水平定向钻穿越高速公路安全性评价

摘 要： 目前水平定向钻穿越高速公路项目较多，安全评估工作越来越受到重视。本文就仪征市某自来水管道下穿宁通高速公路工程做了安全性评估，对管道埋置深度、孔壁稳定性以及高速公路路面沉降值等需重点评估的内容进行了计算分析，为今后同类安全性评估所借鉴。

关键词： 水平定向钻进；安全性评价

中图分类号： C93 文献标识码： A

Safety Evaluation of Freeway through the Horizontal Directional Drilling

Yang Hanming

（Jiangsu Transportation Research Institute Co.ltd Nanjing 210017，China）

Abstract： In recent years， horizontal directional drilling crossing the highway project is more， more attention paid to the safety evaluation work. Yizheng city in this paper， the tap water pipe under wear made safety assessment ning tong expressway project， the pipeline embedment depth， the stability of hole wall and highway road surface subsidence value needs to evaluate the content of the calculation and analysis， similar safety assessment for the future reference.

Key words： Horizontal directional drilling； Safety evaluation

0 前言

随着城市化建设的发展，管网也越来越密集，而江苏地区高速公路网较为发达，因此在管线布设时不可避免的要与高速公路相交，目前较为常规的方案是下穿高速公路。在管线穿越高速公路时，采用定向钻进铺设管线具有一定的优越性，其施工进度快，对外部环境干扰小，可以节约大量由于开挖而发生的费用，安全可靠性高。考虑到高速公路对路基的稳定性及沉降要求更高，若施工不当易造成高速公路凸起、塌陷等问题，从而造成较为严重的交通事故，因此目前针对设计方案及施工方案进行的安全评估工作越来越受到重视。本文就仪征市某自来水管道下穿宁通高速公路工程做了安全性评估，总结了安全性评估中需重点评估内容，并能为今后同类安全性评估所借鉴。

1 工程概况

本工程为仪征市中线供水工程，工程穿越宁通高速公路及其南北辅道，实际铺管长度增加约为139.5米。本次定向拖拉管材质选择D630×12的螺旋缝焊接钢管。穿越管管顶距离宁通高速路面顶6.0米，设计时该管道穿越曲率半径满足1200D要求，管道穿越段入土角控制在8度内，出土角控制在6度内。

本次设计扩孔成型孔径为1.4D，为850mm；第一级采用Φ480进行扩孔，第二级采用Φ580进行扩孔，第三级采用Φ680进行扩孔，第四级采用Φ850进行扩孔。

2.安全性评价

2.1地质评价

根据提供的地质勘探资料揭示，本次施工区域范围内地基土层均为粘土层，无不良土层，各土层粘聚力较高，地基整体稳定性较好。本次穿越土层为第③层粘土层，该层含水量较低，粘聚力最高，且该层标贯击数达到15，土层较为密实，孔壁稳定性较好，利于本次施工。

各土层物理力学性质一览表

2.2管道埋置深度评估

根据定向钻穿越规范规定，管道埋深需≥6D。本次设计扩孔成型孔径为850mm，因此穿越管管顶距离宁通高速路基顶面至少大于5.1米，而本次管顶距离宁通高速路基顶面为6米，满足埋深要求。

根据《市政工程勘察规范》（CJJ56-94）条文说明，道路在行车荷载作用下，路面以下将产生显著的应力状态，当达到一定深度时，行车荷载引起的附加应力与路基土自重所引起的应力比值很小时（不超过0.1～0.2），轮重引起的附加应力可以忽略不计，这一深度即为路基工作区深度。根据对路基工作区深度计算，一般载重汽车为1.2～1.5m，重型汽车可达3.0m左右。本次管道距离宁通高速路面顶部距离在6m，管道埋置深度已处于路基工作区深度以外，行车荷载对钢管影响较小。

2.3孔壁稳定性分析

定向钻成孔时，孔壁及其附近的力学平衡受到破坏，若不采取防护措施，在地层中极易发生孔壁的垮塌、流失、缩径，这将严重影响非开挖施工的进行，甚至可能造成路面塌陷等严重的安全事故。而孔壁岩土的失稳破坏是由于成孔后孔壁地层内部应力状态发生变化超过了其强度极限所导致的，因此将井壁单元体的应力状态与强度指标比较可得出孔壁岩土是否发生失稳破坏的结论。

定向钻进管孔由于长度方向的尺寸通常比横截面尺寸大得多，因此可将近孔壁某点应力问题作为平面应力问题研究。根据基尔西公式，钻孔近孔壁某点单元体应力大小如下：

由弹性力学理论，该点主应力大小为：

式中：；；

；；

―上覆土层垂直应力；―钻孔半径；―所求点半径；―所求点与圆心的连线与垂直轴的夹角；―泊松比；采用弹力学中规定符号的反号为正。

钻孔孔壁发生破坏失稳的根本原因是孔壁某点单元体最大剪应力超过土的极限抗剪强度所致。根据莫尔-库伦破坏准则，也称土的极限平衡条件。

可判断钻孔是否发生破坏坍塌。若

则孔壁破坏，反之则孔壁稳定。

孔壁若破坏，将先从孔壁顶部开始破坏，因此本次对孔壁顶部点进行稳定性分析，则各参数取值如下：

；；；；；

则，，

因此本次钻孔孔壁稳定，能确保高速公路稳定性要求。

2.4高速公路路面沉降计算

本次路面沉降采用Peck公式进行计算分析，公式如下：

其中，S（x）为沉降量；V为拖管单位长度的地层损失；Smax为距管道中心线的最大沉降量；x为距管道中心线的距离；i为沉降槽半宽度；k为沉降槽宽度系数；Z为管道中心埋深；为土的内摩擦角，对于成层土取加权平均值；R为管道直径；VL为地层体积损失率，即单位长度地层损失体积占单位长度拖管开挖体积的百分比。

本次计算取值如下：Z=6.3m，=22.5，R=0.6m，VL=3%。

经计算，Smax=3.6mm。

根据地面沉降估算公式，高速公路路面处最大沉降为3.6mm，满足《给水排水工程顶管技术规程》（CECS 246：2008）规定“顶管造成的地面沉降量公路小于或等于20mm”。

3.结论

对于水平定向钻进下穿高速公路的施工，重点要确保施工对高速公路不造成影响，因此安全性评价的重点在于对路基的稳定性以及路基沉降的计算分析，本文主要对以上重点内容进行了算例分析。同时通过对本次工程施工期间以及后期的观测，本次定向钻进施工未对高速公路造成影响，目前高速公路运营正常。

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