李毅涛1 朱加乐2 唐光涛3
1 重庆市市政设计研究院陕西分院，西安 710000；
2 重庆市市政设计研究院陕西分院，西安 710000；
3长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430000
摘要 随着经济的飞速发展,顶管穿越高速公路时有发生【1】，为了不影响高速公路正常运行，同时确保管道穿越高速的设计合理安全。对此本文围绕顶管穿越高速公路设计中的问题进行分析,提出应对措施。
关键词 顶管 穿越 高速公路 应对措施
随着我国高速公路建设的发展，管道不可避免与这些已建或在建的高速公路产生交叉。因此，管道在穿越高速公路时，必须采取极其稳妥的措施,确保高速公路的安全【2】。本文以《榆阳区煤矿疏干水综合利用项目金麻片区穿越高速、国道项目》为例，对管道穿越高速公路设计中套管管径确定、排泥等设施设置、套管及工作井、接收井回填、管道埋深确定、降水措施、中继间设置、注浆、施工监测等方面进行分析，并提出应对措施。
1、工程概况
1.1 项目背景
榆林市榆阳区作为全国重要的煤炭基地，煤炭资源具有储量大、埋藏浅、易开采、品质优等特征，同时，榆林属干旱地区，水资源匮乏，生态环境脆弱。榆神矿区疏干水外排和矿区缺水现象并存的矛盾十分突出。一方面，随着煤炭资源的大量开采，矿区缺水现象日趋严重。据统计，已建和在建矿井设计年涌水量达到1.1亿 m3，外排 9669 万 m3/a，致使地下含水层结构破坏和水位下降，水源涵养能力严重不足，造成部分地表径流断流，地面植被枯死，生态环境破坏严重。另一方面，榆神矿区大部分煤矿处于水源或自然保护区等环境敏感区域周边，环评批复为疏干水“零排放”，但由于矿井涌水量大，自身利用率低，许多煤矿就近外排形成大小不等的“湖泊”，浪费水资源的同时也产生了环境污染隐患，成为全区乃至全市突出的环境问题和省环保督查的重点问题。为解决疏干水外排出路及水资源浪费严重问题，榆阳区煤矿疏干水综合利用项目实施迫在眉睫。该项目工程的建设不仅可以缓减区域可供水量不足的问题，还可有效推进污染物减排工作，减轻榆林科学发展“增水减排”的双重压力。将疏干水作为应急补充水源，通过输水系统，将疏干水优先用于生态，兼顾农灌和工业用水，建成后可为缺水区域提供进一步水源保障，避免水资源浪费。
榆阳区煤矿疏干水综合利用项目输水管线在金鸡滩镇郭家滩煤矿北侧一次穿越榆神高速、337国道及现状路，输水管双排敷设，北侧管径为φ920x9mm，南侧管径为φ1230x16mm，管材为钢管。
1.2 地形地貌
本项目位于榆林市榆阳区，场地地形高低起伏，地面高程为1149.80～1342.80。场地地貌单元主要分为风砂滩地地貌和黄土梁地貌，风砂滩地地貌，表层风积砂较厚，多曲折相连，黄土梁地多被风沙半覆盖，梁地大小不一。沿线地表植被稀疏，主要生长为黄蒿、杨树等沙生植物。
1.3 工程地质
①层细砂（Q4eol）：褐黄色，含云母片，稍湿～饱和，松散～中密状态，以稍密状态为主，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。层厚5.50～8.50m，层底深度为5.50～8.50m，层底高程1299.00～1306.40m。
②层黄土（Q3eol）：黄褐色～红褐色，饱和，可塑~软塑，以可塑状态为主，针状孔隙发育，含钙质结核，局部含粉土夹层，偶见蜗牛碎片，无湿陷性，属中压缩性土。层厚4.50～5.30m，层底深度为10.60～13.00m，层底高程1294.50～1301.10m。
③层粉土（Q3eol）：褐黄色，含云母片，饱和，中密，含钙质结核，局部钙质结核富集，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。未揭穿，最大揭露厚度11.40m。
1.4 地下水情况
穿越榆神高速、337国道段遇见地下水，地下水埋深2.10～3.10m，稳定水位标高1304.40～1309.50m。地下水类型均为潜水，主要受大气降水补给影响，水位年变化幅度约1.0～2.0m。
1.5现状概况
管道穿越处，榆神高速、337国道及现状路三路并线，相距较近，呈南北走向，均为路基段。自西向东依次为337国道、榆神高速、现状路。其中，337国道路基宽约16米，榆神高速路基宽约28米，现状路宽约9米。337国道与榆神高速中线相距54m，榆神高速与现状路中线相距40m。三条道路两侧地势整体起伏不大，地面标高约为1308～1311m。该处高压线（110KV）分布众多，局部横跨榆神高速、337国道及现状路。现状路东侧有厂房，337国道西侧为荒漠地带。
1.6设计概况
榆阳区煤矿疏干水综合利用项目输水管线在金鸡滩镇郭家滩煤矿北侧一次穿越榆神高速、337国道及现状路，输水管道双排敷设，北侧管径为φ920x9mm，管长为173m，南侧管径为φ1230x16mm，管长为189m，管材均为钢管。本次设计在南、北侧输水管道外分别设置保护套管，均采用顶管施工，顶管管轴线与高速公路中线夹角为86°，南、北套管中心间距为14.5m，套管管径为d2000mm，采用钢筋混凝土钢承口管（Ⅲ级）。北侧顶管长度为141.4 m，南侧顶管长度为156.4 m。穿越段套管埋深为11.5～12.8m，穿越高速处套道埋深12.4m，穿越段管道均位于地下水位以下。
本次设计顶管单次顶进距离较长，需设置中继间，中继间设置在70～80m处。
全线共设置工作井2座，尺寸均为LxB=9.5x9.5m；接收井2座尺寸均为LxB=7x5m。平面布置图及纵断面图见下图。
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2、在设计中常见问题及应对措施
2.1套管管径确定
内穿管管径分别为φ920x9mm、φ1230x16mm，管材采用钢管。参考《埋地塑料给水管道工程技术规程》（CJJ101-2016）4.2.8条，管道穿越高等级路面、高速公路、铁路和主要市政管线设施时,宜垂直穿越,并应采用钢筋混凝土管、钢管或球墨铸铁管等作为保护套管。套管内径不得小于穿越管外径加200mm。本次穿越高速公路设计中，由于榆神高速、337国道及现状路三条道路相距较近，道路之间空间有限，施工作业面小，施工难度较大，风险较高，因此设计采用一次顶管穿越三条道路。鉴于单次顶进距离较长,且套管内安装内穿管,需要一定的操作空间，结合以往施工经验及目前榆林地区施工水平,预留空间最小处不宜小于0.8m。综合以上因素，本次设计顶管管径为d2000mm。
2.2排泥等设施设置
由纵断面图可知，穿越段为输水管道低洼处，根据《室外给水设计标准》（GB 50013-2018）7.5.8条，在输水管道低洼处可根据工程的需要设置排泥设施。考虑以下几点：①煤矿疏干水作为补充水源，管线供水重要性相对不高；②场地周边无河流、排水管道，排泥出路问题难以解决；③项目位于荒漠地带，后期维护管理不便；④穿越段管道埋深较大，排泥只能依靠强排，但场地周边无配电设施，用电困难。综合以上因素，本次穿越段不设置排泥设施。
为便于后期管道的检修维护，在穿越高速公路段前、后主管线上分别设置阀门井。同时，根据输水主管线纵坡，在穿越段前后设置排气或排泥设施。此部分内容由主管线设计单位统筹考虑，不在本次设计范围。
2.3套管及工作井、接收井回填
由2.2可知，本次穿越段不设置排泥设施，加之此处地下水位较高，工作坑较深，考虑到安全因素，待施工完成后，将工作井、接收井及套管内空隙一并回填。
工作井及接收井采用原状土分层回填压实，每层回填土压实度≥90%。
由于套管内空间狭小，施工不便，砂土回填不易密实，本次对套管内空隙采用C15混凝土回填，具体做法如下:
套管顶进完成后，套管内进行回填及内穿管管道基础施工，套管内部回填分三次回填，管道底部先一次浇筑400mm 厚的C15混凝土找平层，并在两侧预埋φ100镀锌钢管；待第一次浇筑C15混凝土强度达到设计强度的90%后安装主管，安装完成后二次浇筑C15混凝土以稳管；在钢管安装完成后，钢管与套管之间的空隙用C15混凝土填实，具体详见图三。
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2.4埋深确定
根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246：2008）要求，顶管覆盖层厚度在不稳定层中宜大于管道外径的1.5倍，并应大于1.5m，同时根据安全评估报告并结合以往设计经验，顶管穿越高速覆土深度宜大于3倍管道外径，综合考虑，本次顶管设计覆土按不小于10m控制。
2.5降水措施
设计工作井、接收井基本位于砂土层，地下水以下，且基坑较深，施工中易引发井室塌陷等不安全隐患，因此设计采用双排高压旋喷桩止水并对工作井周边土体进行加固，降水采用井点法降水。
高压旋喷桩沿井边每侧设置两排，桩径φ500mm，桩间距400mm，旋喷桩加固深度为井底以下2.5m。同时在工作井、接收井四周设置降水井降水，当地下水位降至单次开挖面以下1.0m后，方可进行施工作业，依次类推。遇到地下水呈饱和状态，且给顶管开挖面造成施工困难时，首先要预防土体流失造成地面沉降。顶管工具管内应放置污水泵，沿着顶管内壁安装排水管直达工作井、接收井，再由工作井、接收井内安置水泵直接把井内积水提升到地面。
2.6高压线下施工安全距离
项目场地周边高压线（110KV）分布众多，局部横跨榆神高速、337国道及现状路。根据《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ 46-2005）4.1.4条规定，起重机与110KV架空线路边线沿垂直方向最小安全距离不小于5m，沿水平方向最小安全距离不小于4m。在满足安全距离要求的同时，应做好相关防护措施，保障人身安全。
2.7中继间设置
本次穿越高速公路设计中，由于榆神高速、337国道及现状路三条道路相距较近，道路之间空间有限，施工作业面小，施工难度较大，风险较高，因此设计采用一次顶管穿越三条道路。单次顶进距离较长，应设置中继间，具体计算如下：
依据规范总顶力计算公式F0＝πD1Lfk+NF
其中F0---总顶力标准值（KN）；
D1---管道的外径（m）；取2.4m
L---管道设计顶进长度（m）
fk---管道外壁与土的平均摩阻力（kN/㎡），取9.0；
NF---顶管机的迎面阻力（kN）；
顶管采用泥水平衡式机械顶管，顶管迎面阻力计算如下：
NF=(π/4)DR2γSHS
Dg——顶管机外径（m）。取2.6m
HS——覆盖层厚度，取10m
γ——砂的湿重量，取19KN/m3
NF=(π/4)Dg2γSHS=(3.14/4)x2.62x19x10=1008KN
管道接口允许压力为7640KN，假设预估顶力等于管道接口允许压力，从而确定中继间设置间距不大于110m（工作井允许顶力设计值应大7640KN）。计算如下：
7640＝πD1Lfk+NF
7640-1008=3.14x2.4xLx8
L＝110m
本次设计北侧顶管长度为141.4 m，南侧顶管长度为156.4 m。两侧均需设置中继间一套，中继间设置在顶进距离为70～80m处。
2.8注浆
在沙漠地区进行顶管，施工时间长、难度大，因此注浆是及其重要的一个环节。由于砂性土具有松散、无粘性、透水性极强、自身成拱能力弱、摩擦阻力较大和渗透系数高的特点，给顶管施工带来不小难度。本次设计采用管内注浆，加固管道周围松散砂层，减小顶进过程的阻力。
同时，为减小顶进时对高速公路产生的影响，对高速公路路基进行注浆加固，单侧加固范围不小于3倍的顶管管道外径，深度为顶管顶，注浆孔直径为50mm，间距1m，采用?50mm小导管双液注浆加固土体。注浆施工要求如下：顶管施工时注触变泥浆、此工序施工完后用木塞堵塞。顶管施工就位后取下木塞，置换水泥砂浆。注浆压力为0.4～0.6Mpa；触变泥浆注浆应遵循“同步注浆与补浆相结合”和“先注后顶、随顶随注、及时补浆”的原则，制定合理的注浆工艺；泥浆、砂浆的制备要求详国家有关规范、规程要求。
2.9施工监测
为保证顶管施工时及施工完成后榆神高速的安全，需对施工期及施工后高速公路沉降进行监测，以便及时监测施工期间及施工后高速公路路基沉降情况，为施工提供反馈信息，根据反馈信息及时作出应对措施。同时在施工完成后对高速公路每半个月监测一次，连续监测3个月，确认顶管施工的后续影响【3】。
3、结语
在顶管穿越高速公路设计中，通过对顶管设计中套管管径确定、排泥等设施设置、套管及工作井、接收井回填、管道埋深确定、降水措施、中继间设置、注浆、施工监测等一系列问题分析，提出相应的措施，为今后的顶管穿越高速公路设计提供参考。
参考文献：
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【2】孙海军,李浩.管道穿越宁杭高速公路设计[J].公路,2005(03):175-178.
【3】石嵬,张艳艳,穆奕峰,王洪,&徐德亮.(2018).泥水平衡顶管穿越高速公路施工技术.中国石油和化工标准与质量,38(23),159-160+162.