多線并行頂管穿越堤防沉降影響分析及應對措施研究

陳愛青

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海 200439)

1 引言

作為地下管線非開挖的主要技術，頂管法在穿越敏感建構筑物施工中得到了廣泛應用[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計中進行沉降影響分析，并據此提出應對措施。

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公式為基礎的經驗法或有限元方法[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，并與有限元仿真結果進行對比，闡述頂管穿越施工沉降應對策略。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某污水處理廠擬新建規模為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，在主江堤兩側布置頂管工作井和接收井。管道底標高-9.00 m～-9.20 m，管頂標高-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。管道底標高-12.50 m，管頂標高-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 工程地質及水文地質條件

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。工程區主江堤內側孔口高程在3.43 m～6.30 m，局部地形起伏大；主江堤外側孔口高程在-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勢。根據勘察資料，擬建場地土層自上而下分別為①淤泥、①1-2素填土、①2淤泥質粉質粘土、②3粘質粉土、②3 t淤泥質粉質粘土、③淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土、⑤1粘土，其物理力學性質見表1。頂管穿越堤防主要在④淤泥質粘土中，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。土層物理力學性質見表1。

表1 土層物理力學性質表

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定水位埋深為0.02 m～1.70 m，平均埋深0.67 m，相應的地下水位高程為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]依據現場實測統計分析，提出土體開挖引起的地表變形符合正態曲線分布。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，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曲線分布，選取不同的沉降槽寬度系數和地層損失率，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；Vloss,n為第n條頂管單位長度土體損失量；VL,n為相應的地層損失率，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《給排水工程頂管技術規程》，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

根據相關規范要求，排放管穿堤對大堤的最大沉降變形均超過報警值10 mm，但不超過規范允許值30 mm，施工過程中需要采取應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。土體與頂管之間設置界面單元，假設土體始終與頂管保持接觸，頂管管節(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果圖

對比基于Peck公式的經驗計算結果和有限元仿真結果，發現Peck公式得到的堤頂最大沉降偏大，這是由于大堤的存在導致頂管穿越的地面處于非自由場，但根據既有的研究結論[6]，大堤的沉降規律仍符合正態曲線分布，以Peck公式得到的沉降計算結果作為控制值偏于安全的。

4 多線頂管穿越堤防沉降應對措施

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至堤頂范圍內土體，其中，沿堤軸線方向為頂管外壁兩側各2 m范圍，沿頂管方向為堤防內坡腳至外坡腳共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；

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)當堤頂沉降量超過10 mm時，應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測，如有必要可采用自動化監測手段；

8)頂管結束后應采用水泥砂漿加固減阻泥漿。

5 結論與展望

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公式的疊加技術在計算多線頂管穿越堤防沉降計算的應用，與有限元仿真結果對比，表明基于Peck公式的經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對方案，可為保障堤防穿越施工安全提供技術保障。