輸水管道頂管穿越公路施工對既有公路的安全影響分析

司德嶸 甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司工程師

引洮工程是解決甘肅省中部地區(qū)居民生產(chǎn)生活用水的重大工程，其輸水管道與既有公路的交叉現(xiàn)象非常頻繁，在局部地區(qū)甚至出現(xiàn)反復(fù)交叉現(xiàn)象。輸水管道與既有公路交叉，一般宜采用頂管方式從公路路基下方穿越，一旦穿越方案不合理或施工不當，容易造成路基失穩(wěn)、路面沉降，進而引發(fā)交通事故，給既有公路的結(jié)構(gòu)安全和運營安全帶來了安全隱患。因此，正確識別與分析頂管穿越施工的安全影響因素、減小頂管穿越施工對既有公路及其附屬設(shè)施的安全影響以及提出合理化的改進建議顯得尤為重要。

1 概述

1.1 工程概況

引洮二期骨干工程靜寧輸水渠延長段全長8 654.5 m，可分為兩段輸水線路。其中，直供靜寧縣城調(diào)蓄水池壓力的管線長度6 822.5 m，入池流量為0.95 m3/s；直供李家店水廠壓力管線長度為1 832 m，流量0.77 m3/s。G566 線路基寬度8.5 m，二級公路技術(shù)標準，設(shè)計速度60 km/h。引洮工程靜寧輸水渠延長段壓力管線穿越G566線K71+000 處，屬于直供靜寧縣城調(diào)蓄水池壓力管線段，采用頂管穿越公路路基，套管規(guī)格為DN1 000×100 mm Ⅲ級鋼筋混凝土管，穿越公路斷面如圖1 所示。穿越處套管頂部距路面2.32 m，管道與G566線交叉角度90°，設(shè)計使用年限50 年。穿越處G566 線管道中心線高程1 667.68 m，公路路面高程為1 670.4 m，涉路套管長度為18.5 m，頂管工作井、接收井設(shè)置在公路用地范圍外。

圖1 穿越公路斷面圖

1.2 主要施工方法

1.2.1 設(shè)置頂管工作井、接收井

頂管工作井、接收井各設(shè)置1 個，尺寸為6.0 m×5.0 m×4.0 m，土方開挖采用機械與人工配合。工作井、接收井坑壁為鋼板樁，封底為200 mm 厚的C20 混凝土，鋼筋砼后背梁為5.0 m×3.0 m×0.6 m，配雙層HRB335 鋼筋。鋼筋直徑為18 mm，間距為200 mm。

1.2.2 設(shè)備安全就位

軌道安裝是頂管施工中的關(guān)鍵步驟之一，安裝時應(yīng)保證軌道中心線和管道中心線的水平投影在一條直線上，并固定在工作井、接收井底部，確保頂管施工過程中方向不會發(fā)生偏移。

1.2.3 頂進作業(yè)

軌道和頂管設(shè)備安裝完畢并調(diào)試合格后，即可著手頂進作業(yè)。首先進行頂管前端人工開挖，大概開挖0.5 m，其次進行第一節(jié)管道安裝，確保管道固定牢固，并受力均勻，最后開始頂管施工作業(yè)。頂進作業(yè)應(yīng)配合人工開挖進行，采用邊挖邊頂、隨挖隨頂?shù)姆绞竭M行。此外，頂進過程中應(yīng)加強路面監(jiān)測，時刻關(guān)注路面變形和裂縫情況，一旦超限，立即預(yù)警并采取有效補救措施。

1.2.4 頂進過程中的三漿使用

一是觸變泥漿，主要為頂進作業(yè)減小套管和周圍土體間的摩擦阻力。套管頂進與注漿同時進行，保障頂進作業(yè)順利進行。二是土壤固化漿，由于本頂管穿越土層為礫石層，為使頂管正常掘進，土體要具有良好的塑流性，因此礫石層中須注入土壤固化漿，以滿足土體塑流化的要求。三是水泥漿，主要用來填充管道與周圍土體的空隙，保證管道與周圍土體成為整體，對防止路面沉降和提高作業(yè)區(qū)土體結(jié)構(gòu)的密實性起著至關(guān)重要的作用。

2 頂管穿越施工技術(shù)要求及響應(yīng)

為減小頂管穿越施工對既有公路及其附屬設(shè)施的影響，相關(guān)公路規(guī)范規(guī)定，頂管穿越施工應(yīng)在建筑限界、交叉角度、耐久性標識、套管覆土深度、施工要求、禁止行為、交通組織以及應(yīng)急預(yù)案等方面滿足規(guī)范要求。

2.1 建筑限界

管道不得侵入公路建筑限界、妨害公路交通安全和人員安全、損害公路的構(gòu)造和設(shè)施[1]。引洮工程輸水管道頂管穿越G566線，但未侵入G566 線公路建筑限界，因此不影響G566 線車輛和人員的正常通行，對公路及其附屬設(shè)施的安全影響較小。

2.2 交叉角度

管線穿越公路時宜采用正交。必須斜交時，其交叉的銳角應(yīng)大于30°[2]。引洮工程輸水管道與G566 線的交叉角度為90°。

2.3 耐久性標識設(shè)置

管線穿越公路應(yīng)在公路兩側(cè)設(shè)置耐久性標識。經(jīng)核查，頂管作業(yè)完成后，引洮工程輸水管道頂管已在G566 線兩側(cè)的地面上設(shè)置耐久性標識，標識牌采用混凝土基礎(chǔ)，立在供水管線中心公路用地最外沿的交點處。

2.4 套管覆土深度

管線穿越公路時，應(yīng)設(shè)置地下通道（涵）或保護套管，通道或套管應(yīng)按相應(yīng)公路等級的汽車荷載等級進行驗算，套管頂面距路面底基層的底面應(yīng)不＜1.00 m[3]。經(jīng)核查，引洮工程輸水管道頂管穿越G566 線，已設(shè)置保護套管，覆土深度為2.32 m，G566 線路面層厚度約為0.63 m，保護套管其頂面距路面底基層的底面高度＞1.69 m，并按既有公路的車輛荷載等級進行驗算。

2.5 施工要求

施工前，應(yīng)根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件核查地下構(gòu)造物的埋設(shè)位置及走向，并采取相應(yīng)的保護措施。頂管穿越施工時應(yīng)對路面沉降進行觀測，沉降量不應(yīng)超過20 mm，當沉降量達到限值的70%時，應(yīng)及時預(yù)警并啟動應(yīng)急預(yù)案。頂管工作井、接收井應(yīng)設(shè)置在公路用地范圍外，開挖深度較大時應(yīng)采取安全可靠的支護措施，確保公路路基穩(wěn)定性。施工時應(yīng)保持既有公路排水系統(tǒng)的通暢，若需臨時占用既有排水設(shè)施，施工完畢后則應(yīng)及時恢復(fù)原貌[4]。

經(jīng)核查，項目作業(yè)區(qū)域無管道、電纜等地下構(gòu)造物，施工方案中已包括路面沉降監(jiān)測措施和發(fā)生路面沉降和路面裂縫時的應(yīng)急措施，且頂管工作井、接收井距離公路土路肩邊緣的凈距＞5.0 m，均位于在公路用地范圍外。此外，頂管穿越施工作業(yè)對既有公路排水影響極小。

2.6 禁止行為及管道介質(zhì)要求

嚴禁易燃、易爆、高壓等管線設(shè)施利用或通過公路橋梁。經(jīng)核查，輸水管道不屬于易燃、易爆、高壓等管線設(shè)施，且未利用或通過公路橋梁地段，而采用頂管方式穿越G566 線路基。

2.7 交通組織

施工作業(yè)前，應(yīng)制定合理的施工區(qū)交通組織方案，制定繞行方案或設(shè)置臨時便道，盡量減小對既有公路車輛通行的影響。經(jīng)核查，采用頂管方式穿越G566 線路基，不影響G566 線的正常通行，但應(yīng)在施工區(qū)兩側(cè)設(shè)置施工告示牌，提醒過往車輛減速慢行，必要時可設(shè)置臨時限載措施。

2.8 應(yīng)急預(yù)案

應(yīng)制定施工區(qū)專項應(yīng)急方案，保證發(fā)生施工險情或意外事故時能及時響應(yīng)、及時救援，最大限度減小財產(chǎn)損失，避免人員傷亡，并能及時恢復(fù)施工作業(yè)。經(jīng)核查，采用頂管方式穿越G566 線路基，施工單位根據(jù)施工區(qū)域的特點制定了詳盡的應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急預(yù)案組織體系科學(xué)合理，危險源識別比較全面，應(yīng)急措施較為得當。同時，施工過程中還應(yīng)加強培訓(xùn)和應(yīng)急演練，確保應(yīng)急預(yù)案的有效性[5]。

綜上，引洮工程輸水管道頂管穿越G566 線方案符合現(xiàn)行相關(guān)標準規(guī)規(guī)定，能夠保證穿越施工期間G566 線的質(zhì)量和安全。此外，項目建成后不會對G566 線的日常養(yǎng)護工作造成妨礙，穿越方案對公路質(zhì)量和安全的影響處于可控范圍。

3 輸水管道頂管穿越既有公路施工的安全影響因素分析

3.1 基坑穩(wěn)定性對既有公路路基穩(wěn)定性的影響

工作井、接收井基坑雖位于公路用地范圍外，但與公路邊坡較近且基坑較深，因此在開挖基坑時，若不及時對坑壁進行防護或加固處理，有可能造成坑壁失穩(wěn)，并引起既有公路邊坡失穩(wěn)、排水溝損壞，影響既有公路路基的穩(wěn)定性[6]。

3.2 開挖層開挖應(yīng)力釋放對路面沉降的影響

管道穿越已固結(jié)完成的公路地基，頂管施工的擾動作用將會導(dǎo)致附近區(qū)域土體松動，造成周圍土體的局部應(yīng)力釋放，在車輛荷載作用下會引發(fā)路基變形，最終導(dǎo)致路面沉降或出現(xiàn)裂縫[7]。

3.3 超挖、欠挖對公路路面的影響

管道頂進時，受頂進方向可能存在的誤差影響，實際開挖的土層斷面往往與套管斷面不一致，路基土層超挖、欠挖現(xiàn)象客觀存在。特別是管道直徑較大時，極易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，管道與周圍土層可能存在空隙或局部不密實現(xiàn)象，最終導(dǎo)致路面沉降[8]。而欠挖時又容易造成管道與土體擠壓，土體擠壓積聚變形，嚴重時導(dǎo)致路面隆起。

3.4 車輛荷載對公路路面的影響

頂管開挖會破壞土體結(jié)構(gòu)，形成新的受力體系，部分區(qū)域會出現(xiàn)土體變形[9]。如果頂管施工中不中斷交通，大量車輛，特別是大車、重車通行，將會大幅增加管道上方土體的附加應(yīng)力，影響到開挖管孔的質(zhì)量，最終導(dǎo)致路面沉降增大。

3.5 頂管施工對車輛通行的影響

輸水管道頂管施工時，若不進行合理的交通通行引導(dǎo)或施工過程中公路出現(xiàn)損壞等，將造成交通擁擠，極大地影響公路的安全運營[10]。

3.6 輸水管道對公路的影響

首先，管道頂管施工后，在上方土壓力、車輛荷載以及環(huán)境荷載的作用下，受擾動的公路路基最終將完成永久固結(jié)沉降。固結(jié)期間，管道頂管處路面將可能會出現(xiàn)局部沉陷與裂縫等現(xiàn)象[11]。其次，公路上的車輛，特別是大車、重車的反復(fù)碾壓，有可能造成管道基礎(chǔ)損壞、套管破裂，導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫，甚至發(fā)生沉陷。最后，受套管管徑尺寸限制，在輸水管道出現(xiàn)滲漏水等現(xiàn)象后，維修人員如果無法及時對輸水管道進行維護，會使漏水滲入公路路基中，危及公路路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定或?qū)е逻吰率Х€(wěn)，進而可能造成路基損毀或路面塌陷，影響公路安全運營[12]。

3.7 其他因素對路面的影響

一是頂管施工注漿減摩時，若泥水用量、泥水指標以及注漿設(shè)備等控制不好，容易造成水膜防護質(zhì)量不好；若泥漿水分較多滲入管孔周壁的地基土體上，則容易加劇管孔周圍土體松動[13]。二是管道嚴密性試驗時，若防水措施做得不好，試壓漏水會浸泡管道周圍的地基，造成公路結(jié)構(gòu)損壞。三是工程完成后，管道可能會因腐蝕等原因致使承載力及耐久性降低，在大型重車荷載作用下可能損壞，影響到公路的安全。四是套管與土體之間的相互作用會引起路基內(nèi)孔隙水發(fā)生變化，引起路基微小變形。五是夜間施工時，燈光照明可能會干擾駕駛員的視線，影響通行安全[14]。

4 安全對策與改建建議

根據(jù)法律法規(guī)和規(guī)范標準，結(jié)合安全分析與評價結(jié)果，輸水管道頂管穿越既有公路，對既有公路及其附屬設(shè)施的安全影響在可控范圍內(nèi)。在項目實施過程中，應(yīng)落實如下建議。

4.1 工作井、接收井建議

工作井、接收井開挖時應(yīng)設(shè)置專職安全人員，施工作業(yè)前應(yīng)加強技術(shù)交底，避免基坑邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。機械開挖后，宜用人工修整坡面。雨季施工時，要做好工作井、接收井周圍雨水的防、排、堵等工作，可設(shè)置臨時排水設(shè)施，時刻保證排水通暢，保證既有公路施工區(qū)域無積水[15]。

4.2 頂管施工建議

應(yīng)對穿越處路面沉降驗算，并對公路路面進行變形監(jiān)測，確保公路路面沉降量不得超過20 mm。若施工過程中路面出現(xiàn)裂縫或路面變形超限，應(yīng)立即停止施工作業(yè)并中斷交通，采取應(yīng)急處置措施，必要時進行專家論證。若頂進作業(yè)長時間停工，應(yīng)立即采取措施，防止坍塌事故的發(fā)生。施工完成后，應(yīng)做好壓力管線的檢測、試驗、檢漏以及防護措施，對工作井、接收井進行圍護，圍擋前后禁止停車。圍護設(shè)施宜采用彩鋼瓦遮擋維護，內(nèi)側(cè)用鋼管支撐固定，彩鋼瓦應(yīng)透風(fēng)，以防彩鋼瓦受風(fēng)載過大發(fā)生傾覆。此外，根據(jù)項目實際情況，在公路兩側(cè)附近設(shè)置緊急切斷閥，一旦發(fā)生管道滲漏水，就立即切斷水流。

4.3 公路遠期規(guī)劃及交通通行建議

管道穿越施工前，應(yīng)向公路主管部門了解既有公路的遠期規(guī)劃情況，頂管穿越位置、頂管長度等均應(yīng)滿足公路未來改擴建需求。同時，在施工過程中，應(yīng)對過往車輛采取適當?shù)呐R時限載限速措施，并制定應(yīng)急繞行路線方案，在發(fā)生施工險情或意外事故時，能有效阻止車輛繞行，避免擁堵。

4.4 公路設(shè)施及地貌恢復(fù)建議

施工完畢后，應(yīng)及時移除公路周圍隔離物、場內(nèi)外警示牌以及標識牌，清理作業(yè)場地的材料、設(shè)備與建筑垃圾，并按既有公路原設(shè)計標準及時恢復(fù)施工過程中造成損壞的路基邊坡、排水溝等公路設(shè)施、公路周圍地貌及植被等，在既有公路兩側(cè)的管道設(shè)置標識性標志。

5 結(jié)語

輸水管道穿越既有公路，在保障既有公路及其附屬設(shè)施質(zhì)量和安全的前提下采用合理可行、技術(shù)先進的穿越方案，對于保證既有公路交通出行的安全性和方便性，保障公路及其附屬設(shè)施的不受損害具有重要的意義。涉路單位應(yīng)在行政許可規(guī)定的時間內(nèi)施工，并根據(jù)涉路施工區(qū)域的具體情況和有關(guān)專家的意見，進一步完善設(shè)計、優(yōu)化施工工藝、落實施工安全保障措施，最大限度減小對既有公路的安全影響，確保頂管穿越公路施工順利進行。