燃气管道顶管穿越高速公路的设计研究

随着中国经济的飞速发展和城镇化建设进度的加快，为加快燃气用户的开发以及片区管网的优化完善，燃气管道经常需要穿越高速公路、铁路等重要区域。以厦门市为例，沈海高速公路将集美区等岛外区域一分为二，故燃气管道穿越公路不可避免。对于高速公路这类重要区域都不允许开挖施工，而选用非开挖工艺施工，顶管法就是非开挖施工中一种常用的施工法，它具有施工周期较短、不影响交通、对周边环境影响小等开挖法不可比拟的优越性。《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2013）规定：“穿越铁路或二级及二级以上公路时，应采用在套管或涵洞内敷设穿越管段”。燃气管道若敷设于保护套管内实现穿越，则会对燃气管道形成良好的保护，会更加安全可靠，同时也更有利于以后的维护运营。即在不影响高速公路正常运营的条件下，采用顶管（保护套管）穿越高速公路，燃气管道再从顶管（保护套管）中穿过。顶管法采用的保护套管宜采用钢管或钢筋混凝土套管，综合材料采购、施工等多方面因素，保护套管一般选用钢筋混凝土套管，燃气管道一般选用双面螺旋缝埋弧焊接钢管。

1套管管位的设计

1.1套管平面管位的选择

燃气管道为输气管道，是市政工程的生命线，钢筋混凝土套管是顶管的主体，其平面管位取决于燃气管道的平面管位，燃气管道的平面管位主要取决于燃气管网建设的需要，同时，选择时要避开地上、地下障碍物，满足与相应障碍物的安全间距，使顶管的始发点至终点拉直线。根据物探和钻探获得的地勘资料，避开地下其他管线密集的地点，结合施工现场总平面布置的需要，最终确定穿越段的平面位置。

1.2套管顶进深度的确定

套管顶进深度确定前，应详细分析该工程的地质勘察报告。该地质勘察报告应包含地形、地质（地层、地质构造）、地貌、岩土性质、地下水水位（最高水位、最低水位和勘察时水位）、地下水压力、地下水对钢筋混凝土的腐蚀性以及各土层的物理力学性质参数等内容。

一般来讲，管顶覆土层的厚度（不计淤泥层厚度）应大于管外径1.5倍，且不小于3.0m。实际工程中，出于安全性考虑，顶管顶进的深度都远大于1.5倍外径，这时决定顶进深度的主要为土层性质、地下水以及工作井。

（1）土层性质。选择顶管在什么深度、什么土层中顶进，都可以通过调整工作井深度的方法实现。根据当今的顶管水平，从淤泥到岩石各类土层都可顶进，只有相对适宜顶进的土层和相对不适宜顶进的土层。淤泥质黏土、黏土、粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土等土层适宜顶管，淤泥土、松填土和中等风化的岩石等土层不宜顶管。不宜顶管的土层施工时会出现顶管轴线不易控制、纠偏困难、施工缓慢等问题，从而增加工程造价。

（2）地下水。地下水对顶管深度的影响很大，地下水位的高低影响管道的受力分析，在同样地质情况下，地下水位高时，管道受力小，而地下水位低时反而不利。当顶管穿越的土层位于地下水位以下，顶管施工易受地下水渗流影响，施工时需抽走地下渗流水，难度较大，也会增加工程造价。

（3）工作井。工作井的深度取决于套管顶进的深度，工作井一般采用沉井法施工，费用较高，深度的增加也必然会导致沉井施工难度的增加以及工程造价的增加，故顶管深度确定时须同时考虑工作井的造价问题。

总的来讲，套管顶进深度确定时应综合考虑地质土层的性质、覆土厚度、地下水位以及工作井的施工等问题，需在这些方面寻找一个平衡，即在稳定安全的情况下选定相对适宜的土层，最大限度地降低施难度与施工周期，减少工程造价。

2套管管径的选取及强度计算

顶管施工完成后，钢筋混凝土套管埋设于高速公路路面下，承受套管结构自重、竖向土压力、侧向土压力、地面堆积载荷以及地面车辆载荷，为保证高速公路的正常运行，需验算在钢筋混凝土套管顶进深度下能否承受住上述载荷，即该如何选择套管的强度等级。钢筋混凝土套管，执行《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T640）标准，混凝土强度不低于等级C40，一般接口采用钢承口接头，并使用“O”型橡胶圈进行密封，每节标准长度2.0m。套管内径的大小根据燃气管道的外径来进行选择，一般套管与燃气钢管之间留有0.3~0.6m的空间以便施工与以后的维护更换。钢筋混凝土套管管径选定后，由壁厚、埋设深度、高速公路车辆载荷、堆积载荷等条件计算出（计算依据：《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332、《给水排水埋地预制混凝土圆形管管道结构设计规程》CECS143）该套管所承受的裂缝载荷数值与破坏载荷数值，然后利用此数值在《顶进施工法用钢筋混凝土排水管》（JC/T640）标准中选择该管径套管所合适的级别，该标准将顶进施工用的钢筋混凝土套管分为I、II、III级，根据相应工程实例，在适宜的土层条件和埋设深度下，顶管穿越高速公路的套管级别一般选用II级钢筋混凝土套管就可满足载荷要求，并能在施工完成后长期稳定地安全运行。

例如，笔者负责设计的工程地点位于厦门市集美区的《天马山路燃气管道下穿沈海高速公路工程》，该工程工况条件如下：套管内径1.0m，套管壁厚度0.1m，套管长度（节）2.0m；套管外径1.2m，覆土厚度（距高速公路路面）5.5m，土壤力学指标若干；地面荷载，堆积荷载10kN/m²，车辆荷栽12kN/m²：一级公路荷载，套管管体混凝土强度等级C40。

燃气钢管管径：D426×8，设计压力级别：中压A，套管顶进长度：111.5m。

经计算，裂缝荷载：34kN/m²＜II级管[许用裂缝载荷]=69kN/m²；

破坏荷载：50.5kN/m²〈II级管[许用破坏载荷]=100kN/m²。

故该工程选用II级钢筋混凝土套管就可满足载荷要求。

3工作井的设计

3.1工作井位置要求

（1）尽量远离交通要道，距水、电源较近且便于出土的位置：（2）工作井与周边或需穿越的建筑物、构筑物应有一定的安全距离：（3）根据地形和土质情况，充分考虑原土靠背的抗压能力。

3.2工作井施工方式

工作井由于面积较大，且背墙承受较大的顶力，同时，为防止流砂及施工过程中的坍塌，一般选择沉井法施工。

3.3工作井尺寸的确定

工作井应有足够的空间和工作面，保证下管、安装顶进设备和操作间距，井底长、宽尺寸可按如下公式计算：

工作井宽度：W=D+（2.4~3.2）

（1）式中，W为工作井宽度，m；D为顶管外径，m。

工作井长度：L=L1+L2+L3+L4+L5

（2）式中，L为工作井底长，m；L1为顶管顶进管尾端留置长度，m，钢筋混凝土管一般留0.3m；L2为每节管长度，m，钢筋混凝土管一般为2.0m；L3为出土工作间隙，一般为1.0~1.5m；L4为千斤顶长度，m:L5为靠背厚度，m。

工作井深度取决于套管埋设深度、套管管径以及管道连接操作高度。

3.4接收井

接收井仅是接收顶管机的场所，它不受顶力作用。井的尺寸要求能够接收顶管机洞，以及满足顶管内的管道与不同标高开挖施工管道相连接的尺寸要求。接收井尺寸比工作井尺寸小，结构相对简单。土质较好，无地下水的地区，可挖一个土坑作为接收井。土质一般或存在地下渗流水的地方，接收井亦可采用沉井法施工。

4顶管允许顶力

钢筋混凝土套管顶管施工时，施工单位采用多少顶力应受到设计允许顶力的制约，设计人员应根据顶力结果（计算依据：《给水排水工程顶管技术规程》CECS246），提供顶管工作井的允许顶力和钢筋混凝土套管的允许顶力，供顶管施工单位选择顶管的顶力设备参考。具体设计时，操作流程如下：

（1）应先根据顶管的用途，与业主和施工单位一起研究计算决定顶管直径、长度和可能选用的顶管机类型。

（2）根据工作井处的地质勘探资料，计算工作井靠背墙的允许顶力，并根据允许顶力对工作井进行结构配筋设计。

（3）计算所选用的钢筋混凝土套管的允许顶力。

（4）取工作井背墙的允许顶力和钢筋混凝土套管的允许顶力二者的较小值，提供给顶管施工的施工单位。施工单位根据顶进总长度、顶管机型号及顶进图纸，估算顶管需要的总顶力。当总顶力超过工作井允许顶力或管材允许顶力时，应设置中继间。当一道中继间不能满足时，再设若干中继间，直至满足总顶力要求为止。

5套管内燃气管道的设计

钢筋混凝土套管顶管完成后，燃气管道再从套管内穿过。燃气管道一般选用双面螺旋缝埋弧焊接钢管，采取焊接连接，焊缝外观检查合格后，同时，还要采用100%射线探伤检验和100%超声波探伤检验，以提升燃气管道的安全性。燃气管道敷设于套管内采用绝缘支架支撑，绝缘支架的连接采用不锈钢螺钉螺母。混凝土套管两端用木质挡板和沥青油麻封堵，外用防渗水泥沙浆封口。为及时检测套管内燃气管道的气密性，在钢筋混凝土套管相对高的一头设置检漏管，检漏管的检漏口设置于地面标高相对高处。同时，为防止套管内透水引起燃气管道上浮，套管内燃气管道相隔固定距离应设置止浮柱。燃气钢管的防腐采用三层挤压聚乙烯防腐层的防腐法与牺牲阳极电保护法相结合的防腐措施，防腐胶带的防腐等级为加强级，电保护采用牺牲阳极保护，选用盘绕式锌带牺牲阳极保护，缠绕锌带与管道中心线成60°角，以笔者上述提到集美区《天马山路燃气管道下穿沈海高速公路工程》为例，其套管内燃气钢管的做法详见图1。

 

6结语

本文总结了燃气管道顶管穿越高速公路的设计中应涵盖的各方面的内容以及一些常用的流程与注意事项，均为个人通过工作经验所得之体会，实际工作中遇到具体实例还应具体分析。总而言之，设计过程中应与业主、施工单位及高速公路管理部门进行充分的沟通，在设计、施工、安全及运营等方面寻找平衡点，安全第一，同时兼顾施工的难度及造价问题，使设计文件符合安全可靠、满足规定、经济合理且施工维护方便的技术要求。

 

本文摘自《中国设备工程》中的《燃气管道顶管穿越高速公路的设计研究》孙建华，如有侵权请联系删除。