大直径顶管下穿公路施工地表变形研究

文 / 郑州市公路事业发展中心 郑杰

随着新型城镇化进程加快，需要新建一大批污水排放管道工程。由于城市前期基础设施建设及城市空间的限制，这些新建工程施工中不得不下穿既有公路，进而导致地层产生复杂变形，对既有公路的安全运营和周边环境的安全，产生不利影响，严重的会造成公路破坏，引起较大的安全事故和经济损失。因此，对顶管下穿公路的变形控制进行计算和研究是十分必要的。

中外研究学者针对此类问题进行了诸多研究。刘波等以南京某地下步行通道为研究对象，对顶管施工可能引起的隧道及地表变形情况进行了预测分析;Shen等、Cui等、Zhen等从不同角度对顶管施工扰动下的地表变形和深层土体变形规律进行了研究分析;提出考虑注浆压力影响的顶管施工扰动下的地层土体变形计算方法。

本文拟在上述研究的基础上，以北京顺义区污水管道下穿公路项目为工程背景，采用有限元分析的方法，对顶管施工过程中地表及道路的路面变形进行研究，制定道路变形及基坑施工控制的标准，为工程建设提供技术支持。

项目概况

北京顺义区污水处理厂配套管网工程第一标段，设计管线起点位于开发街与丽京路交叉口东北角，接入现况Φ1350污水管道，设计终点位于李天路道路桩号K6+458处，设计管线全长2771.39m，其中1号污水提升泵站以西WA1～WA8及泵站以东WA23～WA40设计为顶管施工，WA1～WA8及WA23～WA31设计管径为DN2000mm，共长654m，WA31～WA40设计管径为DN2200mm，长度为848.3m。

李天路顶管施工起点（WA22）位于现状李天路南侧，机场快轨以东约10m位置。WA22～WA23段污水管线从两个桥墩之间穿越京平高速敷设至现状李天路路中；WA23～WA40段污水管线沿现状李天路路中向东、再向南敷设至2号污水提升泵站终点，涉路段落全长1502.3m。

项目顶管施工采用泥水平衡顶管施工设备，涉路段最大管道顶进长度100.3m，为了降低顶压进阻力，增大顶进力，同时防止塌方的出现，顶管过程中，采用在土壁与管道外壁的缝隙间注入触变泥浆，形成泥浆护套，减少土壁与管道外壁之间的摩擦力。顶进管道直径分为D2000（长度654m，外径D2400）以及D2200（长度848.3m，外径D2640），全部采用钢筋混凝土管道。

顶管穿越区影响范围的确定

根据北京市地方标准《穿越既有道路设施工程技术要求》（DB11/T 716-2019）确定本标段顶管施工对既有道路的影响范围：

竖向区域

1.路基工作区域

宜按行车荷载在土基中产生的附加应力为土基自重应力的1/10范围，计算确定路基的工作区深度Za，或根据道路路基设计确定。在缺少数据和设计资料的情况下，参考采用表1数值。

2.路面结构区域

可分为基层和面层两个层次，见图1。

影响范围

1.严格控制区（直接影响区）

公路用地界外侧30m范围内，均为严格控制区。

沿道路路线方向，新建地下工程的结构外缘线外侧以45°+Φ/2（Φ为土体平均内摩擦角）向上至路面的交汇线范围内。或根据新建地下工程埋深，按照假定开槽施工及土质类型确定的放坡线内侧范围，竖向为路基工作区及以上范围。

2.一般监控区

从既有公路角度考虑：公路土路肩外侧，（如有边坡为坡脚外侧）30m到50m范围内。确定重要和一般影响范围时，需要结合超出上述范围地下降水的影响，并根据降水情况适度扩大影响范围。

根据项目《地质勘察报告》以及项目施工方案等内容，确定本项目的严格控制区为：管线两侧各H×tan（57.5°）（H为管道埋深，顶管穿越区域土质平均内摩擦角为25°）。

对于一般监控区，结合本项目道路等级，顶管穿越深度等因素并参考《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）中关于基坑检测的内容，确定本项目一般监控区为：管道两侧各20m范围。

顶管下穿对李天路的沉降及隆起计算分析

确定代表性的顶管路段

因本项目为污水管道平行于道路顶进施工，结合污水管道设计图纸和施工影响范围，对于顶管下穿对现状李天路的影响分析从中找出3段有代表性的管段进行分析计算。

1.WA22～WA23段，采用直径D2000钢筋混凝土管，覆土深度4.72m～5.13m，穿越图层为粉细砂，管道横穿李天路南半幅道路；

2.WA28～WA29段，采用直径D2000钢筋混凝土管，覆土深度2.58m，穿越图层为粘质粉土-砂质粉土，管道铺设于李天路中央分隔带处，本段为同直径管道顶进长度最长的（90m）；

3.WA39～WA40段，采用直径D2200钢筋混凝土管，覆土深度3.92m～4.09m，穿越图层为粉细砂，管道铺设于李天路中央分隔带处，本段为同直径管道顶进长度最长的（100.3m）。

有限元模型计算

1.模拟计算模型建立

采用Midas-GTS有限元软件计算分析，由于穿越道路的顶管为均匀、线性结构，本计算采用二维模型进行计算。模型水平方向为X轴，竖向方向为Y轴，模型整体尺寸为宽（60m）×高（30m）。模型上边界为自由边界，左侧和右侧为固定水平方向位移约束，下侧均为固定水平方向和竖直方向位移约束。该模型中的计算单元均采用的2D实体单元计算，土体采用摩尔—库伦强度极限准则，将土体视为均匀、连续、各向同性介质，仅考虑自重应力场的影响。

2.模拟计算模型结构划分

计算过程中将模型结构划分为四部分：路面结构、路床、土基和顶管。

（1）路面结构：4cm厚热再生细粒式沥青混合料ZAC-13C+6cm、厚热再生中粒式沥青混凝土AC-20C+18cm、二灰稳定碎石+18cm石灰粉煤灰稳定砂砾+20cm石灰土，路面结构总厚度66cm。路面结构采用弹性模型，回弹模量取1800Mpa、容重为22.3kN/m3、泊松比为0.25；

（2）路床结构：采用弹性模型，路基顶面以下80cm，回弹模量为30Mpa，容重为19.5kN/m3、泊松比为0.30、黏聚力为22kPa、内摩擦角为20°；

（3）土基为路床底面以下部分，采用摩尔—库伦模型，弹性模量为15Mpa，容重为19kN/m3、泊松比为0.33、黏聚力为16kPa、内摩擦角为25°；

（4）顶管为钢筋混凝土结构，同样采用弹性模型，弹性模量为210000MPa，容重为35 kN/m3，泊松比为0.20。

3.代表性路段工况模拟计算

工况1：WA22～WA23段，采用直径D2000钢筋混凝土管，覆土深度4.72m～5.13m，穿越图层为粉细砂，管道周边土体沉降量如图2所示，管道周边土体隆起量如图3所示。

工况2：WA28～WA29段，采用直径D2000钢筋混凝土管，覆土深度2.58m，穿越图层为粘质粉土-砂质粉土，本段为同直径管道顶进长度最长的（90m），管道周边土体沉降量如图4所示，管道周边土体隆起量如图5所示。

工况3：WA39～WA40段，本段污水管道采用D2200钢筋混凝土管，覆土深度3.92m～4.09m，穿越图层为粉细砂，管道铺设于李天路中央分隔带处，本段为同直径管道顶进长度最长的（100.3m）。管道周边土体沉降量如图6所示，管道周边土体隆起量如图7所示。

根据计算结果，上覆土厚度分别为2.58、3.92和4.72m时，计算所得沉降量分别为13.9、9.8和6.1mm；顶推过程中计算所得隆起量分别为2.4、1.6和0.9mm。

有限元计算时考虑上部土体各种材料特性影响，同时考虑管道自身刚度参与作用，通过以上结果，该项目顶管施工对现状李天路有一定影响，且对施工工艺要求较高。

结论

基于Midas-GTS有限元软件模拟计算，研究顶管施工过程中地表及道路的路面变形，主要研究结论如下：

1.严格控制区为：李天路沿道路路线方向，管线两侧各H×tan（57.5°）（H为管道埋深，顶管穿越区域土质内摩擦角为25°）；一般监控区：顶管管道两侧各20m范围，沿道路路线方向。

2.在施工影响范围内路面的最大隆起值小于5mm，最大沉降值小于20mm，两点间沉降坡度小于1.5‰，沉降速率小于2mm/d，以维护道路正常运营，满足规定的路面平整度控制要求。

3.顶管工作坑及接收坑的水平位移小于15mm；竖向位移（沉降）小于20mm控制，沉降速率小于2mm/d，路基边沟处最大沉降值小于25mm，沉降速率小于2mm/d。

4.基坑及支护结构变形控制值为16.8mm～30.1mm，顶管工作坑及接收坑的水平位移控制值按15mm控制；竖向位移（沉降）控制值按20mm控制，沉降速率按2mm/d控制。