頂管下穿高速公路安全性分析

趙辰 章靜

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430070）

一、概述

隨著交通和市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)了排水管線、天然氣管線、石油管道等必須下穿高速公路的情況。在充分考量道路暢通要求以及工程經(jīng)濟(jì)效益的前提下得出，明挖法不適用此類管線的溝槽開挖，而頂管法作為一種非明挖性技術(shù)，具有施工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小的特點(diǎn)，可廣泛使用。但頂管法施工仍不可避免對(duì)周邊環(huán)境造成擾動(dòng)，引起管周地層出現(xiàn)擠壓、卸荷，進(jìn)而影響公路路基，致使地表發(fā)生隆沉現(xiàn)象。為保證高速公路自身及行車安全，有必要通過計(jì)算分析頂管下穿施工對(duì)高速公路的影響。

對(duì)此，本文結(jié)合武湖污水處理廠污水管道下穿武英高速的頂管工程，采用MIDAS GTS有限元軟件對(duì)頂管下穿武英高速的交叉部位進(jìn)行三維數(shù)值建模，以分析在交叉段落范圍內(nèi)頂管施工對(duì)高速公路安全的影響。

二、工程概況

武湖污水處理廠配套管網(wǎng)工程下穿武英高速的管線W74～W76設(shè)計(jì)里程為橫陽大道K4+040～K4+220，采用頂管法施工，管長(zhǎng)172m，其中下穿武英高速段長(zhǎng)約98m，采用D1800F型加強(qiáng)Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土套管，管壁厚度為240mm，F(xiàn)型外鋼套環(huán)形橡膠圈接頭。管線下穿處高速公路的里程為K756+053。本管線段在高速公路外側(cè)的埋深約7m，頂管頂部與武英高速路面的垂直距離約9.2m。本工程場(chǎng)地為長(zhǎng)江三級(jí)階地，基巖面埋深約17m，頂管穿越土層主要為黏土層。場(chǎng)地地下水層滯水水位在自然地面下0.50～3.50m左右，對(duì)應(yīng)標(biāo)高為18.95～23.97m，水位變化幅度為5.02m。

下穿武英高速段的頂管始發(fā)井W74位于高速公路西側(cè)，采用方形沉井，混凝土等級(jí)為C30，沉井內(nèi)凈空尺寸為6m×4m，高H=6.35m，壁厚B=0.7m，分層下沉，直至沉井沉到設(shè)計(jì)高程后，再依次進(jìn)行封底混凝土及底板的施工。

下穿武英高速段頂管接收井采用方形接收井W76，混凝土等級(jí)為C30，平面尺寸為4m×4m，高H=6.75m，壁厚B=0.55m，分層下沉，直至沉井沉到設(shè)計(jì)高程后，再依次進(jìn)行封底混凝土及底板的施工。

三、下穿武英高速的變形計(jì)算

（一）武英高速變形控制標(biāo)準(zhǔn)

擬建項(xiàng)目頂管下穿武英高速路基段，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015），公路路基施工后沉降應(yīng)符合表1的要求。

表1.公路路基容許工后沉降

同時(shí)，參考《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50911-2013）第9.3.4條，城市軌道交通工程鄰近高速公路和城市道路時(shí)，路基沉降的控制值可按表2確定。

表2.路基沉降控制值

參照上述規(guī)范，確定有項(xiàng)目頂管下穿導(dǎo)致的武英高速路基的隆沉控制值為：累計(jì)隆沉控制值為20mm、變化速率為2mm/d。

（二）計(jì)算模型的建立

1.幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)擬建項(xiàng)目與武英高速的相互位置關(guān)系、地勘資料等，利用Midas GTS軟件建立頂管下穿武英高速段三維數(shù)值計(jì)算模型。本計(jì)算模型真實(shí)考慮土層、頂管、現(xiàn)狀公路路基的三維實(shí)際尺寸和形狀，并考慮頂管施工的時(shí)間、空間效應(yīng)，模型總長(zhǎng)為260m，寬為68.6m，高為40m，所建立的模型如圖1、圖2所示。

圖1.整體數(shù)值計(jì)算模型

圖2.頂管結(jié)構(gòu)及高速公路路基的計(jì)算模型

2.材料參數(shù)設(shè)置

由于摩爾-庫倫本構(gòu)土體只有單一剛度，不能處理土體卸荷的特性，而修正摩爾-庫倫本構(gòu)考慮了土體彈性卸載/再加載時(shí)的彈性模量，從而能較好地解決摩爾-庫倫本構(gòu)下地面隆起變形和管道底部土體隆起偏大的情況。本文計(jì)算模型中，土體均采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土體參數(shù)參照地勘資料建議值并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)選取，頂管結(jié)構(gòu)的混凝土等級(jí)均為C30，計(jì)算采用線彈性本構(gòu)模型。

表3.土層材料主要參數(shù)表

3.荷載和邊界條件設(shè)置

本文數(shù)值模型計(jì)算過程中，約束模型底部的豎向、水平位移，約束模型側(cè)邊的法向位移。

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）第7.0.3條，高速公路的汽車荷載可取公路-I級(jí)，車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.5kPa。本工程從安全角度出發(fā)，將高速公路車道荷載值定為20kPa。

4.分析步設(shè)置

為較準(zhǔn)確地模擬頂管施工對(duì)高速公路的影響，并考慮各工況的增量累計(jì)效應(yīng)，本數(shù)值模型分析步設(shè)置如下：

（1）初始地應(yīng)力平衡；

（2）始發(fā)井、接收井沉井施工（下沉沉井單元，移除井內(nèi)土體）；

（3）頂管頂進(jìn)施工（本分析步分若干個(gè)子分析步完成，每次完成兩環(huán)管節(jié)的頂進(jìn)模擬，每?jī)森h(huán)管節(jié)施工模擬過程為：管節(jié)范圍對(duì)應(yīng)的土體單元地應(yīng)力釋放50%；激活管節(jié)結(jié)構(gòu)單元；管節(jié)范圍對(duì)應(yīng)的土體單元地應(yīng)力釋放100%）。

（三）計(jì)算結(jié)果

1.地層變形結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取始發(fā)井和接收井開挖完成后、頂管頂進(jìn)至高速公路西側(cè)路堤坡腳、頂進(jìn)至高速公路路堤正下方、頂進(jìn)至高速公路東側(cè)路堤坡腳以及頂進(jìn)至接收井，5個(gè)施工步下的地層豎向變形云圖，結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖3.始發(fā)井和接收井開挖完成后地層豎向變形云圖（單位：m）

圖4.頂管頂進(jìn)至西側(cè)路堤坡腳處地層豎向變形云圖（單位：m）

圖5.頂管頂進(jìn)至路堤正下方處地層豎向變形云圖（單位：m）

圖6.頂管頂進(jìn)至東側(cè)路堤坡腳處地層豎向變形云圖（單位：m）

圖7.頂管頂進(jìn)至接收井處地層豎向變形云圖（單位：m）

由上圖可知，本頂管工程施工對(duì)地層變形的主要影響為頂管工作井底的土體隆起，最大隆起量約為3.5mm。頂管頂進(jìn)施工對(duì)地層的變形影響較小，地面變形主要為頂管正上方的微小沉降。頂管頂進(jìn)至路堤西側(cè)坡腳時(shí)，道路路面的沉降約為0.06mm，變形可忽略；頂管頂進(jìn)至路堤正下方時(shí)，最大變形主要表現(xiàn)為道路中央偏西側(cè)頂管正上方路面的沉降，最大沉降量為1.17mm；頂管繼續(xù)頂進(jìn)至路堤?hào)|側(cè)坡腳處，道路路面最大沉降量增至1.22mm，最大沉降位于道路中央處，道路西側(cè)路面的沉降基本保持不變；隨著頂管的繼續(xù)頂進(jìn)，道路路面最大沉降量略有增加，直至頂至接收井處，道路路面最大沉降量穩(wěn)定在1.24mm。

2.計(jì)算結(jié)果分析

各施工步下高速公路路面的沉降計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4.不同施工步下高速公路路面沉降匯總表

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，頂管下穿高速公路導(dǎo)致的路面沉降量較小，最大沉降量為1.24mm（小于20mm），位于道路中央，且變化速率小于2mm/d，滿足擬定的高速公路安全運(yùn)行變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)語

本工程擬建給水管道下穿武英高速路基段，采用頂管法施工，管線走向與高速公路夾角幾近垂直，管線與武英高速路面的垂直距離為9.4m（大于8.0m），距地表埋深為4.5m（大于4m）。管線均采用地下敷設(shè)，滿足出入土點(diǎn)與路堤距離大于10m的要求。管線線型滿足相關(guān)規(guī)范及相關(guān)法律法規(guī)的要求。

本工程管線采用頂管法下穿高速公路，頂管W74始發(fā)井和W76接收井距高速公路路堤腳的距離分別為21m、93m，且本段高速公路線型為直線，頂管施工對(duì)高速公路視距、高速公路行車限界無影響。

本工程采用頂管法下穿高速公路，經(jīng)計(jì)算，頂管施工導(dǎo)致的高速公路路面結(jié)構(gòu)沉降最大為1.24mm，滿足正常運(yùn)行的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，施工期間無需占道，對(duì)高速公路交通影響較小，滿足相關(guān)法律法規(guī)及行業(yè)規(guī)范的要求。在頂管施工過程中，高速公路的安全性能夠得到保證。

在頂管頂進(jìn)施工完成后，建議采用水泥漿置換管壁外側(cè)的觸變泥漿套，以減少高速路基的后期沉降量。同時(shí)，加強(qiáng)施工期間武英高速的沉降監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注沉降發(fā)展趨勢(shì)，做到信息化施工。