电力管线顶管施工上方道路沉降变形预测分析

胡丽丽

（四川青石建设有限公司北京第一分公司，北京 100000）

0 引言

进行城市管线施工时，由于环境的复杂性往往选用非开挖施工方式，而顶管施工是较为常见的非开挖施工方法。当管线下穿道路结构设施时，顶管施工过程中采用不同的管径及埋深会对上部结构变形产生不同的影响。

王赛等[1]以北京某综合管廊下穿某高速公路为例，通过数值模拟方法对顶管下穿高速公路进行研究，得出了顶管下穿施工引起道路路面的变形规律；赵明喆等[2]以漷马路管线下穿工程为例，根据工程实际情况，利用FLAC3D岩土工程数值模拟软件，分析竖井开挖回填以及管线施工过程中地层扰动规律以及对相邻管线的影响，总结平行管线相互影响叠加规律；李正中等[3]结合具体工程实例，评价下穿方案的可行性、施工过程的安全性和对既有公路的影响，运用有限元软件分析下穿施工过程中的土体沉降和路基稳定性。

虽然顶管施工技术已经较为成熟，相关应用研究也较多，但是仍然面临诸多问题亟需解决，尤其是顶管施工过程对上方道路结构的影响。基于此，本文以某电力管线顶管施工下穿道路工程为例，对顶管施工过程中道路的沉降变形进行预测，以此评价设计和施工方案的合理性。

1 工程地质概况

电力管线工程位于北京市北辰东路与慧忠路交叉口南侧。本次下穿位置起点竖井位于北辰东路西侧步道和非机动车道，向东采用顶管工艺施工至北辰东路东侧步道和绿化带内，施工长度为59m。竖井大小均为6×6m，2#深度为10.8m，3#深度为10.5m；管道直径为Ф1250，顶管覆土9.0～9.2m。施工地理位置图如图1所示。

图1 工程施工地理位置

该工程场地土层自上而下依次为：人工堆积层的房渣土①层，粘质粉土填土①1，细砂填土①2层。标高37.41～43.00m以下为第四纪沉积层的粘质粉土、砂质粉土②层及黏土②1层；细砂③层；卵石④层；粉砂、细砂⑤层等。该工程建筑场地类别为Ⅲ类。拟建场区历年最高地下水位接近自然地面；根据其水文地质条件，近3～5年最高地下水位为标高33.00m左右（不包括上层滞水），抗浮设计水位采用绝对标高37.0m。

由于地下水位埋藏较深，可不考虑地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性；拟建场地浅层土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性等级为微。

2 顶管施工上方道路基本情况分析

2.1 道路结构

施工下穿位置北辰东路路宽由西向东为：4.8m（人行道）+3.1m（非机动车道）+5.7m（隔离带）+27.5（机动车道）+1.7m（隔离带）+3.1m（非机动车道）+4.0m（人行道）。道路全宽约为50.0m。道路铺装为沥青混凝土路面。

（1）机动车道结构从上至下为：4cm 后改性沥青SMA-13、5cm粘层油为中粒式沥青混凝土AC-20；7cm粘层油为粗粒式沥青混凝土AC-25、2×16cm透层油为基层石灰粉煤灰砂砾、底基层石灰粉煤灰砂砾厚18cm，总厚度66cm。

（2）人行道路面结构：透水步道砖厚6cm、1∶5水泥中砂干拌厚2cm、C15无砂砼厚15cm、粗砂垫层厚5cm，总厚度28cm。

2.2 道路现状

（1）道路密实度：通过对地质雷达数据的滤波处理和对其回波信号的分析，结合现场调查、复测和核对并排除各种信号干扰引起的异常后，本次对北辰东路0～5m 深度，施工影响范围内道路进行雷达检测，未发现土体不密实区域。

（2）路面外观：检测范围内北辰东路共发现网裂2处。

（3）路面平整度：路面平整度检测结果如表1所示，依据《城镇道路养护技术规范》（CJJ 36-2016），检测范围内路面行驶质量评定均为A级。

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表1 路面平整度检测结果

（4）路面损坏状况：依据《城镇道路养护技术规范》（CJJ 36-2016），检测范围内道路路面损坏状况评价指数PCI详见表2所示。从表2可以看出，道路路面损坏状况评价指标为A。

表2 道路路面损坏状况评价指数

依据《城镇道路养护技术规范》（CJJ 36-2016），检测范围内人行道损坏状况评价指数FCI详见表3所示。从表3可以看出，人行道损坏状况评价指标为A。

表3 人行道损坏状况评价指数

3 道路变形控制指标

结合道路概况和现状检测情况，依据《穿越既有道路设施工程技术要求》（DB11∕T716-2019），充分考虑道路的运营安全及行车舒适度，提出控制值如下：

（1）路面绝对沉降量要求如下：施工期间，在其影响范围内的路面最大沉降控制值为15mm；

（2）地表隆起值要求：地表隆起控制值为5mm；

（3）地表沉降（隆起）位移最大速率控制值为2mm∕d；

（4）路面差异沉降值为4.5mm∕3m；

（5）为保证路面使用年限，要求路面不能产生结构性裂缝，以防雨水渗透对路基强度造成影响。

4 电力工程顶管施工工艺

4.1 竖井施工

在锁口圈梁下采用喷射混凝土+网构结构+钢筋网支护形式，竖井初期支护衬砌厚度均为300mm。格栅竖向间距为600mm，采用钢筋混凝土结构。竖井底板喷射C20混凝土，底板厚度均为300mm，钢筋布置为双层双向，竖井底板钢筋通过焊接与竖井侧壁格栅连接。

竖井钢格栅之间用Φ18连接筋焊接，连接筋锚入锁口圈梁中32d，要求连接筋沿钢格栅内外侧双排布设，水平间距1.0m，搭接不小于200mm。且四角两侧必设一根，钢格栅内外绑扎Φ6@10×10cm钢筋网片，网片搭接不小于一个网格。

4.2 人工顶管施工

该工程采用人工顶管施工工艺。竖井施工完成后，利用经纬仪将管道中心桩引入竖井坑壁上，作为顶管中心基线。工作坑至少设置三个水准点，水准点不允许碰撞及破坏，工作坑的中心桩与水准点的设置应牢固，保证准确，管道中心桩的位置要考虑后背墙变形的影响。

人工顶管前端工具管材质为钢板，厚度为12mm，形状为圆弧形，长度约1m。工具管套在首节顶管前端上方固定。工具管前端设置“帽檐”，呈尖形，长度约30cm，内部用12mm 钢板焊肋，间距为20cm。顶镐顶进行程约300mm，通过经纬仪测定顶管中心线，通过水准仪测定施工作业高程。同时做好现状地表道路的变形测量，并做好记录。

人工顶管顶进完成后，应在各个管节接口位置测量高程，当发现管节错口时，应计算出错口高差。在顶进工作坑中平行布置两根30#工字钢，顶管布置在工字钢上。工字钢下部横铺方木，方木尺寸为150mm×150mm，间距为500mm，方木下部基础稳固密实。管道下放时，工作平台同样布置两根30#工字钢，通过钢夹板、螺栓相连，此举目的是方便管材滚动至下管口，通过起重设备起吊作业。起吊后将工字钢拆除，留出下管空间，以便进行下管作业。平台位置的工字钢须与主梁位置的工字钢搭接连接，严禁悬空，并用钢管活方木卡住，同时焊接钢挡板。

施工过程中各测量仪器及设备均需经过仪器设备鉴定管理部门检测鉴定，不符合检测鉴定要求或超过检测期限的仪器设备禁止使用。

5 顶管施工上方道路沉降变形预测分析

5.1 预测分析方法

顶管施工对道路的施工影响范围为结构外皮按岩土破裂角扩散至地面的水平投影，为方便计算，破裂角按45°估算，竖井和顶管施工影响北辰东路整幅道路，影响长度约为30m。

采用数值计算软件MIDAS GTS对电力工程下穿北辰东路进行三维全过程施工模拟。综合分析竖井及顶管施工对路面变形的影响规律，对施工引起的路面沉降进行预测。

根据圣维南原理和实际需要，顶管施工下穿道路的计算模型尺寸100m×80m×50m（长×宽×高），模型共划分实体单元（zone）48238个，节点（grid-points）24025个，三维数值模型如图2所示。

图2 工程施工三维模型

5.2 预测结果分析

竖井及顶管施工完成后道路沉降云图如图3所示。

图3 顶管施工完成后道路沉降云图

通过数值计算可知，竖井施工影响北辰东路整幅道路，竖井施工完成后，道路路面竖向最大沉降为3.07mm；顶管施工完成后，道路路面竖向最大沉降为4.53mm。以上结算结果均未超过相关控制标准，表明在控制措施得当的情况下，顶管施工不会对路面产生较大危害。

6 结束语

为了判断顶管施工方案的可行性，本文以北京市某电力管线顶管施工下穿北辰东路为例，根据设计及施工方案，采用数值模拟的方法定量预测并分析管线施工过程中上方道路结构的沉降变形情况。结果表明，该工程管线埋深较深，在管线覆土大于三倍管径情况下，管线下穿施工对上部道路结构影响较小；而竖井占路施工且开挖较深，对道路结构变形影响相对较大，但总体施工影响有限。鉴于此结果，笔者建议施工过程中应采取三级预警管理，监测结果应及时向有关各方汇报并指导施工，同时应对影响范围内的道路及其他附属设施进行定期巡查，结合监测结果综合判断施工对道路的影响，防范于未然。