顶管穿越高速公路设计分析

商贺嵩

(河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄市 050000)

随着我国管网与路网的日益发展与完善，新建管线穿越运营期的高速公路现象非常普遍，如何采取合理的方法既能满足管线的施工要求又能确保高速公路不断交、保证后期运营安全势在必行。张军等[1]以大口径给水管道穿越高速公路工程为例提出顶管穿越在技术上可行、经济成本最优、社会影响最小，但对新建管线顶管穿越高速公路方案设计详细考虑与过程计算分析还鲜有开展。以石家庄市主城区应急水源工程穿越新元高速公路为例，总结分析新建管线顶管穿越高速公路方案设计过程中的详细考虑与计算分析，为后续工程建设提供参考。

1 顶管穿越设计原则

新建管线穿越既有高速公路方案设计时需重点考虑套管长度、覆土厚度、穿越角度三方面因素，结合相关规范设计要求，其穿越设计原则如下：

(1)《公路安全保护条例》给出“高速公路的建筑控制区范围，从公路用地外缘起向外的距离不小于30m，同时在公路建筑控制区内，除公路保护需要外，禁止修建建筑物和地面构筑物”。

(2)《顶管施工技术及验收规范》给出“一般情况下，顶管的覆土厚度不小于3m，或者不小于1.5倍的管道外径，否则应采取相应的技术措施”。

(3)《公路路线设计规范》给出“公路与油气输送管道相交时，以正交为宜。必须斜交时，其交叉的锐角不宜小于30°”。

2 项目穿越方案比选

2.1 项目概述

石家庄市主城区应急水源工程(地下水)，地下水应急水源为滹沱河双庙深层地下水，单井开采量5000m3/d。供水管线全长21.6km，在K268+500处穿越新元高速主线和两条匝道，交叉角度依次为90°、71°和72°；穿越位置新元高速主线路基宽度42m，D、E匝道宽均为9m，穿越位置处供水管道为DN1000钢管，设计压力为1.2MPa，穿越位置平面布置如图1所示。

图1 穿越新元高速平面位置图

2.2 确定项目穿越方案

管线线位设计时应尽量避免穿越既有高速公路，当二者交叉不可避免时，应结合造价经济性、运营安全性、施工难易程度及公路管养单位意见综合考虑穿越方案。一般管线与公路交叉时，可采取明挖直埋、定向钻穿越、顶管(涵)等方法，考虑高速公路不可断交、运营安全稳定性及管养单位意见，新建管线穿越既有高速公路常采用顶管(涵)法，其中圆形钢筋混凝土套管最为普遍。以前述新建应急水管穿越新元高速公路为例，采用土压平衡机械顶进施工法，套管尺寸为DN1500mm钢筋混凝土钢承口Ⅲ级管(壁厚150mm)，套管长度按公路用地界外30m控制为191m，套管覆土厚度按距高速公路边沟底不小于3m和按管养单位意见距高速公路路面不小于6m进行双控，考虑套管顶进施工难易程度和节省工程造价，其中顶进长度为140m，工作井、接收井侧依次直埋长度为25m、26m。

3 顶管穿越方案计算分析

针对新建管线顶管穿越既有高速公路情况，因不同穿越位置处顶进长度、覆土厚度和地质条件不同，因此，针对每一位置处顶管穿越均需计算顶力、后背墙反力、是否设置中继间及路面沉降计算等问题。

3.1 穿越顶力计算

顶管顶力计算方法可采取《给水排水工程顶管技术规程》[2](CECS 246:2008)中给出的计算方法，其管道的总顶力可按下式估算：

F0=πD1Lfk+NF

式中：F0为总顶力标准值(kN)；D1为管道的外径(m)；L为管道设计顶进长度(m)；fk为管道外壁与土的平均摩阻力(kN/m2)；NF为顶管机的迎面阻力(kN)。

对于土压平衡式大刀盘切削端口顶管机的迎面阻力，可按下式计算：

式中：Dg为顶管机外径(m)；γs为土的重度(kN/m3)；Hs为覆盖层厚度(m)。

以前述顶管穿越新元高速公路项目为例，D1为1.8m，L为140m，fk取10kN/m2(穿越土层为细砂)，Dg为1.82m，γs为18kN/m3，Hs为8.7m。经计算，NF=405.5kN，F0=8322kN，所以为保证套管由工作井入土至接收井出土，顶管机提供有效应力需大于8322kN。

3.2 管道许用顶力与后背墙反力计算

为保证顶管顶进过程顺利完成，顶管机提供最大顶力不能大于管道许用顶力与后背墙可承受最大反力间的较小值，否则会出现套管压碎或后背墙破坏，致使顶管施工停顿现象。而管道许用顶力和后背墙反力计算可按《顶管施工技术及验收规范》[3](2006)中第5.3.6条、7.1.8条计算公式依次计算。本项目中套管混凝土等级为C50，经计算许用顶力[Fr]=6450kN；工作井埋深为8.1m，后背墙宽度、高度依次为6m、5m，被动土压力系数取3.0，经计算考虑后背支撑的后背墙允许施加顶力为11173kN。

3.3 中继间设置

工程应用中，通常取顶管许用顶力和后背墙允许施加顶力较小值的80%作为顶管施工允许最大顶力进行控制，即为5160kN。本项目下穿新元高速公路互通区顶管顶进所需顶力为8322kN，大于顶管施工允许最大顶力，无法一次达到要求的顶进距离，需考虑在施工的管线之间安装中继间进行辅助施工，实行分段逐级顶进。中继间的设置原则，一般第一个中继间应安装于顶管机后20～40m处，因为它不但要克服地层的摩阻力，还要克服切削刀盘向前顶进的反作用力；且第一个中继间顶力富余量不宜小于40%，其余中继间顶力富余量不宜小于30%。经计算，需设置2个中继间，第一道中继间布置在顶管机后方30m的位置，第二道中继间布置在顶管机后方65m的位置，中继间的布置位置应能保证克服前方管道的外壁摩阻力和顶管的迎面阻力之和。此时，工作井主顶油缸最大设计推力为5160kN，考虑千斤顶70%的工作效率可布设4台2000kN千斤顶同时顶进；中继间油缸最大的设计推力均为2520kN，考虑千斤顶70%的工作效率可布设12台500kN千斤顶顶进。中继间位置可根据现场地质情况进行调整，顶管顶进时注意控制顶进速度并随时注意顶进方向。

3.4 路面沉降验算

采用顶管方式穿越高速公路路基段，路基土与管道之间会留下一定空隙，经过车辆荷载反复作用下，可能会导致路面出现沉降及塌陷。因此，本项目确保顶管覆土厚度不小于6m，使管道远离路基工作区和路面结构层，做好应急预案，同时对路面沉降进行验算，确保沉降值小于规范要求值。根据《给水排水工程顶管技术规程》[2](CECS 246：2008)规定“顶管穿越公路造成的路面沉降量应小于或等于20mm”，穿越施工引起的地面沉降计算方法主要有经验法和解析法，目前工程界常采用Peck提出的地面沉降横向分布经验公式计算地面沉降。经计算管道轴线上方的公路路面最大沉降量为2.6mm，向两侧逐渐趋于零，满足规范要求。

4 顶管施工注意事项

对于新建管线采用顶管穿越既有高速公路工程，在顶管穿越方案相关计算分析完成后，重视顶管施工现场监管工作同样非常重要。顶管穿越高速公路工程专项施工应由具有相应资质和类似工程经验的施工单位进行，施工前施工单位需编制完整的施工组织设计、安全保证措施和应急预案，经安评单位评审合格后方可开展现场施工。因穿越位置地质情况复杂，工作井、接受井基坑开挖应严格按照分层开挖、分层固化、严禁超挖，单层开挖深度不宜大于1.0m。禁止雨季施工，如不得已在雨季施工，应做好工作井、接收井周边的截、排水措施，防止周边雨水流进井内；如遇强降雨，应停止工作井、接收井内施工作业，全部人员应撤离现场。

5 结论

(1)新建管线穿越既有高速公路宜采用顶管穿越方案。

(2)顶管穿越方案需重点进行顶力、后背墙反力、中继间及路面沉降计算分析。

(3)为快速、安全完成顶管穿越工作，重视施工现场监管工作尤为重要。