顶管下穿公路的设计与施工技术研究

Research on Design and Construction Technology of Pipe Jacking down Highway

摘要: 为了分析顶管下穿公路的设计与施工技术要点，以顶管下穿G318国道项目为依托，开展了顶管下穿公路的设计与施工技术研究。提出了工作井、接收井的设计方法，开展了套管竖向承载力、顶推力的验算，验算了顶管施工导致的路面沉降，均满足相关规范的要求。同时提出了设计、施工过程中的相关建议。研究成果可为类似顶管工程的设计、施工提供参考。

Abstract: In order to analyze the key points of design and construction technology of pipe jacking underpass highway, the design and construction technology of pipe jacking underpass highway is studied based on the project of G318 National Highway. The design method of working shaft and receiving shaft is put forward, and the checking calculation of casing vertical bearing capacity and jacking force is carried out, and the pavement settlement caused by pipe jacking construction is verified. At the same time, the relevant suggestions in the process of design and construction are put forward. The research results can provide reference for the design and construction of similar pipe jacking projects.

1. 引言

目前国内部分学者和工程师开展了顶管下穿公路、铁路、市政道路方面的技术研究。王泽民[1]以某工程为例，综合探讨市政给排水施工中长距离顶管施工技术的运用要点。吴远存等[2]对市政工程地下管道建设工艺进行了较深层次的剖析。主要包括顶管施工设备选择与安装等方面的具体施工方法，同时还指出了每个步骤应注意的各种技术问题。范定仙[3]分析了顶管法施工各个环节的难点及控制要点。通过该施工技术的应用，解决了不开挖既有道路且不影响交通条件下的市政雨水管道施工问题。齐士乐[4]利用有限元软件MIDAS-GTS分步模拟分析新建供水管线顶管施工对既有城轨运营线路结构的安全影响，并提出施工建议。李涛[5]探究了顶管施工中工作坑的设计方法与开挖技术。周云超[6]采用岩土工程有限元软件，研究了各种工况下顶管对铁路路基的沉降变形的影响。郑一苇[7]分析了市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计。商贺嵩[8]阐述了新建管线穿越要有高速公路工程设计原则，对顶管穿越方案设计进行了分析，提出顶管施工注意事项。孙建华[9]详细分析了燃气管道顶管穿越高速公路工程设计内容，并从套管管位的设计、套管管径的选取及强度计算、工作井的设计、顶管允许顶力以及套管内燃气管道的设计等方面论述了设计中应注意的事项。钟晓琳[10]以沉井结构实际案例为例，分析了市政顶管工程沉井结构的设计要点，讨论了沉井结构设计的相关应用，以提升沉井结构的整体设计水平。黄国庆[11]探讨了顶管非开挖技术中包含工作井顶力计算、顶管后座设计、中继间的布置设计及沉井标高控制施工、土方开挖吊运施工、顶管进出洞施工、顶管对接施工中的一些关键技术。朱国才[12]研究了市政排水管道工程中顶管工艺的设计。潘迎等[13]结合工程实例就市政顶管工程沉井结构设计中相关要点的应用进行了深入地探讨，着重从沉井井壁厚度确定、强度验算、顶力计算、后背土体稳定验算等方面进行了论述。谭开亮[14]基于某天然气长输管道工程，总结目前国内常用的基坑支护形式和应用范围，通过经济、技术对比分析，选择出适用于该项目工程地质条件的基坑形式。钟宇宏[15]以武汉市中环线供水管道穿越既有4股道铁道路基项目为依托，分析了该工程顶管施工工法选择、顶力计算、工作井设计、顶管机械设备参数、铁路防护及施工注意事项等。

为了研究顶管下穿公路的设计及施工要点，以宜昌市顶管下穿G318国道项目为例，进行了作业井设计、套管承载力、路面沉降等计算，并提出了相关建议。

2. 工程背景

下穿专用涵洞工程位于宜昌市猇亭大道66号，距离宜昌桥北收费站约2.8 km，西侧为工业园区，距离长江约900 m，工作区对外交通条件非常便利(如图1所示)。

本工程穿越G318国道K1296 + 350，方案起点坐标X = 539507.3891，Y = 3381796.3929；终点坐标X = 539465.1500，Y = 3381743.1026。顶管穿越主要参数见表1。

Figure 1. Crossing position map

图1. 穿越位置图

Table 1. Culvert top pipe crossing parameter table

表1. 涵洞顶管穿越参数表

公路等级	路面宽度/m	涵洞孔径/m	涵洞长度/m	涵洞形式	涵洞顶面至路面距离/m	顶管设计荷载等级
一级	24.0	2.0	68.0	钢筋混凝土套管	5.0	公路-I级

3. 地质环境条件

3.1. 地形地貌

猇亭区地处黄陵山地与江汉平原接壤的丘陵地带，处于山区型向平原型过渡地段，江面由狭窄而趋于开阔。境内地貌大致分为低山、丘陵、岗状平原三种类型。其中低山、丘陵约占70%，马路至猇亭一带海拔57~59米；往东北为低山丘陵分布，海拔在100~200米之间。该地貌区出露地层主要为第四系粉质粘土、黏土，含碎石粉质粘土及碎石土分布广泛。

3.2. 地层岩性

根据现场调查、在工作井处挖探槽，以及收集邻近项目的勘察报告，场区内地层主要如下：

① 层素填土，结构松散，属强透水层，厚度0~0.9 m。

② 层粉质黏土为相对隔水层。

③ 层卵石，呈稍密状态，具强透水性，为透水含水层。

④ -1层强风化泥质粉砂岩，由于裂隙发育，岩体较破碎，属弱透水层。

⑤ -2层中风化泥质粉砂岩，裂隙稍发育，属相对隔水层。

根据地质情况描述，顶管土层位于粉质黏土层，为隔水层，且未表露有承压水存在，上层滞水渗透性好，富水性差，主要通过径流及蒸发排泄，具有补给快、排泄快等特点，对顶管工作影响很小。所以顶管工作不考虑降水，如现场出现与地质水文情况不符，将立即停止施工立即向参建单位汇报，调整施工方案。

3.3. 地质构造及场地稳定性

根据国家质量技术监督局2015年新发布的中国地震动参数区划图(GB 18306-2015)，场地地震动峰值加速度为0.05 g，对应地震基本烈度为Ⅵ度，50年超越概率10%的设计地震动反应谱特征周期为0.35 (s)。

3.4. 岩土物理力学指标

根据现场调查、勘察及参考当地附近类似工程经验，该项目土体相关参数取值如表2所示。

Table 2. Table of Soil physical and mechanical properties

表2. 土体物理力学性质试验成果表

岩土名称	重度/kN·m^−^3	粘聚力/kPa	内摩擦角/(˚)	地基承载力特征值/kPa
粉质粘土	18.5	23	11	160

3.5. 特殊性岩土

工程区内分布的特殊性岩土主要为人工填土，工程场区第①层素填土大部分分布，厚0~0.9 m，填土结构松散，力学性质不均，工程性能差。

4. 顶管工程设计

4.1. 设计要点

1) 穿越处路面宽度24 m，套管穿越长度为68 m。

2) 顶管与公路夹角交叉角度为89˚，满足《公路工程技术标准》(JTG B01-2014) 9.5.3条“原油管道、天然气输送管道与公路相交叉时，宜为正交；必须斜交时，交叉角度应大于30˚”的规定。顶管设计荷载等级为公路-I级。

3) 顶管尺寸：顶管内直径2.0 m，壁厚0.2 m，外直径2.4 m，每节顶管长度为2.0 m，每节之间的连接用上一节尾部的钢套环连接。

4) 顶管施工机具：施工阶段需满足顶管施工要求。

5) 施工单位应通过现场试验确定摩擦系数，并根据实际摩擦系数计算顶力。

6) 预制顶管防水处理：顶管预制完成后，外壁及端头部位涂2遍热沥青。

7) 本工程路面下套管顶的覆盖层最小厚度为5.0 m，满足《公路路线设计规范》(JTG D20-2017) 12.5.7条“穿越公路的保护套管其顶面距路面底基层的底面应不小于1.0 m”的要求。

4.2. 工作井和接收井设计

4.2.1. 工程范围

本次设计范围包括1个工作井和1个接收井。

工作井：7.5 m * 4.5 m，深8.0 m，中心坐标X = 539509.5943，Y = 3381799.1750；

接收井：5.0 m * 5.0 m，深3.9 m，中心坐标X = 539463.6280，Y = 3381741.1826。

工作井、接收井采用沉井法施工，施工结束后工作井和接收井作为永久性检查井使用。

4.2.2. 设计标准

结构安全等级为二级；设计使用年限为50年，结构构件受力裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度限值为0.20 mm。

4.2.3. 主要材料

1) 混凝土强度等级：基础垫层C20，填料为C20，封底砼为C20，主体结构均为C35，抗渗等级为P6。

2) 钢筋：HPB300 (fy = 270 N/mm²)，HRB400 (fy = 360 N/mm²)。

4.2.4. 地基形式

工作井、接收井基础位于粉质黏土层(fak = 160 kPa, Es = 6 MPa)。地基承载力满足设计要求，采用天然地基。如果在施工过程中，发现地质条件与勘察资料不一致或遇到异常情况时，请及时与地勘、设计单位联系，协商解决。

4.3. 套管外压荷载验算

根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015第4.3.1条规定计算行车荷载对管顶土压力。

本设计通过车辆荷载等级按公路-Ⅰ级进行设计，最大轴重140 kN，轮距1.8 m，前后轴距1.4 m，轮压着地面积为0.6 ⊆ 0.2 m，管顶至地面深度5.0 m。

1) 管顶荷载分布情况见图2，管顶竖向汽车荷载：

$q_{vk}=\frac{n{Q}_{vi,k}}{\left(a_i+1.4H\right)\left(n{b}_i+{\displaystyle {\sum }_{j=1}^{n=1}{d}_{bj}}+1.4H\right)}$

Figure 2. Transfer distribution diagram of combined influence of two or more single row wheel pressures

图2. 两个以上单排轮压综合影响的传递分布图

式中：n——轮胎的总数量；

d_bj——沿车轮着地分布宽度方向，相邻两个车轮间的净距(m)。

$q_{vk}=6.22\text{kN}/{\text{m}}^{\text{2}}$

2) 管顶竖向土压力：

当管顶覆盖层厚度大于1倍管外径时，管顶上部竖向土压力标准值应按下式计算：

$F_{sv}=C_j\left({\gamma }_{si}\ast B_t-2C\right)$

$B_t=D_1\left[1+\tan \left({45}^{\circ }-\frac{\varphi }{2}\right)\right]$

$C_j=\frac{1-\exp \left(-2K_s\mu \frac{H_s}{B_t}\right)}{2K_s\mu }$

式中：F_sv——管顶竖向土压力标准值(kN/m²)；

C_j——顶管竖向土压力系数；

B_t——管顶上部土层压力传递至管顶处的影响宽度(m)；

D₁——管道外径(m)；

$\varphi$ ——管顶土的内摩擦角(˚)；

C——土的粘聚力(kN/m²)，宜取地质报告中的最小值；

H_s——管顶至原状地面埋置深度(m)；

$K_s\mu$ ——原状土的主动土压力系数和内摩擦系数的乘积，一般粘性土可取0.13，饱和粘土可取0.11，砂和砾石可取0.165。

$B_t=\text{4}.0\text{1}$

$C_j=1.32$

$F_{sv}=62.45\text{kN}/{\text{m}}^{\text{2}}$

根据《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015第4.1.5条进行作用效应组合，承载能力极限状态组合荷载为：

$F=1.0\times \left(1.2\times q_{vk}+1.4\times F_{sv}\right)\times 2.4=206.7\text{kN}/\text{m}$

根据《混凝土和钢筋混凝土排水管》GB/T 11836-2009，本设计顶管套管采用的DRCP III 2000 × 2000套管破坏荷载为272 kN/m。

根据计算，承载能力极限状态组合荷载206.7 kN/m小于套管破坏荷载，所以本工程所选用套管满足要求。

4.4. 顶进力计算

按《给水排水工程顶管技术规程》计算。

土压、泥水平衡式，顶管机迎面阻力：

$N_F=\frac{\pi }{4}{D}_g^2{\gamma }_s{H}_s=\frac{\pi }{4}\times {2.5}^2\times 18.5\times 5=454.058\text{kN}$

顶推力：

$F_0=\pi D_{1}L{f}_k+N_F=\pi \times 2.4\times 68.0\times 4.0+454.058=2.505\times {10}^3\text{kN}$

管材允许顶推力计算

$F_{dc}=0.5\frac{{\varphi }_1{\varphi }_2{\varphi }_3}{{\gamma }_{Qd}{\varphi }_5}{f}_c{A}_p=0.5\times \frac{0.9\times 1.05\times 0.85}{1.30\times 0.79}\times 23.1\times 1.382\times {10}^6=12.487\times {10}^3\text{kN}$

顶推力验算

$F_0=2.505\times {10}^3\text{kN}<F_{dc}=12.487\times {10}^3\text{kN}$ ，满足。

4.5. 沉降计算

目前顶管施工引起的地面沉降，常采用Peck提出的地面沉降槽理论进行预测。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积，地面沉降量的横向分布估算公式：

$S_{\max }=\frac{V_s}{i\sqrt{2\pi }}$

式中：S_max——管道轴线上方的最大地面沉降量(m)；

V_s——超挖量，参照《顶管工程设计与施工》(葛春辉著)，可根据顶管机头的形式，直接按照表3取值。

Table 3. Overcut estimation of various pipe jacking heads

表3. 各种顶管机头的超挖量估算

机型	敞开式	多刀盘	土压平衡	泥水平衡	局部气压	网格挤压式
Vs	(10%~20%) V	(7%~10%) V	(5%~8%) V	(3%~5%) V	-	-
V₁	-	-	(0.1%~1%) V	(0.1%~1%) V	(1%~2%) V	(−5%~2%) V

本工程如果采用泥水平衡顶管施工工艺，顶管穿越处地层为粉质粘土层，则取V_S = 5% V，式中V为管道每米的计算出土量$V=1/4\times \pi \times D^2\times 1$ ，D为顶管机头外径，则$V_S=5\%\times V=5\%\times 1/4\times \pi \times 2.52\times 1=0.245{\text{m}}^{\text{3}}/\text{m}$ 。

i的经验公式为：

$i=\frac{H}{\sqrt{2\pi }\ast \tan \left({45}^{\circ }-\phi /2\right)}=6.10$

式中：H为套管的覆土厚度，取5.0 m；

φ为土的内摩擦角，管顶土的折算内摩擦角(采用朗肯土压力理论按抗剪强度相等的原则进行换算)：

$\phi =2\ast \left\{{45}^{\circ }-a\tan \left[\tan \left({45}^{\circ }-{\phi }_1/2\right)-\frac{2c}{{\sigma }_1}\right]\right\}={53.78}^{\circ }$

计算结果如下：

$S_{\max }=16.1\text{mm}$

穿越施工造成的公路路面沉降量为16.1 mm，小于20 mm，穿越处路面沉降满足要求。

5. 施工建议

1) 施工前对路侧及周边的地下管线进行调查，对已建管道不产生影响，并做明显标示，施工过程中注意保护。

2) 施工过程中，派专人监测路面沉降，设置标志牌和减速凸点，降低过往车辆车速。

3) 施工过程中应注意安全用电，做好泥浆排放、管道施工通风等安全措施。

4) 在顶管施工过程中，保证不破坏现有路面，必要时应采取适当措施。

5) 施工完毕后应在穿越段两端设置标志桩及警示牌，标志的内容包括：管线产权单位、管道输送介质名称、管道压力、管道埋深及紧急联系电话。施工完成后将管道具体坐标、走向位置提供给公路的运营管理部门备案。

6) 具体施工时间应与项目主体工程相协调，并应提前与公路养护本部门相沟通协调。施工前，应进一步与公路管理部门进行沟通，公路远期规划是否有调整等相关内容。

7) 在顶管施工期间，造成路基路面及相关公路设施的损坏，施工单位应按原标准予以恢复。

6. 结论

以顶管下穿G318国道项目为依托，开展了顶管下穿公路的设计与施工技术研究。

1) 提出了工作井、接收井的设计方法，开展了套管竖向承载力、顶推力的验算，验算了顶管施工导致的路面沉降，均满足相关规范的要求。

2) 提出了设计、施工过程中的相关建议。

3) 研究成果可为类似顶管工程的设计、施工提供参考。