多頂管斜向穿越小跨度公路橋梁設(shè)計(jì)研究

周 磊，何 偉

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及綜合國力的不斷提升，交通、水利、市政等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展，難免出現(xiàn)給排水管線、石油天然氣管線、電纜管線、通信管線等下穿公路的情況。頂管法作為一種非開挖技術(shù)，具有對(duì)交通影響小、開挖量小、政策處理難度低的特點(diǎn)，近年來在管線穿越公路施工中得到較多應(yīng)用。根據(jù)頂管的根數(shù)，布置型式采用較多的是單層單排頂管及單層雙排平行頂管，也有因狹窄的地下空間布置管線的實(shí)際需要，采用上下雙層平行布置的型式。目前采用上述頂管布置型式的工程實(shí)例很多，而采用上中下3層平行布置型式穿越公路的工程實(shí)例尚無。本文以嘉興市域外配水工程（杭州方向）管道七標(biāo)平湖支線14#沉井至15#沉井頂管穿越X202公路胡家橋?yàn)槔?，探討采用上中?層平行布置型式穿越公路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)難點(diǎn)。

2 工程概況

嘉興市域外配水工程（杭州方向）管道七標(biāo)平湖支線起點(diǎn)為步云樞紐南側(cè)的大橋節(jié)點(diǎn)，沿杭州灣北接線西側(cè)南北向敷設(shè)，在杭州灣北接線與金平湖大道交叉口改為沿金平湖大道北側(cè)東西向敷設(shè)，直至平湖古橫橋分水點(diǎn)，線路總長約15.44 km，其中14#沉井至15#沉井頂管段穿越平湖塘及X202公路。原水管道為2根DN1 000管道，管道工作壓力0.5 MPa。

嘉興市污水處理擴(kuò)容工程外排三期輸送管線08標(biāo)走向與嘉興市域外配水工程（杭州方向）管道七標(biāo)平湖支線走向基本一致，且同為嘉興市重大民生工程，由于污水外排工程無其他可利用通道穿越平湖塘及X202公路，經(jīng)過協(xié)商利用本工程的14#沉井和15#沉井，與2根原水管道一起南北向穿越平湖塘及X202公路。污水管道為1根DN1 400管道，工作壓力為0.3 MPa。

X202公路是平湖市連接嘉興市區(qū)的一條重要公路，道路兩側(cè)居民區(qū)及企業(yè)密集。2021年1月1日起，行政等級(jí)調(diào)整為縣道，技術(shù)等級(jí)為二級(jí)公路，瀝青混凝土路面，雙向4車道，路段運(yùn)營速度為60 km/h，路基寬度為30 m。原水管道及污水管道從X202公路胡家橋橋梁下方穿越。胡家橋橋梁跨徑為1孔×20 m，寬度為30 m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力空心板，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式，灌注樁直徑1.2 m。

因受制于杭州灣環(huán)線高速公路建筑控制區(qū)、西氣東輸管線、X202公路北側(cè)密集的企業(yè)區(qū)、自然地形及政策處理等因素，14#沉井~15#沉井井位及14#沉井~15#沉井頂管線位已基本確定，頂管線位與X202公路的交叉角度為60°，頂管總長約407 m，見圖1。

3 穿越方案設(shè)計(jì)

3.1 穿越段工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘成果，頂管穿越段內(nèi)土體自上而下依次為：Ⅰ層人工堆積層，軟塑~可塑；Ⅱ1層粉質(zhì)黏土，軟塑~可塑，中等壓縮性~高壓縮性；Ⅲ1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，飽和，流塑，高壓縮性；Ⅳ1層粉質(zhì)黏土，可塑~硬塑，中等壓縮性；Ⅳ2層粉質(zhì)黏土，軟塑，中等壓縮性；Ⅵ1層粉質(zhì)黏土，飽和，流塑~軟塑，中等壓縮性~高壓縮性；Ⅶ層粉質(zhì)黏土，可塑~硬塑，中等壓縮性；Ⅷ1層粉土，濕~很濕，稍密~中密。地下水埋深一般0.5~2.5 m，類型為孔隙潛水，由地表水及大氣降水補(bǔ)給。表層填土一般為中等透水性~弱透水性；黏性土層（包括粉質(zhì)黏土、黏土及淤泥質(zhì)土）為微透水性~極微透水性，砂性土（粉土、粉細(xì)砂）為弱透水性~中等透水性。

3.2 管材選擇

X202公路為二級(jí)公路，根據(jù)JTGB 01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定：管道與各級(jí)公路相交叉且采用下穿方式時(shí)，應(yīng)設(shè)置地下通道（涵）或套管；通道與套管應(yīng)按相應(yīng)公路等級(jí)的汽車荷載等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)算。在輸水管道穿越X202公路時(shí)，外側(cè)應(yīng)增設(shè)套管。常用穿越公路的頂管套管有頂進(jìn)施工用鋼筋混凝土管和鋼管，其中鋼筋混凝土管采用柔性接頭鋼承口管，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C50，可根據(jù)GB/T 11836—2009《混凝土和鋼筋混凝土排水管》選用，頂管用鋼管鋼材宜選用Q235B。2種管材的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。

表1 頂管套管管材優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

同時(shí)本段頂管還需下穿平湖塘及其支流，下穿水域段長度約350 m，且此管線通道唯一，從工程質(zhì)量及風(fēng)險(xiǎn)控制方面考慮，頂管套管管材最終選用Q235B鋼管。域外配水工程頂管套管為2根DN1 400鋼管，內(nèi)穿2根DN1 000輸水鋼管；污水外排工程頂管套管為1根DN1 800鋼管，內(nèi)穿1根DN1 400輸水鋼管。

3.3 頂管型式布置

3.3.1 水平凈距確定

按CECS 246:2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，互相平行的管道水平凈距應(yīng)根據(jù)土層性質(zhì)、管道直徑和管道埋深等因素確定，一般情況下宜大于1倍管道外徑。并且工具管頂擾動(dòng)區(qū)寬度小于等于2根頂管中心距（B≤L）即為安全[2-3]，圖2為擾動(dòng)區(qū)橫向分布圖。

圖2 擾動(dòng)區(qū)橫向分布圖

式中：B為管頂土擾動(dòng)寬度，m；D為工具管的等效外徑，m；φ為土的內(nèi)摩擦角，°。

本工程頂管位置土層的內(nèi)摩擦角φ為11.5°，DN1 400、DN1 800鋼管頂管的工具管外徑D分別為1.44 m和1.84 m，據(jù)此計(jì)算B分別為3.00 m和3.90 m。

根據(jù)以上2種方式計(jì)算，確定了DN1 400鋼管頂管間的中心距為3.00 m，DN1 400鋼管頂管與DN1 800鋼管頂管間的中心距為3.45 m。

3.3.2 頂管型式布置比選

根據(jù)頂管根數(shù)，有單層3排平行布置、上層1排下層2排平行布置、上層2排平行下層1排布置、上中下3層平行布置等4種布置型式。

各布置型式的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表2。

表2 各種頂管布置型式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

在需要滿足涉路施工安全性評(píng)價(jià)要求的前提下，本段頂管穿越X202公路胡家橋采用上中下3層平行布置的型式，最下層為污水管道的DN1 800鋼管頂管套管，中層和上層為原水管道的DN1 400鋼管頂管套管。

3.4 各層頂管高程及施工順序

根據(jù)CECS 246:2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[4]，頂管在穿越江河水底時(shí)，覆蓋層最小厚度不宜小于外徑的1.5倍，且不宜小于2.5 m。此段頂管穿越平湖塘及其支流，其河底高程為-3.80 m，由此確定最上層DN1 400鋼管頂管的中心高程為-7.40 m。

對(duì)于各層平行管道間的垂直凈距，頂管技術(shù)規(guī)程里暫沒有明確要求，只明確空間交叉管道的凈間距，鋼管不宜小于0.5倍管道外徑，且不應(yīng)小于1.00 m。本工程結(jié)合頂管段沿線各土層分布情況及土層性質(zhì)確定各層頂管的中心高程，見表3及圖3。

圖3 頂管穿越X202公路胡家橋橫斷面圖

表3 各層頂管中心高程表

已有工程實(shí)例及研究表明，對(duì)于上下雙層頂管施工，頂管施工順序?qū)Φ乇沓两涤绊戯@著，先施工上層頂管引起的地表沉降較先施工下層頂管的工況增加約20%，先行施工的下層頂管引起的地表沉降占總沉降量的80%[5-6]。

據(jù)此，本工程采用由下往上依次施工各層頂管，其對(duì)控制地表沉降、保障公路橋梁安全最有利。

3.5 頂管機(jī)選型

在保證工程質(zhì)量及施工安全的前提下，頂管機(jī)型應(yīng)根據(jù)土層情況、地下水位等合理選用。根據(jù)本工程情況，擬采用泥水平衡頂管機(jī)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①施工時(shí)的總推力較小，在黏土層表現(xiàn)更突出，更適合長距離頂管；②泥水平衡頂管機(jī)可適應(yīng)多變地層，可通過調(diào)整泥水倉內(nèi)的泥水壓力有效的保持挖掘面穩(wěn)定，對(duì)頂管周圍土體擾動(dòng)較小，引起的地面沉降較??；③采用泥水管道輸送棄土，作業(yè)連續(xù)不斷進(jìn)行，進(jìn)度較快，頂距越長進(jìn)度優(yōu)勢越明顯。

3.6 頂管壁厚確定

鋼管的壁厚決定了其剛度和強(qiáng)度，且對(duì)鋼管的造價(jià)影響較大，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，一般情況下管道的壁厚取0.01倍的管道外徑[7]。為了更準(zhǔn)確的選擇鋼管壁厚，應(yīng)根據(jù)CECS 246:2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，通過管道應(yīng)力驗(yàn)算、穩(wěn)定驗(yàn)算及豎向變形驗(yàn)算確定經(jīng)濟(jì)合理的壁厚。經(jīng)計(jì)算，本工程DN1 400鋼管頂管壁厚取為14 mm，污水外排三期DN1 800鋼管頂管其壁厚取為18 mm。

鋼管頂管傳力面允許的最大頂力，按照式（1）計(jì)算：

式中：Fds為鋼管允許頂力設(shè)計(jì)值，N；Fs為鋼管受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；Ap為鋼管管道的最小有效傳力面積，mm2。

經(jīng)計(jì)算，DN1 400及DN1 800鋼管頂管的允許頂力設(shè)計(jì)值分別為3 510 kN和5 780 kN。

3.7 頂力及中繼間個(gè)數(shù)估算

頂力是頂管施工中最關(guān)鍵的因素，它影響到主頂站、中繼間及后靠背的設(shè)計(jì)。影響頂力的因素有土層類型、覆土厚度、頂管長度、減阻措施等。管道總頂力可按式（2）估算：

式中：F0為總頂力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；D1為管道外徑，m；L為管道設(shè)計(jì)頂進(jìn)長度，m；fk為管道外壁與土的平均摩阻力，kN/m2；NF為頂管機(jī)迎面阻力，kN。其中fk和NF按頂管技術(shù)規(guī)程選用。

本工程頂管采用了觸變泥漿減阻，fk取為3 kN/m2，經(jīng)計(jì)算，各層頂管總頂力見表4。

表4 各層頂管總頂力計(jì)算表

由表4可見，頂管總頂力超過了鋼管允許頂力，需采用中繼間接力頂進(jìn)。設(shè)計(jì)階段中繼間的數(shù)量可按式（3）估算：

式中：n為中繼間數(shù)量（取整數(shù)）；f0為中繼間設(shè)計(jì)允許頂力，kN。

根據(jù)CECS 246：2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，第一個(gè)中繼間的加設(shè)位置宜按中繼間設(shè)計(jì)允許頂力的60%計(jì)算，其余中繼間的間隔宜按照中繼間設(shè)計(jì)允許頂力的70%計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，各層頂管中繼間的數(shù)量及加設(shè)位置見表5。

表5 各層頂管中繼間數(shù)量及加設(shè)位置表

3.8 安全監(jiān)測

為確保頂管施工時(shí)X202公路胡家橋的安全，在頂進(jìn)過程中對(duì)胡家橋進(jìn)行了安全監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容主要為胡家橋橋面的沉降監(jiān)測。在垂直于頂管軸線方向的胡家橋橋面兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面布置了14個(gè)沉降觀測點(diǎn)。頂管施工前，埋設(shè)好沉降觀測點(diǎn)并記錄初始讀數(shù)，監(jiān)測頻次為施工前7 d測3次，施工中6次/d，完工后30 d測6次（1次/5 d）。沉降監(jiān)測報(bào)警值為累計(jì)沉降量達(dá)到5 mm。

4 工程實(shí)施

頂管機(jī)出洞后，以前三節(jié)管節(jié)作為試驗(yàn)段，為盡量控制土體損失，通過地面沉降觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行頂管參數(shù)的調(diào)整，設(shè)置合理的倉內(nèi)泥水壓力、頂進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等各種施工參數(shù)。

采用膨潤土配置了膨潤性、觸變后的流動(dòng)性以及靜止下來的膠凝性、固化型俱佳的觸變泥漿來支撐管道，降低了管道外壁與土體之間的摩阻力，并根據(jù)土質(zhì)、頂進(jìn)情況、地面沉降情況及時(shí)調(diào)整配置參數(shù)，起到了有效減阻作用，頂進(jìn)過程中加設(shè)的中繼間始終未啟用。

頂進(jìn)過程中，始終貫徹“勤測、勤量、勤糾、緩糾”的原則，控制好頂進(jìn)軸線。

頂管結(jié)束后，及時(shí)采用水泥漿液置換管道外壁的觸變泥漿，加固外部土體，減少后期產(chǎn)生的地面沉降。最終的監(jiān)測成果顯示，各監(jiān)測點(diǎn)中最大的累計(jì)沉降量為3.0 mm，各監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量平均值為1.0 mm。

5 結(jié) 語

嘉興市域外配水工程（杭州方向）管道七標(biāo)平湖支線14#沉井至15#沉井多頂管斜向穿越小跨度公路橋梁，創(chuàng)新采用了上中下3層平行布置的型式，合理確定各層頂管高程、施工順序、施工參數(shù)和減阻措施，滿足涉路施工安全性評(píng)價(jià)要求，保證公路橋梁的安全，確保兩大民生工程的順利實(shí)施，可為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

隨著頂管技術(shù)的提高及注漿工藝的改進(jìn)，頂力估算及中繼間的設(shè)置通常偏保守，設(shè)計(jì)中繼間的數(shù)目比實(shí)際投入使用的多，造成工程造價(jià)偏高，亟需相關(guān)規(guī)范規(guī)程進(jìn)一步完善計(jì)算取值和計(jì)算方法。