市政管道顶管穿越市政道路设计要点分析

李美玲 黄小邕

[ 作者简介 ]

李美玲，女，河南汤阴人，中国市政工程中南设计研究总院有限公司，工程师，硕士，研究方向：市政结构工程。

黄小邕，男，广东中山人，中国市政工程中南设计研究总院有限公司，工程师，硕士，研究方向：市政结构。

[ 摘要 ]

燃气管网作为现代化城市的重要基础设施之一，在安装的过程中需进行大量埋地敷设，不可避免地需要开挖已成型路面。但因地下已建各类管线的复杂性、地质情况的特殊性以及施工现场情况的多变性，很难采用传统的明开挖方式进行施工建设。为解决这一难题，在燃气管道经过交通繁忙、人口密集、地下管线复杂的道路时，常采用顶管穿越技术进行施工。其主要特点是可以不拆除地面障碍物，不中断地面交通，同时可在一定程度上缩短工程周期，节约工程成本。

[ 关键词 ]

燃气管道;顶管穿越;市政道路

1 顶管穿越技术

顶管穿越（以下简称“顶管”）施工就是在工作井内借助顶进设备产生的顶力，克服管道与周围土壤的摩擦力，将套管按设计坡度顶入土中，以实现非开挖敷设地下管道的施工方法。顶进时将套管分管节从工作井推进到接收井，套管内土壤随顶随挖，在支撑好滑块支架后，将燃气管道固定于套管内，完成管道的穿越。

为避免顶管顶进中竖井坍塌、穿越段路面沉降或隆起等状况的发生，顶进方式的选择必须科学合理。顶管施工前应掌握详细的地勘资料和水文资料，应进行地质勘察和现场放线，厘清燃气管道施工范围内及施工处地下及地上所有障碍物，调查施工对生态环境和生活环境的影响，积极采取相应防范措施。在进行施工组织设计时，应充分考虑管道所处土层性质、地下水位、附近地上与地下建筑物，并充分考虑各种设备的布置、操作空间、工期长短和挖掘泥土的运输方式等各种因素的影响。另外，燃气管道顶管穿越道路的敷设期限、程序以及施工组织方案应征得相关部门同意。

顶管法适用管径为300～4000 mm，施工速度约50 m/d，施工方向控制精度可达500 mm。顶管施工系统主要包含工作井、接收井、主顶设备、顶管机、基坑导轨、顶铁、后背墙、起重设备、注浆润滑设备、泥水分离设备、出土设备及通风照明辅助设备等。

2 顶管理论计算

2.1 工作井与接收井参数计算

燃气管道顶管施工现场必须要有足够位置布置工作井和接收井。在顶管施工中，虽然不需要全线开挖地面，但需在顶进管道的两端分别开挖工作井和接收井。工作井是顶管机和首节管材顶进的地方，井内放置所有顶进设备，同时井内设有后背墙，承受主顶油缸的反作用力。后背墙的最低强度应保证在设计顶进力的作用下不被破坏。接收井是接收顶管机的地方，是顶管顶进的端点。

工作井和接收井的形状通常选用矩形。其长度、宽度和深度尺寸的大小主要取决于顶进管道的口径、单节管道长度、管道覆土厚度、顶管施工方法等，并受地下水位、土壤性质等条件影响。

2.1.1 工作井主要参数

L1≥l1 + l3 + k                                      （1）

且                                    L1≥l2  + l3   + l4 + k                                    （2）

H1≥H3 + D1 + h                                     （3）

當                   H1≥5 m时，B1 = D1 +（2.0～2.4）                        （4）

当      H1≥5 m时，B1 = 3D1 +（2.0～2.4）    （5）

式中：L1 ——工作井最小净长，m;

H1 ——工作井底板面最小深度，m;

B1 ——工作井内径最小宽度，m;

l1 ——顶管机下井时最小长度，m;

l2 ——下井管节长度，m;

l3 ——千斤顶长度，m;

l4 ——留在井内的管道最小长度，m;

k ——后座和顶铁的厚度，m;

H3 ——管顶覆土层厚度，m;

D1 ——燃气管道外径，m;

h ——管底操作空间，m。

2.1.2 接收井工作参数

接收井最小净长L2需满足设备拆除吊出。

接收井最小深度H2参照工作井深度。

B2 = D2 + 2                           （6）

式中：B2 ——接收井內径最小宽度，m;

D2 ——顶管机外径，m。

为保证施工作业的安全性，防止坍塌发生，工作井与接收井上部需进行放坡处理。工作井底部一般用不小于200 mm的现浇混凝土板加固，井内承受顶力的后背墙处加20 mm厚钢垫板，工作井及接收井的长度、宽度和深度都应经过计算确定。

燃气管道顶管穿越时宜与道路正交通过，若需要斜交，交角不宜小于60°。穿越点宜选在道路的路堤段和管道的直线段，穿越需避开高填方区、路堑、路两侧为同坡向的陡坡地段，穿越处应设置标志桩。一般情况下，顶管处的覆土厚度不小于3 m，或者不小于1.5倍的管道外径，否则应采取相应技术措施。

2.2 顶力计算

对于整个顶管施工而言，顶力计算至关重要，计算的准确性直接影响最终设计方案的合理性。顶力可根据式（7）计算：

Fp =  Dg 2 p + D0 L f                     （7）

式中：Fp ——总顶力，kN;

Dg ——顶管机外径，mm;

p ——土压力，kN/m2;

D0 ——管道外径，mm;

L ——顶距，m;

f ——管道外壁与土的单位接触面积的平均摩阻力，kN/m2。

根据顶力计算所得数值选用合适的推力油缸。

在顶进过程中，通过后背墙将顶力传给墙后的土体，后背墙的土体对顶进产生反作用力，所以要求后背墙要有足够的强度，压缩回弹量尽可能地低，充分分担顶进过程中产生的后坐力。在最大顶力条件下保证后背土体不被破坏;为确保顶进过程中后背墙的稳定性和安全性，需对后背墙土抗力进行核算，其值不应低于总顶力的1.2倍，这样才能满足安全施工条件。

在整个施工过程中，应严格按照施工规范和工序流程进行，精心组织施工，严禁出现偷工减料的情况。为防止基坑变形、道路塌陷或隆起等状况出现，顶进过程中需做好土压力控制、泥浆置换和监测工作，同时通过施工技术手段，做到勤测量、勤纠偏，确保顶进质量和对周边地貌的保护。

3 燃气管道要求

3.1 质量要求

燃气管道采用顶管法穿越道路时常采用钢制管道。钢制燃气管道在外观检验合格后，还须进行超声波探伤检验和射线照相探伤检验。管道焊缝应进行100 %的外观检验，焊缝应达到GB50683—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工质量验收规范》要求的Ⅱ级质量要求。超声波探伤检验不得低于现行标准NB/T 47013.3—2015《承压设备无损检测第3部分：超声检测》中的Ⅰ级质量要求。射线照相探伤检验不得低于现行标准NB/T47013.2—2015《承压设备无损检测第2部分：射线检测》中的Ⅱ级质量要求。

3.2 燃气管道防腐要求

穿越管段应采用与相邻埋地管段相同的防腐涂层进行有效防腐，并应比相邻管段提高一个涂层防腐等级，故通常管道外防腐等级为3PE特加强级。钢制燃气管道顶管时在工作井内应设置阴极保护，一般根据管道管径、阳极棒规格及土壤电阻率确定牺牲阳极的数量和间距，并且穿越前必须对管道防腐层进行100 %的外观检验和100 %的电火花检漏，另外还需对防腐层完整性进行全线检查，不合格必须返工处理，直至检验合格。

3.3 功能性试验

中压埋地燃气管道设计压力要小于等于0.4 MPa，吹扫压力不得大于管道的设计压力，且不应大于

0.3 MPa，吹扫介质宜采用压缩空气，吹扫气体流速不宜小于20 m/s。强度试验介质宜采用压缩空气，顶管穿越管段的强度试验压力应为该处设计压力的1.5倍，试压稳压时间不应少于4 h，严密性试验压力应为该处设计压力的1.15倍，且不得小于0.1 MPa，稳压持续时间不应少于24 h。试压时的环向应力不宜大于钢管屈服强度的

90 %，有特殊要求的管段，可适当提高强度试验压力。

3.4 套管设置要求

顶管施工时套管一般选用钢筋混凝土管，并需满足GB/T 11836-2009《混凝土和钢筋混凝土排水管》要求，套管公称内径一般为800～1000 mm，常采用承插连接。套管两端应比所穿道路路基坡脚边缘长出2 m，一般采用管卡和管托或滑块支架将燃气管道固定于套管内，滑块支架按照每3 m一个均匀分布于混凝土套管内，套管两端采用木质挡板和沥青油麻封堵，外用防渗水泥砂浆封口，封口前需将套管内积水排净。

3.5 检漏管设置要求

顶管段应设置检漏管。检漏管一般设置在顶进端，从套管一端向下风向引出。检漏口常采用焊接钢管，设置于地面标高相对较高处。可以通过检漏孔，利用检漏仪测试燃气泄漏情况，以此判断管道是否有腐蚀泄漏;也可采用管道内窥镜进行外观检查，将检漏管插入内窥镜对其内部情况进行检测，观察套管内是否有水等引发腐蚀的介质存在，检查混凝土是否产生结构性裂缝，是否存在局部露筋现象，观察混凝土绝缘支墩是否移位，发现问题要及时处理，以提前消除安全隐患。

4 安全管理措施

燃气管道第三方施工破坏的主要原因，一是燃气经营企业安全管理不完善，二是第三方施工企业对燃气管道保护意识不强。

4.1 建立完善的规章制度

完善的QSHE管理体系和企业规章制度是一个企业进行劳动管理和生产管理的准则。要制定适合于本企业安全生产管理的QSHE管理体系和企业规章制度，要结合《燃气管道设施保护法》，专门制定燃气埋地管道第三方施工管理办法，明确规定各级管理人员（部门）的岗位职责、管道巡线路线、上报流程、交叉施工安全交底、施工绿卡办理、现场监护内容、针对野蛮施工的应急处置以及考核，规范第三方施工监护工程流程，为防止燃气管道第三方施工破坏提供一个可靠依据。

4.2 加强燃气管道基础数据管理

埋地管道基础数据错误是导致发生第三方施工破坏事件的原因之一。2013年，昆山市发生一起埋地燃气管道第三方施工破坏事件，就是因燃气经营企业提供的管道埋深数据有误，第三方施工顶进作业破坏了燃气管道而发生燃气泄漏事件。

燃气经营企业不仅要颁布燃气管道管理办法，还要指定专人负责建立并完善管道走向、埋深标识牌、阴极保护测试桩等统计台账;每年要定期使用燃气管道探管仪对管道管位、埋深进行复查检测，更新数据;委托地区特种设备检测研究院检测管道数据，补充补全数据台账;及时更换管道走向标识、埋深标识牌等，确保管道基础数据正确。加强管道基础数据管理是燃气经营企业防止第三方野蛮施工破坏的手段之一。

4.3 提高巡线工作人员责任心和业务能力

燃气经营企业的巡线工作内容单调、枯燥乏味、日巡线公里数大、无节假日休假，因此巡线员工容易麻痹大意、思想滑坡，进而出现巡线质量下降和漏巡等情况。但巡线工作是企业能否及时发现第三方施工的“触手”，是与第三方施工企业进行交涉的“代表”，是制止野蛮施工的“执行者”，是第三方交叉施工现场安全施工的“保卫人员”。燃气经营企业巡线工作是保障燃气管道安全运行的重要防线。

燃气经营企业要重视巡线人员的责任心和业务能力培养，每年应定期开展管道巡线工岗位业务技能知识培训，使他们熟悉管道及设备设施情况，掌握第三方施工监护管理工作流程，做到心中有管道公里数、脑中有巡线图，并能牢记巡线困难点，做到有目的地巡线，并及时发现问题;每年要组织开展员工岗位练兵、岗位技术比武等活动，形成岗位员工之间、班组之间比拼的良好氛围，从而分批次、分段式提高巡线员工、巡线班组整体业务能力。

定期开展第三方施工安全经验分享，让他们知道在遇到拒不配合或者强行野蛮施工的施工单位时应该如何现场制止和求助政府职能部门。

4.4 实施第三方施工作业分级监控

我国各大城市经济快速发展，城市容貌日益美化，交通越来越便利，相应的工程建设施工种类也逐年增多，威胁到埋地燃气管道安全运行的因素种类也越来越多。主要风险因素可归纳为两种：一是施工种类，包括打桩、穿越、顶管、勘探、绿化维护、光缆铺设等;二是施工点与燃气管道的距离。不同的风险因素导致燃气管道破坏进而造成燃气事故的严重程度也不尽相同。因此，建议各燃气经营企业根据施工种类和施工点距燃气管道的距离对第三方施工实施分级监控，对风险较大、施工周期较长的进行重点监控，控制不利因素。

4.5 加强燃气安全文化宣传

2020年5月，应急管理部印发《推进安全宣传“五进”工作方案》，提出安全文化宣传要进企业、进农村、进社区、进学校、进家庭，这给所有企业的安全宣传工作指明了方向。燃气经营企业的燃气管道存在“线长、面广”的情况，单单依靠企业内部员工发现、制止第三方施工破坏工作，明显“心有余而力不足”。因此，燃气经营企业应以《推进安全宣传“五进”工作方案》为契机，加强燃气安全文化宣传，动员人民群众积极参与到燃气管道保护工作中，发挥人民群众的力量，弥补企业自身的短板。

在燃气管道附近的农村和郊区，可以通过自荐、村委推荐的方式，挑选一些离退休人员或者有威望的退休村干部，组成企业编制外的“燃气管道协管员”队伍，作为企业巡线人员的补充。定期对“燃气管道协管员”进行燃气管道安全运行相关知识的培训，通过他们的人脉关系，引导、带动周边群众发现并举报或制止可能破坏燃气管道的建设施工、村民违建违搭等。对于“燃气管道协管员”，应定期给予一定的劳动报酬。对于发现并举报或制止的群众，应给予一次性的物质奖励或者经济奖励，努力形成“蝴蝶效应”，形成群众自发性宣传的良好氛围，带动越来越多的群众参与，使人民群众成为燃气管道安全运行的“护航者”。

5 结语

在城镇燃气管道敷设过程中，采用顶管施工技术可以提高施工质量，节省工程投資，减少对周边环境的影响，而且通过精心设计、优化施工工序、合理安排工期、科学高效管理，还可以为燃气管线的顺利贯通提供可靠保障。

参考文献

[1]韩旭. 顶管施工技术在城镇燃气管道建设中的应用研究[D]. 北京：北京建筑大学，2018.

[2]梁金强，赵晓梅，翟波. 油气输送管道顶管穿越公路施工设计[J]. 工程建设与设计，2013（1）：157-159.