文 / 鄭州市公路事業(yè)發(fā)展中心 鄭杰

隨著新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，需要新建一大批污水排放管道工程。由于城市前期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及城市空間的限制，這些新建工程施工中不得不下穿既有公路，進(jìn)而導(dǎo)致地層產(chǎn)生復(fù)雜變形，對(duì)既有公路的安全運(yùn)營和周邊環(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。因此，對(duì)頂管下穿公路的變形控制進(jìn)行計(jì)算和研究是十分必要的。

中外研究學(xué)者針對(duì)此類問題進(jìn)行了諸多研究。劉波等以南京某地下步行通道為研究對(duì)象，對(duì)頂管施工可能引起的隧道及地表變形情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析;Shen等、Cui等、Zhen等從不同角度對(duì)頂管施工擾動(dòng)下的地表變形和深層土體變形規(guī)律進(jìn)行了研究分析;提出考慮注漿壓力影響的頂管施工擾動(dòng)下的地層土體變形計(jì)算方法。

本文擬在上述研究的基礎(chǔ)上，以北京順義區(qū)污水管道下穿公路項(xiàng)目為工程背景，采用有限元分析的方法，對(duì)頂管施工過程中地表及道路的路面變形進(jìn)行研究，制定道路變形及基坑施工控制的標(biāo)準(zhǔn)，為工程建設(shè)提供技術(shù)支持。

項(xiàng)目概況

北京順義區(qū)污水處理廠配套管網(wǎng)工程第一標(biāo)段，設(shè)計(jì)管線起點(diǎn)位于開發(fā)街與麗京路交叉口東北角，接入現(xiàn)況Φ1350污水管道，設(shè)計(jì)終點(diǎn)位于李天路道路樁號(hào)K6+458處，設(shè)計(jì)管線全長2771.39m，其中1號(hào)污水提升泵站以西WA1～WA8及泵站以東WA23～WA40設(shè)計(jì)為頂管施工，WA1～WA8及WA23～WA31設(shè)計(jì)管徑為DN2000mm，共長654m，WA31～WA40設(shè)計(jì)管徑為DN2200mm，長度為848.3m。

李天路頂管施工起點(diǎn)（WA22）位于現(xiàn)狀李天路南側(cè)，機(jī)場(chǎng)快軌以東約10m位置。WA22～WA23段污水管線從兩個(gè)橋墩之間穿越京平高速敷設(shè)至現(xiàn)狀李天路路中；WA23～WA40段污水管線沿現(xiàn)狀李天路路中向東、再向南敷設(shè)至2號(hào)污水提升泵站終點(diǎn)，涉路段落全長1502.3m。

項(xiàng)目頂管施工采用泥水平衡頂管施工設(shè)備，涉路段最大管道頂進(jìn)長度100.3m，為了降低頂壓進(jìn)阻力，增大頂進(jìn)力，同時(shí)防止塌方的出現(xiàn)，頂管過程中，采用在土壁與管道外壁的縫隙間注入觸變泥漿，形成泥漿護(hù)套，減少土壁與管道外壁之間的摩擦力。頂進(jìn)管道直徑分為D2000（長度654m，外徑D2400）以及D2200（長度848.3m，外徑D2640），全部采用鋼筋混凝土管道。

頂管穿越區(qū)影響范圍的確定

根據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《穿越既有道路設(shè)施工程技術(shù)要求》（DB11/T 716-2019）確定本標(biāo)段頂管施工對(duì)既有道路的影響范圍：

豎向區(qū)域

1.路基工作區(qū)域

宜按行車荷載在土基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力為土基自重應(yīng)力的1/10范圍，計(jì)算確定路基的工作區(qū)深度Za，或根據(jù)道路路基設(shè)計(jì)確定。在缺少數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)資料的情況下，參考采用表1數(shù)值。

2.路面結(jié)構(gòu)區(qū)域

可分為基層和面層兩個(gè)層次，見圖1。

影響范圍

1.嚴(yán)格控制區(qū)（直接影響區(qū)）

公路用地界外側(cè)30m范圍內(nèi)，均為嚴(yán)格控制區(qū)。

沿道路路線方向，新建地下工程的結(jié)構(gòu)外緣線外側(cè)以45°+Φ/2（Φ為土體平均內(nèi)摩擦角）向上至路面的交匯線范圍內(nèi)?；蚋鶕?jù)新建地下工程埋深，按照假定開槽施工及土質(zhì)類型確定的放坡線內(nèi)側(cè)范圍，豎向?yàn)槁坊ぷ鲄^(qū)及以上范圍。

2.一般監(jiān)控區(qū)

從既有公路角度考慮：公路土路肩外側(cè)，（如有邊坡為坡腳外側(cè)）30m到50m范圍內(nèi)。確定重要和一般影響范圍時(shí)，需要結(jié)合超出上述范圍地下降水的影響，并根據(jù)降水情況適度擴(kuò)大影響范圍。

根據(jù)項(xiàng)目《地質(zhì)勘察報(bào)告》以及項(xiàng)目施工方案等內(nèi)容，確定本項(xiàng)目的嚴(yán)格控制區(qū)為：管線兩側(cè)各H×tan（57.5°）（H為管道埋深，頂管穿越區(qū)域土質(zhì)平均內(nèi)摩擦角為25°）。

對(duì)于一般監(jiān)控區(qū)，結(jié)合本項(xiàng)目道路等級(jí)，頂管穿越深度等因素并參考《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）中關(guān)于基坑檢測(cè)的內(nèi)容，確定本項(xiàng)目一般監(jiān)控區(qū)為：管道兩側(cè)各20m范圍。

頂管下穿對(duì)李天路的沉降及隆起計(jì)算分析

確定代表性的頂管路段

因本項(xiàng)目為污水管道平行于道路頂進(jìn)施工，結(jié)合污水管道設(shè)計(jì)圖紙和施工影響范圍，對(duì)于頂管下穿對(duì)現(xiàn)狀李天路的影響分析從中找出3段有代表性的管段進(jìn)行分析計(jì)算。

1.WA22～WA23段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度4.72m～5.13m，穿越圖層為粉細(xì)砂，管道橫穿李天路南半幅道路；

2.WA28～WA29段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度2.58m，穿越圖層為粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土，管道鋪設(shè)于李天路中央分隔帶處，本段為同直徑管道頂進(jìn)長度最長的（90m）；

3.WA39～WA40段，采用直徑D2200鋼筋混凝土管，覆土深度3.92m～4.09m，穿越圖層為粉細(xì)砂，管道鋪設(shè)于李天路中央分隔帶處，本段為同直徑管道頂進(jìn)長度最長的（100.3m）。

有限元模型計(jì)算

1.模擬計(jì)算模型建立

采用Midas-GTS有限元軟件計(jì)算分析，由于穿越道路的頂管為均勻、線性結(jié)構(gòu)，本計(jì)算采用二維模型進(jìn)行計(jì)算。模型水平方向?yàn)閄軸，豎向方向?yàn)閅軸，模型整體尺寸為寬（60m）×高（30m）。模型上邊界為自由邊界，左側(cè)和右側(cè)為固定水平方向位移約束，下側(cè)均為固定水平方向和豎直方向位移約束。該模型中的計(jì)算單元均采用的2D實(shí)體單元計(jì)算，土體采用摩爾—庫倫強(qiáng)度極限準(zhǔn)則，將土體視為均勻、連續(xù)、各向同性介質(zhì)，僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)的影響。

2.模擬計(jì)算模型結(jié)構(gòu)劃分

計(jì)算過程中將模型結(jié)構(gòu)劃分為四部分：路面結(jié)構(gòu)、路床、土基和頂管。

（1）路面結(jié)構(gòu)：4cm厚熱再生細(xì)粒式瀝青混合料ZAC-13C+6cm、厚熱再生中粒式瀝青混凝土AC-20C+18cm、二灰穩(wěn)定碎石+18cm石灰粉煤灰穩(wěn)定砂礫+20cm石灰土，路面結(jié)構(gòu)總厚度66cm。路面結(jié)構(gòu)采用彈性模型，回彈模量取1800Mpa、容重為22.3kN/m3、泊松比為0.25；

（2）路床結(jié)構(gòu)：采用彈性模型，路基頂面以下80cm，回彈模量為30Mpa，容重為19.5kN/m3、泊松比為0.30、黏聚力為22kPa、內(nèi)摩擦角為20°；

（3）土基為路床底面以下部分，采用摩爾—庫倫模型，彈性模量為15Mpa，容重為19kN/m3、泊松比為0.33、黏聚力為16kPa、內(nèi)摩擦角為25°；

（4）頂管為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同樣采用彈性模型，彈性模量為210000MPa，容重為35 kN/m3，泊松比為0.20。

3.代表性路段工況模擬計(jì)算

工況1：WA22～WA23段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度4.72m～5.13m，穿越圖層為粉細(xì)砂，管道周邊土體沉降量如圖2所示，管道周邊土體隆起量如圖3所示。

工況2：WA28～WA29段，采用直徑D2000鋼筋混凝土管，覆土深度2.58m，穿越圖層為粘質(zhì)粉土-砂質(zhì)粉土，本段為同直徑管道頂進(jìn)長度最長的（90m），管道周邊土體沉降量如圖4所示，管道周邊土體隆起量如圖5所示。

工況3：WA39～WA40段，本段污水管道采用D2200鋼筋混凝土管，覆土深度3.92m～4.09m，穿越圖層為粉細(xì)砂，管道鋪設(shè)于李天路中央分隔帶處，本段為同直徑管道頂進(jìn)長度最長的（100.3m）。管道周邊土體沉降量如圖6所示，管道周邊土體隆起量如圖7所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上覆土厚度分別為2.58、3.92和4.72m時(shí)，計(jì)算所得沉降量分別為13.9、9.8和6.1mm；頂推過程中計(jì)算所得隆起量分別為2.4、1.6和0.9mm。

有限元計(jì)算時(shí)考慮上部土體各種材料特性影響，同時(shí)考慮管道自身剛度參與作用，通過以上結(jié)果，該項(xiàng)目頂管施工對(duì)現(xiàn)狀李天路有一定影響，且對(duì)施工工藝要求較高。

結(jié)論

基于Midas-GTS有限元軟件模擬計(jì)算，研究頂管施工過程中地表及道路的路面變形，主要研究結(jié)論如下：

1.嚴(yán)格控制區(qū)為：李天路沿道路路線方向，管線兩側(cè)各H×tan（57.5°）（H為管道埋深，頂管穿越區(qū)域土質(zhì)內(nèi)摩擦角為25°）；一般監(jiān)控區(qū)：頂管管道兩側(cè)各20m范圍，沿道路路線方向。

2.在施工影響范圍內(nèi)路面的最大隆起值小于5mm，最大沉降值小于20mm，兩點(diǎn)間沉降坡度小于1.5‰，沉降速率小于2mm/d，以維護(hù)道路正常運(yùn)營，滿足規(guī)定的路面平整度控制要求。

3.頂管工作坑及接收坑的水平位移小于15mm；豎向位移（沉降）小于20mm控制，沉降速率小于2mm/d，路基邊溝處最大沉降值小于25mm，沉降速率小于2mm/d。

4.基坑及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制值為16.8mm～30.1mm，頂管工作坑及接收坑的水平位移控制值按15mm控制；豎向位移（沉降）控制值按20mm控制，沉降速率按2mm/d控制。