城市地下穿越工程顶管施工对邻近既有地下管线的保护措施研究

李志鹏

（北京市政路桥管理养护集团有限公司市政工程七处，北京 100144）

1 引言

随着我国国民经济的快速发展，城市化进程不断推进，对城市基础管网的升级改造也在持续进行。顶管施工具有非开挖、对路面破坏少、占地面积小、地层扰动小的优势，逐渐成为城市地下穿越工程施工的首选工艺之一。而在城市区域内地下管线分布密集，多数顶管顶进渠道距离既有地下管线较近，极易影响地下管线的安全。因此，探究城市地下穿越工程顶管施工对邻近既有地下管线的保护措施具有重要意义。

2 地下管线保护重要性

在城市化进程中，多用途建筑物或构筑物数量日益提升，相应的配套地下管线在既有管网系统中的组成更加繁杂。而出于后续维修便利性需求，城市地下穿越工程多沿路开展，施工不可避免地邻近既有地下管线，施工过程极易扰动土体或地层，导致既有地下管线的稳定性、安全性下降，甚至造成整条管线出现毁坏性损伤，干扰相关社会活动的正常开展。比如，2020年12月5日，沂州路与陶然路交会处污水管网顶管施工造成热力主管网泄漏，影响周边部分区域供暖；2014年6月30日，大连岳林建筑工程有限公司在金州新区路安停车场附近进行水平定向钻施工中，将中石油新大一线输油管线钻漏，导致原油泄漏，溢出原油流入市政污水管网。而通过构建一套安全性与科学性兼具的邻近既有地下管线保护方案，可以利用适当的方法保护邻近既有地下管线，避免地下管线毁损导致的项目停滞以及经济损失，为地下穿越工程建设作业平稳开展提供依据。

3 穿越施工中邻近既有地下管线的破坏原因

3.1 管壁受压屈服破坏

在工程顶进施工邻近高柔性既有地下管线时，因管道本身不能在自然环境内承受附近介质压力，施工过程中极易导致管道壁受压屈服破坏[1]。比如，静水压力环境内的中空柔性管道、周边土体质地均匀位置埋设的中空柔性管道等。

3.2 管壁环向受力破坏

在工程顶进施工中，会不可避免地接触既有管道的围岩，而管道围岩则可经接触面向管线施加一个外部的作用力，一旦管道壁内环向应力达到屈服极限，会导致脆性管道出现脆裂失效问题。比如，刚性相较于周边土体较大的柔性管道，在弯曲应力作用下进入屈服极限水平时极易出现局部屈服，进而发生毁损性开裂现象。

3.3 纵向应力屈服破坏

在地下穿越工程顶管顶进施工形成的地层扰动环境、土体损失环境、土壤侵蚀环境等外部环境作用情况下，管道两侧分别承受压力、拉力，并在拉应力、压应力作业下形成弯曲。因多数管线材料抗拉性能远小于抗压性能，在拉应变超出许可拉应变时，管线承受拉应力一侧会发生开裂、形变等情况。

3.4 超挠曲破坏与构造破坏

城市地下穿越工程施工过程不可避免地对邻近地下管线施加荷载，在荷载作用下，地下管线横截面形状会发生异变，甚至与椭圆形近似。此时，若环向挠度超过允许值，地下管线截面就会出现凹陷。

在地下穿越工程施工与地下管线接触不协调时，管线截面会在局部受拉、大偏心受压、渗透作用下失效，甚至出现接头转角超限、截面裂缝问题。

3.5 受弯矩破坏

在城市既有地下管线中，钢管、铸铁管等刚性材质较为常见，刚性较大接头状态并非一体性，极易在地下穿越工程施工应力干扰下出现形状异变，且异变程度超出许用形变，最终出现破碎渗漏[2]。

4 工程施工邻近既有地下管线的保护措施

4.1 隔离保护

树根桩是城市地下穿越工程施工中隔离既有地下管线的主要方式。通过树根桩隔离顶管和既有地下管线基础，可以避免顶管顶进过程中土体挤压应力直接作用于既有地下管线基础，加之树根桩的弹性模量、强度远超出土体，可以削弱顶管对土体的扰动作用，保护既有地下管线。制订树根桩隔离方案时，树根桩底直径与顶管底直径呈倍数关系，两者直径比为1∶1.5～1∶2。技术人员应控制树根桩直径在300 mm以上、400 mm以内。树根桩顶部在地面下，距离地面0.5 m以上、1.0 m以内。树根桩施工流程如图1所示。

图1 树根桩施工流程

在桩孔定位环节，技术人员可以根据既有打设位置进行样洞开设，勘探既有地下管线情况，避开既有地下管线设置树根桩孔位。

根据工艺规划要求，结合钻孔孔径大小、现场操作条件，技术人员可以选择恰当的钻机型号，多为地质钻机或油压岩芯回转钻机，后者具有立轴角度调整功能。同时，为突破净空低对桩孔钻进过程的限制，技术人员可以实现准备长度在0.5～2.0 m的短钻杆、短钻具，并配备牙轮钻头或合金钢钻头（混凝土基础）、合金肋骨式钻头（软黏土）。在钻机入场后，技术人员应精准对接桩点，并调整钻机底部基层至平整、稳定且钻杆与基层呈90°。进而结合前期规划的桩孔钻设倾角、方位，进行钻机方向、立轴视角调整，控制桩位偏差小于20.0 mm，直桩垂直偏差小于1.0%。

在钻孔过程中，技术人员可以选择机械扩孔钻（或水力扩孔钻）的方法保证钻头直径与树根桩直径相等，钻孔深度较树根桩规划长度深0.5 m以上、1.0 m以内。钻进过程中，技术人员可以在孔口位置放置护孔套管，护孔套管长度在1.0～2.0 m，缓慢钻进。钻孔完成后，技术人员可以利用清水清理桩孔至孔口溢出清水且水位不变。

在插钢筋笼前，技术人员可以选择1根或2～4根φ18 mm螺纹钢，根据设计方案分段预制钢筋笼，钢筋笼外径应小于树根桩直径50.0 mm。进而利用φ8 mm箍筋进行钢筋笼外侧横向、纵向加固，箍筋之间的距离为200 mm。制作完毕后，对准桩位，垂直吊起钢筋笼并平稳扶正（不与孔壁接触），缓慢向下沉入桩孔内。注浆管则选择外缩节形式接头配合φ20～32 mm无缝钢管制作。制作完毕后，对准孔位下放，并在封口后施加0.3～0.5 MPa的压力开展压力试验，确保注浆管无泄漏。

在填碎石及注水环节，技术人员可以根据桩径选择适宜的碎石粒径。一般桩直径小于150 mm时，选择的碎石粒径为5.0～13.0 mm；桩径超出150 mm时，选择的碎石粒径在5.0～25.0 mm。碎石清洗后，以一个较小的速度投入孔口填料漏斗并轻轻摇动钢筋笼促使碎石密实填筑桩孔。孔深在20.0 m以上时，由注浆管压入适量清水并利用棉纱封堵。

在压浆环节，技术人员可以根据树根桩侧向受力的特点选择水灰比为0.4～0.5的水泥浆，水泥∶砂∶水比例为1.0∶0.3∶0.4/0.5。注浆前，均匀搅拌3.0 min以上，在0.3～0.5 MPa压力下均匀注浆至浆液上冒。在一次注浆初次凝结后，在1.5～2.0 MPa压力作用下进行二次注浆。注浆完毕后，将树根桩顶部混凝土开凿至钢筋出露，锚入浇筑承台内，并牢固焊接树根桩主筋、基础钢筋，完成桩头处理。

4.2 注浆保护

在地下穿越工程既有地下管线分布较为密集或位于道路交叉口时，树根桩无法发挥作用，这时，可以利用压密注浆保护的方法。特别是在地下上穿隧道施工过程中，接近隧道时，顶管机不可避免地会对隧道周边土体进行挤压，增加隧道临近地下管线形状异变的概率。而在地下管线上方穿越时，因土体卸载、扰动，管线顶部土压力向低水平发展，会提高管线形状异变概率。除此之外，在顶管机头穿越后期后续管节仍然处于运动状态，持续扰动地下管线周边土体，增加地下管线形状异变甚至毁损性破坏概率[3]。此时，通过在地下穿越前向地下管线上部土体注入浆液，可以促使上覆土压力更高，降低顶管穿越后土体卸载幅度，同时，加固对应位置土体，避免顶管穿越时过度扰动地下管线。

既有管道顶部压密注浆过程包括下注浆管、混合浆液封堵端口、注入浆液、提管注浆。在既有地下管线顶部压密注浆时，技术人员应将向下钻入深度作为控制重点，事先利用钢钎打孔，配合振动器，将注浆管逐节振动至设计深度，避免超出标准深度的下钻行为。在钻杆到达设计位置后，技术人员可以依据每次20.0 cm的标准进行注浆管提升，先邻近既有地下管线外侧、后邻近既有地下管线内侧，低压缓慢注浆，确保压密注浆保护质量。比如，对于既有排水管，技术人员可以对管线周边2.0 m范围内土体（顶管在既有地下管线的投影面外延2.0 m，结构顶部0.5 m到顶管顶部2.0 m）进行加固，浆液选择P·O42.5普通硅酸盐水泥配置的水泥浆，水灰比为0.5，注浆压力在0.2～0.6 MPa，浆液灌入流量在20.0 L/min以内。同时，在每回次浆液灌注中断时，技术人员应以首次浆液灌注相应深度压力数值为依据，将球阀关闭，每间隔5.0～10.0 min开启球阀，进行次回浆液灌注。进而拔出注浆管0.5 m后进行下回次浆液灌注，提高压密注浆质量。

4.3 沉降监测

在顶管施工过程中，要切实做好信息化施工监测，应对布设的管线沉降监测点采取有效的变形监测，密切关注顶管施工影响区域道路及管线变形情况是否可控，要严格按施工应急预案执行做好对监测预警信息的响应和反馈，保证对既有地下管线的有效保护。

5 结语

综上所述，根据顶管施工的特点，在距离顶管较近的既有地下管线位置设置树根桩，并在树根桩无法实施的位置压密注浆加固土体，可以降低对顶管施工和邻近既有地下管线间土体的扰动程度，对工程穿越既有管线起到一定的保护作用，同时，在顶管施工过程中通过有效的沉降监测，能反映顶管施工对管线周边土体的扰动影响是否可控，以此做到在保护穿越施工影响范围内既有管线运行安全的前提下，顺利实施工程施工。