输水管道顶管穿越公路施工对既有公路的安全影响分析

司德嵘 甘肃省交通科学研究院集团有限公司工程师

引洮工程是解决甘肃省中部地区居民生产生活用水的重大工程，其输水管道与既有公路的交叉现象非常频繁，在局部地区甚至出现反复交叉现象。输水管道与既有公路交叉，一般宜采用顶管方式从公路路基下方穿越，一旦穿越方案不合理或施工不当，容易造成路基失稳、路面沉降，进而引发交通事故，给既有公路的结构安全和运营安全带来了安全隐患。因此，正确识别与分析顶管穿越施工的安全影响因素、减小顶管穿越施工对既有公路及其附属设施的安全影响以及提出合理化的改进建议显得尤为重要。

1 概述

1.1 工程概况

引洮二期骨干工程静宁输水渠延长段全长8 654.5 m，可分为两段输水线路。其中，直供静宁县城调蓄水池压力的管线长度6 822.5 m，入池流量为0.95 m3/s；直供李家店水厂压力管线长度为1 832 m，流量0.77 m3/s。G566 线路基宽度8.5 m，二级公路技术标准，设计速度60 km/h。引洮工程静宁输水渠延长段压力管线穿越G566线K71+000 处，属于直供静宁县城调蓄水池压力管线段，采用顶管穿越公路路基，套管规格为DN1 000×100 mm Ⅲ级钢筋混凝土管，穿越公路断面如图1 所示。穿越处套管顶部距路面2.32 m，管道与G566线交叉角度90°，设计使用年限50 年。穿越处G566 线管道中心线高程1 667.68 m，公路路面高程为1 670.4 m，涉路套管长度为18.5 m，顶管工作井、接收井设置在公路用地范围外。

图1 穿越公路断面图

1.2 主要施工方法

1.2.1 设置顶管工作井、接收井

顶管工作井、接收井各设置1 个，尺寸为6.0 m×5.0 m×4.0 m，土方开挖采用机械与人工配合。工作井、接收井坑壁为钢板桩，封底为200 mm 厚的C20 混凝土，钢筋砼后背梁为5.0 m×3.0 m×0.6 m，配双层HRB335 钢筋。钢筋直径为18 mm，间距为200 mm。

1.2.2 设备安全就位

轨道安装是顶管施工中的关键步骤之一，安装时应保证轨道中心线和管道中心线的水平投影在一条直线上，并固定在工作井、接收井底部，确保顶管施工过程中方向不会发生偏移。

1.2.3 顶进作业

轨道和顶管设备安装完毕并调试合格后，即可着手顶进作业。首先进行顶管前端人工开挖，大概开挖0.5 m，其次进行第一节管道安装，确保管道固定牢固，并受力均匀，最后开始顶管施工作业。顶进作业应配合人工开挖进行，采用边挖边顶、随挖随顶的方式进行。此外，顶进过程中应加强路面监测，时刻关注路面变形和裂缝情况，一旦超限，立即预警并采取有效补救措施。

1.2.4 顶进过程中的三浆使用

一是触变泥浆，主要为顶进作业减小套管和周围土体间的摩擦阻力。套管顶进与注浆同时进行，保障顶进作业顺利进行。二是土壤固化浆，由于本顶管穿越土层为砾石层，为使顶管正常掘进，土体要具有良好的塑流性，因此砾石层中须注入土壤固化浆，以满足土体塑流化的要求。三是水泥浆，主要用来填充管道与周围土体的空隙，保证管道与周围土体成为整体，对防止路面沉降和提高作业区土体结构的密实性起着至关重要的作用。

2 顶管穿越施工技术要求及响应

为减小顶管穿越施工对既有公路及其附属设施的影响，相关公路规范规定，顶管穿越施工应在建筑限界、交叉角度、耐久性标识、套管覆土深度、施工要求、禁止行为、交通组织以及应急预案等方面满足规范要求。

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员安全、损害公路的构造和设施[1]。引洮工程输水管道顶管穿越G566线，但未侵入G566 线公路建筑限界，因此不影响G566 线车辆和人员的正常通行，对公路及其附属设施的安全影响较小。

2.2 交叉角度

管线穿越公路时宜采用正交。必须斜交时，其交叉的锐角应大于30°[2]。引洮工程输水管道与G566 线的交叉角度为90°。

2.3 耐久性标识设置

管线穿越公路应在公路两侧设置耐久性标识。经核查，顶管作业完成后，引洮工程输水管道顶管已在G566 线两侧的地面上设置耐久性标识，标识牌采用混凝土基础，立在供水管线中心公路用地最外沿的交点处。

2.4 套管覆土深度

管线穿越公路时，应设置地下通道（涵）或保护套管，通道或套管应按相应公路等级的汽车荷载等级进行验算，套管顶面距路面底基层的底面应不＜1.00 m[3]。经核查，引洮工程输水管道顶管穿越G566 线，已设置保护套管，覆土深度为2.32 m，G566 线路面层厚度约为0.63 m，保护套管其顶面距路面底基层的底面高度＞1.69 m，并按既有公路的车辆荷载等级进行验算。

2.5 施工要求

施工前，应根据相关设计文件核查地下构造物的埋设位置及走向，并采取相应的保护措施。顶管穿越施工时应对路面沉降进行观测，沉降量不应超过20 mm，当沉降量达到限值的70%时，应及时预警并启动应急预案。顶管工作井、接收井应设置在公路用地范围外，开挖深度较大时应采取安全可靠的支护措施，确保公路路基稳定性。施工时应保持既有公路排水系统的通畅，若需临时占用既有排水设施，施工完毕后则应及时恢复原貌[4]。

经核查，项目作业区域无管道、电缆等地下构造物，施工方案中已包括路面沉降监测措施和发生路面沉降和路面裂缝时的应急措施，且顶管工作井、接收井距离公路土路肩边缘的净距＞5.0 m，均位于在公路用地范围外。此外，顶管穿越施工作业对既有公路排水影响极小。

2.6 禁止行为及管道介质要求

严禁易燃、易爆、高压等管线设施利用或通过公路桥梁。经核查，输水管道不属于易燃、易爆、高压等管线设施，且未利用或通过公路桥梁地段，而采用顶管方式穿越G566 线路基。

2.7 交通组织

施工作业前，应制定合理的施工区交通组织方案，制定绕行方案或设置临时便道，尽量减小对既有公路车辆通行的影响。经核查，采用顶管方式穿越G566 线路基，不影响G566 线的正常通行，但应在施工区两侧设置施工告示牌，提醒过往车辆减速慢行，必要时可设置临时限载措施。

2.8 应急预案

应制定施工区专项应急方案，保证发生施工险情或意外事故时能及时响应、及时救援，最大限度减小财产损失，避免人员伤亡，并能及时恢复施工作业。经核查，采用顶管方式穿越G566 线路基，施工单位根据施工区域的特点制定了详尽的应急预案，应急预案组织体系科学合理，危险源识别比较全面，应急措施较为得当。同时，施工过程中还应加强培训和应急演练，确保应急预案的有效性[5]。

综上，引洮工程输水管道顶管穿越G566 线方案符合现行相关标准规规定，能够保证穿越施工期间G566 线的质量和安全。此外，项目建成后不会对G566 线的日常养护工作造成妨碍，穿越方案对公路质量和安全的影响处于可控范围。

3 输水管道顶管穿越既有公路施工的安全影响因素分析

3.1 基坑稳定性对既有公路路基稳定性的影响

工作井、接收井基坑虽位于公路用地范围外，但与公路边坡较近且基坑较深，因此在开挖基坑时，若不及时对坑壁进行防护或加固处理，有可能造成坑壁失稳，并引起既有公路边坡失稳、排水沟损坏，影响既有公路路基的稳定性[6]。

3.2 开挖层开挖应力释放对路面沉降的影响

管道穿越已固结完成的公路地基，顶管施工的扰动作用将会导致附近区域土体松动，造成周围土体的局部应力释放，在车辆荷载作用下会引发路基变形，最终导致路面沉降或出现裂缝[7]。

3.3 超挖、欠挖对公路路面的影响

管道顶进时，受顶进方向可能存在的误差影响，实际开挖的土层断面往往与套管断面不一致，路基土层超挖、欠挖现象客观存在。特别是管道直径较大时，极易出现超挖现象，管道与周围土层可能存在空隙或局部不密实现象，最终导致路面沉降[8]。而欠挖时又容易造成管道与土体挤压，土体挤压积聚变形，严重时导致路面隆起。

3.4 车辆荷载对公路路面的影响

顶管开挖会破坏土体结构，形成新的受力体系，部分区域会出现土体变形[9]。如果顶管施工中不中断交通，大量车辆，特别是大车、重车通行，将会大幅增加管道上方土体的附加应力，影响到开挖管孔的质量，最终导致路面沉降增大。

3.5 顶管施工对车辆通行的影响

输水管道顶管施工时，若不进行合理的交通通行引导或施工过程中公路出现损坏等，将造成交通拥挤，极大地影响公路的安全运营[10]。

3.6 输水管道对公路的影响

首先，管道顶管施工后，在上方土压力、车辆荷载以及环境荷载的作用下，受扰动的公路路基最终将完成永久固结沉降。固结期间，管道顶管处路面将可能会出现局部沉陷与裂缝等现象[11]。其次，公路上的车辆，特别是大车、重车的反复碾压，有可能造成管道基础损坏、套管破裂，导致路面出现裂缝，甚至发生沉陷。最后，受套管管径尺寸限制，在输水管道出现渗漏水等现象后，维修人员如果无法及时对输水管道进行维护，会使漏水渗入公路路基中，危及公路路基结构稳定或导致边坡失稳，进而可能造成路基损毁或路面塌陷，影响公路安全运营[12]。

3.7 其他因素对路面的影响

一是顶管施工注浆减摩时，若泥水用量、泥水指标以及注浆设备等控制不好，容易造成水膜防护质量不好；若泥浆水分较多渗入管孔周壁的地基土体上，则容易加剧管孔周围土体松动[13]。二是管道严密性试验时，若防水措施做得不好，试压漏水会浸泡管道周围的地基，造成公路结构损坏。三是工程完成后，管道可能会因腐蚀等原因致使承载力及耐久性降低，在大型重车荷载作用下可能损坏，影响到公路的安全。四是套管与土体之间的相互作用会引起路基内孔隙水发生变化，引起路基微小变形。五是夜间施工时，灯光照明可能会干扰驾驶员的视线，影响通行安全[14]。

4 安全对策与改建建议

根据法律法规和规范标准，结合安全分析与评价结果，输水管道顶管穿越既有公路，对既有公路及其附属设施的安全影响在可控范围内。在项目实施过程中，应落实如下建议。

4.1 工作井、接收井建议

工作井、接收井开挖时应设置专职安全人员，施工作业前应加强技术交底，避免基坑边坡失稳现象的发生。机械开挖后，宜用人工修整坡面。雨季施工时，要做好工作井、接收井周围雨水的防、排、堵等工作，可设置临时排水设施，时刻保证排水通畅，保证既有公路施工区域无积水[15]。

4.2 顶管施工建议

应对穿越处路面沉降验算，并对公路路面进行变形监测，确保公路路面沉降量不得超过20 mm。若施工过程中路面出现裂缝或路面变形超限，应立即停止施工作业并中断交通，采取应急处置措施，必要时进行专家论证。若顶进作业长时间停工，应立即采取措施，防止坍塌事故的发生。施工完成后，应做好压力管线的检测、试验、检漏以及防护措施，对工作井、接收井进行围护，围挡前后禁止停车。围护设施宜采用彩钢瓦遮挡维护，内侧用钢管支撑固定，彩钢瓦应透风，以防彩钢瓦受风载过大发生倾覆。此外，根据项目实际情况，在公路两侧附近设置紧急切断阀，一旦发生管道渗漏水，就立即切断水流。

4.3 公路远期规划及交通通行建议

管道穿越施工前，应向公路主管部门了解既有公路的远期规划情况，顶管穿越位置、顶管长度等均应满足公路未来改扩建需求。同时，在施工过程中，应对过往车辆采取适当的临时限载限速措施，并制定应急绕行路线方案，在发生施工险情或意外事故时，能有效阻止车辆绕行，避免拥堵。

4.4 公路设施及地貌恢复建议

施工完毕后，应及时移除公路周围隔离物、场内外警示牌以及标识牌，清理作业场地的材料、设备与建筑垃圾，并按既有公路原设计标准及时恢复施工过程中造成损坏的路基边坡、排水沟等公路设施、公路周围地貌及植被等，在既有公路两侧的管道设置标识性标志。

5 结语

输水管道穿越既有公路，在保障既有公路及其附属设施质量和安全的前提下采用合理可行、技术先进的穿越方案，对于保证既有公路交通出行的安全性和方便性，保障公路及其附属设施的不受损害具有重要的意义。涉路单位应在行政许可规定的时间内施工，并根据涉路施工区域的具体情况和有关专家的意见，进一步完善设计、优化施工工艺、落实施工安全保障措施，最大限度减小对既有公路的安全影响，确保顶管穿越公路施工顺利进行。