输油管道顶管穿越干线公路的施工技术研究

孙延光

（淄博市交通建设发展中心，山东淄博 255000）

0 引言

在油品输送管道施工过程中，经常会遇到管道与公路交叉的情形，出于保护公路和尽量不影响正常交通方面的考虑，目前更多地采用非开挖方式施工，其中顶管施工方式的应用较为普遍。在该施工方式下，套管设置过程中，如何防止坍孔和路面沉陷是施工中的重点和难点，控制开挖、顶进的速度和控制超挖是关键。基于此，需要对新建输油管道穿越公路过程的施工及安全管理等内容进行研究。

1 管道穿越公路施工方式对比

1.1 开挖路面穿越

管道穿越公路的传统方式为开挖路面和路基，管道敷设完毕后，恢复公路路产。这种方式会给过往车辆及行人带来不便，且公路在后期使用过程中容易出现路面沉陷问题。

1.2 顶管施工穿越

该施工技术属于非开挖管道敷设技术，不需要开挖公路，施工过程不会破坏公路路面结构，土基承载力基本不受影响，且施工周期短，是目前大直径管道穿越公路工程的首选施工方案。

2 顶管穿越公路的特点

从施工技术特性来看，该方法具有投资少、工期短的特点，且可以有效降低噪声和环境污染，能够避免传统开挖方式造成的交通中断影响。顶管推进过程中，管道周围处于主动土压力与被动土压力之间，对原土的干扰极小，正常施工情况下，不会导致路面沉降，不会提高公路后期的养护成本。

3 套管承载力计算

套管除承受填土自重外，还承受经路面传递而来的汽车荷载。由于汽车荷载作用于管顶的垂直压力与汽车荷载类型和管顶填土高度有关，因此套管应满足的最小承载力是两者的荷载之和。

套管单位长度上的垂直土荷载计算：

式（1）中：q为单位管长上的垂直土荷载，MN/m；为土壤容重，取0.016MN/m；为管道外径，单位m；为管顶回填土高度，m。

结合相关标准规范，计算路面车辆传到管道上的垂直荷载。《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）的规定，公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值，即无论是高速公路穿越，还是Ⅰ～Ⅳ级公路穿越，计算中采用的车辆荷载值均相同。车辆后轴重力标准值为2×140kN，汽车后轮着地宽度和长度分别为0.6m 和0.2m。《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定，计算车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下作30角分布，当几个车轮的压力扩散线相重叠时，扩散面积以最外边的扩散线为准。

汽车荷载横向分布宽度：

=(0.6/2+4.98×tan30)×2+(1.3+2×1.8)=11.28m

汽车荷载纵向分布宽度：

=(0.2/2+4.98×tan30)×2+1.4=7.38m

车辆荷载产生的垂直压力：

=(4×140)/(11.28×7.38)=6.73kN/m

地面车辆传到套管上的荷载：

q=6.73/1.2=5.6(kN/m)

管道上的垂直总荷载：

=q+q

4 顶管施工应注意的主要事项

地质结构：施工地点的地质结构是顶管施工的最关键影响因素，所以在顶管施工前必须完全了解施工地点的土质及水文情况。工作坑回填环节，要分层压实，避免出现地表过大下沉的现象。

管道施工气体防护：顶管施工的地层一般会通过淤泥层，腐烂动植物体会在地下形成有毒气体聚集体，危害施工人员的健康和生命，有人员在顶管内作业时，需要定时监测管内有毒气体含量，并启用通风装置。

5 工程案例分析

5.1 工程概况

为缓解淄博市临淄区石化企业油品运输问题，需新建专用原料输送管道，输送油品为海外进口的中质原油、重质原油及M100 燃料油等。油品自分输站通过3 条输油管道与企业内部的输油管道连接，管径采用D323.9×6.4L360M 钢管，管道沿顺油流方向从左到右依次为柴油管道、汽油管道、原油管道，中途需穿越一条省道，由于该条省道重载车辆多、路面为双向两车道，车辆荷载更为集中，因此采用套管顶管穿越公路施工技术，根据内管直径确定使用直径1.5m 的钢筋混凝土套管。现有省道路面宽16m，根据公路远期规划，穿越长度为66m，套管长度62m，其中顶管长度为46m，开挖加套管长度为16m。顶管坑位于省道北侧，距离现有省道中心23m，接收坑位于省道南侧，距离现有省道中心23m，管道穿公路套管管底距路面的距离为5.77m。

5.2 施工进度计划

5.2.1 施工准备：根据图纸对现场进行勘测，了解施工区域其他管线设置情况，调度车辆、机械、工人、施工用料进场，计划5 天完成施工准备工作。

5.2.2 基础施工阶段：主要包括定位放线，工作井开挖、工作坑支护等，该阶段的施工任务与顶管施工任务穿插进行，计划4 天完该阶段的施工任务。

5.2.3 套管顶进设备安装阶段：在施工基坑内安装顶进设备，加固顶管作业进出口，计划用8 天完成该阶段的施工任务。

5.2.4 套管顶进阶段：主要包括管道顶进，顶进外运土方，计划用12 天完成该阶段的施工任务。

5.2.5 工作坑回填及现场清理：计划用4 天完该本阶段的施工任务。

5.3 顶管施工基本方案

顶管穿越公路工作坑应在施工前开挖完成，所需千斤顶、土方运送等设备调试安装就位后，将套管吊装放置，利用液压千斤顶对顶环进行顶推。采取顶进、运土交替进行的施工方式，按照一定的距离进行顶进，待顶缸退回后，工人进入套管，手动进行挖土和土方外运，依次交替循环进行至工作坑，工作坑尺寸经测量无误后，拆除顶推设备，将主管通过套管穿越。顶管施工工艺流程见图1。

图1 顶管施工工艺流程图

5.4 施工技术措施

5.4.1 施工准备

（1）组织技术人员熟悉图纸，对现场地形状况和土质情况进行复核，确定最佳的机械、材料放置位置，便于施工。

（2）开工前，确认所有穿越公路施工的相关手续，检查施工机具和材料，确保其符合施工要求；施工现场设置必要的警示标志和安全防护设施。

（3）根据设计坐标进行测量放线，并在稳定构筑物上设置水准点，按照出土和入土点位，对管道线形、施工边缘线等做出明显标志。

5.4.2 工作坑开挖及基坑支护

根据施工需要，确定合适的工作坑尺寸。根据现场地形，选择从公路北侧进行顶管，顶管工作坑尺寸确定为4.0×4.0×4.2m，由北往南顶进，路北顶管深度为距现有地平4.2m，顶管接收坑设置在公路以南，尺寸为4.0×4.0×5.0m，路南顶管深度为距现有地平5m。

5.4.3 施工工艺流程及施工方法

（1）开挖前插接安装支撑护板一、二,安装过程中应保证各紧固螺栓安装正确，支撑护板一上的临时挡土板安装紧固到位。支撑护板一、二正确安装完毕后，采用人工与机械相结合的方式进行挖土，机械下挖1.6m 时用吊车将预先安装好的支护体系放到工作坑位置，使支护体系在自身重力下随开挖作业水平下沉，形成稳定的支挡结构。

（2）支护体系类似沉箱，会在自身重力作用下下沉。在支护体系下沉的过程中，应保证坑底均匀开挖，以保证支护体系在下沉过程中底面与坑底平行，当护板一、二顶部主梁下沉至与地表齐平时，进行支撑护板三、四的起吊安装，采用螺栓将之与下部相应护板连接牢固。安装完毕后继续开挖、下沉，之后每开挖1m 放入一节护板，直至开挖至设计深度。支护体系在自重作用下下沉困难时，可适当施加外力，使支护体系水平下沉。施工机械操作人员、信号工要密切配合，挖土施工的位置要安全和牢固，在这一过程中要有专人进行监管，保证挖土施工的安全。

5.4.4 工作坑开挖技术要求

（1）认真绘制工作坑开挖图，准确确定工作坑开挖边线和坑底标高，严格执行先撑后挖的施工顺序，严格控制下沉垂直度。

（2）熟悉工作坑开挖图和施工现场周围环境，制定合理的出土路及运输线。

（3）车辆进出施工现场清运土方，应采取冲洗措施，避免造成扬尘污染公路。

（4）如需夜间施工，还应设置必需的施工照明设备和警示标志。

5.4.5 工作坑防排水

在工作坑周围2m 范围内应进行硬化处理，不允许工作坑及管道在顶进过程中见水。由于基坑占地面积小，雨季防水可采用坑顶遮挡防水方式，即在坑顶搭设架杆，上部铺设防水雨布，将雨布延伸至挡水围堰以外，用砖模、砂袋压实，进而将工作坑范围内的雨水引至围堰外。

5.4.6 导轨安装和顶管设备调试

该项目所采用的导轨是由槽钢焊接而成，选择好符合工程实际的尺寸和结构顶管机，并在吊装前进行检查。安装顶管机前应进行调试，清洗油管，避免尘土进入油管内部，确保液压系统无泄漏。

5.4.7 顶管施工测量和导向

顶进施工中，所有记录数据要真实、完整、连续，并且要对测量数据及时进行分析、反馈。此外，应在每节管道完成顶进后，进行复测，并对方向、高程、顶进力曲线等进行分析，发现偏差趋势及时纠偏。

5.5 施工设施拆除

5.5.1 拆除顶管设施

人工配合吊车，将顶管机、枕木、导向支架等设施拆除运走。套管施工完成至内管穿越工作期间，为防止意外事故发生，应采用编织袋装土封闭混凝土套管两端敞口端，并设置必要的安全标志。

5.5.2 支撑体系的回收

（1）在充分参考测量监测数据、论证工作坑周边变形允许的前提下，可将整个支撑体系的护板全部回收。

（2）回收采用吊车起吊与回填同步配合的方式。回收步骤：第一，将地面以下护板用吊车绳索固定预紧，拆除螺栓后起吊，拆除地面以下1m 护板；第二，起吊绳索应系在最底层护板的上部主梁上；第三，上行起吊一个石屑虚铺厚度；第四，密实回填石屑。重复第三、四步，将全部护板拆除、吊出。

（3）在石屑回填过程中，将2 根6m 长的6×18 的U 型钢横在基坑顶部，然后将已吊起的护板用钢丝绳固定在U 型钢上。

（4）护板回收时，应对工作坑周边进行监测，发现地面及周围建筑物变形异常，或监测数据达到报警值时，应停止回收，及时按要求回填。

5.6 顶管坑回填

5.6.1 回填前顶管坑底压实度要达90%以上，基坑底部如果存在碎石等硬物，应清理干净至设计标高以下20cm，再层铺天然细砂石料。

5.6.2 基础以上至管顶0.5m 范围内铺压实度≥93%的石屑，每次回填0.2m 后进行水折密实，密实度应大于95%，回填至管顶0.5m 处。

5.6.3 石屑以上回填压实度≥93% 的素土，每次回填0.2m 后进行压实，压实度应大于93%，直到回填完毕。

5.7 顶管注浆施工

5.7.1 在套管四周充填水泥浆，达到密实坚固的施工标准，以避免公路路面沉陷，该环节的施工质量对管道和公路的安全运营有重要影响。

5.7.2 注浆材料的选择：具有触变性的悬浮液是首选的注浆材料，顶管施工一般优先选用钠基膨润土。此外，套管顶进完成后，应尽快封堵套管外侧和土体间的间隙。

5.7.3 为保证灌注浆液均匀分布在套管外表面，在注浆过程中，要对浆液的黏度、用量和注浆压力情况进行实时监测,注浆情况见图2。

图2 注浆示意图

5.8 地貌恢复及标志桩埋设

穿越公路管道施工完毕后，应对顶进坑与接收坑进行分层回填，回填时要对穿越管段的下部分层进行回填并夯实。拆除施工临时设施后，要对公路绿化、边沟等原有路产设施进行恢复，并按设计要求埋设管道标志桩。

6 结语

近年来，我国经济社会高速发展，对石油衍生能源的需求越来越大，相关原料和成品通过车辆运输不仅能耗大且存在一定的安全隐患。目前，中长距离的油品运输越来越倾向于管道输送这一更加方便、安全的输送方式，但由于新建管道不可避免地会与公路交叉，顶管穿越公路是目前较为普遍的过路施工方式，因此研究新建输油管道穿越公路过程的施工技术有十分重要的现实意义。