多線并行頂管穿越堤防沉降影響分析及應(yīng)對措施研究

陳愛青

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200439)

1 引言

作為地下管線非開挖的主要技術(shù)，頂管法在穿越敏感建構(gòu)筑物施工中得到了廣泛應(yīng)用[1]。頂管穿越堤防引起的堤防變形主要是由土體損失、頂管頂推力、頂管機及后續(xù)管道與周圍土體的摩擦力等，其中引起堤頂沉降的主要因素是土體損失，多由頂管機開挖直徑大于管道直徑引起[2]。堤頂沉降過大會影響大堤使用安全，因此需要在頂管穿越堤防設(shè)計中進行沉降影響分析，并據(jù)此提出應(yīng)對措施。

目前對于頂管穿越堤防的沉降計算多集中于單線或者雙線頂管，多采用以Peck公式為基礎(chǔ)的經(jīng)驗法或有限元方法[3]，但對于三線及以上頂管穿越堤防施工的沉降計算較少涉及，本文結(jié)合上海某污水處理廠排放管穿越堤防工程，在利用疊加技術(shù)提出多線并行頂管穿越堤防沉降計算方法，并與有限元仿真結(jié)果進行對比，闡述頂管穿越施工沉降應(yīng)對策略。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某污水處理廠擬新建規(guī)模為40萬m3/d的永久排放管工程，位于長江口南槽水域，擬建排放管工程長度為7.44 km，依次分為主江堤內(nèi)開挖段、頂管穿主江堤段、主江堤外開挖段、頂管穿新大堤段，見圖1。

雙線頂管穿主江堤段，長230 m，采用2根DN2400排放管，管中心距為4.40 m，堤頂以下最小覆土厚度為15.00 m。該段管道采用鋼頂管施工，在主江堤兩側(cè)布置頂管工作井和接收井。管道底標(biāo)高-9.00 m～-9.20 m，管頂標(biāo)高-6.60 m～-6.80 m，堤頂高程為8.30 m，管頂最大覆土為15.00 m。

圖1 永久排放管工程平面示意圖

三線頂管穿新大堤及水域段，長1950 m，采用2根DN2000排放管及1根DN2000應(yīng)急排放，管中心距均為7.00 m。3根管道均采用鋼頂管施工。管道底標(biāo)高-12.50 m，管頂標(biāo)高-10.50 mm，堤頂高程為8.40 m，管頂最大覆土厚度為18.90 m。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

工程場地原為灘涂，后修筑主江堤、新大堤吹填成陸，地貌類型屬潮坪地貌。工程區(qū)主江堤內(nèi)側(cè)孔口高程在3.43 m～6.30 m，局部地形起伏大；主江堤外側(cè)孔口高程在-5.83 m～3.02 m之間，地形總體呈西高東低、自陸域向海域漸低的態(tài)勢。根據(jù)勘察資料，擬建場地土層自上而下分別為①淤泥、①1-2素填土、①2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②3粘質(zhì)粉土、②3 t淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤1粘土，其物理力學(xué)性質(zhì)見表1。頂管穿越堤防主要在④淤泥質(zhì)粘土中，呈軟塑～流塑狀，具有壓縮性高、強度低、滲透性小和靈敏度高等特性，需要對穿越施工造成的堤頂沉降進行分析。土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)表

場地淺部地下水為孔隙性潛水。鉆孔勘探期間量測的陸域地下水穩(wěn)定水位埋深為0.02 m～1.70 m，平均埋深0.67 m，相應(yīng)的地下水位高程為2.02 m～5.38 m，平均高程為3.38 m，本項目陸域地下水高水位埋深按0.0 m選用。

3 多線并行頂管穿越堤防沉降影響計算

3.1 基于疊加原理的多線頂管穿越堤頂施工沉降分析

R.B Peck[4]依據(jù)現(xiàn)場實測統(tǒng)計分析，提出土體開挖引起的地表變形符合正態(tài)曲線分布。在假定土體開挖過程不排水，沉降完全由土體損失引起的前提下，單一頂管引起的地表橫向沉降可以按照式(1)～式(3)計算：

S(x)=Smaxexp[-x2/(2i2)]

(1)

(2)

(3)

式中：S(x)為地表x處的沉降量，m；x為地表距離頂管軸線的水平距離，m；Smax為頂管軸線正上方地表最大沉降，m；i為地表沉降槽寬度系數(shù)，m；Vloss為單位長度土體損失量，m3/m；D為頂管直徑，m；VL為地層損失率。

對于雙線頂管，有學(xué)者[5]提出了基于疊加原理的計算方法，其原理見圖2。

圖2 雙線頂管沉降計算示意圖

1)利用上述Peck公式計算左線頂管施工引起的地表沉降；

2)假定右線頂管施工引起的地表附加沉降符合正態(tài)曲線分布，選取不同的沉降槽寬度系數(shù)和地層損失率，得到右線頂管引起的地表沉降；

3)將兩條沉降曲線疊加，得到雙線頂管整體沉降特征。

針對本工程三線頂管并行穿越堤防沉降影響分析，可以通過式(4)～式(6)計算堤頂最大沉降。

(4)

(5)

(6)

式中：Smax,n為第n條頂管軸線正上方地表最大附加沉降；n為頂管編號，取值為1～3；Cn為第n條頂管引起沉降槽的軸線位置；in為第n條頂管引起的地表沉降槽寬度系數(shù)；Vloss,n為第n條頂管單位長度土體損失量；VL,n為相應(yīng)的地層損失率，各自單位同上。

本工程頂管位于黏土層中，in由式(7)獲得，其中h為頂管埋深。

in=0.43h+1.1

(7)

根據(jù)《給排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》，本工程采用擴孔減阻措施后管周間距可取10 mm～30 mm，建議減少減阻泥漿套的厚度，本文擴孔管周間距均按20 mm計算。考慮最不利工況，擴孔管周間距均作為土層損失，則穿主江堤頂管的土層損失率為3.33%，穿新大堤頂管的土層損失率為4%。

對于雙線頂管穿越主江堤，D=2.4 m，頂管間距為4.4 m，頂管埋深h=15 m，計算得到單線頂管沉降槽寬度系數(shù)為7.55 m，堤頂最大沉降為15.12 mm，位于雙線頂管中心處。

對于三線頂管穿越主江堤，D=2 m，頂管間距為7 m，頂管埋深h=18.9 m，計算得到單線頂管沉降槽寬度系數(shù)為9.23 m，堤頂最大沉降為13.58 mm，位于中線頂管軸線處，見圖3。

圖3 三線頂管沉降計算槽曲線

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，排放管穿堤對大堤的最大沉降變形均超過報警值10 mm，但不超過規(guī)范允許值30 mm，施工過程中需要采取應(yīng)對措施來減小堤頂沉降。

3.2 多線頂管穿越堤頂施工沉降有限元分析

為了更進一步分析多線頂管施工對堤防變形造成的影響，本文采用Plaxis有限元分析對堤頂變形進行計算。頂管采用隧道單元模擬，土層分布見圖4，采用摩爾庫倫模型。模型左右兩側(cè)邊界距離中線頂管中心線各30 m，底部邊界位于頂管以下大于1倍管徑。土體參數(shù)取值參見表1，地層損失率取值與Peck公式計算保持一致。土體與頂管之間設(shè)置界面單元，假設(shè)土體始終與頂管保持接觸，頂管管節(jié)(球墨鑄鐵)采用線彈性的板單元進行模擬，其彈性模量為160 GPa，泊松比為0.25。

圖4 三線頂管Plaxis有限元計算模型

沉降計算結(jié)果見圖5，通過分析堤頂最大沉降，得到三線頂管并行穿越新大堤最大沉降為12.78 mm。類似的雙線頂管穿越主江堤堤頂最大沉降為13.79 mm。

圖5 三線頂管沉降計算結(jié)果圖

對比基于Peck公式的經(jīng)驗計算結(jié)果和有限元仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Peck公式得到的堤頂最大沉降偏大，這是由于大堤的存在導(dǎo)致頂管穿越的地面處于非自由場，但根據(jù)既有的研究結(jié)論[6]，大堤的沉降規(guī)律仍符合正態(tài)曲線分布，以Peck公式得到的沉降計算結(jié)果作為控制值偏于安全的。

4 多線頂管穿越堤防沉降應(yīng)對措施

4.1 注漿加固

為減小頂管施工對堤身土體擾動的影響，頂管施工前，對頂管上方堤身土體進行注漿加固。本次壓密注漿共涉及2處穿堤點。主江堤和新大堤的加固范圍均為頂管底下方2 m至堤頂范圍內(nèi)土體，其中，沿堤軸線方向為頂管外壁兩側(cè)各2 m范圍，沿頂管方向為堤防內(nèi)坡腳至外坡腳共40 m范圍。注漿孔的孔徑為7.0 cm～11.0 cm，排距均為1.0 m～1.2 m。堤防注漿加固斷面見圖6。

(a)主江堤加固斷面示意圖

4.2 施工控制

1)選擇對正面阻力有精確計量裝置的平衡式頂管機；

2)建立地面觀察點，并通過一定距離的試頂進，確定頂管機施工參數(shù)；

3)減少減阻泥漿套的厚度；

4)不可采用大角度糾偏；

5)嚴格控制出泥量，不可超量出泥；

6)當(dāng)?shù)添敵两盗砍^10 mm時，應(yīng)鉆孔取樣檢查土體空隙比變化；

7)頂管頂進施工過程中加強沉降變形監(jiān)測，如有必要可采用自動化監(jiān)測手段；

8)頂管結(jié)束后應(yīng)采用水泥砂漿加固減阻泥漿。

5 結(jié)論與展望

本文分析了多線并行頂管穿越堤防沉降影響，以上海某污水處理廠排放管為背景，闡述了基于Peck公式的疊加技術(shù)在計算多線頂管穿越堤防沉降計算的應(yīng)用，與有限元仿真結(jié)果對比，表明基于Peck公式的經(jīng)驗方法計算多線并行頂管穿越堤防所得的堤頂最大沉降偏于安全，可以作為控制值來進行設(shè)計施工；并從注漿加固和施工控制等方面探討了頂管穿越堤防沉降應(yīng)對方案，可為保障堤防穿越施工安全提供技術(shù)保障。