刘宇稀,申铁军

（1.山西路桥第四工程有限公司,山西 大同 037006; 2.山西路桥建设集团有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

在下穿天然气管道并行顶管同步施工方面，过去的研究多为土层环境下径向外荷载、内水压作用管节受力破坏的研究，对长距离岩质地层中顶进时管体受力规律的研究还较少[1]。随着工程建设项目的快速发展，顶管施工环境逐步深入岩层，亟需相关的研究成果指导工程实践[2]。现场在初入上侵灰岩段顶进施工时，管节顶进端内壁混凝土出现了明显的环向裂缝。裂缝平均最大宽度接近2 mm、长度数十厘米[3]。为解决施工中出现的管节端环向裂缝发育问题，研究基于过往的研究基础和施工经验，利用现场实测、数值模拟程序工况模拟分析管节顶进端的开裂机理[4]，并进一步探究管节裂缝的修复及优化措施，以保障项目顶管工程施工安全和质量[5]。

1 地质岩性

1.1 第四系全新统湖积、人工堆积层（Q41、Q48）

（1）湖积淤泥[地层编号（1-3）]。干强度中等，韧性中等。主要分布在湖底部，厚度0.4~2.6 m 不等。

（2）素填土[地层编号（1-2）]。呈松散－稍密状，厚0.8~5.5 m，在局部地段分布，主要为已建湖堤堤身和鱼塘之间的地埂。

（3）杂填土[地层编号（1-1）]。厚0.4~4 m，局部路面有15~30 cm 厚的混凝土，主要分布在官莲湖大桥桥底和公路路基部位。

1.2 第四系全新统冲积层（Q4a1）

（1）粉砂[地层编号（2-3）]。灰－青灰色，厚度不大于5 m，饱和，均匀性好。分布在堆积平原区，埋深13 m 以下，与工程关系不大。

（2）淤泥质黏土[地层编号（2-2）]。饱和，流塑状，高压缩性，孔隙比较大，分布在堆积平原区。

（3）粉质黏土[地层编号（2-1）]。褐黄－灰褐色，厚度0.8~8.1 m，可塑状态，中－高压缩性土，干强度高，韧性高。主要分布在堆积平原区。

2 技术的难点

路基施工环境复杂，路基上跨西气东输天然气管道，西气东输天然气管道输送介质为天然气，管径711 mm，设计压力10 MPa，运行压力6 MPa 属国家管网集团天然气管道有限责任公司、山西天然气管理有限公司共同管理。管道旁2.0 m 范围内有专用光缆，管理单位属保密单位[6]，见图1~6。如按常规路基跨越天然气管道施工，面临以下施工难点：

图1 天然气管道所在位置

图2 天然气管道警示标志

图3 国防光缆所在位置

图4 国防光缆警示标志

图5 天然气管道开挖

图6 天然气管道基础晾晒

2.1 地基承载力不足的问题

如设盖板涵作为天然气管道的保护涵，涵洞基底地基承载力要求≥400 kPa（因天然气管道的特殊性，故该涵洞的地基承载力明显高于普通涵洞），但该段路基土质主要为粉质黏土，压缩性大，地基承载力明显不足[7]。采用标准贯入试验检测地基承载力。根据承载力基本允许值范围[8]，该涵洞基坑开挖深度达到6.2 m 以上方能满足设计要求的地基承载力，属于深基坑开挖，且根据地质钻孔显示，该处存在地下水[9]，土方开挖量较大，管道开挖后暴露时间长，施工安全隐患高[10]。

2.2 专用光缆的保护问题

针对专用光缆的保护问题，按建设单位要求做到“五个严禁”“五个不准”，具体参照《中华人民共和国军事设施保护法实施办法》和《国务院、中央军委关于保护通信线路的规定有关内容》[11-12]，施工期间，被管理单位告知，对该处涵洞而言，作用于基础底面的垂直均布荷载总和不得大于200 kN/m。如问题一所述，涵洞基坑开挖深度达到6.2 m 以上即涵洞顶填土高度在6.2 m 以上，土体压力为正常施工造成极大的难题[13-14]。

2.3 天然气管道的问题

施工方被国家管网集团天然气管道有限责任公司、山西天然气管理有限公司明确告知，不存在天然气管道改线、位移、停气的可能性。

3 技术的重点

（1）同步施工顶管相互扰动下易导致沉降超限，并行顶管同步施工时，后行顶管再次穿越同一节点造成二次扰动加剧沉降，大大提高了沉降控制难度[15]。

（2）小间距中隔墙承载力弱，大口径顶管中心间距7.5 m，边线净距3.9 m，中隔墙厚度近似一倍管节直径，相对厚度低、承载力弱，为保障上覆地层稳定造成了较大的困难[12]。

4 主要研究内容与创新点分析

4.1 主要研究内容

4.1.1 下穿燃气管道小间距并行顶管施工沉降控制技术根据工程实际地质条件、下穿管道沉降控制要求，通过Midas GTS 建立数值分析模型，分析了并行顶管不同步距工况下地表沉降变化规律，结合现场监测试验数据，探究了并行顶管顶进施工的最优步距，揭示了并行顶管施工步距影响地表沉降的作用机理，并从机理上提出了地表注浆加固措施，解决了并行顶管施工时地表沉降的技术难题[16]。

4.1.2 软硬地层顶管保护层混凝土开裂机理及阻裂技术为解决穿越上侵灰岩顶管管节顶进端保护层混凝土裂缝发育问题，研究基于工程现场施工背景，采用现场数值模拟探究管节顶进端保护层混凝土的开裂机理并提出有效的处置措施[17]。

4.2 创新点分析

（1）基于PECK 公式建立了管道－地表沉降监测反馈体系，提出了先后顶管工作面纵向最优步距、重点区段中隔墙注浆加固的沉降控制措施，有效解决了下穿燃气管道并行顶管同步施工沉降控制难的问题[18]。

（2）揭示了软硬地层顶管管节保护层混凝土环向裂缝的开裂机理，并基于机理提出了加密注浆管网、优化减阻泥浆的阻裂措施，有效避免了管节劣化导致的一系列工程事故[19]。

5 效益分析

5.1 下穿燃气管道小间距并行顶管施工沉降控制技术的效益分析

通过采用控制纵向间距、重点部位注浆的方式完成了双线同期施工任务，相比于分次贯通施工，节省了工期近40 d，节省资金约60.2 万元。现有条件下顶管作业工效为44 d/单线，考虑施工实际影响，采用双线施工预计作业周期为90 d，现场采用同期双线施工用时50 d，直接节省工期40 d。依据现有管理水平及人机料配置，节省顶管作业人员管理费用约为6×400×40=9.6 万元，节省现场管理人员费用2×300×40=2.4 万元，节省履带吊、泥浆泵、变压器等配套设施租赁费用约47.1 万元，节省特种作业人员费用4×600×40=9.6 万元。总计施工节省费用约68.7 万元。其中注浆加固所需材料费约3.1 万元，作业费用（包含人、机费用）约5.4 万元，施工与前期顶管作业同步进行，不占用工期计划时间。统计节省费用为68.7-8.5=60.2 万元。

5.2 软硬地层顶管保护层混凝土开裂机理及阻裂效益分析

通过采用加密管网、注浆优化等措施，避免了后续管节施工出现环向裂缝，节省管节修补人工投入约22 个工时，节省设备台班3 个，合计约2.3 万元。综合上述，研究成果累计直接经济效益为节约成本约155 万元，节约工期约60 d。

6 结语

该文研究针对顶管工程施工中并行顶管施工沉降控制与风险管控，探究了顶管施工存在的沉降、混凝土开裂施工风险因素，分别提出了有效的预防措施。立足于复杂地质环境，探索了并行顶管、顶管结构、软硬地层工况的施工技术，不仅为该行业的研究提供了一定的理论基础，也为类似地质工程施工提供了借鉴参考，对于我国城市顶管工程建设、发展具有积极的意义。