一種頂管穿越公路的安全性評(píng)價(jià)方法研究

路 平

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

西氣東輸一線工程把新疆自治區(qū)的天然氣輸送到東南沿海，是中國(guó)能源大動(dòng)脈之一。

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，多處建筑物占?jí)涸谖鳉鈻|輸管道上方，形成了高后果區(qū)。為了消除隱患，支持地方城市建設(shè)，中石油和地方政府共同出資，對(duì)占?jí)憾喂艿肋M(jìn)行改線。

西氣東輸管道改線工程PXBG002～PXBG003段在臨汾市境內(nèi)穿越S329省道。穿越處省道樁號(hào)里程為K71+062，雙向兩車道，無中央分隔帶。

天然輸氣管道頂管穿越公路時(shí)，應(yīng)依據(jù)公路工程行業(yè)規(guī)范和部門規(guī)章［1］，對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行安全性分析和評(píng)價(jià):1)公路工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范符合性檢查;2)鋼筋混凝土套管結(jié)構(gòu)的安全性分析評(píng)價(jià);3)頂推穿越施工對(duì)所穿越公路安全運(yùn)營(yíng)的分析評(píng)價(jià)。

1 公路工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范符合性檢查

頂管穿越公路時(shí)須結(jié)合設(shè)計(jì)文件，從建筑限界、管道埋深、交叉角度、與公路的安全距離等方面，進(jìn)行公路工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范符合性檢查。

1.1 公路建筑限界要求

JTG D20—2017公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:建筑限界內(nèi)嚴(yán)禁侵入任何障礙物［2］。因此頂管穿越的任何臨時(shí)和永久設(shè)施嚴(yán)禁侵入公路建筑限界。施工操作坑和接收坑應(yīng)布置在公路用地范圍和路基應(yīng)力擴(kuò)散范圍外。

1.2 管道埋深要求

為了避免車輛沖擊荷載和自然環(huán)境對(duì)輸氣管道、混凝土保護(hù)套管的破壞，JTG D20—2017公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:穿越公路的保護(hù)套管頂面距公路底基層的底面應(yīng)大于1.0 m［3］。

1.3 交叉角度要求

為了以最短路徑穿越公路，盡量減少對(duì)公路路基的損壞，輸氣管道的保護(hù)套管與公路宜采用大角度交叉。JTG D20—2017公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:公路與原油、天然氣輸送管道相交，以垂直相交為宜。必須斜交時(shí)，交叉角度宜不小于60°［4］。

1.4 輸氣管道與公路的安全距離

為了防止燃?xì)庑孤┮鸨?、火?zāi)事故以及次生交通事故的發(fā)生，輸氣管道須避讓公路一定距離。

交通部規(guī)定:天然氣管道中心線與公路用地范圍邊線的安全距離為20 m。

JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范規(guī)定:天然氣輸送管道離開特大、大、中橋應(yīng)大于100 m，離開小橋應(yīng)大于50 m。

2 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)JTG/TD65—04—2007公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則第9.3.1條規(guī)定:混凝土圓管涵的設(shè)計(jì)可僅考慮車輛荷載、圓管涵自重和填土產(chǎn)生的等效荷載的作用組合。因此鋼筋混凝土套管的安全性評(píng)價(jià)不考慮管壁環(huán)向壓力和徑向剪力，僅考慮彎矩作用。

2.1 恒載計(jì)算

恒載由圓管涵自重M恒1和填土產(chǎn)生的等效荷載M恒2兩部分構(gòu)成。根據(jù)JTG/T D65—04—2007公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則第9.3.1條，M恒1，M恒2按下式計(jì)算:

即恒載在截面上的彎矩作用效應(yīng)M恒為:

式中:q管——套管自重產(chǎn)生的等效荷載垂直壓力;

q土——上覆填土產(chǎn)生的等效荷載垂直壓力;

R——圓管涵管壁內(nèi)外徑的平均半徑;

λ——側(cè)壓力系數(shù)，λ =tan2(45°－/2);

——土的內(nèi)摩擦角，取 =35°。

2.2 活載計(jì)算

根據(jù)JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，第4.3.1條和第4.3.2條規(guī)定，活載計(jì)算采用車輛荷載，填料厚度(包括路面厚度)不小于0.5 m的拱橋、涵洞以及重力式墩臺(tái)不計(jì)沖擊力。

依據(jù)JTG/T D65—04—2007公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則第9.2.3條、JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范第4.3條和應(yīng)力擴(kuò)散原理，可得活荷載分布長(zhǎng)度a和寬度b，如圖1，圖2所示。其中應(yīng)力擴(kuò)散角為30°。

圖1 計(jì)算荷載分布長(zhǎng)度a

由圖1可知:

圖2 計(jì)算荷載分布寬度b

由圖2可知:

式中:q汽——車輛荷載產(chǎn)生的等效荷載垂直壓力;

h——路面至混凝土套管頂?shù)木嚯x。

車輛荷載在截面上的彎矩作用效應(yīng)M活可按下式計(jì)算:

式中:R——圓管涵管壁內(nèi)外徑的平均半徑;

λ——側(cè)壓力系數(shù)，λ =tan2(45°－/2);

——土的內(nèi)摩擦角，取 =35°。

2.3 鋼筋混凝土套管結(jié)構(gòu)的安全性分析

計(jì)算出恒載M恒和活載M活后，按JTG/T D65—04—2007公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則第9.3.1-4條規(guī)定對(duì)鋼筋混凝土套管進(jìn)行縱截面的承載能力和裂縫寬度的驗(yàn)算［8］:

式中:Mu——鋼筋混凝土套管的正截面抗彎承載力;

Md——彎矩組合設(shè)計(jì)值;

γ0——按安全等級(jí)三級(jí)考慮，取 γ0=0.9;

Wtk——最大裂縫寬度，裂縫限值按鋼筋混凝土構(gòu)件二類環(huán)境取0.20 mm。

3 對(duì)所穿越公路安全運(yùn)營(yíng)的分析評(píng)價(jià)

頂管施工工藝具有以下特點(diǎn):1)路下頂管施工的同時(shí)可以保證路上交通暢通;2)操作坑、接收坑的開挖工作在公路用地范圍外作業(yè)，采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施后不影響公路和構(gòu)筑物的安全和功能;3)較其他工法，具有挖方量少、工期短、造價(jià)低的特點(diǎn);4)較其他工法，受天氣影響因素較小、施工場(chǎng)地小、施工簡(jiǎn)單易行;5)適用于公路、市政等不宜放坡開挖溝槽的管道施工。頂管法穿越公路能保證公路的安全運(yùn)營(yíng)。

4 頂管穿越采取的應(yīng)對(duì)措施

1)為了減小路基沉降，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況選擇相適應(yīng)的頂管機(jī)頭。管道的接頭應(yīng)采用鋼襯頭連接，確保接口處于剛性連接，保證管道的平順性。2)施工頂進(jìn)時(shí)應(yīng)采取“少挖勤頂”的方式，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，控制挖土進(jìn)尺與頂進(jìn)速率，隨挖隨頂，在頂進(jìn)施工期間應(yīng)堅(jiān)持不間斷施工，避免造成塌方。施工過程中應(yīng)嚴(yán)禁超挖，以免造成路基下沉而引起路面開裂。3)在頂進(jìn)過程中，在軸線上方每隔3 m布設(shè)一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，管道頂進(jìn)中保證安排專人持續(xù)監(jiān)測(cè)路面變化，確保路基和土體穩(wěn)定。