城市新建道路工程既有地下管道保護(hù)方案研究

劉 俐

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司 市政工程設(shè)計院，上海市200041）

0 引言

城市用地規(guī)劃及地區(qū)控制性詳規(guī)等文件明確了城市市政設(shè)施用地范圍、走向和規(guī)模等，但在具體實(shí)施過程中，由于用地開發(fā)需求不同，財政計劃調(diào)整等，同地區(qū)的市政設(shè)施建設(shè)時序往往有較大差別。在周邊用地及市政道路、管線已經(jīng)建成的情況下，新建道路工程的實(shí)施往往容易受到地下既有構(gòu)筑物的限制，而市政管線是系統(tǒng)性工程，其遷移保護(hù)對周邊有較大影響，需市政管理部門協(xié)調(diào)，是工程實(shí)際中需要探討的重點(diǎn)。

相關(guān)研究表明，城市建設(shè)對地下管線的影響主要表現(xiàn)在受力和變形兩個方面，因此，實(shí)際工程中對管線的保護(hù)也是從這兩個方面采取相應(yīng)措施。常用管線保護(hù)措施有隔離法、懸吊或支撐法、對管線進(jìn)行加固處理（如鋼筋混凝土方包加固）、卸載保護(hù)法等等。在上海某道路改建項目中針對改建后人行道和非機(jī)動車道下管線的荷載變化情況，分別采用了超挖換填輕質(zhì)土和預(yù)制蓋板涵卸載的方式[1]。針對道路工程與地鐵線路重合的情況，結(jié)合地鐵保護(hù)區(qū)加卸載要求，比較了橋跨保護(hù)和路基換填方案，并分析了粉煤灰、EPS和泡沫輕質(zhì)土作為換填材料的優(yōu)劣，綜合施工工藝及地下管線施工維護(hù)便捷性等，最終選用泡沫輕質(zhì)土換填方案[2]。氣泡混合輕質(zhì)土（以下簡稱輕質(zhì)土）是土建工程領(lǐng)域近年開發(fā)的一種新型輕質(zhì)填土材料，主要特點(diǎn)是密度比一般土體小,強(qiáng)度和密度可以調(diào)整，便于施工,固化后可直立等。輕質(zhì)土在軟基處理、道路加寬、減荷換填、橋臺臺背（涵洞背）填土、滑坡地段填土、擋土墻背的填土、陡峭地段的垂直填土、隧道洞口及埋管的填土，以及解決道路凍脹翻漿等方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[3]。

綜合工程及研究實(shí)例可知，道路工程建設(shè)對既有地下管線的影響源自堆載條件的變化，為了減少工后荷載對管線的影響，通常采用護(hù)管橋涵或者輕質(zhì)材料換填的處理方式。

1 工程概況

本工程北起錦繡東路，南至龍東大道，跨越張家浜處新建橋梁一座。其中錦繡東路至張家浜為建成段，建成段范圍內(nèi)自北向南既有DN2400雨水管道，埋深8 m，DN300污水管道埋深約2 m，臨近張家浜處，管道斜穿接入道路東側(cè)現(xiàn)狀雨水泵站。工程終點(diǎn)接龍東大道交叉口處，現(xiàn)狀道路綠化帶下有東西向污水二期中線總管。

工程深化設(shè)計中，需要考慮兩處既有管線的遷移保護(hù)方案。

2 張家浜北側(cè)既有雨、污水管線遷移保護(hù)方案

由于現(xiàn)狀管線位于設(shè)計新建張家浜大橋下方如圖1所示，需同時考慮橋梁布跨及下部結(jié)構(gòu)布置的影響?？尚行匝芯侩A段，張家浜橋長設(shè)計330 m，北側(cè)橋頭填土高2.5 m，在此基礎(chǔ)上下述三個方案主要討論對雨水管道遷排、保護(hù)措施的比較，污水管道均考慮遷排處理。

圖1 張家浜北側(cè)現(xiàn)狀管道與新建張家浜橋橋位示意圖

2.1 方案一：管道遷排

橋跨維持可行性研究方案，根據(jù)現(xiàn)狀管線物探及竣工圖資料，需遷排雨水管230 m，污水管110 m，并廢棄兩處現(xiàn)狀工作井。

本段現(xiàn)狀雨水管道施工為頂管，共3個井，含兩座接收井、一座頂管井。為保證遷排期間雨水管道正常運(yùn)行，避免大面積影響排水安全，在兩處接收井分別進(jìn)行工法圍護(hù)（騎馬井），在道路東側(cè)輔道上設(shè)計一座頂管井分別頂至騎馬井，在騎馬井內(nèi)采用管道鋪設(shè)至現(xiàn)狀雨水檢查井，在與現(xiàn)狀雨水檢查井接通時，啟動泵站，抽空管道內(nèi)雨水，保證工程的安全性。對現(xiàn)狀廢除管段進(jìn)行封堵，并填埋現(xiàn)狀檢查井。

現(xiàn)狀污水管局部與設(shè)計橋梁樁位存在沖突，因管線埋設(shè)淺管徑較小，搬遷比較容易，對與橋梁沖突管線進(jìn)行搬遷處理。

2.2 方案二：雨水管道保留，增加橋跨

如圖2所示，為對φ2 400雨水管作出有效保護(hù)，在工可方案基礎(chǔ)上作出調(diào)整，盡可能通過橋梁跨越的方式保護(hù)雨水管，相關(guān)橋梁墩臺采用預(yù)應(yīng)力形式，橋長370 m，北側(cè)橋頭臺后填土高度約1.3 m。

圖2 方案二橋跨布置與管道處理方案示意圖

2.3 方案三：雨水管道保留，橋梁臺后路基換填

工可方案北側(cè)0號橋臺位于斜穿管道上方，橋臺樁基間距過大不利于工程施工，橋臺調(diào)整為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)則需加大承臺寬度，會造成現(xiàn)狀雨水工作井廢棄，如圖3所示。此方案需北側(cè)橋頭減少一跨，即橋長310 m，臺后填土高3 m，為減少橋臺后高填土對DN2 400雨水管道影響并減少臺后沉降，對臺后路基采用泡沫混凝土輕質(zhì)材料換填。臺后接坡段采用懸臂式擋土墻，跨越雨水DN2 400管道的擋土墻采用鉆孔灌注樁。

圖3 方案三橋跨布置與臺后輕質(zhì)換填示意圖

根據(jù)現(xiàn)狀覆土荷載，考慮一定的地面反開挖量，張家浜橋北側(cè)橋臺后K0+410～K0+500段范圍內(nèi)采用泡沫輕質(zhì)土換填，以減少永久荷載作用的不均勻性，減少差異沉降，最大下挖深度1.5 m。下挖到路床頂部設(shè)置一層防滲土工膜，其下鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，并在泡沫輕質(zhì)土填筑頂部0.5 m的位置再設(shè)置一層金屬網(wǎng)。經(jīng)計算進(jìn)行換填體積約5 900 m3，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 張家浜橋北側(cè)橋頭臺后泡沫輕質(zhì)土換填計算表

2.4 工程方案比選

方案一最大的優(yōu)勢是管道遷排后，道路及橋梁均可采用常規(guī)的設(shè)計方案及成熟的施工方法，但是其造價最高，且管線遷排協(xié)調(diào)難度大、周期長，對項目工期整體影響最大。

方案二采用增加橋跨的方式，雖然橋梁結(jié)構(gòu)形式及跨徑組合較多，一定程度上提高施工難度及復(fù)雜性，但對現(xiàn)狀管線附加荷載的影響最小，且造價較為適中。

方案三工程造價最低，工期最短，但泡沫輕質(zhì)土換填范圍大，最大換填深度4.25 m，需反向開挖，雨水管道相對現(xiàn)狀卸載土柱2.2 m，施工期內(nèi)需要分段開挖施工，必要時設(shè)置臨時堆載平衡，管道卸載期間易出現(xiàn)問題。路基完成換填后，路面鋪筑和壓實(shí)機(jī)械屬施工臨時荷載，需避免長時間?？吭贒N2 400雨水管道上方投影區(qū)內(nèi)。

綜合工程實(shí)施可行性及工程造價，考慮工期、施工難度和可控性，經(jīng)相關(guān)市政管理單位及專家評議，最終采取方案二作為工程實(shí)施方案。

3 污水二期中線總管保護(hù)方案

本工程涉及的污水治理二期中線總管合流污水箱涵在龍東大道交叉口，沿龍東大道北側(cè)綠化帶鋪設(shè)，根據(jù)物探及竣工圖資料，箱涵斷面尺寸為6.65 m（寬）×3.5 m（高），箱涵底標(biāo)高為-1.35 m，箱涵頂標(biāo)高約為2.15 m。

針對管理方對管道上方荷載不變的要求，并考慮市政管線布設(shè)需求，提出以下兩種可行方案。

3.1 方案一：全部輕質(zhì)材料換填

設(shè)計時參考項目周邊道路工程在涉及到污水管涵時采取的方案。

采用等量替換計算的方法來對合流污水箱涵范圍內(nèi)道路附加荷載進(jìn)行驗(yàn)算，合流污水箱涵頂設(shè)計恒載及車輛活載總和與現(xiàn)狀合流污水箱涵頂面覆土壓力基本一致。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[4]4.3.4的第二條，“計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布。當(dāng)幾個車輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時，擴(kuò)散面積以最外邊的擴(kuò)散線為準(zhǔn)”。

根據(jù)物探資料，合流污水管埋深約2.1 m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高4.232 m，箱涵頂標(biāo)高約為2.15 m。根據(jù)道路縱斷面設(shè)計，設(shè)計高程約4.322 m，道路建成后，箱涵埋深約2.17 m。

考慮后軸多軸雙輪組影響，最大附加荷載按4輪疊加考慮。

汽車荷載擴(kuò)散至污水總管頂，橫橋向的分布寬度：

縱橋向的分布寬度：

汽車荷載在污水管頂?shù)母郊雍奢d：140 kN×4/（8 m×4.106 m）=17.048 kN/m2

換填后管頂土柱壓力計算及對比見表2。

因此換填1.65 m輕質(zhì)混凝土滿足要求，換填寬度為污水管兩側(cè)各：2.17×tan30°=1.25 m，所需換填寬度為6.65+1.25×2=9.15 m。

換填路面結(jié)構(gòu)基層考慮采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步擴(kuò)散汽車荷載。

換填路面結(jié)構(gòu)具體為：12 cm瀝青混凝土面層+30 cm鋼筋混凝土基層+165 cm泡沫混凝土+10 cm級配碎石。

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上述計算結(jié)果按照規(guī)范要求考慮最不利情況，但道路建成投入使用后，此極限情況出現(xiàn)概率較小，常規(guī)車輛軸重達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)軸重值即140 kN。因此，按規(guī)范要求車輛標(biāo)準(zhǔn)軸重值進(jìn)行換填計算，大多數(shù)情況下，箱涵處于卸載狀態(tài)，而在無任何車輛通過情況下，箱涵上方相對現(xiàn)狀最大卸載約90 cm覆土壓力。

為避免箱涵上方荷載大幅度變化，考慮對汽車附加荷載進(jìn)行合理折減，按取值10 kN/m2，計算輕質(zhì)材料換填所需高度，見表3。

?

參考常規(guī)車輛軸重參數(shù)值，汽車附加荷載取值10 kN/m2可以包含大多數(shù)情況下汽車通過時產(chǎn)生的活載，而此方案中泡沫混凝土換填高度為1.15 m，施工時可以保留箱涵上方30 cm原狀土，減少換填高度即土層開挖厚度。此工況下，無汽車通過時，卸載約50 cm覆土重；而最不利情況下，箱涵上方加載約40 cm覆土重。

3.2 方案二：護(hù)管橋加局部輕質(zhì)換填

考慮到人行道及非機(jī)動車道下管線布設(shè)要求，在跨越既有污水二期總管的機(jī)動車道范圍內(nèi)設(shè)置一座護(hù)管橋，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)制剛接空心板梁結(jié)構(gòu)，橋臺采用樁柱埋置式橋臺，樁基采用直徑φ800 mm鉆孔灌注樁，保證箱涵凈距要求，橋面下方采用鋼砂混凝土置換原土重,如圖4所示。

圖4 污水二期箱涵護(hù)管橋立面示意圖

人行道和非機(jī)動車道范圍內(nèi)采用路基形式，多于現(xiàn)狀荷載的進(jìn)行局部泡沫輕質(zhì)土換填，實(shí)現(xiàn)污水箱涵頂?shù)容d。

3.3 污水二期保護(hù)方案比選

方案一施工較為迅速且養(yǎng)護(hù)相對方便，污水二期箱涵埋深較淺，考慮到車輛荷載的土壓力影響，采用輕質(zhì)材料置換土體的方式在實(shí)際使用中無法達(dá)到理想的等荷載換填。

方案二采用護(hù)管橋涵的方式對管道進(jìn)行保護(hù)，路面上方相關(guān)荷載通過橋臺傳到橋基，對現(xiàn)狀箱涵不增加荷載，但由于埋深有限，遠(yuǎn)期養(yǎng)護(hù)存在一定難度。

綜合兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)、適用性及專家意見，最終選取護(hù)管橋方案對污水二期箱涵進(jìn)行保護(hù)。

4 結(jié)語

本文結(jié)合工程實(shí)際探討對新建道路下方既有管道的保護(hù)方案，盡量降低荷載變化對管道的影響。

在覆土增加的情況下，進(jìn)行輕質(zhì)材料換填是工程中常用的處理方式之一，其中泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用廣泛。但在管道埋深較淺的情況下，需要考慮汽車荷載的作用。綜合管理部門意見，對于機(jī)動車道下的重要干管傾向于采用護(hù)管橋涵的方式做保護(hù)。此外，施工過程中要格外注意卸載對既有管道的影響，注意施工時序，保障施工期間管道使用安全。