謝統(tǒng)財， 吳 華， 黃 楠

(廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣東廣州510060)

1 概述

近年來，隨著城市建設步伐的加快，道路施工或其他第三方施工引起的燃氣管道破壞泄漏事故頻發(fā)，給社會、企業(yè)以及人民生命財產造成了重大的損失。城市燃氣主管部門及相關企業(yè)對此相當重視，在燃氣企業(yè)加強對燃氣管網維護的同時，更要提請第三方設計施工能夠對燃氣管網足夠重視，在項目實施前，做好資料收集與管線摸查工作，與管線權屬單位接洽，收集核查竣工資料，請專業(yè)勘探公司做好管線物探，并制定詳細的燃氣管線專項保護方案。

為此，我們從設計角度，結合工程實例，采用相關計算方法，把第三方施工對燃氣管道造成的沉降影響量化。根據量化分析的結果，為實施燃氣管道的保護提供理論依據。

2 項目簡介

項目為一條新建給水管(規(guī)格D1820×20)須頂管穿越河流，穿越總長約588 m。根據提供的資料，新建給水管須在現(xiàn)狀燃氣管(焊接鋼管，規(guī)格D406.4×9.50材質，L290)下方穿越，交叉處位于給水管管樁號CK3+720處。根據物探資料及竣工資料，燃氣管道為一條高壓輸氣管道，是輸送主干線，因此各方對燃氣管道的保護高度重視，對新建給水管穿越河流的設計方案多次進行了論證。我們評估了頂管施工可能對燃氣管道造成影響的各種因素，采用相關理論公式，計算出可能影響到燃氣管道的最大沉降量和沉降槽寬度，通過量化分析，復核燃氣管道的安全性、可靠性，為制定有效保護措施提供理論支持。

3 給水管道施工方案

① 地質狀況

根據本項目鉆孔柱狀圖，樁號CK3+720處鉆孔的地質情況從上到下依次為：1-1素填土層：厚度為1.5 m，容重為18.5 kN/m3，內摩擦角為15°，粘聚力為10 kPa；2-2淤泥層：厚度為17.5 m，容重為17 kN/m3，內摩擦角為5.7°，粘聚力為6.9 kPa；3-1粉質粘土層：厚度為15.5 m，容重為19.6 kN/m3，內摩擦角為11°，粘聚力為20 kPa；3-7粉質粘土層：厚度為15.5 m，容重為19.9 kN/m3，內摩擦角為13°，粘聚力為25 kPa。

② 施工方案

大量的工程實踐證明，泥水平衡頂管機對地面的沉降控制精度最高，效果最好，能使開挖面始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。刀盤旋轉切削泥土時對開挖面的擾動小，使開挖面處于最佳的平衡狀態(tài)，泥水艙壓力可維持開挖面的水土壓力平衡，防止流砂、涌土，保持開挖面的穩(wěn)定性。

根據本工程的特點及以往類似頂管工程經驗，本工程頂管采用大刀盤泥水平衡頂管機頭，頂管機頭外徑為1.84 m，長度為3.4 m。

頂管工作井內徑為13 m，井深為33.8 m；頂管接收井主要根據工具管尺寸、管道工藝需要確定，井的內徑8 m，井深為31.4 m。樁號CK3+720處自然地面標高為0.5 m，設計新建給水管中心標高為-25.80 m，燃氣管底標高為-18.8 m，因此計算得到燃氣管道的覆土深度(地面到燃氣管道管頂的深度)為18.9 m，地面到給水管道中心的距離為26.3 m。給水管管頂與燃氣管管底凈距約6.1 m，兩管交叉角度約為90°，新建給水管處于3-1粉質粘土層，現(xiàn)狀燃氣管少部分處于2-2淤泥層，大部分位于3-1粉質粘土層。

4 頂管施工引起的地面沉降分析

由于施工引起的地面沉降曲線稱為沉降槽。頂管施工引起地層沉降或隆起的因素很多，不但與土層地質情況有關，而且與頂管管徑、頂管機的選型、操作人員的技術水平、頂管縱向軸線的垂直度以及頂管持續(xù)的時間、注漿情況等很多因素有關。頂管不可避免會擾動土體，引起地層形變，產生地層沉降。頂管引起的地層沉降分布是三維的。三維分析比較困難，一般都簡化為平面問題進行分析。

燃氣管與給水管處于交叉狀態(tài)，燃氣管在相交位置主要受頂管施工引起的橫向分布地層沉降影響，因此我們主要分析垂直于頂管頂進軸向方向的沉降，簡稱橫向沉降分析。

① 地面沉降橫向分布的估算公式

目前頂管施工引起的地面沉降，常常采用Peck提出的地面沉降槽理論[1]193進行預測。Peck假定施工引起的地面沉降是在不排水情況下發(fā)生的，所以地面沉降槽的體積應等于地層損失的體積。地面沉降隨土質情況、覆土深度、采用的頂管機類型、操作水平等因素而不同，并根據這個假定給出了地面沉降量的橫向分布估算公式[1]193：

(1)

式中S(x)——x處的地面沉降量，m

x——距頂進管道軸線的橫向水平距離，m

Smax——頂進管道軸線上方的最大地面沉降量，m

i——地面沉降槽寬度系數，m

VS——單位長度超挖量(超挖量指施工時超出理論出土量的土方量)，m3/m

頂管施工引起的沉降槽的正態(tài)分布[2]見圖1。

圖1中，i在正態(tài)分布圖中是曲線標準偏差點，即曲線的反彎點的x值，一般取[1]193：

圖1 頂管施工引起的沉降槽的正態(tài)分布

(2)

式中δd——頂管管道中心至地面的覆土厚度，m

φ——頂管處土的內摩擦角，(°)

超挖量VS按以下計算方式[1]193-194估算：

(3)

式中as——超挖量估算系數，可根據頂管機頭的機型，按表1取值

V——單位長度理論出土量,等于頂管機頭面積，m3/m

d——頂管機頭外徑，m

表1 各種頂管機頭的超挖量估算系數

根據圖1可知，對地面沉降(以及地層沉降)的影響寬度計算公式為：

b=5i

(4)

式中b——對地面沉降的影響寬度，m

② 地面以下土層沉降估算

對于地面以下至頂管管道以上土層，地層損失的體積假設依然成立，就是說地面以下任一土層沉降槽的體積等于地層損失，而且沉降槽仍為一條正態(tài)分布曲線。隨著土層深度h的增大，該土層距頂管管道頂部的垂直距離減小，δmax和ih兩個參數隨深度變化而不同，其估算公式[2]如下：

(5)

式中δ(x)——土層深度h、橫向距離x處的地層沉降量，m

δmax——土層深度h處頂進管道軸線上方的最大地層沉降量，m

h——土層深度，m

ih——土層深度h處地層沉降槽寬度系數，m

由公式(2)可知，在已知土層內摩擦角的情況下，沉降槽寬度系數是線性變化的，與土層深度h相關，可得：

(6)

根據公式(3)～(6)可求得燃氣管道所在地層h處的沉降槽曲線、沉降量、影響寬度。

5 地層沉降引起的燃氣管道變形

頂管施工引起地層沉降，地層沉降使燃氣管道產生彎曲變形。在考慮地層沉降對埋地管道的作用時，忽略慣性力的影響，簡化為擬靜力問題來考慮。當管道所在地層發(fā)生沉降時，管道下面的土層對管的抗力減弱了，管道在上敷土壓力作用下，不斷下沉，發(fā)生變形，直至各種力平衡為止。因此，研究僅針對管道變形到最終位置的狀態(tài)進行分析。燃氣管道在地層沉降作用下的彎曲變形模型[3]見圖2。

α——管道的轉角，(°)

R——管道彎曲曲率半徑，m

如圖2所示，在非沉降區(qū)，管道處于微彈性反應狀態(tài)，而在沉降區(qū)，管道發(fā)生了較大變形，管道變形的最不利段在沉降區(qū)。

對于沉降區(qū)，受沉降影響后的管道變形曲線主要為弧線ADC，其曲率半徑為R。管道變形曲線與所在地層變形曲線基本一致，因此管道的最大沉降量、沉降影響寬度的計算式為：

LBD=δmax

(7)

LAC=5ih

(8)

式中LBD——點B、D間的長度，m

LAC——點A、C間的長度，m

其他參數計算式為：

LAB=2.5ih

(9)

R2=(R-LBD)2+LAB2

(10)

(11)

式中LAB——點A、B間的長度，m

由式(7)～(11)可得：

(12)

(13)

圖2 受沉降影響的管道變形模型

6 燃氣管道的允許最小曲率半徑及最大轉角

① GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》第4.3.15條規(guī)定，彈性敷設管道的曲率半徑應滿足管子強度要求，且不應小于鋼管外徑的1 000倍，垂直面上彈性敷設管道的曲率半徑還應大于管在自重作用下產生的撓度曲線的曲率半徑，曲率半徑應按下式計算：

(14)

式中D——管道外徑，cm

② GB 50423—2013《油氣輸送管道穿越工程設計規(guī)范》第5.1.2條規(guī)定：采用彈性敷設時，穿越管道曲率半徑不宜小于1 500倍鋼管外徑；且不應小于1 200倍鋼管外徑。

故根據公式(12)計算得出的管道彎曲曲率半徑應滿足以上兩點要求。

7 計算結果

已知本工程d=1.84 m，D=0.406 4 m，δd=26.3 m，h=18.9 m，as取5%，φ=11°,根據公式(1)～(13)求得R=2 721 m，α=0.38°。根據公式(14)求得的R應大于或等于2 727 m，因此管道彎

曲曲率半徑不符合規(guī)范要求。需調整頂管施工深度，驗算可知，本次給水管道頂管施工深度需加深至26.8 m，燃氣管道彎曲曲率半徑可以滿足規(guī)范要求，燃氣管道才能安全運行。