位于大理州南澗縣南澗鎮(zhèn)巍山河南側(cè)，距南澗縣城約2.5 km。穿越處管道與公路的交角為87°，鋼筋混凝土套管型號為DRCP Ⅲ1 000×2 000，其底部埋置深度為5.2 m，套管長度為30 m。頂管穿越G215國道的平面布置如圖1所示。

國道G215穿越點處為填方路基，路基兩側(cè)均設置有擋墻，該頂管穿越主要土層是卵石層，下伏基巖為砂巖。頂管工作井尺寸為5 m×5 m×5 m，接收井尺寸為3 m×3 m×5 m，工作井、接收井采用鋼筋混凝土護壁墻支護，壁厚均為15 cm，混凝土強度等級為C30，采取邊開挖邊支護的方式施工。

2 頂管施工的三維有限元分析

2.1 計算模型的建立

本次數(shù)值模擬計算選用巖土通用有限元分析軟件Midas GTS NX，數(shù)值模擬模型尺寸為40 m×68 m×24 m，模型中工作井、接收井的邊界至計算模型的各邊界距離大于等于其3倍的基坑開挖深度。

2.1.1 計算模型工況及網(wǎng)格劃分

計算模型初始應力工況：施工前初始平衡狀態(tài)；工況一：工作井、接收井基坑開挖與支護；工況二：1#～3#套管出土及頂進施工；工況三：4#～6#套管出土及頂進施工；工況四：7#～9#套管出土及頂進施工；工況五：10#～12#套管出土及頂進施工；工況六：13#～15#套管出土及頂進施工；工況七：工作井、接收井回填。計算模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.1.2 計算參數(shù)的選取

建模過程中，巖土體、頂管襯砌結(jié)構(gòu)和工作井等的幾何參數(shù)為實際設計參數(shù)，物理力學指標參考規(guī)范和勘察設計資料提供的參數(shù)并結(jié)合經(jīng)驗取值。瀝青混凝土、水泥穩(wěn)定碎石、工作井及接收井護壁、套管取為彈性材料，巖土體則適用于摩爾-庫倫模型。各材料物理力學參數(shù)具體取值見表1。

2.1.3 荷載及約束條件

建立模型時，既有公路路面車輛荷載等效為面荷載，荷載取值為q=15 kPa。計算模型邊界約束采用自動約束。

2.2 計算結(jié)果分析

頂管工作井、接收井開挖以及套管頂進施工均會引起其周邊巖土體發(fā)生位移，進而會引起上部既有公路路基、路面的變形。利用Midas GTS NX軟件建立的三維數(shù)值分析模型，計算分析頂管開挖掘進與頂進后所穿越既有公路的水平位移和沉降，進而對既有公路因頂管施工產(chǎn)生的安全性和穩(wěn)定性影響進行評價。

本次數(shù)值模擬頂管施工過程簡化為7個工況，其中各個工況條件下頂管穿越的既有公路及鋼筋混凝土套管位移情況分別如表2和表3所示。

其中，工況六地表變形和鋼筋混凝土套管變形分別如圖3和圖4所示。

從上述計算結(jié)果可看出，在該頂管施工過程中，地表最大水平位移值為1.74 mm，發(fā)生在路基兩側(cè)擋土墻上，而穿越道路中線位置處各個施工工況下地表水平位移近乎為0;地表最大沉降為1.16 mm，沉降最大區(qū)域集中于穿越道路路面兩側(cè)靠近基坑的位置處，而穿越道路中線位置處各個施工工況下地表沉降值近乎為0。此外，在頂進施工過程中，鋼筋混凝土套管最大豎向位移為0.69 mm，發(fā)生在穿越道路中線正下方位置處。

本次頂管施工鋼筋混凝土套管公稱內(nèi)徑為1 m，外徑為1.2 m，穿越道路正下方管頂覆土厚度為4 m，約為3.3倍鋼筋混凝土套管外徑。在該頂管施工過程中，引起地表位移的主要工序為兩端工作井、接收井基坑開挖，套管頂進施工套管自身位移量非常小，控制好兩端工作井基坑位移，以及套管頂進速度、前端掘進面處的土壓平衡，則頂管施工對穿越既有公路的影響較小，滿足道路正常運營的要求。

3 結(jié)語

（1）通過建立頂管穿越既有公路施工全過程的三維數(shù)值模型，分析了大理至臨滄某新建天然氣管道工程頂管施工對所穿越既有公路的影響，認為頂管施工過程中對穿越公路路基路面有一定的施工擾動作用，地表最大水平位移為1.74 mm，路面的最大沉降為1.16 mm，滿足既有公路正常運營的要求。

（2）頂管穿越既有公路時，兩端工作井、接收井基坑開挖對既有公路路基穩(wěn)定影響相對較大，頂進施工套管自身位移量非常小，控制好套管頂進速度、前端掘進面處的平衡，則頂管施工對穿越的道路影響較小。因此，頂管穿越既有公路施工的控制要點為：兩端工作井基坑位移，套管頂進速度，以及前端掘進面處的平衡。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-12

作者簡介：錢國偉（1992—），碩士，工程師，主要從事巖土工程等方面的設計與科研工作。