頂管施工項目主要危險因素及引發(fā)路面沉降量計算

符秀江 FU Xiu-jiang；王思長 WANG Si-chang；王子健 WANG Zi-jian；蔣鏵隆 JIANG Hua-long

（①海南省公路管理局，?？?570100；②重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331；③能源工程力學(xué)與防災(zāi)減災(zāi)重慶市重點實驗室，重慶 401331）

0 引言

頂管施工作為一種無開挖施工技術(shù)，在城市地下管道建設(shè)中具有很大的優(yōu)勢。它可以避免對地面的破壞，減少對周圍環(huán)境和交通的影響，提高施工效率。然而，頂管施工項目面臨著一系列的風(fēng)險和挑戰(zhàn)，包括技術(shù)風(fēng)險、安全風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、質(zhì)量風(fēng)險和管理風(fēng)險等。因此，對頂管施工項目的風(fēng)險進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)的應(yīng)對措施，對項目的成功實施至關(guān)重要。

王彬[1]針對深圳市軌道交通12 號線某繁華路段地鐵站出入口矩形頂管施工開展分析，提出施工風(fēng)險包括進(jìn)出洞風(fēng)險、設(shè)備風(fēng)險、掘進(jìn)風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險等，采用改進(jìn)的層次分析法建立大斷面矩形頂管風(fēng)險層次結(jié)構(gòu)模型，對施工風(fēng)險開展了評估；莫萬練[2]以成都地鐵某號線一期工程外部電源電纜通道工程為背景，對頂管施工中存在的安全風(fēng)險進(jìn)行了簡要分析，并提出相應(yīng)的管控措施；孫勝杰[3]提出了一種新的長距離頂管的頂推力計算方法，從頂推設(shè)備和注漿材料選擇、管道位移偏差、風(fēng)險控制及管理方面探討了頂管施工的質(zhì)量控制要點；李良東[4]根據(jù)黃河下游多條穿黃輸氣管線工程的施工經(jīng)驗，研究了黃河下游穿黃輸氣管線工程遇到的環(huán)境風(fēng)險技術(shù)問題，為跨河橋梁、特高壓輸電線路、穿河通信管線等其他穿黃工程的設(shè)計和施工提供了參考；王樂天[5]等通過現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬及Peck 經(jīng)驗公式的方法研究了頂管施工引起的地表沉降規(guī)律，探討了管-土摩擦、注漿壓力及支護(hù)壓力對地表沉降的影響。

本文以海南省某一體化項目為依托，針對頂管施工過程中的危險因素展開分析，應(yīng)用peck 法經(jīng)驗公式計算了頂管施工引發(fā)的路面沉降量，有效保障了公路及其附屬設(shè)施的安全，為工程施工提供了有益參考。

1 工程概況

某一體化項目，包含取水泵站、輸水管道、凈水廠三部分。頂管施工為先采用頂管法鋪設(shè)D1500 鋼筋砼管道，然后在砼管道內(nèi)布置DN800 鋼管。經(jīng)現(xiàn)場勘察，本段頂管工程工作井基坑開挖范圍及基坑外圍20m 范圍內(nèi)不存在已建建筑物、地下管線。頂管D1500 采用F 型鋼筋混凝土管，總長度222m，坡度2%，頂管埋深為4.38m 至5.66m。

根據(jù)實地踏勘情況及地勘報告，頂管段管線經(jīng)過的場地為粘土層，可作該段管基的持力層。根據(jù)場地巖土工程條件，結(jié)合擬埋設(shè)管線位置，管線穿越路線土層及選擇持力層，頂管在粘土層中穿越。

2 頂管施工工藝流程

頂管施工是一種無開挖管道鋪設(shè)技術(shù)，適用于穿越公路、鐵路、河流等障礙物的管道施工。其一般工藝及流程如下。

①前期準(zhǔn)備。包括以下三個步驟：1）確定頂管施工的起點和終點，制定施工方案；2）進(jìn)行現(xiàn)場勘察和測量，確定地下管線的情況，包括地下設(shè)施、地質(zhì)情況等；3）安排施工隊伍和設(shè)備，準(zhǔn)備所需材料和工具。

②導(dǎo)向井的建設(shè)。包括以下兩個步驟：1）在起點和終點位置開挖導(dǎo)向井，用于引導(dǎo)頂管的施工方向；2）根據(jù)設(shè)計要求，在導(dǎo)向井中安裝導(dǎo)向框架或?qū)蜓b置，確保頂管的準(zhǔn)確定位和導(dǎo)向。

③頂管施工。包括以下三個步驟：1）通過起點導(dǎo)向井，將頂管推入地下；2）使用液壓推力設(shè)備或推進(jìn)機(jī)械，施加推力將頂管推進(jìn)至終點導(dǎo)向井；3）在推進(jìn)過程中，根據(jù)需要進(jìn)行頂管段的連接，確保管道的連續(xù)性。

④推進(jìn)控制。包括以下兩個步驟：1）通過實時監(jiān)測頂管的位置和方向，進(jìn)行推進(jìn)控制，以保證頂管施工的準(zhǔn)確性和安全性；2）根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和修正，確保頂管沿預(yù)定軌道推進(jìn)。

⑤頂管到位和回填。包括以下三個步驟：1）當(dāng)頂管推進(jìn)至終點導(dǎo)向井位置后，進(jìn)行頂管的定位和固定；2）進(jìn)行必要的檢查和測試，確保頂管的質(zhì)量和完整性；3）在頂管完成后，進(jìn)行回填作業(yè)，將施工現(xiàn)場恢復(fù)到原有的地面狀態(tài)。

⑥驗收和后期處理。包括以下三個步驟：1）進(jìn)行頂管工程的驗收，檢查頂管的質(zhì)量、功能和安全性；2）根據(jù)需要進(jìn)行防腐、絕緣、保護(hù)層等后期處理工作；3）編制頂管施工記錄和技術(shù)檔案。

3 頂管施工主要危險因素

根據(jù)類比工程，結(jié)合本路涵施工實際情況，該工程施工對公路及其附屬設(shè)施的影響主要表現(xiàn)為以下幾個方面：①工程失敗；②路面隆起、沉降和塌陷風(fēng)險；③路基、路面崩裂風(fēng)險；④泥漿污染；⑤物體打擊與高處墜落風(fēng)險；⑥施工用電風(fēng)險；⑦施工作業(yè)活動引起的交通事故。

3.1 工程失敗

頂管施工是一項復(fù)雜的工程，涉及多個環(huán)節(jié)和多種因素。工程失敗可能由多種原因引起，如設(shè)計不合理、材料質(zhì)量不過關(guān)、施工操作不當(dāng)?shù)取ＴO(shè)計不合理可能導(dǎo)致管道承載能力不足，管道彎曲半徑過小，使得管道在施工過程中無法順利推進(jìn)；材料質(zhì)量不過關(guān)可能導(dǎo)致管道連接處漏水、漏氣，從而影響管道的正常運行；施工操作不當(dāng)可能導(dǎo)致管道斷裂、連接失效，甚至引發(fā)事故。為防止工程失敗，應(yīng)在施工前進(jìn)行全面的工程評估和設(shè)計優(yōu)化，確保設(shè)計合理；選用優(yōu)質(zhì)的材料，并進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制；施工過程中嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，避免操作失誤。

工程失敗的主要后果表現(xiàn)為回拖失敗、擴(kuò)孔報廢。其主要原因可能是：①鉆機(jī)能力不夠；②導(dǎo)向孔不符合要求；③預(yù)擴(kuò)孔偏移量過大；④孔內(nèi)泥屑堆積過多；⑤塌孔：管道進(jìn)孔不順暢；⑥設(shè)備故障；⑦泥漿含水量過大，引起孔壁親水性土壤吸水，導(dǎo)致縮孔，當(dāng)縮孔時強(qiáng)行開鉆，可能發(fā)生卡鉆甚至導(dǎo)致工程失敗。

3.2 路面隆起、沉降和塌陷

頂管施工過程中，頂管推進(jìn)會對路面產(chǎn)生一定的影響，可能引起路面隆起、沉降和塌陷。這些問題會導(dǎo)致道路不平整，影響交通安全和道路使用壽命。為減輕路面的影響，可以采取合適的措施，如設(shè)置合理的支撐和保護(hù)結(jié)構(gòu)，控制施工推進(jìn)速度，確保施工過程平穩(wěn)進(jìn)行。此外，施工后應(yīng)及時進(jìn)行路面恢復(fù)和維修，確保道路的平整和安全。

根據(jù)類比工程，其主要原因可能是出入土點距路基過近、地質(zhì)較差或未進(jìn)行沉降觀測等，從而導(dǎo)致路基塌陷或破壞，路面結(jié)構(gòu)層龜裂、反射裂縫甚至塌陷。一旦路面塌陷，將對公路及公路附屬設(shè)施造成較大破壞，影響道路的交通安全。

3.3 路基、路面崩裂

頂管施工可能會對路基和路面造成影響，特別是在進(jìn)行土方開挖時。如果施工控制不當(dāng)，可能引起路基、路面的崩裂，導(dǎo)致道路破壞和交通事故。為降低崩裂風(fēng)險，應(yīng)在施工前進(jìn)行地質(zhì)勘察和工程設(shè)計，充分了解地質(zhì)情況和地下管線布局，采取相應(yīng)的支護(hù)和保護(hù)措施，確保施工過程中路基和路面的穩(wěn)定和完整。路基、路面崩裂一般發(fā)生在涵洞施工周邊。其主要原因可能是開挖點距路基過近、坑內(nèi)泥屑堆積過多、局部塌孔等。

3.4 泥漿污染

頂管施工過程中常常使用泥漿作為潤滑和沖洗介質(zhì)，如果泥漿處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致泥漿污染地下水和土壤，影響環(huán)境和水質(zhì)。為避免泥漿污染，應(yīng)在施工前制定合理的泥漿處理方案，對泥漿進(jìn)行分類和處理，確保其不會對環(huán)境造成污染。此外，在施工過程中要嚴(yán)格控制泥漿的使用和排放，減少對環(huán)境的影響。由于大口徑管道的水平定向穿越泥漿使用量非常大，除出、入土點兩端的泥漿池存儲的泥漿需要處理之外，穿越沿程的冒漿、跑漿可能造成公路邊溝、耕地、水域污染。

3.5 物體打擊與起重傷害

在頂管施工過程中，頂管設(shè)備和材料可能會從高處墜落，或者施工人員被物體打擊，導(dǎo)致人身傷害和安全事故。為防止此類事故，應(yīng)在施工現(xiàn)場設(shè)置嚴(yán)格的安全措施，如搭建安全圍護(hù)網(wǎng)、設(shè)置警示標(biāo)識、佩戴安全帽和安全帶等。同時，施工人員要接受專業(yè)的安全培訓(xùn)，提高安全意識，嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程。

模板工程及吊運作業(yè)時易引發(fā)物體打擊的風(fēng)險。模板工程施工過程中引發(fā)風(fēng)險的主要原因有：①模板支撐系統(tǒng)無專項施工方案和計算書或未按方案要求進(jìn)行安拆；②模板搬運及安裝違章作業(yè)；③在拆模作業(yè)誤操作；④安拆工人防護(hù)用品配備不齊全；⑤模板拆除后未及時對“四口、五臨邊”設(shè)置防護(hù)等。吊運作業(yè)引發(fā)風(fēng)險的主要因素有：①作業(yè)人員無證上崗；②吊裝機(jī)械操作不當(dāng)；③機(jī)械作業(yè)半徑內(nèi)人員活動；④構(gòu)件捆綁不牢固；⑤起重設(shè)備傾覆；⑥操作人員違反“十不吊”；⑦防護(hù)欄不全；⑧操作人員未按要求使用安全防護(hù)用品；⑨安裝拆除未設(shè)警戒區(qū)、無專人指揮等。

3.6 施工用電風(fēng)險

頂管施工中常常涉及大量電力設(shè)備，如果用電不規(guī)范或設(shè)備維護(hù)不當(dāng)，可能引發(fā)電氣事故和火災(zāi)。為防止電氣風(fēng)險，應(yīng)使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的電氣設(shè)備，確保設(shè)備正常運行；定期進(jìn)行電氣檢測和維護(hù)，及時消除隱患；設(shè)置合適的電氣防護(hù)措施，如漏電保護(hù)器、過載保護(hù)器等。

施工過程中易引發(fā)觸電風(fēng)險，主要原因有：①電線架設(shè)不規(guī)范；②電器設(shè)備不規(guī)范；③電線破損；④通電調(diào)試無人看護(hù)；⑤安裝接線錯誤；⑥設(shè)備超負(fù)荷運行等。

3.7 施工作業(yè)活動引起的交通事故

頂管施工區(qū)域常常與交通道路交叉，施工活動可能引起交通事故，特別是在交通高峰期和施工區(qū)域能見度不好的情況下。為降低交通事故的風(fēng)險，應(yīng)在施工前制定詳細(xì)的交通管理方案，合理安排交通流線和交通標(biāo)識，確保施工區(qū)域的交通暢通和安全。同時，施工人員應(yīng)接受交通安全培訓(xùn)，嚴(yán)格遵守交通規(guī)則，采取相應(yīng)的交通安全措施，如設(shè)置警示標(biāo)志、警示燈等，確保施工現(xiàn)場的交通安全。

該工程施工點緊鄰高速公路，工程施工過程中，施工點的設(shè)備、材料進(jìn)場、人員活動等有引發(fā)交通事故的可能，故要做好施工過程中的交通組織專項方案。

綜上所述，頂管施工中的主要危險因素涵蓋了工程失敗、路面隆起、沉降和塌陷風(fēng)險、路基、路面崩裂風(fēng)險、泥漿污染、物體打擊與高處墜落風(fēng)險、施工用電風(fēng)險、施工作業(yè)活動引起的交通事故等方面。為確保頂管施工安全順利進(jìn)行，應(yīng)在施工前進(jìn)行全面的風(fēng)險評估和安全規(guī)劃，采取相應(yīng)的措施和控制措施，提高施工人員的安全意識和技能，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程和安全標(biāo)準(zhǔn)。只有全面考慮和有效應(yīng)對這些危險因素，才能確保頂管施工的安全性和可靠性，保障工程的順利完成和成功運營。

4 Peck 法計算理論

穿越施工引起的地面沉降計算方法主要有經(jīng)驗法、解析法、數(shù)值分析法和現(xiàn)場測試法。經(jīng)過長時間對隧道及穿越工程施工引起地表面沉降形狀的研究和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，Peck[6]于1969 年提出在不排水的狀態(tài)下地鐵施工所引起的地層損失，與地表沉降槽體體積大小應(yīng)當(dāng)是一致的，而且假定隧道所處的地層是均勻的連續(xù)介質(zhì)，隧道施工所引起的地表沉降曲線，可以近似概率中的正態(tài)分布曲線，其地表沉降預(yù)計公式為：

式中：Sx為地面任一點的沉降量（m）；

Smax為地面沉降的最大值，即管道軸線上方的最大地面沉降量（m）；

x 為從沉降曲線中心到所計算點的距離（m）；

i 為地面沉降槽寬度系數(shù)（m）；

Vi為管道單位長度的土體損失量（m3/m），通常采用挖掘面面積的百分率來估算土體損失的大小，令η 為土體損失百分率，則vi=πr2η。

η=0.20%～3.01%[7]，取值根據(jù)管道所處層位的土體性質(zhì)確定，自穩(wěn)性差、易流失的土取大值。

i 的經(jīng)驗公式為：

經(jīng)大量工程數(shù)據(jù)分析，采用經(jīng)驗公式求得[8]：

式中：H 為頂管埋置深度（m）；

r 為管道半徑；

φ 為土的內(nèi)摩擦角。

5 頂管施工引發(fā)路面沉降量計算

根據(jù)本工程巖土體特征，結(jié)合類比工程及室內(nèi)實驗，土層失土率η 取2.8%，內(nèi)摩擦角φ 取18°。

由計算可知，管道軸線上方的最大地面沉降量為0.0086m，即8.6mm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定“穿越施工造成的公路路面沉降量應(yīng)小于或等于20mm”[9]，故本頂管施工穿越段引發(fā)的路面沉降滿足要求。

6 結(jié)語

本文闡述了頂管施工工藝流程，分析了頂管施工過程中的主要風(fēng)險，并提出了建議措施。以海南省某一體化項目為依托，應(yīng)用peck 法經(jīng)驗公式計算了施工中引發(fā)的路面沉降量，計算結(jié)果顯示路面總體沉降量為8.6mm，滿足《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》（CECS 246：2008）要求。