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顶管穿越公路安全评估

第一章概述

1.1工程概况

本工程所铺设的道路两侧防护林供水管道需要G20（青银高速）K1374+120；S11（盐红高速）K5+550；G307K1173+680；S302（盐柳路）K23+500、K22+550；G20（青银高速）K1373+750处盐池至青山匝道处穿越，拟采用顶管法穿越公路，输水管道管径为ф63PE管，外套ф75钢套管。

管道需沿G307K1172+500至K1177+000道路右侧距路坡脚15-18米；S302（盐柳路）K22+050至K24+850道路右侧距路坡脚10-30米、K23+500至K25+250道路左侧距路坡脚10-20米；S11（盐红高速）K3+500至K6+500道路左侧距路坡脚10-30米；G20（青银高速）K1374处定边至青山匝道右侧距路坡脚15-30米处埋设。

王圈梁匝道两侧绿化供水管道穿越G20（青银高速）K1373+700-K1374+200处匝道青山至盐池3处；青山至定边2处；盐池、定边至青山3处，拟采用在立交下开挖，输水管道管径为ф63PE管，外套ф75钢套管。

为规范基础设施建设之间的关系，减少涉路工程对现有公路安全的影响，为公众出行、公共安全提供保障，最大限度地发挥公路的社会效益和经济效益。

1.2评估依据

1、《中华人民共和国公路法》（2004年修正）；

2、《中华人民共和国公路管理条例》（2008年修正）；

3、《公路安全保护条例》（2011年7月1日施行）；

4、《路政管理规定》（2003年）；

5、《宁夏回族自治区收费公路管理条例》（2006）；

6、《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）；

7、《公路项目安全性评价指南》（JTG/TB05-2004）；

8、《公路路线设计规范》（JTGD20-2006）；

9、《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）；

10、《市政道路、排水管道成品与半成品施工及验收规程》（DGJ08-87-2000）；

11、《市政排水管道工程施工及验收规程》（DBJ08-220-96）；

12、《混凝土强度检验评定标准》（GBJ107-87）；

13、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）；

15、《顶管施工技术及验收规范》（中国非开挖技术协会2010）；

16、《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）；

17、委托单位提供的设计施工方案。

1.3工作内容

本次评估站在公正、客观、科学的立场上，按照“安全、经济”的原则，对管道工程顶管穿越公路方案安全性进行评价，主要包括以下内容：

1、穿越段管道角度、埋深等是否满足规范；

2、穿越处路面沉降验算、顶管稳定性验算；

3、工作井、接收井方案是否合理性；

4、施工方案、安全措施及应急预案是否满足要求。

第二章涉及的相关法规、标准及规定

为加强涉路工程建设和管理，促进公路事业发展，保障公路工程可靠、运营安全，与环境协调，可持续发展，国家、交通部以及各级地方政府和相关行业部门颁布了一系列法律、法规和规范标准，其中与本项目安全性评估相关的条文如下：

1、《公路安全保护条例》（2011年7月1日施行）：

第二十七条进行下列涉路施工活动，建设单位应当向公路管理机构提出申请：

（一）因修建铁路、机场、供电、水利、通信等建设工程需要占用、挖掘公路、公路用地或者使公路改线；

（二）跨越、穿越公路修建桥梁、渡槽或者架设、埋设管道、电缆等设施；

（三）在公路用地范围内架设、埋设管道、电缆等设施；

（四）利用公路桥梁、公路隧道、涵洞铺设电缆等设施；

（五）利用跨越公路的设施悬挂非公路标志；

（六）在公路上增设或者改造平面交叉道口；

（七）在公路建筑控制区内埋设管道、电缆等设施。

第二十八条申请进行涉路施工活动的建设单位应当向公路管理机构提交下列材料：

（一）符合有关技术标准、规范要求的设计和施工方案；

（二）保障公路、公路附属设施质量和安全的技术评价报告；

（三）处置施工险情和意外事故的应急方案。

公路管理机构应当自受审申请之日起20日内作出许可或者不予许可的决定；影响交通安全的，应当征得公安机关交通管理部门的同意；涉及经营性公路的，应当征求公路经营企业的意见；不予许可的，公路管理机构应当书面通知申请人并说明理由。

2、《中华人民共和国公路法》（2004年修正）有关规定：

第四十五条：

跨越、穿越公路修建桥梁、渡槽或者架设、埋设管线等设施的，以及在公路用地范围内架设、埋设管线、电缆等设施的，应当事先经有关交通主管部门同意，影响交通安全的，还须征得有关公安机关的同意；所修建、架设或者埋设的设施应当符合公路工程技术标准的要求。

对公路造成损坏的，应当按照损坏程度给予补偿。

3、《路政管理规定》（2003年）有关规定：

第十条跨越、穿越公路，修建桥梁、渡槽或者架设、埋设管线等设施，以及在公路用地范围内架设、埋设管（杆）线、电缆等设施，应当按照《公路法》第四十五条的规定，事先向交通主管部门或者其设置的公路管理机构提交申请书和设计图。

本条前款规定的申请书包括以下主要内容：

（一）主要理由；

（二）地点（公路名称、桩号及与公路边坡外缘或者公路界桩的距离）；

（三）安全保障措施；

（四）施工期限；

（五）修复、改建公路的措施或者补偿数额。

4、《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）有关规定：

第8.6.1电讯线、电力线、电缆、管道等均不得侵入公路建筑限界，不得妨害公路交通安全，并得损害公路的构造和设施。

5、《公路路线设计规范》（JTGD20-2006）有关规定：

第12.5.4公路与管道相交，以垂直交叉为宜。

必须斜交时，其交叉角度宜不小于60°；受地形条件或其他特殊情况限制时应不小于45°。

6、《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268—2008）有关规定

第1.0.3给排水管道工程所用的原材料、半成品、成品等产品的品种、规格、性能必须符合国家有关标准的规定和设计要求；接触饮用水的产品必须符合有关卫生要求。

严禁使用国家明令淘汰、禁用的产品。

第3.1.5施工单位在开工前应编制施工组织设计，对关键的分项、分部工程应分别编制专项施工方案。

施工组织设计、专项施工方案必须按规定程序审批后执行，有变更时要办理变更审批。

7、《顶管施工技术及验收规范》（中国非开挖技术协会2010）有关规定；

第1.0.8一般情况下，顶管的覆土厚度不小于3m，或者不小于1.5倍的管道外径，否则应采取相应的技术措施。

第1.0.9在进行顶管工程施工设计前，应对施工线路进行工程勘察，调查分析施工区域的水文地质和工程地质情况，充分掌握与顶进施工有关的现场资料。

施工人员必须根据设计图纸、技术标准和现场施工条件等因素，认真编写施工组织设计，对操作人员进行详细技术交底，明确职责分工。

第1.0.11应与有关部门签订施工配合协议。

在顶进作业前，对周围的建筑物和地下设施采取相应的防护措施，避免造成意外事故。

在顶进过程中，应对周围重大建筑物、顶进力、后座墙进行测量监控。

测量监控方案应纳入施工组织设计或施工技术方案中。

第3.1.1顶管施工组织设计应包括如下主要内容：

a.工程概况：

主要介绍施工场地的特征，水文地质和工程地质概况、合同工期、施工设计的各项重要指标等内容。

b.业主或发包单位简介。

c.承包商或施工单位简介。

d.施工准备工作计划。

e.施工顺序与施工进度计划。

f.施工方法和施工设备选择。

g.施工平面布置图。

h.施工技术措施（包括工程质量保证和安全施工措施等）和工程监理等。

i.施工区域及施工范围：

施工范围应在施工所在地区适当比例的地图上用较明显的线条表示出来。

并且标明所顶管子的口径、延长米等。

j.工作量：

指标明的主要实物工作量，如工作井、接收井的数量，各类管径顶管的总延长米数。

根据具体情况，也可同时标明货币工作量。

k.劳动力与物资需用计划。

第4.0.2.4按土的稳定系数Nt的计算和对地面沉降的控制要求选择顶管机的结构形式以及地面沉降控制技术措施，其计算公式如下：

——土的重度

h——地面至机头中心的高度

q——地面超载

n——折减系数，一般取1

——土的不排水抗剪强度

当Nt≥6时，且地面沉降控制要求很高时，因正面土体流动性很大，需采用封闭式顶管机头。

当4

当Nt≤4，地面沉降控制要求不高时，可考虑采用手掘式顶管机

第6.1.1工作坑形状一般有矩形、圆形、腰圆形、多边形等几种，其中矩形工作坑最为常见。

在直线顶管中或在两段交角接近180º的折线的顶管施工中，多采用矩形工作坑。

矩形工作坑的短边与长边之比通常为2:

3。

如果在两段交角比较小或者是在一个工作坑中需要向几个不同方向顶进时，则往往采用圆形工作坑；另外，较深的工作坑也一般采用圆形，且常采用沉井法施工。

沉井材料采用钢筋混凝土，工程竣工后沉井则成为管道的附属构筑物。

腰圆形的工作坑的两端各为半圆形状，而其两边则为直线；这种形状的工作坑多用成品的钢板构筑成，而且大多用于小口径顶管中。

第6.1.3矩形工作坑的底部尺寸应满足下列公式要求：

B=D1+S

L=L1+L2+L3+L4+L5

式中：

B——矩形工作坑的底部宽度，m；

D1——管道外径，m；

S——操作宽度，可取2.4～3.2m；

L——矩形工作坑的底部长度，m；

L1——顶管掘进机长度，当采用管道第一节管作为顶管掘进机时，对于钢筋混凝土管，不宜小于0.3m；钢管则不宜小于0.6m；

L2——管节长度，m；

L3——输土工作间长度，m；

L4——千斤顶长度，m；

L5——后座墙的厚度，m。

第6.1.4工作坑深度应符合下列公式要求（见图6.1.4）：

H1=h1+h2+h3

H2=h1+h3+t+h4

式中：

H1——顶进坑地面至坑底的深度，m；

H2——接收坑地面至坑底的深度，m；

h1——地面至管道底部外缘的深度，m；

h2——管道外缘底部至导轨底面的高度，m；

h3——基础及其垫层的厚底（不应小于该处井室的基础及垫层厚度），m；

h4——顶管机进入接收坑后支撑垫板厚度，m

t—管壁厚度，m

图6.1.4顶进工作坑深度示意图

第9.1.1顶管的顶力可按下式计算（亦可采用当地的经验公式确定）：

式中：

P——计算的总顶力，kN；

γ——管道所处土层的重力密度，kN/m3；

D1——管道的外径，m；

H——管道顶部以上覆盖土层的厚度，m；

——管道所处土层的内摩擦角；

ω——管道单位长度的自重，kN/m；

L——管道的计算顶进长度，m；

f——顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数，其取值可按表9.1.1所列数据选用；

Ps——顶进时顶管掘进机的迎面阻力，kN。

Ds—顶进机头直径（m）。

ts—切削工具厚度（m）。

ps—单位面积机头阻力（kpa）。

顶进管道与其周围土层的摩擦系数表9.1.1

土层类型

湿

干

粘土、亚粘土

0.2～0.3

0.4～0.5

砂土、亚砂土

0.3～0.4

0.5～0.6

不同地层的单位面积土的端部阻力PS表9.1.2

土层类型

ps/kN·m-2

软岩，固结土

12000

砂砾石层

7000

致密砂层

6000

中等密度砂层

4000

松散砂层

2000

硬-坚硬粘土层

3000

软-硬粘土层

1000

粉砂层，淤积层

400

8、《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）

第4.3.1钢筋混凝土顶管的混凝土强度等级不宜低于C50，抗渗等级不应低于S8。

第5.3.2空间交叉的管道净间距，钢管不宜小于0.5倍管道外径，且不应小于1m；钢筋混凝土管和玻璃纤维增强塑料夹砂管不宜小于1倍管道外径，且不应小于2m。

第5.4.1管顶覆盖层厚度在不稳定土层中宜大于管道外径的1.5倍，并应大于1.5m。

第10.2.1工作井的结构形式可采用钢板桩、沉井、地下连续墙、灌注桩或SMW工法。

第10.4.2工作井内净长度可按下式计算：

L＝L2+L3+L4+K

式中：

L—井内净长度，m

L2—管节长度，钢筋混凝土管一般按2.5～3.0m

L3—千斤顶长度，一般取2.5m

L4—留在井内管节最小长度，取0.5m

K—厚度及顶铁厚度及富余安装量，取1.5m。

第10.5.2深工作井最小净宽按下式计算

B=3D1+2.0

式中：

B—井内净宽度，m

D1—管道外径，m

第10.6.1工作井底板面深度按下式计算：

式中：

H—井内底板面埋深，m

Hs—管顶覆土深度，m

D1—管道外径，m

h—管底操作空间，混凝土管可取0.5m

第11.2接收井内净最小宽度按下式计算：

B=D1+2*1000

式中：

B—井内净宽，mm；

D1—顶管机外径，mm。

第三章主要方案

3.1主要方案

本工程为盐池县城北防护林供水管道安装工程，管道需顶管位置：

1、G20（青银高速）K1374+120;

2、S11（盐红高速）K5+550;

3、G307K1173+680;

4、S302（盐柳路）K23+500、K22+550;

5、G20（青银高速）K1373+750处盐池至青山匝道。

顶进过程中安装管节的正常施工程序为：

主顶千斤顶回缩→松开管道内部轨道、电缆、油路、注浆管道接头→吊开顶铁→退出承插口钢环→安放顶进管段→安防橡胶圈接口→安装顶铁→连接管道内部轨道、电缆、油路、注浆管道接头等→顶进油缸伸出，继续顶进。

顶管施工须选用合理得机械设备。

3.2工程地质

根据委托单位提供的地质资料，顶管施工区土层根据时代成因、岩性及物理力学指标，可分为3个土层4个亚层。

-1层杂填土：

该层为芜太公路路基路面结构层，总厚度约1.6m；

-2层素土：

灰黄色～黄灰色，松散～稍密，主要由粘性土构成，局部有少量石屑，厚约3m；

层粘土：

褐黄色，硬塑，含铁锰质结核，无摇振反应，光滑，干强度高，韧性高，工程地质性质较好，厚约5m。

层强风化泥岩：

紫红色，密实，取出岩芯多呈砂土状，少量碎块状岩芯，手捏易碎，遇水易软化，属极软岩。

层号

名称

含水率

土重度

孔隙比

液限

塑限

指数

液限

指数

ωL

ωp

kN/m3

-1

杂填土

27.1

18.2

0.881

39.2

23.9

15.3

0.25

-2

素土

27.7

18.8

0.822

42.3

23.4

0.23

粘土

23.4

19.3

0.72

41.1

22.3

18.7

0.06

第四章安全评估分析

4.1总体评价

本工程管道穿越公路，采用顶管施工，减小了对道路的影响，方案选择合理。

4.2评估意见

1、交叉角度

根据规范，管道穿越铁路、公路和河道时，应尽量垂直，其夹角应接近90°，任何情况都不得小于30°。

本工程管道与芜太公路夹角为90°，交叉角度满足规范的要求。

2、管道埋深

根据《顶管施工技术及验收规范》（非开挖技术协会，2010）一般情况下，顶管的覆土厚度不小于3m，或者不小于1.5倍的管道外径，否则应采取相应的技术措施。

根据《市政工程勘察规范》，道路在行车荷载作用下，路面以下将产生显著的应力状态，当达到一定深度时，行车荷载引起的附加应力与路基土自重所引起的应力比值很小时（不超过0.1～0.2），轮重引起的附加应力可以忽略不计，这一深度即为路基工作区深度。

重型汽车路基工作区深度可达3.0m左右，管道应埋设在重型汽车路基工作区之外。

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）第5.3.2条，空间交叉的管道净间距，钢管不宜小于0.5倍管道外径，且不应小于1m；钢筋混凝土管和玻璃纤维增强塑料夹砂管不宜小于1倍管道外径，且不应小于2m。

根据设计图纸放线后，确定管线穿路部位，与高速公路为正交（90度）。

顶管施工时需要在距公路两侧路肩外缘3米分别处取1个长3米、宽3米、深1．5米作业坑，坑壁的放坡系数根据土质情况应符合要求，坑底要夯实。

临近公路一侧采用草袋墙护坡，工作坑中心线与管线中心线一致。

为了防止路基土塌陷，采用水平钻头吃土顶进，顶进作业过程严禁超挖，顶管就位后在另一侧挖接收坑，管线连接后及时对基坑进行回填，确保路基、行车安全。

3、管材

根据《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）第4.3.1条，钢筋混凝土顶管的混凝土强度等级不宜低于C50，抗渗等级不应低于S8。

4、顶力计算

顶管的顶力可按下式计算（亦可采用当地的经验公式确定）：

+Ps

式中：

P—计算的总顶力（KN）；

r—管道所处土层的重力密度（KN/m3）；

D1—管道的外径（m）；

H—管道顶管以上覆盖土层的厚度（m）；

—管道所处土层的内摩擦角（o）；

ω—管道单位长度的自重（KN/m）；

L—管道的计算顶进长度（m）；

f—顶进时，管道表面与其周围土层之间的摩擦系数；

Ps—顶进时，工具管的迎面阻力。

Ds—顶进机头直径（m）。

ts—切削工具厚度（m）。

ps—单位面积机头阻力（kpa）。

计算得：

P=1520kN

资料中未计算顶力，本次计算值可供参考，施工单位应根据实际情况选择合理的机械设备。

5、后座反力计算

为确保后座在顶进过程中的安全，后座的反力或土抗力

应为的总顶进力

的1.2～1.6倍，反力

可采用公式7.1.8计算：

公式7.1.8

式中：

--总推力之反力，kN；

--系数，取

=1.5～2.5;

--后座墙的宽度，m；

--土的容重，kN/m3；

--后座墙的高度，m；

--被动土压系数；

--土的内聚力，kPa；

--地面到后座墙顶部土体的高度，m。

在计算后座的受力时，应该注意的是：

油缸总推力的作用点低于后座被动土压力的合力点时，后座所能承受的推力为最大；

油缸总推力的作用点与后座被动土压力的合力点相同时，后座所承受的推力略大些；

当油缸总推力的作用点高于后座被动土压力的合力点时，后座的承载能力最小。

因此，为了使后座承受较大的推力，工作坑应尽可能深一些，后座墙也尽可能埋入土中多一些。

取

=2，

=4m

=19.3KN/m³H=7.5m，

取2.04，C=49kPa

R=19620kN＞P，后座反力能满足顶进要求。

6、沉降计算

穿越施工引起的地面沉降计算方法主要有经验法和解析法。

目前工程界常采用Peck提出的地面沉降横向分布估算公式：

式中S（x）为地面沉降量（m）；x为离顶管轴线的水平距离（m）；Smax为管道轴线上方的最大地面沉降量（m）；i为地面沉降槽宽度系数（m）；Vl为管道单位长度的土体损失量（m3/m），通常采用挖掘面面积的百分率来估算土体损失的大小，令η为土体损失百分率，则Vl=πr2η。

η取值根据管道所处层位的土体性质确定，自稳性差、易流失的土取大值。

i的经验公式为：

式中：

H为顶管埋置深度（m）

为土的内摩擦角。

本工程土层失土率η取4%，分别按施工方案埋深和按规范计算要求埋深进行计算，结果如下表：

路面沉降量计算结果

管道外径（m）

埋深（m）

计算沉降（mm）

备注

顶管

1.2

5.7

顶管

1.2

8.3

4.1

参考《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246：

2008）规定“穿越施工造成的公路路面沉降量应小于或等于20mm”，穿越处路面沉降满足要求。

6、孔壁稳定性验算

管道顶进时，孔壁及其附近的力学平衡受到破坏，如不采取防护措施，在地层中极易发生孔壁的垮塌、流失、缩径，即非开挖水平孔失稳破坏，这将严重影响非开挖施工的进行（如顶管受阻等），甚至可能造成严重的安全事故（如路面塌陷等）。

孔壁稳定平面应力问题示意图

而孔壁岩土的失稳破坏是由于成孔后孔壁地层内部应力状态发生变化超过了其强度极限所导致的，因此将井壁单元体的应力状态与强度指标比较可得出孔壁岩土是否发生失稳破坏的结论。

管孔由于长度方向的尺寸通常比横截面尺寸大得多，因此可将近孔壁某点应力问题作为平面应力问题（图3-1）研究。

根据基尔斯公式，钻孔近孔壁某点单元体应力大小如下：

由弹性力学理论，该点主应力大小为：

式中：

P—上覆土层垂直应力；

—钻孔半径；

—所求点半径；

—所求点与圆心的连线与垂直轴的夹角；

—泊松比；

采用弹力学中规定符号的反号为正。

钻孔孔壁发生破坏失稳的根本原因是孔壁某点单元体最大剪应力超过土的极限抗剪强度所致。

根据莫尔-库伦破坏准则，也称土的极限平衡条件。

可判断钻孔是否发生破坏坍塌。

若：

则孔壁破坏，反之则孔壁稳定。

孔壁若破坏，将先从孔壁顶部开始破坏，因此本次对孔壁顶部点进行稳定性分析，则各参数取值计算如下：

；

；c＝30kpa，

计算结果如下：

埋深

σ1

σ3

σ1f

备注

kpa

138

414

648.5

8.3

153

458

707

根据计算结果，σ1<σ1f,本工程顶管孔壁稳定性满足要求。

7、安全措施

本工程的施工等将会对道路安全造成一定的安全隐患，施工方案中安全措施较为简略，应补充详尽。

参考类似项目经验，施工中主要安全措施如下，可供施工单位参考。

（1）工作井、接收井周围做好硬性围护栏，围挡前后内禁止停车，并按规定设置警示牌和警示灯；

（2）夜间施工时设置照明，配置适当警示标志；

（3）开挖部位及时开挖、及时恢复，并采取相应措施保证安全；

（4）开挖土方不乱抛，集中堆放及时运出；

（5）雨前对土体和支护进行检查，并采取排水、防护措施，雨后对土体和支护进行检查；

（6）雨季施工各种车辆机械不得在开挖基础边缘2m内行驶、停放；

（7）对于危险区域，应树立标识牌、警示牌，并派专人24小时值班，待土建施工结束回填后，再拆除围挡。

同时，针对钻进过程中可能出现的施工危险也提出应对措施：

作业

活动

危险因素

可能导致的事故

涉及的