定向钻法穿越公路沉降观测现场试验研究

苏晓锋

(辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 110006)

非开挖穿越施工技术具有不影响交通、不破坏环境、施工速度快、穿越精度高、不受季节限制、工程造价综合成本低、社会效益显著、不影响市民生活等优点。非开挖穿越施工方法有很多，目前省内运用较多的是顶管法和定向钻法，其中定向钻法多用于软土地基路段，所以在施工扰动影响之后，超孔隙水压力消散较慢，工后沉降历时长，工后沉降所占比例相对较大[1]。若工后沉降量过大，势必影响到公路的服务水平以及行车的安全性、舒适性，增加了公路交通安全事故的风险程度，这也使得在涉路工程安全评价中，如何控制工后沉降成为安全评价的重要指标。笔者结合在建的管线穿越工程项目，对其进行观测、调查，并利用数学方法预测管线穿越公路后的沉降深度，通过实际的沉降监测数据与预测结果进行对比分析，对定向钻法引起的工后沉降进行探索研究。

1 沉降监测试验

1.1 工程概况

本次试验选择了位于盘锦地区的盘锦国华燃气有限公司天然气市政中压管道安装工程。此工程主要承担为附近居民区提供天然气的任务，穿越套管采用钢质套管，规格为DN500。分别在G305庄林线K226+300处、S210中新线K61+350处、K78+360处、K79+850处及XB03杜田线K13+780处采用定向钻法穿越公路，文中道路名称及编号为国省干线公路网调整前的原道路名称及编号。

表1 土层的物理力学性质指标

1.2 水准基点的建立

水准基点是沉降观测的基准点，它的设置必需牢固、安全，并且不易受到破坏，能客观地反映路面的沉降情况。为了准确直观，水准基点设在变形区之外，但不能离涉路工程过远且沉降观测点之间高度差不应过大，避免因多次转站增加观测的累积误差，影响观测精度。考虑到水准基点对本次试验观测结果的重要程度，设专人负责，并建立定期校核制度，校核水准基点的高程，若发现移位或损坏应及时修复，保证观测数据的准确性。本次试验在每个工程周围各布设3个水准基点—BM1、BM2、BM3，各工程由其水准基点构成水准闭合环，高程系统采用独立高程基准。

1.3 沉降监测点的建立

为了掌握定向钻穿越路基的沉降情况，于各路基分别布置3个沉降监测点，在穿越轴线与路基交叉的路中心点及左右两侧硬路肩上，形成沉降观测断面，共计设置沉降监测点15个。沉降监测点的平面布置方式见图1。沉降观测标选取长度不小于20cm的钢钉，采用打入式设置，可保证沉降观测标不易被破坏。沉降量一般仅为几毫米，沉降观测精度要求很高，应采用二等水准进行测量[2]。二等水准高程控制测量依据《公路勘测规范》(JTG C10-2007)中的技术要求执行。

2 沉降预测和试验结果分析

2.1 定向钻法穿越的沉降预测

在定向钻穿越施工时，定向钻的钻进破坏了原有地层的状态，势必会造成地层产生一定隆起或下沉。在管道铺设完成后，由于扩孔直径与所铺管道直径之间留有一定的间隙，也可能会造成后续的地层变形。

1969年，Peck提出了地表沉降槽符合高斯分布的概念(沉降槽的横向分布见图2)，认为地层移动由地层损失引起，施工引起的地面沉降是在不排水条件下且土体体积不可压缩，从而假定地表沉降体积等于底层损失体积[3]，得出横向地面沉降估算公式：

(1)

式中：Smax—地表最大沉降量，m；

Vs—单位长度底层损失的体积，m3/m；

i—沉降槽半宽度，m；

式中：D1—最后一级扩孔直径；

D2—管道直径；

k—底层损失折算系数，取0.6～0.7。

O’Reilly等通过统计各种地质条件下开挖隧道时产生的地面沉降测试值，提出了一种简便的定义i值的方法，i的取值与管道轴线埋深大致成线性关系[4]。由于本工程穿越的土体粘性土含量较高，故适用于本次试验的公式为：

i=0.43z+1.1

(2)

式中：z为管道轴线埋深，即离管道轴线正上方的距离。

鉴于定向钻法穿越施工采用的是新技术、新材料、新设备、新工艺，并且省内定向钻施工工艺并不十分成熟，故本次试验底层损失折算系数按0.7取用。

2.2 定向钻法穿越的沉降观测和预测结果分析

在各个工程施工结束的3至5个月后，对15个沉降监测点进行了沉降数据采集，在数据整理分析后绘制出沉降量观测结果与预测结果对比图。从图3中不难看出，公式推算的沉降值与实测值比较接近，拟合度较高。

而且从沉降量与管线埋置深度关系图中也发现，当穿越管线位于公路重型汽车的影响范围以外时，沉降量是随着埋置深度的降低而增大的，详见图4。

管线的埋置深度是影响工后沉降量的重要因素，但在现行的公路规范中，只规定了穿越公路保护套管的埋置深度，却未规定穿越公路后的工后容许沉降量。所以在日后的涉路工程安全评价中，除对管线的埋置深度进行评价外，还应对工后沉降量规定限值。由于其他行业规范中对定向钻法的工后沉降的相关规定也不多，所以限值可考虑参考其他非开挖穿越方法中对地面沉降控制的相关要求，比如油气输送管道穿越工程施工规范(GB 50424-2015)中第9.8.2条规定：“盾构法穿越公路、大堤的地面沉降量应控制在-30mm～10mm”；《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246:2008)中第13.2.4规定：“顶管穿越公路造成的地面沉降量应小于或等于20mm”。通过上述规定并结合相关工程经验，笔者认为在涉路工程安全评价中规定穿越公路的工后沉降量不应大于或等于20mm较为合适。

3 结语

通过对盘锦国华燃气有限公司天然气市政中压管道安装工程的观测、分析、总结，可知在管线采用定向钻法穿越公路后，利用Peck公式进行工后沉降估算相对可靠，对今后类似工程具有借鉴意义。