顶管下穿高速公路安全性分析

赵辰 章静

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430070）

一、概述

随着交通和市政基础设施建设的快速发展，不可避免地出现了排水管线、天然气管线、石油管道等必须下穿高速公路的情况。在充分考量道路畅通要求以及工程经济效益的前提下得出，明挖法不适用此类管线的沟槽开挖，而顶管法作为一种非明挖性技术，具有施工期短、对周边环境影响小的特点，可广泛使用。但顶管法施工仍不可避免对周边环境造成扰动，引起管周地层出现挤压、卸荷，进而影响公路路基，致使地表发生隆沉现象。为保证高速公路自身及行车安全，有必要通过计算分析顶管下穿施工对高速公路的影响。

对此，本文结合武湖污水处理厂污水管道下穿武英高速的顶管工程，采用MIDAS GTS有限元软件对顶管下穿武英高速的交叉部位进行三维数值建模，以分析在交叉段落范围内顶管施工对高速公路安全的影响。

二、工程概况

武湖污水处理厂配套管网工程下穿武英高速的管线W74～W76设计里程为横阳大道K4+040～K4+220，采用顶管法施工，管长172m，其中下穿武英高速段长约98m，采用D1800F型加强Ⅲ级钢筋混凝土套管，管壁厚度为240mm，F型外钢套环形橡胶圈接头。管线下穿处高速公路的里程为K756+053。本管线段在高速公路外侧的埋深约7m，顶管顶部与武英高速路面的垂直距离约9.2m。本工程场地为长江三级阶地，基岩面埋深约17m，顶管穿越土层主要为黏土层。场地地下水层滞水水位在自然地面下0.50～3.50m左右，对应标高为18.95～23.97m，水位变化幅度为5.02m。

下穿武英高速段的顶管始发井W74位于高速公路西侧，采用方形沉井，混凝土等级为C30，沉井内净空尺寸为6m×4m，高H=6.35m，壁厚B=0.7m，分层下沉，直至沉井沉到设计高程后，再依次进行封底混凝土及底板的施工。

下穿武英高速段顶管接收井采用方形接收井W76，混凝土等级为C30，平面尺寸为4m×4m，高H=6.75m，壁厚B=0.55m，分层下沉，直至沉井沉到设计高程后，再依次进行封底混凝土及底板的施工。

三、下穿武英高速的变形计算

（一）武英高速变形控制标准

拟建项目顶管下穿武英高速路基段，根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015），公路路基施工后沉降应符合表1的要求。

表1.公路路基容许工后沉降

同时，参考《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）第9.3.4条，城市轨道交通工程邻近高速公路和城市道路时，路基沉降的控制值可按表2确定。

表2.路基沉降控制值

参照上述规范，确定有项目顶管下穿导致的武英高速路基的隆沉控制值为：累计隆沉控制值为20mm、变化速率为2mm/d。

（二）计算模型的建立

1.几何模型及网格划分

根据拟建项目与武英高速的相互位置关系、地勘资料等，利用Midas GTS软件建立顶管下穿武英高速段三维数值计算模型。本计算模型真实考虑土层、顶管、现状公路路基的三维实际尺寸和形状，并考虑顶管施工的时间、空间效应，模型总长为260m，宽为68.6m，高为40m，所建立的模型如图1、图2所示。

图1.整体数值计算模型

图2.顶管结构及高速公路路基的计算模型

2.材料参数设置

由于摩尔-库伦本构土体只有单一刚度，不能处理土体卸荷的特性，而修正摩尔-库伦本构考虑了土体弹性卸载/再加载时的弹性模量，从而能较好地解决摩尔-库伦本构下地面隆起变形和管道底部土体隆起偏大的情况。本文计算模型中，土体均采用修正摩尔-库伦本构模型，土体参数参照地勘资料建议值并结合工程经验选取，顶管结构的混凝土等级均为C30，计算采用线弹性本构模型。

表3.土层材料主要参数表

3.荷载和边界条件设置

本文数值模型计算过程中，约束模型底部的竖向、水平位移，约束模型侧边的法向位移。

根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）第7.0.3条，高速公路的汽车荷载可取公路-I级，车道荷载的均布荷载标准值为10.5kPa。本工程从安全角度出发，将高速公路车道荷载值定为20kPa。

4.分析步设置

为较准确地模拟顶管施工对高速公路的影响，并考虑各工况的增量累计效应，本数值模型分析步设置如下：

（1）初始地应力平衡；

（2）始发井、接收井沉井施工（下沉沉井单元，移除井内土体）；

（3）顶管顶进施工（本分析步分若干个子分析步完成，每次完成两环管节的顶进模拟，每两环管节施工模拟过程为：管节范围对应的土体单元地应力释放50%；激活管节结构单元；管节范围对应的土体单元地应力释放100%）。

（三）计算结果

1.地层变形结果

根据计算结果，提取始发井和接收井开挖完成后、顶管顶进至高速公路西侧路堤坡脚、顶进至高速公路路堤正下方、顶进至高速公路东侧路堤坡脚以及顶进至接收井，5个施工步下的地层竖向变形云图，结果如图3～图7所示。

图3.始发井和接收井开挖完成后地层竖向变形云图（单位：m）

图4.顶管顶进至西侧路堤坡脚处地层竖向变形云图（单位：m）

图5.顶管顶进至路堤正下方处地层竖向变形云图（单位：m）

图6.顶管顶进至东侧路堤坡脚处地层竖向变形云图（单位：m）

图7.顶管顶进至接收井处地层竖向变形云图（单位：m）

由上图可知，本顶管工程施工对地层变形的主要影响为顶管工作井底的土体隆起，最大隆起量约为3.5mm。顶管顶进施工对地层的变形影响较小，地面变形主要为顶管正上方的微小沉降。顶管顶进至路堤西侧坡脚时，道路路面的沉降约为0.06mm，变形可忽略；顶管顶进至路堤正下方时，最大变形主要表现为道路中央偏西侧顶管正上方路面的沉降，最大沉降量为1.17mm；顶管继续顶进至路堤东侧坡脚处，道路路面最大沉降量增至1.22mm，最大沉降位于道路中央处，道路西侧路面的沉降基本保持不变；随着顶管的继续顶进，道路路面最大沉降量略有增加，直至顶至接收井处，道路路面最大沉降量稳定在1.24mm。

2.计算结果分析

各施工步下高速公路路面的沉降计算结果如表4所示。

表4.不同施工步下高速公路路面沉降汇总表

根据以上计算结果，顶管下穿高速公路导致的路面沉降量较小，最大沉降量为1.24mm（小于20mm），位于道路中央，且变化速率小于2mm/d，满足拟定的高速公路安全运行变形控制标准。

四、结语

本工程拟建给水管道下穿武英高速路基段，采用顶管法施工，管线走向与高速公路夹角几近垂直，管线与武英高速路面的垂直距离为9.4m（大于8.0m），距地表埋深为4.5m（大于4m）。管线均采用地下敷设，满足出入土点与路堤距离大于10m的要求。管线线型满足相关规范及相关法律法规的要求。

本工程管线采用顶管法下穿高速公路，顶管W74始发井和W76接收井距高速公路路堤脚的距离分别为21m、93m，且本段高速公路线型为直线，顶管施工对高速公路视距、高速公路行车限界无影响。

本工程采用顶管法下穿高速公路，经计算，顶管施工导致的高速公路路面结构沉降最大为1.24mm，满足正常运行的变形控制标准，施工期间无需占道，对高速公路交通影响较小，满足相关法律法规及行业规范的要求。在顶管施工过程中，高速公路的安全性能够得到保证。

在顶管顶进施工完成后，建议采用水泥浆置换管壁外侧的触变泥浆套，以减少高速路基的后期沉降量。同时，加强施工期间武英高速的沉降监测，密切关注沉降发展趋势，做到信息化施工。