符秀江 FU Xiu-jiang；王思長 WANG Si-chang；王子健 WANG Zi-jian；蔣鏵隆 JIANG Hua-long

（①海南省公路管理局，?？?570100；②重慶科技學院建筑工程學院，重慶 401331；③能源工程力學與防災減災重慶市重點實驗室，重慶 401331）

0 引言

頂管施工作為一種無開挖施工技術，在城市地下管道建設中具有很大的優(yōu)勢。它可以避免對地面的破壞，減少對周圍環(huán)境和交通的影響，提高施工效率。然而，頂管施工項目面臨著一系列的風險和挑戰(zhàn)，包括技術風險、安全風險、環(huán)境風險、質量風險和管理風險等。因此，對頂管施工項目的風險進行分析，并制定相應的應對措施，對項目的成功實施至關重要。

王彬[1]針對深圳市軌道交通12 號線某繁華路段地鐵站出入口矩形頂管施工開展分析，提出施工風險包括進出洞風險、設備風險、掘進風險和環(huán)境風險等，采用改進的層次分析法建立大斷面矩形頂管風險層次結構模型，對施工風險開展了評估；莫萬練[2]以成都地鐵某號線一期工程外部電源電纜通道工程為背景，對頂管施工中存在的安全風險進行了簡要分析，并提出相應的管控措施；孫勝杰[3]提出了一種新的長距離頂管的頂推力計算方法，從頂推設備和注漿材料選擇、管道位移偏差、風險控制及管理方面探討了頂管施工的質量控制要點；李良東[4]根據(jù)黃河下游多條穿黃輸氣管線工程的施工經驗，研究了黃河下游穿黃輸氣管線工程遇到的環(huán)境風險技術問題，為跨河橋梁、特高壓輸電線路、穿河通信管線等其他穿黃工程的設計和施工提供了參考；王樂天[5]等通過現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬及Peck 經驗公式的方法研究了頂管施工引起的地表沉降規(guī)律，探討了管-土摩擦、注漿壓力及支護壓力對地表沉降的影響。

本文以海南省某一體化項目為依托，針對頂管施工過程中的危險因素展開分析，應用peck 法經驗公式計算了頂管施工引發(fā)的路面沉降量，有效保障了公路及其附屬設施的安全，為工程施工提供了有益參考。

1 工程概況

某一體化項目，包含取水泵站、輸水管道、凈水廠三部分。頂管施工為先采用頂管法鋪設D1500 鋼筋砼管道，然后在砼管道內布置DN800 鋼管。經現(xiàn)場勘察，本段頂管工程工作井基坑開挖范圍及基坑外圍20m 范圍內不存在已建建筑物、地下管線。頂管D1500 采用F 型鋼筋混凝土管，總長度222m，坡度2%，頂管埋深為4.38m 至5.66m。

根據(jù)實地踏勘情況及地勘報告，頂管段管線經過的場地為粘土層，可作該段管基的持力層。根據(jù)場地巖土工程條件，結合擬埋設管線位置，管線穿越路線土層及選擇持力層，頂管在粘土層中穿越。

2 頂管施工工藝流程

頂管施工是一種無開挖管道鋪設技術，適用于穿越公路、鐵路、河流等障礙物的管道施工。其一般工藝及流程如下。

①前期準備。包括以下三個步驟：1）確定頂管施工的起點和終點，制定施工方案；2）進行現(xiàn)場勘察和測量，確定地下管線的情況，包括地下設施、地質情況等；3）安排施工隊伍和設備，準備所需材料和工具。

②導向井的建設。包括以下兩個步驟：1）在起點和終點位置開挖導向井，用于引導頂管的施工方向；2）根據(jù)設計要求，在導向井中安裝導向框架或導向裝置，確保頂管的準確定位和導向。

③頂管施工。包括以下三個步驟：1）通過起點導向井，將頂管推入地下；2）使用液壓推力設備或推進機械，施加推力將頂管推進至終點導向井；3）在推進過程中，根據(jù)需要進行頂管段的連接，確保管道的連續(xù)性。

④推進控制。包括以下兩個步驟：1）通過實時監(jiān)測頂管的位置和方向，進行推進控制，以保證頂管施工的準確性和安全性；2）根據(jù)需要進行調整和修正，確保頂管沿預定軌道推進。

⑤頂管到位和回填。包括以下三個步驟：1）當頂管推進至終點導向井位置后，進行頂管的定位和固定；2）進行必要的檢查和測試，確保頂管的質量和完整性；3）在頂管完成后，進行回填作業(yè)，將施工現(xiàn)場恢復到原有的地面狀態(tài)。

⑥驗收和后期處理。包括以下三個步驟：1）進行頂管工程的驗收，檢查頂管的質量、功能和安全性；2）根據(jù)需要進行防腐、絕緣、保護層等后期處理工作；3）編制頂管施工記錄和技術檔案。

3 頂管施工主要危險因素

根據(jù)類比工程，結合本路涵施工實際情況，該工程施工對公路及其附屬設施的影響主要表現(xiàn)為以下幾個方面：①工程失敗；②路面隆起、沉降和塌陷風險；③路基、路面崩裂風險；④泥漿污染；⑤物體打擊與高處墜落風險；⑥施工用電風險；⑦施工作業(yè)活動引起的交通事故。

3.1 工程失敗

頂管施工是一項復雜的工程，涉及多個環(huán)節(jié)和多種因素。工程失敗可能由多種原因引起，如設計不合理、材料質量不過關、施工操作不當?shù)?。設計不合理可能導致管道承載能力不足，管道彎曲半徑過小，使得管道在施工過程中無法順利推進；材料質量不過關可能導致管道連接處漏水、漏氣，從而影響管道的正常運行；施工操作不當可能導致管道斷裂、連接失效，甚至引發(fā)事故。為防止工程失敗，應在施工前進行全面的工程評估和設計優(yōu)化，確保設計合理；選用優(yōu)質的材料，并進行嚴格的質量控制；施工過程中嚴格按照操作規(guī)程進行，避免操作失誤。

工程失敗的主要后果表現(xiàn)為回拖失敗、擴孔報廢。其主要原因可能是：①鉆機能力不夠；②導向孔不符合要求；③預擴孔偏移量過大；④孔內泥屑堆積過多；⑤塌孔：管道進孔不順暢；⑥設備故障；⑦泥漿含水量過大，引起孔壁親水性土壤吸水，導致縮孔，當縮孔時強行開鉆，可能發(fā)生卡鉆甚至導致工程失敗。

3.2 路面隆起、沉降和塌陷

頂管施工過程中，頂管推進會對路面產生一定的影響，可能引起路面隆起、沉降和塌陷。這些問題會導致道路不平整，影響交通安全和道路使用壽命。為減輕路面的影響，可以采取合適的措施，如設置合理的支撐和保護結構，控制施工推進速度，確保施工過程平穩(wěn)進行。此外，施工后應及時進行路面恢復和維修，確保道路的平整和安全。

根據(jù)類比工程，其主要原因可能是出入土點距路基過近、地質較差或未進行沉降觀測等，從而導致路基塌陷或破壞，路面結構層龜裂、反射裂縫甚至塌陷。一旦路面塌陷，將對公路及公路附屬設施造成較大破壞，影響道路的交通安全。

3.3 路基、路面崩裂

頂管施工可能會對路基和路面造成影響，特別是在進行土方開挖時。如果施工控制不當，可能引起路基、路面的崩裂，導致道路破壞和交通事故。為降低崩裂風險，應在施工前進行地質勘察和工程設計，充分了解地質情況和地下管線布局，采取相應的支護和保護措施，確保施工過程中路基和路面的穩(wěn)定和完整。路基、路面崩裂一般發(fā)生在涵洞施工周邊。其主要原因可能是開挖點距路基過近、坑內泥屑堆積過多、局部塌孔等。

3.4 泥漿污染

頂管施工過程中常常使用泥漿作為潤滑和沖洗介質，如果泥漿處理不當，可能導致泥漿污染地下水和土壤，影響環(huán)境和水質。為避免泥漿污染，應在施工前制定合理的泥漿處理方案，對泥漿進行分類和處理，確保其不會對環(huán)境造成污染。此外，在施工過程中要嚴格控制泥漿的使用和排放，減少對環(huán)境的影響。由于大口徑管道的水平定向穿越泥漿使用量非常大，除出、入土點兩端的泥漿池存儲的泥漿需要處理之外，穿越沿程的冒漿、跑漿可能造成公路邊溝、耕地、水域污染。

3.5 物體打擊與起重傷害

在頂管施工過程中，頂管設備和材料可能會從高處墜落，或者施工人員被物體打擊，導致人身傷害和安全事故。為防止此類事故，應在施工現(xiàn)場設置嚴格的安全措施，如搭建安全圍護網、設置警示標識、佩戴安全帽和安全帶等。同時，施工人員要接受專業(yè)的安全培訓，提高安全意識，嚴格遵守安全操作規(guī)程。

模板工程及吊運作業(yè)時易引發(fā)物體打擊的風險。模板工程施工過程中引發(fā)風險的主要原因有：①模板支撐系統(tǒng)無專項施工方案和計算書或未按方案要求進行安拆；②模板搬運及安裝違章作業(yè)；③在拆模作業(yè)誤操作；④安拆工人防護用品配備不齊全；⑤模板拆除后未及時對“四口、五臨邊”設置防護等。吊運作業(yè)引發(fā)風險的主要因素有：①作業(yè)人員無證上崗；②吊裝機械操作不當；③機械作業(yè)半徑內人員活動；④構件捆綁不牢固；⑤起重設備傾覆；⑥操作人員違反“十不吊”；⑦防護欄不全；⑧操作人員未按要求使用安全防護用品；⑨安裝拆除未設警戒區(qū)、無專人指揮等。

3.6 施工用電風險

頂管施工中常常涉及大量電力設備，如果用電不規(guī)范或設備維護不當，可能引發(fā)電氣事故和火災。為防止電氣風險，應使用符合安全標準的電氣設備，確保設備正常運行；定期進行電氣檢測和維護，及時消除隱患；設置合適的電氣防護措施，如漏電保護器、過載保護器等。

施工過程中易引發(fā)觸電風險，主要原因有：①電線架設不規(guī)范；②電器設備不規(guī)范；③電線破損；④通電調試無人看護；⑤安裝接線錯誤；⑥設備超負荷運行等。

3.7 施工作業(yè)活動引起的交通事故

頂管施工區(qū)域常常與交通道路交叉，施工活動可能引起交通事故，特別是在交通高峰期和施工區(qū)域能見度不好的情況下。為降低交通事故的風險，應在施工前制定詳細的交通管理方案，合理安排交通流線和交通標識，確保施工區(qū)域的交通暢通和安全。同時，施工人員應接受交通安全培訓，嚴格遵守交通規(guī)則，采取相應的交通安全措施，如設置警示標志、警示燈等，確保施工現(xiàn)場的交通安全。

該工程施工點緊鄰高速公路，工程施工過程中，施工點的設備、材料進場、人員活動等有引發(fā)交通事故的可能，故要做好施工過程中的交通組織專項方案。

綜上所述，頂管施工中的主要危險因素涵蓋了工程失敗、路面隆起、沉降和塌陷風險、路基、路面崩裂風險、泥漿污染、物體打擊與高處墜落風險、施工用電風險、施工作業(yè)活動引起的交通事故等方面。為確保頂管施工安全順利進行，應在施工前進行全面的風險評估和安全規(guī)劃，采取相應的措施和控制措施，提高施工人員的安全意識和技能，嚴格遵守操作規(guī)程和安全標準。只有全面考慮和有效應對這些危險因素，才能確保頂管施工的安全性和可靠性，保障工程的順利完成和成功運營。

4 Peck 法計算理論

穿越施工引起的地面沉降計算方法主要有經驗法、解析法、數(shù)值分析法和現(xiàn)場測試法。經過長時間對隧道及穿越工程施工引起地表面沉降形狀的研究和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，Peck[6]于1969 年提出在不排水的狀態(tài)下地鐵施工所引起的地層損失，與地表沉降槽體體積大小應當是一致的，而且假定隧道所處的地層是均勻的連續(xù)介質，隧道施工所引起的地表沉降曲線，可以近似概率中的正態(tài)分布曲線，其地表沉降預計公式為：

式中：Sx為地面任一點的沉降量（m）；

Smax為地面沉降的最大值，即管道軸線上方的最大地面沉降量（m）；

x 為從沉降曲線中心到所計算點的距離（m）；

i 為地面沉降槽寬度系數(shù)（m）；

Vi為管道單位長度的土體損失量（m3/m），通常采用挖掘面面積的百分率來估算土體損失的大小，令η 為土體損失百分率，則vi=πr2η。

η=0.20%～3.01%[7]，取值根據(jù)管道所處層位的土體性質確定，自穩(wěn)性差、易流失的土取大值。

i 的經驗公式為：

經大量工程數(shù)據(jù)分析，采用經驗公式求得[8]：

式中：H 為頂管埋置深度（m）；

r 為管道半徑；

φ 為土的內摩擦角。

5 頂管施工引發(fā)路面沉降量計算

根據(jù)本工程巖土體特征，結合類比工程及室內實驗，土層失土率η 取2.8%，內摩擦角φ 取18°。

由計算可知，管道軸線上方的最大地面沉降量為0.0086m，即8.6mm。根據(jù)規(guī)范規(guī)定“穿越施工造成的公路路面沉降量應小于或等于20mm”[9]，故本頂管施工穿越段引發(fā)的路面沉降滿足要求。

6 結語

本文闡述了頂管施工工藝流程，分析了頂管施工過程中的主要風險，并提出了建議措施。以海南省某一體化項目為依托，應用peck 法經驗公式計算了施工中引發(fā)的路面沉降量，計算結果顯示路面總體沉降量為8.6mm，滿足《給水排水工程頂管技術規(guī)程》（CECS 246：2008）要求。