一种顶管穿越公路的安全性评价方法研究

路 平

(山西省交通科学研究院，山西太原 030006)

0 引言

西气东输一线工程把新疆自治区的天然气输送到东南沿海，是中国能源大动脉之一。

随着城市规模的不断扩大，多处建筑物占压在西气东输管道上方，形成了高后果区。为了消除隐患，支持地方城市建设，中石油和地方政府共同出资，对占压段管道进行改线。

西气东输管道改线工程PXBG002～PXBG003段在临汾市境内穿越S329省道。穿越处省道桩号里程为K71+062，双向两车道，无中央分隔带。

天然输气管道顶管穿越公路时，应依据公路工程行业规范和部门规章［1］，对以下三个方面进行安全性分析和评价:1)公路工程相关标准规范符合性检查;2)钢筋混凝土套管结构的安全性分析评价;3)顶推穿越施工对所穿越公路安全运营的分析评价。

1 公路工程相关标准规范符合性检查

顶管穿越公路时须结合设计文件，从建筑限界、管道埋深、交叉角度、与公路的安全距离等方面，进行公路工程相关标准规范符合性检查。

1.1 公路建筑限界要求

JTG D20—2017公路路线设计规范规定:建筑限界内严禁侵入任何障碍物［2］。因此顶管穿越的任何临时和永久设施严禁侵入公路建筑限界。施工操作坑和接收坑应布置在公路用地范围和路基应力扩散范围外。

1.2 管道埋深要求

为了避免车辆冲击荷载和自然环境对输气管道、混凝土保护套管的破坏，JTG D20—2017公路路线设计规范规定:穿越公路的保护套管顶面距公路底基层的底面应大于1.0 m［3］。

1.3 交叉角度要求

为了以最短路径穿越公路，尽量减少对公路路基的损坏，输气管道的保护套管与公路宜采用大角度交叉。JTG D20—2017公路路线设计规范规定:公路与原油、天然气输送管道相交，以垂直相交为宜。必须斜交时，交叉角度宜不小于60°［4］。

1.4 输气管道与公路的安全距离

为了防止燃气泄漏引起爆炸、火灾事故以及次生交通事故的发生，输气管道须避让公路一定距离。

交通部规定:天然气管道中心线与公路用地范围边线的安全距离为20 m。

JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范规定:天然气输送管道离开特大、大、中桥应大于100 m，离开小桥应大于50 m。

2 管道结构设计安全性评价

根据JTG/TD65—04—2007公路涵洞设计细则第9.3.1条规定:混凝土圆管涵的设计可仅考虑车辆荷载、圆管涵自重和填土产生的等效荷载的作用组合。因此钢筋混凝土套管的安全性评价不考虑管壁环向压力和径向剪力，仅考虑弯矩作用。

2.1 恒载计算

恒载由圆管涵自重M恒1和填土产生的等效荷载M恒2两部分构成。根据JTG/T D65—04—2007公路涵洞设计细则第9.3.1条，M恒1，M恒2按下式计算:

即恒载在截面上的弯矩作用效应M恒为:

式中:q管——套管自重产生的等效荷载垂直压力;

q土——上覆填土产生的等效荷载垂直压力;

R——圆管涵管壁内外径的平均半径;

λ——侧压力系数，λ =tan2(45°－/2);

——土的内摩擦角，取 =35°。

2.2 活载计算

根据JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范，第4.3.1条和第4.3.2条规定，活载计算采用车辆荷载，填料厚度(包括路面厚度)不小于0.5 m的拱桥、涵洞以及重力式墩台不计冲击力。

依据JTG/T D65—04—2007公路涵洞设计细则第9.2.3条、JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范第4.3条和应力扩散原理，可得活荷载分布长度a和宽度b，如图1，图2所示。其中应力扩散角为30°。

图1 计算荷载分布长度a

由图1可知:

图2 计算荷载分布宽度b

由图2可知:

式中:q汽——车辆荷载产生的等效荷载垂直压力;

h——路面至混凝土套管顶的距离。

车辆荷载在截面上的弯矩作用效应M活可按下式计算:

式中:R——圆管涵管壁内外径的平均半径;

λ——侧压力系数，λ =tan2(45°－/2);

——土的内摩擦角，取 =35°。

2.3 钢筋混凝土套管结构的安全性分析

计算出恒载M恒和活载M活后，按JTG/T D65—04—2007公路涵洞设计细则第9.3.1-4条规定对钢筋混凝土套管进行纵截面的承载能力和裂缝宽度的验算［8］:

式中:Mu——钢筋混凝土套管的正截面抗弯承载力;

Md——弯矩组合设计值;

γ0——按安全等级三级考虑，取 γ0=0.9;

Wtk——最大裂缝宽度，裂缝限值按钢筋混凝土构件二类环境取0.20 mm。

3 对所穿越公路安全运营的分析评价

顶管施工工艺具有以下特点:1)路下顶管施工的同时可以保证路上交通畅通;2)操作坑、接收坑的开挖工作在公路用地范围外作业，采用适当的防护措施后不影响公路和构筑物的安全和功能;3)较其他工法，具有挖方量少、工期短、造价低的特点;4)较其他工法，受天气影响因素较小、施工场地小、施工简单易行;5)适用于公路、市政等不宜放坡开挖沟槽的管道施工。顶管法穿越公路能保证公路的安全运营。

4 顶管穿越采取的应对措施

1)为了减小路基沉降，应根据地质情况选择相适应的顶管机头。管道的接头应采用钢衬头连接，确保接口处于刚性连接，保证管道的平顺性。2)施工顶进时应采取“少挖勤顶”的方式，根据不同的地质情况，控制挖土进尺与顶进速率，随挖随顶，在顶进施工期间应坚持不间断施工，避免造成塌方。施工过程中应严禁超挖，以免造成路基下沉而引起路面开裂。3)在顶进过程中，在轴线上方每隔3 m布设一个沉降观测点，管道顶进中保证安排专人持续监测路面变化，确保路基和土体稳定。