輸水管道頂管穿越公路施工對既有公路的安全影響分析

司德嶸 甘肅省交通科學研究院集團有限公司工程師

引洮工程是解決甘肅省中部地區居民生產生活用水的重大工程，其輸水管道與既有公路的交叉現象非常頻繁，在局部地區甚至出現反復交叉現象。輸水管道與既有公路交叉，一般宜采用頂管方式從公路路基下方穿越，一旦穿越方案不合理或施工不當，容易造成路基失穩、路面沉降，進而引發交通事故，給既有公路的結構安全和運營安全帶來了安全隱患。因此，正確識別與分析頂管穿越施工的安全影響因素、減小頂管穿越施工對既有公路及其附屬設施的安全影響以及提出合理化的改進建議顯得尤為重要。

1 概述

1.1 工程概況

引洮二期骨干工程靜寧輸水渠延長段全長8 654.5 m，可分為兩段輸水線路。其中，直供靜寧縣城調蓄水池壓力的管線長度6 822.5 m，入池流量為0.95 m3/s；直供李家店水廠壓力管線長度為1 832 m，流量0.77 m3/s。G566 線路基寬度8.5 m，二級公路技術標準，設計速度60 km/h。引洮工程靜寧輸水渠延長段壓力管線穿越G566線K71+000 處，屬于直供靜寧縣城調蓄水池壓力管線段，采用頂管穿越公路路基，套管規格為DN1 000×100 mm Ⅲ級鋼筋混凝土管，穿越公路斷面如圖1 所示。穿越處套管頂部距路面2.32 m，管道與G566線交叉角度90°，設計使用年限50 年。穿越處G566 線管道中心線高程1 667.68 m，公路路面高程為1 670.4 m，涉路套管長度為18.5 m，頂管工作井、接收井設置在公路用地范圍外。

圖1 穿越公路斷面圖

1.2 主要施工方法

1.2.1 設置頂管工作井、接收井

頂管工作井、接收井各設置1 個，尺寸為6.0 m×5.0 m×4.0 m，土方開挖采用機械與人工配合。工作井、接收井坑壁為鋼板樁，封底為200 mm 厚的C20 混凝土，鋼筋砼后背梁為5.0 m×3.0 m×0.6 m，配雙層HRB335 鋼筋。鋼筋直徑為18 mm，間距為200 mm。

1.2.2 設備安全就位

軌道安裝是頂管施工中的關鍵步驟之一，安裝時應保證軌道中心線和管道中心線的水平投影在一條直線上，并固定在工作井、接收井底部，確保頂管施工過程中方向不會發生偏移。

1.2.3 頂進作業

軌道和頂管設備安裝完畢并調試合格后，即可著手頂進作業。首先進行頂管前端人工開挖，大概開挖0.5 m，其次進行第一節管道安裝，確保管道固定牢固，并受力均勻，最后開始頂管施工作業。頂進作業應配合人工開挖進行，采用邊挖邊頂、隨挖隨頂的方式進行。此外，頂進過程中應加強路面監測，時刻關注路面變形和裂縫情況，一旦超限，立即預警并采取有效補救措施。

1.2.4 頂進過程中的三漿使用

一是觸變泥漿，主要為頂進作業減小套管和周圍土體間的摩擦阻力。套管頂進與注漿同時進行，保障頂進作業順利進行。二是土壤固化漿，由于本頂管穿越土層為礫石層，為使頂管正常掘進，土體要具有良好的塑流性，因此礫石層中須注入土壤固化漿，以滿足土體塑流化的要求。三是水泥漿，主要用來填充管道與周圍土體的空隙，保證管道與周圍土體成為整體，對防止路面沉降和提高作業區土體結構的密實性起著至關重要的作用。

2 頂管穿越施工技術要求及響應

為減小頂管穿越施工對既有公路及其附屬設施的影響，相關公路規范規定，頂管穿越施工應在建筑限界、交叉角度、耐久性標識、套管覆土深度、施工要求、禁止行為、交通組織以及應急預案等方面滿足規范要求。

2.1 建筑限界

管道不得侵入公路建筑限界、妨害公路交通安全和人員安全、損害公路的構造和設施[1]。引洮工程輸水管道頂管穿越G566線，但未侵入G566 線公路建筑限界，因此不影響G566 線車輛和人員的正常通行，對公路及其附屬設施的安全影響較小。

2.2 交叉角度

管線穿越公路時宜采用正交。必須斜交時，其交叉的銳角應大于30°[2]。引洮工程輸水管道與G566 線的交叉角度為90°。

2.3 耐久性標識設置

管線穿越公路應在公路兩側設置耐久性標識。經核查，頂管作業完成后，引洮工程輸水管道頂管已在G566 線兩側的地面上設置耐久性標識，標識牌采用混凝土基礎，立在供水管線中心公路用地最外沿的交點處。

2.4 套管覆土深度

管線穿越公路時，應設置地下通道（涵）或保護套管，通道或套管應按相應公路等級的汽車荷載等級進行驗算，套管頂面距路面底基層的底面應不＜1.00 m[3]。經核查，引洮工程輸水管道頂管穿越G566 線，已設置保護套管，覆土深度為2.32 m，G566 線路面層厚度約為0.63 m，保護套管其頂面距路面底基層的底面高度＞1.69 m，并按既有公路的車輛荷載等級進行驗算。

2.5 施工要求

施工前，應根據相關設計文件核查地下構造物的埋設位置及走向，并采取相應的保護措施。頂管穿越施工時應對路面沉降進行觀測，沉降量不應超過20 mm，當沉降量達到限值的70%時，應及時預警并啟動應急預案。頂管工作井、接收井應設置在公路用地范圍外，開挖深度較大時應采取安全可靠的支護措施，確保公路路基穩定性。施工時應保持既有公路排水系統的通暢，若需臨時占用既有排水設施，施工完畢后則應及時恢復原貌[4]。

經核查，項目作業區域無管道、電纜等地下構造物，施工方案中已包括路面沉降監測措施和發生路面沉降和路面裂縫時的應急措施，且頂管工作井、接收井距離公路土路肩邊緣的凈距＞5.0 m，均位于在公路用地范圍外。此外，頂管穿越施工作業對既有公路排水影響極小。

2.6 禁止行為及管道介質要求

嚴禁易燃、易爆、高壓等管線設施利用或通過公路橋梁。經核查，輸水管道不屬于易燃、易爆、高壓等管線設施，且未利用或通過公路橋梁地段，而采用頂管方式穿越G566 線路基。

2.7 交通組織

施工作業前，應制定合理的施工區交通組織方案，制定繞行方案或設置臨時便道，盡量減小對既有公路車輛通行的影響。經核查，采用頂管方式穿越G566 線路基，不影響G566 線的正常通行，但應在施工區兩側設置施工告示牌，提醒過往車輛減速慢行，必要時可設置臨時限載措施。

2.8 應急預案

應制定施工區專項應急方案，保證發生施工險情或意外事故時能及時響應、及時救援，最大限度減小財產損失，避免人員傷亡，并能及時恢復施工作業。經核查，采用頂管方式穿越G566 線路基，施工單位根據施工區域的特點制定了詳盡的應急預案，應急預案組織體系科學合理，危險源識別比較全面，應急措施較為得當。同時，施工過程中還應加強培訓和應急演練，確保應急預案的有效性[5]。

綜上，引洮工程輸水管道頂管穿越G566 線方案符合現行相關標準規規定，能夠保證穿越施工期間G566 線的質量和安全。此外，項目建成后不會對G566 線的日常養護工作造成妨礙，穿越方案對公路質量和安全的影響處于可控范圍。

3 輸水管道頂管穿越既有公路施工的安全影響因素分析

3.1 基坑穩定性對既有公路路基穩定性的影響

工作井、接收井基坑雖位于公路用地范圍外，但與公路邊坡較近且基坑較深，因此在開挖基坑時，若不及時對坑壁進行防護或加固處理，有可能造成坑壁失穩，并引起既有公路邊坡失穩、排水溝損壞，影響既有公路路基的穩定性[6]。

3.2 開挖層開挖應力釋放對路面沉降的影響

管道穿越已固結完成的公路地基，頂管施工的擾動作用將會導致附近區域土體松動，造成周圍土體的局部應力釋放，在車輛荷載作用下會引發路基變形，最終導致路面沉降或出現裂縫[7]。

3.3 超挖、欠挖對公路路面的影響

管道頂進時，受頂進方向可能存在的誤差影響，實際開挖的土層斷面往往與套管斷面不一致，路基土層超挖、欠挖現象客觀存在。特別是管道直徑較大時，極易出現超挖現象，管道與周圍土層可能存在空隙或局部不密實現象，最終導致路面沉降[8]。而欠挖時又容易造成管道與土體擠壓，土體擠壓積聚變形，嚴重時導致路面隆起。

3.4 車輛荷載對公路路面的影響

頂管開挖會破壞土體結構，形成新的受力體系，部分區域會出現土體變形[9]。如果頂管施工中不中斷交通，大量車輛，特別是大車、重車通行，將會大幅增加管道上方土體的附加應力，影響到開挖管孔的質量，最終導致路面沉降增大。

3.5 頂管施工對車輛通行的影響

輸水管道頂管施工時，若不進行合理的交通通行引導或施工過程中公路出現損壞等，將造成交通擁擠，極大地影響公路的安全運營[10]。

3.6 輸水管道對公路的影響

首先，管道頂管施工后，在上方土壓力、車輛荷載以及環境荷載的作用下，受擾動的公路路基最終將完成永久固結沉降。固結期間，管道頂管處路面將可能會出現局部沉陷與裂縫等現象[11]。其次，公路上的車輛，特別是大車、重車的反復碾壓，有可能造成管道基礎損壞、套管破裂，導致路面出現裂縫，甚至發生沉陷。最后，受套管管徑尺寸限制，在輸水管道出現滲漏水等現象后，維修人員如果無法及時對輸水管道進行維護，會使漏水滲入公路路基中，危及公路路基結構穩定或導致邊坡失穩，進而可能造成路基損毀或路面塌陷，影響公路安全運營[12]。

3.7 其他因素對路面的影響

一是頂管施工注漿減摩時，若泥水用量、泥水指標以及注漿設備等控制不好，容易造成水膜防護質量不好；若泥漿水分較多滲入管孔周壁的地基土體上，則容易加劇管孔周圍土體松動[13]。二是管道嚴密性試驗時，若防水措施做得不好，試壓漏水會浸泡管道周圍的地基，造成公路結構損壞。三是工程完成后，管道可能會因腐蝕等原因致使承載力及耐久性降低，在大型重車荷載作用下可能損壞，影響到公路的安全。四是套管與土體之間的相互作用會引起路基內孔隙水發生變化，引起路基微小變形。五是夜間施工時，燈光照明可能會干擾駕駛員的視線，影響通行安全[14]。

4 安全對策與改建建議

根據法律法規和規范標準，結合安全分析與評價結果，輸水管道頂管穿越既有公路，對既有公路及其附屬設施的安全影響在可控范圍內。在項目實施過程中，應落實如下建議。

4.1 工作井、接收井建議

工作井、接收井開挖時應設置專職安全人員，施工作業前應加強技術交底，避免基坑邊坡失穩現象的發生。機械開挖后，宜用人工修整坡面。雨季施工時，要做好工作井、接收井周圍雨水的防、排、堵等工作，可設置臨時排水設施，時刻保證排水通暢，保證既有公路施工區域無積水[15]。

4.2 頂管施工建議

應對穿越處路面沉降驗算，并對公路路面進行變形監測，確保公路路面沉降量不得超過20 mm。若施工過程中路面出現裂縫或路面變形超限，應立即停止施工作業并中斷交通，采取應急處置措施，必要時進行專家論證。若頂進作業長時間停工，應立即采取措施，防止坍塌事故的發生。施工完成后，應做好壓力管線的檢測、試驗、檢漏以及防護措施，對工作井、接收井進行圍護，圍擋前后禁止停車。圍護設施宜采用彩鋼瓦遮擋維護，內側用鋼管支撐固定，彩鋼瓦應透風，以防彩鋼瓦受風載過大發生傾覆。此外，根據項目實際情況，在公路兩側附近設置緊急切斷閥，一旦發生管道滲漏水，就立即切斷水流。

4.3 公路遠期規劃及交通通行建議

管道穿越施工前，應向公路主管部門了解既有公路的遠期規劃情況，頂管穿越位置、頂管長度等均應滿足公路未來改擴建需求。同時，在施工過程中，應對過往車輛采取適當的臨時限載限速措施，并制定應急繞行路線方案，在發生施工險情或意外事故時，能有效阻止車輛繞行，避免擁堵。

4.4 公路設施及地貌恢復建議

施工完畢后，應及時移除公路周圍隔離物、場內外警示牌以及標識牌，清理作業場地的材料、設備與建筑垃圾，并按既有公路原設計標準及時恢復施工過程中造成損壞的路基邊坡、排水溝等公路設施、公路周圍地貌及植被等，在既有公路兩側的管道設置標識性標志。

5 結語

輸水管道穿越既有公路，在保障既有公路及其附屬設施質量和安全的前提下采用合理可行、技術先進的穿越方案，對于保證既有公路交通出行的安全性和方便性，保障公路及其附屬設施的不受損害具有重要的意義。涉路單位應在行政許可規定的時間內施工，并根據涉路施工區域的具體情況和有關專家的意見，進一步完善設計、優化施工工藝、落實施工安全保障措施，最大限度減小對既有公路的安全影響，確保頂管穿越公路施工順利進行。