顶管施工项目主要危险因素及引发路面沉降量计算

符秀江 FU Xiu-jiang；王思长 WANG Si-chang；王子健 WANG Zi-jian；蒋铧隆 JIANG Hua-long

（①海南省公路管理局，海口 570100；②重庆科技学院建筑工程学院，重庆 401331；③能源工程力学与防灾减灾重庆市重点实验室，重庆 401331）

0 引言

顶管施工作为一种无开挖施工技术，在城市地下管道建设中具有很大的优势。它可以避免对地面的破坏，减少对周围环境和交通的影响，提高施工效率。然而，顶管施工项目面临着一系列的风险和挑战，包括技术风险、安全风险、环境风险、质量风险和管理风险等。因此，对顶管施工项目的风险进行分析，并制定相应的应对措施，对项目的成功实施至关重要。

王彬[1]针对深圳市轨道交通12 号线某繁华路段地铁站出入口矩形顶管施工开展分析，提出施工风险包括进出洞风险、设备风险、掘进风险和环境风险等，采用改进的层次分析法建立大断面矩形顶管风险层次结构模型，对施工风险开展了评估；莫万练[2]以成都地铁某号线一期工程外部电源电缆通道工程为背景，对顶管施工中存在的安全风险进行了简要分析，并提出相应的管控措施；孙胜杰[3]提出了一种新的长距离顶管的顶推力计算方法，从顶推设备和注浆材料选择、管道位移偏差、风险控制及管理方面探讨了顶管施工的质量控制要点；李良东[4]根据黄河下游多条穿黄输气管线工程的施工经验，研究了黄河下游穿黄输气管线工程遇到的环境风险技术问题，为跨河桥梁、特高压输电线路、穿河通信管线等其他穿黄工程的设计和施工提供了参考；王乐天[5]等通过现场实测、数值模拟及Peck 经验公式的方法研究了顶管施工引起的地表沉降规律，探讨了管-土摩擦、注浆压力及支护压力对地表沉降的影响。

本文以海南省某一体化项目为依托，针对顶管施工过程中的危险因素展开分析，应用peck 法经验公式计算了顶管施工引发的路面沉降量，有效保障了公路及其附属设施的安全，为工程施工提供了有益参考。

1 工程概况

某一体化项目，包含取水泵站、输水管道、净水厂三部分。顶管施工为先采用顶管法铺设D1500 钢筋砼管道，然后在砼管道内布置DN800 钢管。经现场勘察，本段顶管工程工作井基坑开挖范围及基坑外围20m 范围内不存在已建建筑物、地下管线。顶管D1500 采用F 型钢筋混凝土管，总长度222m，坡度2%，顶管埋深为4.38m 至5.66m。

根据实地踏勘情况及地勘报告，顶管段管线经过的场地为粘土层，可作该段管基的持力层。根据场地岩土工程条件，结合拟埋设管线位置，管线穿越路线土层及选择持力层，顶管在粘土层中穿越。

2 顶管施工工艺流程

顶管施工是一种无开挖管道铺设技术，适用于穿越公路、铁路、河流等障碍物的管道施工。其一般工艺及流程如下。

①前期准备。包括以下三个步骤：1）确定顶管施工的起点和终点，制定施工方案；2）进行现场勘察和测量，确定地下管线的情况，包括地下设施、地质情况等；3）安排施工队伍和设备，准备所需材料和工具。

②导向井的建设。包括以下两个步骤：1）在起点和终点位置开挖导向井，用于引导顶管的施工方向；2）根据设计要求，在导向井中安装导向框架或导向装置，确保顶管的准确定位和导向。

③顶管施工。包括以下三个步骤：1）通过起点导向井，将顶管推入地下；2）使用液压推力设备或推进机械，施加推力将顶管推进至终点导向井；3）在推进过程中，根据需要进行顶管段的连接，确保管道的连续性。

④推进控制。包括以下两个步骤：1）通过实时监测顶管的位置和方向，进行推进控制，以保证顶管施工的准确性和安全性；2）根据需要进行调整和修正，确保顶管沿预定轨道推进。

⑤顶管到位和回填。包括以下三个步骤：1）当顶管推进至终点导向井位置后，进行顶管的定位和固定；2）进行必要的检查和测试，确保顶管的质量和完整性；3）在顶管完成后，进行回填作业，将施工现场恢复到原有的地面状态。

⑥验收和后期处理。包括以下三个步骤：1）进行顶管工程的验收，检查顶管的质量、功能和安全性；2）根据需要进行防腐、绝缘、保护层等后期处理工作；3）编制顶管施工记录和技术档案。

3 顶管施工主要危险因素

根据类比工程，结合本路涵施工实际情况，该工程施工对公路及其附属设施的影响主要表现为以下几个方面：①工程失败；②路面隆起、沉降和塌陷风险；③路基、路面崩裂风险；④泥浆污染；⑤物体打击与高处坠落风险；⑥施工用电风险；⑦施工作业活动引起的交通事故。

3.1 工程失败

顶管施工是一项复杂的工程，涉及多个环节和多种因素。工程失败可能由多种原因引起，如设计不合理、材料质量不过关、施工操作不当等。设计不合理可能导致管道承载能力不足，管道弯曲半径过小，使得管道在施工过程中无法顺利推进；材料质量不过关可能导致管道连接处漏水、漏气，从而影响管道的正常运行；施工操作不当可能导致管道断裂、连接失效，甚至引发事故。为防止工程失败，应在施工前进行全面的工程评估和设计优化，确保设计合理；选用优质的材料，并进行严格的质量控制；施工过程中严格按照操作规程进行，避免操作失误。

工程失败的主要后果表现为回拖失败、扩孔报废。其主要原因可能是：①钻机能力不够；②导向孔不符合要求；③预扩孔偏移量过大；④孔内泥屑堆积过多；⑤塌孔：管道进孔不顺畅；⑥设备故障；⑦泥浆含水量过大，引起孔壁亲水性土壤吸水，导致缩孔，当缩孔时强行开钻，可能发生卡钻甚至导致工程失败。

3.2 路面隆起、沉降和塌陷

顶管施工过程中，顶管推进会对路面产生一定的影响，可能引起路面隆起、沉降和塌陷。这些问题会导致道路不平整，影响交通安全和道路使用寿命。为减轻路面的影响，可以采取合适的措施，如设置合理的支撑和保护结构，控制施工推进速度，确保施工过程平稳进行。此外，施工后应及时进行路面恢复和维修，确保道路的平整和安全。

根据类比工程，其主要原因可能是出入土点距路基过近、地质较差或未进行沉降观测等，从而导致路基塌陷或破坏，路面结构层龟裂、反射裂缝甚至塌陷。一旦路面塌陷，将对公路及公路附属设施造成较大破坏，影响道路的交通安全。

3.3 路基、路面崩裂

顶管施工可能会对路基和路面造成影响，特别是在进行土方开挖时。如果施工控制不当，可能引起路基、路面的崩裂，导致道路破坏和交通事故。为降低崩裂风险，应在施工前进行地质勘察和工程设计，充分了解地质情况和地下管线布局，采取相应的支护和保护措施，确保施工过程中路基和路面的稳定和完整。路基、路面崩裂一般发生在涵洞施工周边。其主要原因可能是开挖点距路基过近、坑内泥屑堆积过多、局部塌孔等。

3.4 泥浆污染

顶管施工过程中常常使用泥浆作为润滑和冲洗介质，如果泥浆处理不当，可能导致泥浆污染地下水和土壤，影响环境和水质。为避免泥浆污染，应在施工前制定合理的泥浆处理方案，对泥浆进行分类和处理，确保其不会对环境造成污染。此外，在施工过程中要严格控制泥浆的使用和排放，减少对环境的影响。由于大口径管道的水平定向穿越泥浆使用量非常大，除出、入土点两端的泥浆池存储的泥浆需要处理之外，穿越沿程的冒浆、跑浆可能造成公路边沟、耕地、水域污染。

3.5 物体打击与起重伤害

在顶管施工过程中，顶管设备和材料可能会从高处坠落，或者施工人员被物体打击，导致人身伤害和安全事故。为防止此类事故，应在施工现场设置严格的安全措施，如搭建安全围护网、设置警示标识、佩戴安全帽和安全带等。同时，施工人员要接受专业的安全培训，提高安全意识，严格遵守安全操作规程。

模板工程及吊运作业时易引发物体打击的风险。模板工程施工过程中引发风险的主要原因有：①模板支撑系统无专项施工方案和计算书或未按方案要求进行安拆；②模板搬运及安装违章作业；③在拆模作业误操作；④安拆工人防护用品配备不齐全；⑤模板拆除后未及时对“四口、五临边”设置防护等。吊运作业引发风险的主要因素有：①作业人员无证上岗；②吊装机械操作不当；③机械作业半径内人员活动；④构件捆绑不牢固；⑤起重设备倾覆；⑥操作人员违反“十不吊”；⑦防护栏不全；⑧操作人员未按要求使用安全防护用品；⑨安装拆除未设警戒区、无专人指挥等。

3.6 施工用电风险

顶管施工中常常涉及大量电力设备，如果用电不规范或设备维护不当，可能引发电气事故和火灾。为防止电气风险，应使用符合安全标准的电气设备，确保设备正常运行；定期进行电气检测和维护，及时消除隐患；设置合适的电气防护措施，如漏电保护器、过载保护器等。

施工过程中易引发触电风险，主要原因有：①电线架设不规范；②电器设备不规范；③电线破损；④通电调试无人看护；⑤安装接线错误；⑥设备超负荷运行等。

3.7 施工作业活动引起的交通事故

顶管施工区域常常与交通道路交叉，施工活动可能引起交通事故，特别是在交通高峰期和施工区域能见度不好的情况下。为降低交通事故的风险，应在施工前制定详细的交通管理方案，合理安排交通流线和交通标识，确保施工区域的交通畅通和安全。同时，施工人员应接受交通安全培训，严格遵守交通规则，采取相应的交通安全措施，如设置警示标志、警示灯等，确保施工现场的交通安全。

该工程施工点紧邻高速公路，工程施工过程中，施工点的设备、材料进场、人员活动等有引发交通事故的可能，故要做好施工过程中的交通组织专项方案。

综上所述，顶管施工中的主要危险因素涵盖了工程失败、路面隆起、沉降和塌陷风险、路基、路面崩裂风险、泥浆污染、物体打击与高处坠落风险、施工用电风险、施工作业活动引起的交通事故等方面。为确保顶管施工安全顺利进行，应在施工前进行全面的风险评估和安全规划，采取相应的措施和控制措施，提高施工人员的安全意识和技能，严格遵守操作规程和安全标准。只有全面考虑和有效应对这些危险因素，才能确保顶管施工的安全性和可靠性，保障工程的顺利完成和成功运营。

4 Peck 法计算理论

穿越施工引起的地面沉降计算方法主要有经验法、解析法、数值分析法和现场测试法。经过长时间对隧道及穿越工程施工引起地表面沉降形状的研究和监测数据分析，Peck[6]于1969 年提出在不排水的状态下地铁施工所引起的地层损失，与地表沉降槽体体积大小应当是一致的，而且假定隧道所处的地层是均匀的连续介质，隧道施工所引起的地表沉降曲线，可以近似概率中的正态分布曲线，其地表沉降预计公式为：

式中：Sx为地面任一点的沉降量（m）；

Smax为地面沉降的最大值，即管道轴线上方的最大地面沉降量（m）；

x 为从沉降曲线中心到所计算点的距离（m）；

i 为地面沉降槽宽度系数（m）；

Vi为管道单位长度的土体损失量（m3/m），通常采用挖掘面面积的百分率来估算土体损失的大小，令η 为土体损失百分率，则vi=πr2η。

η=0.20%～3.01%[7]，取值根据管道所处层位的土体性质确定，自稳性差、易流失的土取大值。

i 的经验公式为：

经大量工程数据分析，采用经验公式求得[8]：

式中：H 为顶管埋置深度（m）；

r 为管道半径；

φ 为土的内摩擦角。

5 顶管施工引发路面沉降量计算

根据本工程岩土体特征，结合类比工程及室内实验，土层失土率η 取2.8%，内摩擦角φ 取18°。

由计算可知，管道轴线上方的最大地面沉降量为0.0086m，即8.6mm。根据规范规定“穿越施工造成的公路路面沉降量应小于或等于20mm”[9]，故本顶管施工穿越段引发的路面沉降满足要求。

6 结语

本文阐述了顶管施工工艺流程，分析了顶管施工过程中的主要风险，并提出了建议措施。以海南省某一体化项目为依托，应用peck 法经验公式计算了施工中引发的路面沉降量，计算结果显示路面总体沉降量为8.6mm，满足《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246：2008）要求。