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摘要：为完成城市新区污水输送工程管道穿越高速公路，确保污水管线施工过程的安全，同时不对所穿越高速公路结构和行车安全造成影响，对该管道穿越高速公路施工方案进行安全评估分析。
关键词：污水管道；拖拉管；安全评估
Abstract: to complete the new city sewage transportation engineering pipeline crossing the highway, ensure the safety of wastewater pipeline construction process, and at the same time the wrong through highway structure and driving safety impact, the pipeline crossing the highway construction scheme for safety evaluation analysis.
Keywords: sewage pipe; Procrastination tube; Safety assessment
中图分类号：U412.36+6文献标识码：A文章编号：
在修建水利工程的同时, 或多或少会碰到水工建筑物与其他建筑物交叉布置, 这就对施工提出很高的要求:①要保证施工本身的安全；②要保证施工过程中对周边建筑物影响控制在可控范围内。本文介绍了新区污水输送管道工程中采用非开挖定向钻拖拉管法在下穿高速公路的成功案例。
一、项目概况
新区污水输送管道工程，管道长约4500米，包括污水泵站两座（A泵站和B泵站），标段压力污水管道DN800采用玻璃钢夹砂管，过匝道路基段采用D800HDPE 拖拉管。本次评估穿越段位于高速公路东线里程桩号K3+450处。管道穿越区域为互通区匝道路基。穿越处匝道路基为单车道，路面净宽8.5m，路基高度为2.0m。
根据施工方案，污水管线布设在此处穿越匝道路基采用非开挖定向钻拖拉管法。管道采用污水HDPE拖拉管，直径为D800mm，管道穿越位置位于原地面下3m，管顶距离穿越处匝道路面5m。此段管道穿越地段的土质为粉质粘土，定向穿越段长度考虑采用128米（西）。施工完成后，穿越区域采用注浆密实。污水管道穿越施工断面如图1所示。
图1 污水管道穿越施工断面图
二、安全性评价
1、岩土条件及管基评价分析
根据施工图设计说明及相关批复和地勘资料情况，拟建管线所经区域地貌单一，均为冲湖积平面，地势较为平坦。区内管线沿线多为耕地、池塘、居住区及厂房。岩土工程类别基本为杂素填土及耕植土、粉砂粘质粉土、淤泥质及粉质粘土和深层粉质粘土几类。根据附近地质勘察报告资料，可确定出本次管道施工影响范围内典型土层分布情况及各层土物理力学性能指标，见表1所示。
表1
指标
土层 重度(kN/m3) 孔隙比 压缩模量
(MPa) 粘聚力
(kPa) 内摩擦角
(°)
层厚（m）
素填土 19 10 5 101 1.20
粉质粘土 18.98 0.86 6.79 15.8 15.4 2.10
淤泥质
粉质粘土 18.23 1.06 3.79 9.8 6.7 9.0
除表层杂素填土开挖不用外，地基土承载力最低为夹层粉质粘土，承载力特征值达75kPa；覆盖较厚的粘质粉土，承载力特征值达120kPa。新区污水输送工程A泵站至B泵站段管道穿越高速公路施工方案，管线埋深明挖段为2.0m 非开挖段为路面下5.0m，管基铺设砾石砂垫层10cm黄砂找平。根据设计提供基底承压50kPa可知，上述各层承载力均能满足施工要求。因此该项目管基施工满足地基承载力要求，岩土工程条件满足施工要求。
施工时应注意地层交接部位易产生不均匀沉降，可采用地基加固处理措施，如换土垫层法或碎石桩法进行地基处理。
2、拖拉管对匝道路基的影响分析
定向钻（拖拉管）敷管施工是在一定的岩土环境中进行，对岩土体的扰动改变了岩土体中原有的应力应变性状，岩土体性状的改变引起对岩土体周边环境的影响。
据相关资料及经验，拖拉管施工使得周边土体应力及超孔隙水压力急剧增加，引起孔周土体相应产生连续变形，土体相应的应力应变区内都将受到扰动，越靠近管位扰动越大，尤其在扰动区内过大变形使得附近地层产生移位、破裂、地陷、冒浆等不良现象；另外定向钻施工后在管道周边形成泥浆区，泥浆为含水丰富的超饱和土，在较长时间之后将失水使管道周边形成一定空隙，引起应力重分布导致土体产生固结沉降。因此拖拉管施工对路基及周边土层存在一定影响，如若施工不当将引起对周边环境的不良影响。
采用拖拉管施工时，如果管内泥浆压力能够维持原有土压力和水压力平衡，对高速公路路基没有影响。拖拉管施工成型后，偏于保守地不考虑泥浆压力，通过ansys建模计算得到的地表沉降见图2所示。地表的最大竖向位移位于拖拉管顶部，最大竖向位移为0.5mm，所以对地表及路表影响几乎没有影响。
图2竖向位移分布
3、拖拉管施工关键项分析
非开挖定向钻穿越（拖拉管）施工法包括三个关键技术环节分别为：管道回拖力计算和纵断面确定、钻导向孔、扩孔。这三个环节是决定拖拉管施工成败的关键。
（1） 管道回拖力计算采用式：
其中 ； ；Pt为管道回拖力；Py为扩孔钻头迎面阻力；Pf为管周摩阻力；DK为扩孔钻头外径；D为管道外径；Ra为迎面土挤压力；L为管道长度；f为管周与土的单位侧壁摩擦力。依据本项目施工方案，代入相关拖拉管设计参数计算可得管道回拖力Pt=208.8kN，而本次拖拉管施工所采用的Ditch Witch JT7020 回拖力为320kN，因此回拖力满足工程要求。
（2）管道纵断面确定即确定管线在土层中的轨迹曲线,并提供相应的曲线参数和具体的控制值以用于施工。影响轨迹曲线的主要因素有:管线的平面布置、管道的起始和终点标高、管线的埋设深度、管道的口径等。经查本项目施工方案管道纵断面上在确定管道出入口位置的基础上，拟订了开孔角度和出入土点的高程，且路面中心距管道顶约5m，符合拖拉管覆土深度1.5m的要求。因此管道纵断面设计方案基本可行。
（3）钻导向孔阶段应根据设定的钻进路径和定位仪的指示向前推进旋转的钻头，需要改变方向时将钻头朝向设定钻进的方向。由钻机向前推进到一定距离即可。达到设计的偏转角度后，即可再旋转钻进。经查该项目钻导向孔阶段施工方案基本可行，另外应注意在钻进过程中应采用无线电手持式测量仪进行跟踪监测，严格控制钻头轨迹，使其符合设计轴线，如果偏差大于规定就要立即调整。
（4）钻头到达出土口后钻进工作完成，但孔径还没有达到敷设要求，因此需要采取多次扩径，直至扩孔到预定孔径。本项目施工方案扩孔采用逐渐增大扩成孔，擴孔器规格为Φ600、Φ800、Φ1100。为使扩完的孔成型好方案降低扩孔速度，扩孔时间大于3分钟/根，泥浆粘度保持在45-50秒之间，泥浆量保持在孔内充满足够泥浆。参照相关工程资料分析，本扩孔方案基本符合项目地实际地质情况，最大扩孔为Φ1100，只要操作规范，管道穿越后及时灌注水泥浆，基本不对地表土稳定产生影响。
三、评估结论
污水输送管道穿越高速公路项目符合高速公路建筑限界要求，管基施工满足地基承载力要求，管道回拖力计算、钻导向孔、扩孔和回拖敷管均符合本工程实际条件，只要认真落实各项关键技术环节，拖拉管施工对匝道路基基本无影响。
参考文献：
[1] CECS246- 2008,《顶管施工技术及验收规范》( 试行)[S]
[2] 房延懋. 发展顶管技术. 开拓市政领域. 中国港湾建设,2000.1.
[3]方荣.管道顶贯穿越技术在高速公路中应用和可行性安全评估的探讨. 公路建设与科技创新,2009.10.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：污水管道；拖拉管；安全评估
Abstract: to complete the new city sewage transportation engineering pipeline crossing the highway, ensure the safety of wastewater pipeline construction process, and at the same time the wrong through highway structure and driving safety impact, the pipeline crossing the highway construction scheme for safety evaluation analysis.
Keywords: sewage pipe; Procrastination tube; Safety assessment
中图分类号：U412.36+6文献标识码：A文章编号：
在修建水利工程的同时, 或多或少会碰到水工建筑物与其他建筑物交叉布置, 这就对施工提出很高的要求:①要保证施工本身的安全；②要保证施工过程中对周边建筑物影响控制在可控范围内。本文介绍了新区污水输送管道工程中采用非开挖定向钻拖拉管法在下穿高速公路的成功案例。
一、项目概况
新区污水输送管道工程，管道长约4500米，包括污水泵站两座（A泵站和B泵站），标段压力污水管道DN800采用玻璃钢夹砂管，过匝道路基段采用D800HDPE 拖拉管。本次评估穿越段位于高速公路东线里程桩号K3+450处。管道穿越区域为互通区匝道路基。穿越处匝道路基为单车道，路面净宽8.5m，路基高度为2.0m。
根据施工方案，污水管线布设在此处穿越匝道路基采用非开挖定向钻拖拉管法。管道采用污水HDPE拖拉管，直径为D800mm，管道穿越位置位于原地面下3m，管顶距离穿越处匝道路面5m。此段管道穿越地段的土质为粉质粘土，定向穿越段长度考虑采用128米（西）。施工完成后，穿越区域采用注浆密实。污水管道穿越施工断面如图1所示。
图1 污水管道穿越施工断面图
二、安全性评价
1、岩土条件及管基评价分析
根据施工图设计说明及相关批复和地勘资料情况，拟建管线所经区域地貌单一，均为冲湖积平面，地势较为平坦。区内管线沿线多为耕地、池塘、居住区及厂房。岩土工程类别基本为杂素填土及耕植土、粉砂粘质粉土、淤泥质及粉质粘土和深层粉质粘土几类。根据附近地质勘察报告资料，可确定出本次管道施工影响范围内典型土层分布情况及各层土物理力学性能指标，见表1所示。
表1
指标
土层 重度(kN/m3) 孔隙比 压缩模量
(MPa) 粘聚力
(kPa) 内摩擦角
(°)
层厚（m）
素填土 19 10 5 101 1.20
粉质粘土 18.98 0.86 6.79 15.8 15.4 2.10
淤泥质
粉质粘土 18.23 1.06 3.79 9.8 6.7 9.0
除表层杂素填土开挖不用外，地基土承载力最低为夹层粉质粘土，承载力特征值达75kPa；覆盖较厚的粘质粉土，承载力特征值达120kPa。新区污水输送工程A泵站至B泵站段管道穿越高速公路施工方案，管线埋深明挖段为2.0m 非开挖段为路面下5.0m，管基铺设砾石砂垫层10cm黄砂找平。根据设计提供基底承压50kPa可知，上述各层承载力均能满足施工要求。因此该项目管基施工满足地基承载力要求，岩土工程条件满足施工要求。
施工时应注意地层交接部位易产生不均匀沉降，可采用地基加固处理措施，如换土垫层法或碎石桩法进行地基处理。
2、拖拉管对匝道路基的影响分析
定向钻（拖拉管）敷管施工是在一定的岩土环境中进行，对岩土体的扰动改变了岩土体中原有的应力应变性状，岩土体性状的改变引起对岩土体周边环境的影响。
据相关资料及经验，拖拉管施工使得周边土体应力及超孔隙水压力急剧增加，引起孔周土体相应产生连续变形，土体相应的应力应变区内都将受到扰动，越靠近管位扰动越大，尤其在扰动区内过大变形使得附近地层产生移位、破裂、地陷、冒浆等不良现象；另外定向钻施工后在管道周边形成泥浆区，泥浆为含水丰富的超饱和土，在较长时间之后将失水使管道周边形成一定空隙，引起应力重分布导致土体产生固结沉降。因此拖拉管施工对路基及周边土层存在一定影响，如若施工不当将引起对周边环境的不良影响。
采用拖拉管施工时，如果管内泥浆压力能够维持原有土压力和水压力平衡，对高速公路路基没有影响。拖拉管施工成型后，偏于保守地不考虑泥浆压力，通过ansys建模计算得到的地表沉降见图2所示。地表的最大竖向位移位于拖拉管顶部，最大竖向位移为0.5mm，所以对地表及路表影响几乎没有影响。
图2竖向位移分布
3、拖拉管施工关键项分析
非开挖定向钻穿越（拖拉管）施工法包括三个关键技术环节分别为：管道回拖力计算和纵断面确定、钻导向孔、扩孔。这三个环节是决定拖拉管施工成败的关键。
（1） 管道回拖力计算采用式：
其中 ； ；Pt为管道回拖力；Py为扩孔钻头迎面阻力；Pf为管周摩阻力；DK为扩孔钻头外径；D为管道外径；Ra为迎面土挤压力；L为管道长度；f为管周与土的单位侧壁摩擦力。依据本项目施工方案，代入相关拖拉管设计参数计算可得管道回拖力Pt=208.8kN，而本次拖拉管施工所采用的Ditch Witch JT7020 回拖力为320kN，因此回拖力满足工程要求。
（2）管道纵断面确定即确定管线在土层中的轨迹曲线,并提供相应的曲线参数和具体的控制值以用于施工。影响轨迹曲线的主要因素有:管线的平面布置、管道的起始和终点标高、管线的埋设深度、管道的口径等。经查本项目施工方案管道纵断面上在确定管道出入口位置的基础上，拟订了开孔角度和出入土点的高程，且路面中心距管道顶约5m，符合拖拉管覆土深度1.5m的要求。因此管道纵断面设计方案基本可行。
（3）钻导向孔阶段应根据设定的钻进路径和定位仪的指示向前推进旋转的钻头，需要改变方向时将钻头朝向设定钻进的方向。由钻机向前推进到一定距离即可。达到设计的偏转角度后，即可再旋转钻进。经查该项目钻导向孔阶段施工方案基本可行，另外应注意在钻进过程中应采用无线电手持式测量仪进行跟踪监测，严格控制钻头轨迹，使其符合设计轴线，如果偏差大于规定就要立即调整。
（4）钻头到达出土口后钻进工作完成，但孔径还没有达到敷设要求，因此需要采取多次扩径，直至扩孔到预定孔径。本项目施工方案扩孔采用逐渐增大扩成孔，擴孔器规格为Φ600、Φ800、Φ1100。为使扩完的孔成型好方案降低扩孔速度，扩孔时间大于3分钟/根，泥浆粘度保持在45-50秒之间，泥浆量保持在孔内充满足够泥浆。参照相关工程资料分析，本扩孔方案基本符合项目地实际地质情况，最大扩孔为Φ1100，只要操作规范，管道穿越后及时灌注水泥浆，基本不对地表土稳定产生影响。
三、评估结论
污水输送管道穿越高速公路项目符合高速公路建筑限界要求，管基施工满足地基承载力要求，管道回拖力计算、钻导向孔、扩孔和回拖敷管均符合本工程实际条件，只要认真落实各项关键技术环节，拖拉管施工对匝道路基基本无影响。
参考文献：
[1] CECS246- 2008,《顶管施工技术及验收规范》( 试行)[S]
[2] 房延懋. 发展顶管技术. 开拓市政领域. 中国港湾建设,2000.1.
[3]方荣.管道顶贯穿越技术在高速公路中应用和可行性安全评估的探讨. 公路建设与科技创新,2009.10.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。