多顶管斜向穿越小跨度公路桥梁设计研究

周 磊，何 伟

（浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002）

1 问题的提出

随着我国经济的高速发展及综合国力的不断提升，交通、水利、市政等基础设施建设高速发展，难免出现给排水管线、石油天然气管线、电缆管线、通信管线等下穿公路的情况。顶管法作为一种非开挖技术，具有对交通影响小、开挖量小、政策处理难度低的特点，近年来在管线穿越公路施工中得到较多应用。根据顶管的根数，布置型式采用较多的是单层单排顶管及单层双排平行顶管，也有因狭窄的地下空间布置管线的实际需要，采用上下双层平行布置的型式。目前采用上述顶管布置型式的工程实例很多，而采用上中下3层平行布置型式穿越公路的工程实例尚无。本文以嘉兴市域外配水工程（杭州方向）管道七标平湖支线14#沉井至15#沉井顶管穿越X202公路胡家桥为例，探讨采用上中下3层平行布置型式穿越公路的设计经验、技术难点。

2 工程概况

嘉兴市域外配水工程（杭州方向）管道七标平湖支线起点为步云枢纽南侧的大桥节点，沿杭州湾北接线西侧南北向敷设，在杭州湾北接线与金平湖大道交叉口改为沿金平湖大道北侧东西向敷设，直至平湖古横桥分水点，线路总长约15.44 km，其中14#沉井至15#沉井顶管段穿越平湖塘及X202公路。原水管道为2根DN1 000管道，管道工作压力0.5 MPa。

嘉兴市污水处理扩容工程外排三期输送管线08标走向与嘉兴市域外配水工程（杭州方向）管道七标平湖支线走向基本一致，且同为嘉兴市重大民生工程，由于污水外排工程无其他可利用通道穿越平湖塘及X202公路，经过协商利用本工程的14#沉井和15#沉井，与2根原水管道一起南北向穿越平湖塘及X202公路。污水管道为1根DN1 400管道，工作压力为0.3 MPa。

X202公路是平湖市连接嘉兴市区的一条重要公路，道路两侧居民区及企业密集。2021年1月1日起，行政等级调整为县道，技术等级为二级公路，沥青混凝土路面，双向4车道，路段运营速度为60 km/h，路基宽度为30 m。原水管道及污水管道从X202公路胡家桥桥梁下方穿越。胡家桥桥梁跨径为1孔×20 m，宽度为30 m，上部结构为预应力空心板，下部结构为桩柱式，灌注桩直径1.2 m。

因受制于杭州湾环线高速公路建筑控制区、西气东输管线、X202公路北侧密集的企业区、自然地形及政策处理等因素，14#沉井~15#沉井井位及14#沉井~15#沉井顶管线位已基本确定，顶管线位与X202公路的交叉角度为60°，顶管总长约407 m，见图1。

3 穿越方案设计

3.1 穿越段工程地质条件

根据地勘成果，顶管穿越段内土体自上而下依次为：Ⅰ层人工堆积层，软塑~可塑；Ⅱ1层粉质黏土，软塑~可塑，中等压缩性~高压缩性；Ⅲ1层淤泥质粉质黏土，饱和，流塑，高压缩性；Ⅳ1层粉质黏土，可塑~硬塑，中等压缩性；Ⅳ2层粉质黏土，软塑，中等压缩性；Ⅵ1层粉质黏土，饱和，流塑~软塑，中等压缩性~高压缩性；Ⅶ层粉质黏土，可塑~硬塑，中等压缩性；Ⅷ1层粉土，湿~很湿，稍密~中密。地下水埋深一般0.5~2.5 m，类型为孔隙潜水，由地表水及大气降水补给。表层填土一般为中等透水性~弱透水性；黏性土层（包括粉质黏土、黏土及淤泥质土）为微透水性~极微透水性，砂性土（粉土、粉细砂）为弱透水性~中等透水性。

3.2 管材选择

X202公路为二级公路，根据JTGB 01—2014《公路工程技术标准》[1]规定：管道与各级公路相交叉且采用下穿方式时，应设置地下通道（涵）或套管；通道与套管应按相应公路等级的汽车荷载等级进行验算。在输水管道穿越X202公路时，外侧应增设套管。常用穿越公路的顶管套管有顶进施工用钢筋混凝土管和钢管，其中钢筋混凝土管采用柔性接头钢承口管，混凝土强度等级不宜低于C50，可根据GB/T 11836—2009《混凝土和钢筋混凝土排水管》选用，顶管用钢管钢材宜选用Q235B。2种管材的优缺点比较见表1。

表1 顶管套管管材优缺点对比表

同时本段顶管还需下穿平湖塘及其支流，下穿水域段长度约350 m，且此管线通道唯一，从工程质量及风险控制方面考虑，顶管套管管材最终选用Q235B钢管。域外配水工程顶管套管为2根DN1 400钢管，内穿2根DN1 000输水钢管；污水外排工程顶管套管为1根DN1 800钢管，内穿1根DN1 400输水钢管。

3.3 顶管型式布置

3.3.1 水平净距确定

按CECS 246:2008《给水排水工程顶管技术规程》规定，互相平行的管道水平净距应根据土层性质、管道直径和管道埋深等因素确定，一般情况下宜大于1倍管道外径。并且工具管顶扰动区宽度小于等于2根顶管中心距（B≤L）即为安全[2-3]，图2为扰动区横向分布图。

图2 扰动区横向分布图

式中：B为管顶土扰动宽度，m；D为工具管的等效外径，m；φ为土的内摩擦角，°。

本工程顶管位置土层的内摩擦角φ为11.5°，DN1 400、DN1 800钢管顶管的工具管外径D分别为1.44 m和1.84 m，据此计算B分别为3.00 m和3.90 m。

根据以上2种方式计算，确定了DN1 400钢管顶管间的中心距为3.00 m，DN1 400钢管顶管与DN1 800钢管顶管间的中心距为3.45 m。

3.3.2 顶管型式布置比选

根据顶管根数，有单层3排平行布置、上层1排下层2排平行布置、上层2排平行下层1排布置、上中下3层平行布置等4种布置型式。

各布置型式的优缺点比较见表2。

表2 各种顶管布置型式优缺点对比表

在需要满足涉路施工安全性评价要求的前提下，本段顶管穿越X202公路胡家桥采用上中下3层平行布置的型式，最下层为污水管道的DN1 800钢管顶管套管，中层和上层为原水管道的DN1 400钢管顶管套管。

3.4 各层顶管高程及施工顺序

根据CECS 246:2008《给水排水工程顶管技术规程》[4]，顶管在穿越江河水底时，覆盖层最小厚度不宜小于外径的1.5倍，且不宜小于2.5 m。此段顶管穿越平湖塘及其支流，其河底高程为-3.80 m，由此确定最上层DN1 400钢管顶管的中心高程为-7.40 m。

对于各层平行管道间的垂直净距，顶管技术规程里暂没有明确要求，只明确空间交叉管道的净间距，钢管不宜小于0.5倍管道外径，且不应小于1.00 m。本工程结合顶管段沿线各土层分布情况及土层性质确定各层顶管的中心高程，见表3及图3。

图3 顶管穿越X202公路胡家桥横断面图

表3 各层顶管中心高程表

已有工程实例及研究表明，对于上下双层顶管施工，顶管施工顺序对地表沉降影响显著，先施工上层顶管引起的地表沉降较先施工下层顶管的工况增加约20%，先行施工的下层顶管引起的地表沉降占总沉降量的80%[5-6]。

据此，本工程采用由下往上依次施工各层顶管，其对控制地表沉降、保障公路桥梁安全最有利。

3.5 顶管机选型

在保证工程质量及施工安全的前提下，顶管机型应根据土层情况、地下水位等合理选用。根据本工程情况，拟采用泥水平衡顶管机，具有如下优点：①施工时的总推力较小，在黏土层表现更突出，更适合长距离顶管；②泥水平衡顶管机可适应多变地层，可通过调整泥水仓内的泥水压力有效的保持挖掘面稳定，对顶管周围土体扰动较小，引起的地面沉降较小；③采用泥水管道输送弃土，作业连续不断进行，进度较快，顶距越长进度优势越明显。

3.6 顶管壁厚确定

钢管的壁厚决定了其刚度和强度，且对钢管的造价影响较大，根据相关工程经验，一般情况下管道的壁厚取0.01倍的管道外径[7]。为了更准确的选择钢管壁厚，应根据CECS 246:2008《给水排水工程顶管技术规程》，通过管道应力验算、稳定验算及竖向变形验算确定经济合理的壁厚。经计算，本工程DN1 400钢管顶管壁厚取为14 mm，污水外排三期DN1 800钢管顶管其壁厚取为18 mm。

钢管顶管传力面允许的最大顶力，按照式（1）计算：

式中：Fds为钢管允许顶力设计值，N；Fs为钢管受压强度设计值，N/mm2；Ap为钢管管道的最小有效传力面积，mm2。

经计算，DN1 400及DN1 800钢管顶管的允许顶力设计值分别为3 510 kN和5 780 kN。

3.7 顶力及中继间个数估算

顶力是顶管施工中最关键的因素，它影响到主顶站、中继间及后靠背的设计。影响顶力的因素有土层类型、覆土厚度、顶管长度、减阻措施等。管道总顶力可按式（2）估算：

式中：F0为总顶力标准值，kN；D1为管道外径，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为顶管机迎面阻力，kN。其中fk和NF按顶管技术规程选用。

本工程顶管采用了触变泥浆减阻，fk取为3 kN/m2，经计算，各层顶管总顶力见表4。

表4 各层顶管总顶力计算表

由表4可见，顶管总顶力超过了钢管允许顶力，需采用中继间接力顶进。设计阶段中继间的数量可按式（3）估算：

式中：n为中继间数量（取整数）；f0为中继间设计允许顶力，kN。

根据CECS 246：2008《给水排水工程顶管技术规程》，第一个中继间的加设位置宜按中继间设计允许顶力的60%计算，其余中继间的间隔宜按照中继间设计允许顶力的70%计算。

经计算，各层顶管中继间的数量及加设位置见表5。

表5 各层顶管中继间数量及加设位置表

3.8 安全监测

为确保顶管施工时X202公路胡家桥的安全，在顶进过程中对胡家桥进行了安全监测，监测内容主要为胡家桥桥面的沉降监测。在垂直于顶管轴线方向的胡家桥桥面两侧各布设1个监测断面，每个监测断面布置了14个沉降观测点。顶管施工前，埋设好沉降观测点并记录初始读数，监测频次为施工前7 d测3次，施工中6次/d，完工后30 d测6次（1次/5 d）。沉降监测报警值为累计沉降量达到5 mm。

4 工程实施

顶管机出洞后，以前三节管节作为试验段，为尽量控制土体损失，通过地面沉降观测数据进行顶管参数的调整，设置合理的仓内泥水压力、顶进速度、刀盘转速等各种施工参数。

采用膨润土配置了膨润性、触变后的流动性以及静止下来的胶凝性、固化型俱佳的触变泥浆来支撑管道，降低了管道外壁与土体之间的摩阻力，并根据土质、顶进情况、地面沉降情况及时调整配置参数，起到了有效减阻作用，顶进过程中加设的中继间始终未启用。

顶进过程中，始终贯彻“勤测、勤量、勤纠、缓纠”的原则，控制好顶进轴线。

顶管结束后，及时采用水泥浆液置换管道外壁的触变泥浆，加固外部土体，减少后期产生的地面沉降。最终的监测成果显示，各监测点中最大的累计沉降量为3.0 mm，各监测点的累计沉降量平均值为1.0 mm。

5 结 语

嘉兴市域外配水工程（杭州方向）管道七标平湖支线14#沉井至15#沉井多顶管斜向穿越小跨度公路桥梁，创新采用了上中下3层平行布置的型式，合理确定各层顶管高程、施工顺序、施工参数和减阻措施，满足涉路施工安全性评价要求，保证公路桥梁的安全，确保两大民生工程的顺利实施，可为类似工程设计提供借鉴。

随着顶管技术的提高及注浆工艺的改进，顶力估算及中继间的设置通常偏保守，设计中继间的数目比实际投入使用的多，造成工程造价偏高，亟需相关规范规程进一步完善计算取值和计算方法。