熊師遠(yuǎn)，文昌盛

（廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007）

0 引言

隨著高速公路網(wǎng)的形成，新建壓力管道下穿既有公路的涉路施工激增。新建壓力管道下穿施工必然會(huì)對(duì)既有公路的安全運(yùn)營(yíng)和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的會(huì)造成公路破壞，引起較大的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

根據(jù)《公路安全保護(hù)條例》，“跨越、穿越公路修建橋梁、渡槽或者架設(shè)、埋設(shè)管道、電纜等設(shè)施”，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)向公路管理機(jī)構(gòu)提出申請(qǐng)，并提交下列材料：“（一）符合有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的設(shè)計(jì)和施工方案；（二）保障公路附屬設(shè)置質(zhì)量和安全的技術(shù)評(píng)價(jià)報(bào)告；（三）處置施工險(xiǎn)情和意外事故的應(yīng)急預(yù)案?！惫恃芯繅毫艿老麓┘扔泄返陌踩u(píng)估方法是十分必要的、合法的。

1 管道穿越的危險(xiǎn)性分析

1.1 管道自身危險(xiǎn)性

壓力管道輸送距離較長(zhǎng)，輸送壓力較高，同時(shí)輸送介質(zhì)具有一定的危險(xiǎn)性。在設(shè)計(jì)中存在管道強(qiáng)度計(jì)算不準(zhǔn)確、管道穿越位置選址不合理、材料選擇不合理等因素，壓力管道自身可能引發(fā)事故。在運(yùn)營(yíng)管理中，可能因腐蝕、疲勞等因素，造成管道或連接部位泄漏而引起事故。

1.2 管道對(duì)公路的安全影響

壓力管道穿越對(duì)公路及其附屬設(shè)施的影響主要表現(xiàn)在：路面沉降、塌陷；泥漿污染；交通干擾等。

路面沉降、塌陷誘發(fā)因素有：出、入土點(diǎn)距離路基較近；路基地質(zhì)條件較差；穿越預(yù)擴(kuò)孔直徑過(guò)大；未進(jìn)行沉降觀(guān)測(cè)等。從而導(dǎo)致路基塌陷或破壞，路面結(jié)構(gòu)層龜裂甚至塌陷。

由于大口徑管道的穿越泥漿使用量較大，泥漿池存儲(chǔ)的泥漿意外泄漏之外，穿越公路過(guò)程中的冒漿、跑漿可能造成公路邊溝、耕地、水域污染。

施工人員交通安全意識(shí)參差不齊，施工中隨意橫穿公路；機(jī)械設(shè)備、材料進(jìn)退場(chǎng)占用行車(chē)道，交通管制措施不完善；因施工事故引起道路設(shè)施破壞等，均可導(dǎo)致交通干擾或交通事故。

1.3 公路對(duì)管道的安全影響

壓力管道穿越公路施工過(guò)程中，公路不能中斷交通，過(guò)往車(chē)輛荷載必然對(duì)路面沉降變形加劇，影響管道施工。

管道運(yùn)營(yíng)期，隨著公路交通量的增加，汽車(chē)荷載作用在管道上的應(yīng)力增加，可能導(dǎo)致管道破壞。

2 管道穿越公路安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)對(duì)壓力管道穿越公路的危險(xiǎn)性分析，主要針對(duì)穿越位置、管道埋深、路面沉降、套管壁厚、地基承載力進(jìn)行評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分析。

2.1 穿越位置評(píng)估

壓力管道與公路交叉時(shí)，一般采取垂直交叉，從公路路基下穿越，如需斜交，交角應(yīng)≥60°，受限制時(shí)應(yīng)≥45°，山嶺地區(qū)特別困難路段應(yīng)≥30°。

穿越位置宜避開(kāi)潮濕地帶、石方區(qū)、陡坡地段或需要深挖才能穿越的地方。其穿越點(diǎn)周?chē)鷳?yīng)有足夠的空間，滿(mǎn)足管道穿越施工和維護(hù)的要求，滿(mǎn)足鄰近建構(gòu)筑物和設(shè)施安全距離的要求。

2.2 管道埋深評(píng)估

2.2.1 一般要求

根據(jù)《涉路工程安全評(píng)價(jià)規(guī)范》（DB34／T 790－2008），穿越公路的管道最小埋深應(yīng)滿(mǎn)足表1的要求。

表1 穿越管道最小覆土深度數(shù)值表

使用套管時(shí)，埋深從套管頂端開(kāi)始計(jì)算。管道埋深及套管端部伸出路基坡腳的長(zhǎng)度見(jiàn)圖1。

圖1 帶套管的管道埋深示意圖

2.2.2 路基工作區(qū)

管道穿越公路施工，由于不中斷公路交通，路基工作區(qū)內(nèi)的土基強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證路面穩(wěn)定極其重要的因素。同時(shí)為了避免管道受到汽車(chē)荷載的不良影響，需保障管道埋深至路基工作區(qū)以下。

路基工作區(qū)深度Za的近似計(jì)算式：

式中：K ——應(yīng)力系數(shù) K＝3／2π＝0.477 5；

n ——系數(shù)，取n＝5～10；

P ——作用在路基上的車(chē)輪荷載（kN）；

γ ——路 基 土 的 容 重 （kN／m3），一 般 可取18.9kN／m3。

不同等級(jí)的公路對(duì)應(yīng)作用不同的荷載，其路基工作區(qū)深度見(jiàn)表2。

表2 各等級(jí)公路路基工作區(qū)深度數(shù)值表

壓力管道穿越干線(xiàn)公路，管道埋深應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，還應(yīng)埋深在路基工作區(qū)深度以下，避免汽車(chē)荷載對(duì)管道的不利影響。

2.3 路面沉降評(píng)估

2.3.1 路面沉降計(jì)算

壓力管道穿越施工引起的地面沉降計(jì)算方法主要有經(jīng)驗(yàn)法和解析法。采取Peck提出的地面沉降橫向分布估算公式：

式中：S（x）——地面沉降量（m）；

x ——離管道軸線(xiàn)的水平距離（m）；

Smax——管道軸線(xiàn)上方的最大地面沉降量（m）；

i ——地面沉降槽寬度系數(shù)（m）；

Vs——管道單位長(zhǎng)度的土體損失量（m3／m），Vs＝πR2η；

η ——土體損失百分率；

R ——管道外半徑（m）。i的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：H ——管道埋置深度（m）；

φ ——土的內(nèi)摩擦角。

通過(guò)上述計(jì)算公式，可得地面最大沉降量Smax。

2.3.2 沉降評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

路面沉降主要體現(xiàn)在公路路面平整度的變化。

根據(jù)對(duì)路面養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的平整度的要求來(lái)確定平整度變坡指標(biāo)如表3所示。

表3 各等級(jí)路面的平整度變坡指標(biāo)表

對(duì)軟土地基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 軟土路基容許工后沉降數(shù)值表

穿越施工造成的公路路面沉降量應(yīng)≤20mm。

2.4 管道壁厚評(píng)估

2.4.1 鋼管壁厚評(píng)估

鋼管最小公稱(chēng)壁厚計(jì)算：

式中：σ——鋼管計(jì)算壁厚（mm）；

P——設(shè)計(jì)壓力（MPa）；

D——鋼管外徑（mm）；

σs——鋼管的最低屈服強(qiáng)度（MPa）；

φ ——焊縫系數(shù)，取1.0；

F——強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)。

2.4.2 套管壁厚評(píng)估

根據(jù)《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，套管穿越時(shí)，套管最小壁厚應(yīng)不小于表5的要求。當(dāng)覆蓋厚度不能滿(mǎn)足要求時(shí)，宜加大套管壁厚、管溝回填土處理等措施。

表5 穿越公路套管最小壁厚數(shù)值表

2.5 地基承載力評(píng)估

當(dāng)?shù)鼗皇茌S心荷載時(shí)，基底巖土承載力應(yīng)滿(mǎn)足：

式中：pk——相當(dāng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，地基處的平均壓力值（kPa）；

fa——修正后的地基承載力特征值。

地基底面的壓力，可按下列公式計(jì)算：

式中：Fk——傳至地基頂面的車(chē)輪荷載（kN）；

Gk——管道自重和管道上的土重（kN）；

A ——地基受力面積（m2）。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

宜州至柳州高速公路穿越工程位于柳州市柳江縣進(jìn)德鎮(zhèn)西南宜（州）至柳（州）高速公路K213＋492m處，輸油管道與高速公路夾角82°，穿越長(zhǎng)度50m，套管穿越，套管頂距路面高度2.2m，套管為DRC 1 500×2 500ⅢAJC／T640鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管壁厚度175mm。由兩根D168.3×5mm的20＃無(wú)縫鋼管和一根D114×4mm光纜保護(hù)熱鍍鋅鋼管組成，管線(xiàn)設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa。

3.2 基本參數(shù)

公路設(shè)計(jì)荷載：公路－Ⅰ級(jí)；填土高度（含路面結(jié)構(gòu)）：H＝2.2m，土容重（綜合）γ＝18kN／m3，土的內(nèi)摩擦角φ＝35°；套管節(jié)內(nèi)徑D內(nèi)＝1 500mm，外徑 D外＝1 850mm，套管節(jié)長(zhǎng)度L＝2 500mm，套管壁厚度t＝175mm，采用混凝土C40，容重γ1＝25kN／m3；鋼管設(shè)計(jì)壓力P＝4.0 MPa，σs＝360 MPa，F(xiàn)＝0.6；修正后的地基土基本承載力容許值［fa］＝250 kPa。

3.3 安全評(píng)估

3.3.1 穿越位置

管道穿越公路其交叉角度為82°，穿越位置均滿(mǎn)足要求。

3.3.2 管道埋深

本項(xiàng)目管道穿越公路套管頂距路面高度為2.2m，滿(mǎn)足規(guī)范管道穿越公路最小埋深的要求，同時(shí)根據(jù)表2，車(chē)輛荷載與路基自重引起的應(yīng)力比約為1／5，套管埋深處于路基工作區(qū)深度以下，可避免汽車(chē)荷載對(duì)管道的不利影響。

3.3.3 路面沉降

結(jié)合本工程的實(shí)際情況，土體損失百分率取0.5%。

參考相關(guān)規(guī)范和沉降評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，本工程穿越公路段沉降滿(mǎn)足要求。

3.3.4 管道壁厚

鋼管計(jì)算最小公稱(chēng)壁厚為：

其鋼管壁厚為5mm，大于計(jì)算最小壁厚的要求。

其套管內(nèi)徑為1 500mm，壁厚為175mm。依據(jù)表5，滿(mǎn)足內(nèi)徑為1 500mm時(shí)，最小壁厚19.8mm的要求。

3.3.5 地基承載力

單位面積內(nèi)，管道自重和管道上的土重為：

Gk＝（（2.2＋1.85）×18.0＋25×0.175×π）×1＝86.64kN

由于管道埋深在路基工作區(qū)之外，汽車(chē)荷載約為路基自重引起的應(yīng)力比的1／5，即Fk≈0.2 Gk。

故單位面積內(nèi)地基承載力為：

pk≤fa＝250 kPa；

基底巖土承載力滿(mǎn)足地基承載力特征值的要求。

綜上所述，本工程壓力管道穿越公路，其穿越位置、管道埋深、路面沉降、管道壁厚、地基承載力等均滿(mǎn)足評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)壓力管道下穿公路安全評(píng)估方法的研究，得出如下結(jié)論：（1）明確了壓力管道下穿公路安全評(píng)估的合法性；（2）對(duì)管道穿越的危險(xiǎn)性分析，說(shuō)明了研究其安全評(píng)估方法的必要性；（3）針對(duì)穿越位置、管道埋深、路面沉降、套管壁厚、地基承載力進(jìn)行評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)分析；（4）通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了壓力管道下穿公路安全評(píng)估方法的可行性。

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