港區(qū)填筑及道路施工對(duì)高壓燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)技術(shù)研究

仲維華

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519100)

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)城市燃?xì)獍l(fā)展迅速，供氣總量達(dá)到1 291.5×108m3，用氣人口5.4億。但城市燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行中事故頻發(fā)，存在著嚴(yán)重的安全隱患。2017年7月4日，吉林省松原市發(fā)生燃?xì)夤艿佬孤┍ǎ斐?人死亡、85人受傷；2021年1月25日，遼寧省大連市發(fā)生燃?xì)夤艿辣ǎ瑢?dǎo)致3人死亡、8人受傷；2021年11月22日，內(nèi)蒙古呼和浩特市發(fā)生燃?xì)夤艿辣ǎ壳霸斐?人死亡、2人重傷。此類(lèi)事故造成大量的人員傷亡，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，引起社會(huì)各界對(duì)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全問(wèn)題的高度關(guān)注。

國(guó)內(nèi)對(duì)地下管道變形破壞的研究始于二十世紀(jì)中葉，顧安全[1]教授調(diào)查研究大量深埋管道，對(duì)深埋管道的主要破壞形式進(jìn)系統(tǒng)分析；高惠瑛[2]、馮啟民[3]等人針對(duì)穿越震陷場(chǎng)地的管道，對(duì)高田至郎的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)受沉陷作用的埋地管道分析理論計(jì)算進(jìn)行探索。下面結(jié)合珠海市洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，在港區(qū)填筑及道路施工時(shí)對(duì)7.8 MPa高壓燃?xì)夤艿赖谋Ｗo(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程位于珠海市一體化區(qū)域紅灣村境內(nèi)。洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程主要建設(shè)內(nèi)容:(1)棄土場(chǎng)設(shè)計(jì)(包括但不限于棄土場(chǎng)臨時(shí)便道臨時(shí)便橋、棄土場(chǎng)位置及范圍、棄土填筑方案等)；(2)場(chǎng)地填筑及場(chǎng)地軟基處理；(3)市政配套設(shè)施，含道路工程(不含道路瀝青路面、機(jī)動(dòng)車(chē)道側(cè)石)、道路軟基處理工程、橋涵工程(不含道路瀝青路面)、人行地道工程、道路綠化、排洪渠工程、交通工程(不含交通標(biāo)線工程等)、安監(jiān)工程、管線工程(不含機(jī)動(dòng)車(chē)道范圍的雨水篦、雨污水管線井蓋及井蓋支座)、預(yù)留溝工程、纜線管廊電纜溝工程照明工程等，并預(yù)留燃?xì)夤芪?具體見(jiàn)圖1)。

圖1 項(xiàng)目地理位置

該工程施工區(qū)域內(nèi)現(xiàn)共有2根燃?xì)夤埽?guī)格分別為 RQ(鋼)φ660、RQ(鋼)φ332，壓力 7.8 MPa，頂管施工。兩條管分別沿東西走向、南北走向，匯聚于場(chǎng)地西北角的現(xiàn)狀天然氣站。其中:東西走向燃?xì)夤茏钌盥裆顬?0 m，最淺埋深為1.1 m，位于擬建港平五路北側(cè)，距道路邊線約45～125 m；南北走向燃?xì)夤茏钌盥裆顬?5 m，最淺埋深為1.5 m，位于場(chǎng)地西側(cè)(見(jiàn)表1)。

表1 燃?xì)夤芫唧w位置

2.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探揭露的地層自上而下為:地表水、人工填土(Q4ml)層、第四系海陸交互相沉積(Q4mc)層、殘積(Qel)層、下伏基巖為燕山三期侵入花崗巖(γ52(3))。

(1)人工填土

褐黑、黃褐、灰黃、褐灰等雜色，稍濕～濕，松散～局部稍密狀。主要由黏性土混砂組成，含約10% ～30%左右的碎石，粒徑約2～8 cm，為人工回填而成。平均厚度約2.00 m。

(2)第四系海陸交互相沉積(Q4mc)

淤泥②1:灰黑色，飽和，流塑，成分以黏粒為主，含有機(jī)質(zhì)及少量貝殼碎片，黏性好，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，無(wú)搖振反應(yīng)，具腐臭味，局部夾薄層粉細(xì)砂。目前揭露的厚度為12.50～31.50 m，平均約19.00 m。

淤泥質(zhì)黏土②2:灰黑色，飽和，軟塑，成分以黏粒為主，含有機(jī)質(zhì)，黏性好，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，無(wú)搖振反應(yīng)，略具腐臭味，局部夾薄層粉細(xì)砂。該層在場(chǎng)地內(nèi)較廣泛的分布，目前揭露的厚度為3.10～24.40 m，平均約12.00 m。

(3)第四系殘積(Qel)層

砂質(zhì)黏性土③:灰白、灰黃、褐黃、褐紅色，稍濕～濕，硬塑，成分以長(zhǎng)石風(fēng)化形成的次生黏土礦物為主，含約25%左右的石英砂，干強(qiáng)度中等，韌性中等，無(wú)搖振反應(yīng)，浸水易崩解、軟化。目前只是局部揭露出該層，目前揭露的厚度為1.10～14.20 m，平均約4.00 m。

2.3 重難點(diǎn)分析

(1)根據(jù)地質(zhì)情況，現(xiàn)場(chǎng)淤泥厚度達(dá)到29 m，土方回填離管線較近，回填過(guò)程中，很難控制淤泥產(chǎn)生擠壓造成燃?xì)夤艿腊l(fā)生偏位。

(2)道路施工范圍內(nèi)的燃?xì)夤艿烙?條道路與現(xiàn)狀燃?xì)夤芙徊妗Ｒ蛉細(xì)夤莛B(yǎng)單位要求，燃?xì)夤艿?0 m內(nèi)禁止施工，需考慮跨過(guò)燃?xì)夤艿辣Ｗo(hù)形式，施工難度較大。

(3)部分燃?xì)夤艿酪寻l(fā)生偏移，施工過(guò)程需進(jìn)行人工探挖，因是淤泥，探挖難度較大，費(fèi)用較高。

3 高壓燃?xì)夤鼙Ｗo(hù)技術(shù)

3.1 總體保護(hù)方案

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及相關(guān)資料顯示，場(chǎng)地填筑區(qū)域西、北兩側(cè)有現(xiàn)狀高壓燃?xì)夤堋Ｔ趯?duì)場(chǎng)地填筑、排洪渠及道路施工時(shí)，為減少對(duì)天然氣管道的影響，填筑施工時(shí)在燃?xì)夤艿纼蓚?cè)各10 m范圍做膜袋砂圍堰[4－5](見(jiàn)圖2)，圍堰下打設(shè)塑料排水板加固地基，圍堰標(biāo)高為＋4.0 m。

圖2 管道保護(hù)圍堰設(shè)計(jì)斷面圖

(2)道路施工范圍內(nèi)的燃?xì)夤艿溃渲杏?條道路與現(xiàn)狀燃?xì)夤芙徊妫捎妙A(yù)應(yīng)力砼空心板橋及實(shí)心板形式保護(hù)。因灌注樁需入巖，所以采用沖擊鉆鉆孔，采用保護(hù)形式見(jiàn)表2。

表2 管道保護(hù)形式

3.2 施工準(zhǔn)備

(1)設(shè)計(jì)合理保護(hù)工作

施工前，根據(jù)管線圖紙走向及實(shí)際探測(cè)結(jié)果，設(shè)置施工期間的臨時(shí)保護(hù)措施。根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果，本工程對(duì)高壓燃?xì)夤軘M采用膜袋砂圍堰保護(hù)結(jié)合道路簡(jiǎn)支梁橋隔離以及水泥攪拌樁加固等進(jìn)行保護(hù)，保證高壓燃?xì)夤苓\(yùn)行安全，設(shè)計(jì)方案前進(jìn)行相關(guān)技術(shù)方面論證。

(2)施工前后積極同有關(guān)管線單位溝通

對(duì)高壓燃?xì)夤鼙Ｗo(hù)進(jìn)行調(diào)查前，積極向各有關(guān)權(quán)屬單位溝通，了解施工范圍內(nèi)的高壓燃?xì)夤芫唧w情況。與管線單位建立聯(lián)系，加強(qiáng)溝通。并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)保護(hù)方案進(jìn)行交流論證，查漏補(bǔ)缺，避免施工過(guò)程中高壓燃?xì)夤軤窟B其他事故發(fā)生。

(3)設(shè)立監(jiān)測(cè)機(jī)制

在施工過(guò)程中，通過(guò)埋設(shè)沉降板等沉降位移監(jiān)測(cè)儀器，定期監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中及后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的問(wèn)題，采取相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，避免事故發(fā)生。

3.3 膜袋砂圍堰隔離保護(hù)技術(shù)

(1)施工技術(shù)

圍堰充填砂袋采用陸上施工法[6]。施工過(guò)程中根據(jù)圖紙進(jìn)行測(cè)量放樣，將加工好的充填袋固定在放樣位置，避免膜袋在充填沙袋時(shí)滑入高壓燃?xì)夤苁┕ぐ踩秶猓刂剖┕r(shí)的安全距離。

采用泵砂船上的抽砂泵在運(yùn)砂泥駁上水力稀釋后抽砂進(jìn)行充填。為了減小燃?xì)夤艿穆∑鹆浚诖堤顣r(shí)，充填方向從近燃?xì)夤芟蜻h(yuǎn)離燃?xì)夤艿捻樞蛑饘邮┕ぃ繉映涮钌八俾士刂圃?～8 d。

第一層圍堰充填袋采用木樁固定，木樁間距一般為3 m，沿充填袋兩側(cè)進(jìn)行布置，根據(jù)圖紙要求固定木樁，用鋼絲將充填袋兩側(cè)固定在木樁上(見(jiàn)圖3)。

圖3 膜袋圍堰施工

(2)抗滑穩(wěn)定計(jì)算

采用圓弧條分法計(jì)算。分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。

按照總應(yīng)力法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為:

按照有效應(yīng)力法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為:

穩(wěn)定計(jì)算時(shí)考慮施工過(guò)程中軟土層強(qiáng)度增長(zhǎng)(見(jiàn)圖4)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)按下式考慮:

圖4 圍堰穩(wěn)定分析

式中，η為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.7；U為堤基土的固結(jié)度；Δσc為剪切前的有效固結(jié)壓力；φcq為固結(jié)快剪試驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)填筑至最高標(biāo)高3.5 m時(shí)為最危險(xiǎn)時(shí)刻，圍堰下打設(shè)了排水板，淤泥此時(shí)固結(jié)度達(dá)到85%，因此淤泥剪切參數(shù)c＝5＋70×tan 2.5°＝7.5 kPa，ψ取 4.5°。

計(jì)算結(jié)論:本工程為填土項(xiàng)目，施工期與使用期狀態(tài)相同，填土邊界為魚(yú)塘，經(jīng)計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為Fs＝1.26，滿足工程需要。

3.4 簡(jiǎn)支橋結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)

(1)施工技術(shù)

該工程跨高壓燃?xì)夤芏尾捎煤?jiǎn)支橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，基礎(chǔ)采用沖擊鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔灌注樁施工。跨橋梁段施工前首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行場(chǎng)地清理整平，測(cè)量對(duì)高壓燃?xì)夤芪恢冒踩嚯x進(jìn)行復(fù)核，計(jì)算橋樁基至高壓燃?xì)夤苤行木€距離，要求樁孔樁機(jī)施工富余距離大于5.0 m的安全施工距離。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際部署情況，將鉆孔灌注樁分為兩部分。第一部分為靠近高壓燃?xì)夤軅?cè)的鉆孔灌注樁，該部分樁基施工時(shí)，采用3 m鋼護(hù)筒保護(hù)；第二部分為普通鉆孔灌注樁，該部分灌注樁施工時(shí)，采用2 m鋼護(hù)筒保護(hù)，以充分減少現(xiàn)場(chǎng)樁基鉆孔施工擾動(dòng)對(duì)既有管線的影響，鋼護(hù)筒在外定制，直接成型運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)。

鉆孔前安排技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行技術(shù)和安全交底后方可開(kāi)始鉆進(jìn)。灌注樁鋼筋籠在鋼筋加工廠制作完成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算吊裝最大高度，控制鋼筋籠加工長(zhǎng)度，分段將鋼筋籠插入樁孔中，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)施工前做好對(duì)高壓燃?xì)夤堋㈦娏λ淼馈⒐┧芊罃D壓保護(hù)措施。

(2)沖擊鉆鉆孔振動(dòng)檢算

該工程樁基采用沖擊鉆鉆孔施工，其沖擊作用可能對(duì)既高壓燃?xì)夤艿涝斐善茐挠绊懀敿?xì)需具體的施工工藝參數(shù)綜合確定[7－11]。參照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)可知，既有工業(yè)和商業(yè)結(jié)構(gòu)物的安全振動(dòng)速度為3.5～5.0 cm/s。工程采用沖擊鉆，其中1.2 m樁基采用4 t重錘，落距按6 m考慮，下落重錘具有勢(shì)能B＝mgh＝235 200 J。沖擊鉆施工引起的周邊建筑物振動(dòng)速度可采用式(4):

式中，K為沖擊鉆沖擊能量系數(shù)，4 t重錘，沖程為0.5 m時(shí)，K取1.2，沖程為1.0～2.0 m 時(shí)，K取4.9～6.1，沖程為2.0～4.0 m時(shí)，K取6.1～8.5，沖程為4.0～6.0 m時(shí)，K取8.5～10.9；r為測(cè)點(diǎn)與震源的距離；β為衰減系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)取1.2～1.4。

根據(jù)計(jì)算可知，本工程樁基與臨近既有管線的最小距離為5.0 m，最大振動(dòng)速度v＝1.8 cm/s，遠(yuǎn)小于3.5～5 cm/s，采用沖擊鉆進(jìn)行施工滿足規(guī)范安全要求。

3.5 鋼筋混凝土蓋板保護(hù)技術(shù)

在對(duì)港縱一路施工時(shí)采用蓋板結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)蓋板基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁和壓實(shí)素填土。在對(duì)填筑壓實(shí)時(shí)會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng)，為了避免對(duì)燃?xì)夤艿腊l(fā)生擾動(dòng)影響，考慮沿管道外側(cè)5 m處進(jìn)行填筑壓實(shí)，并設(shè)置減震溝，溝底位于管道側(cè)下方0.3 m。

保護(hù)水泥攪拌樁墻施工時(shí)(見(jiàn)圖5)，為最大程度降低施工機(jī)械震動(dòng)對(duì)高壓燃?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)造成的影響，所有水泥攪拌機(jī)均擺放在遠(yuǎn)離高壓燃?xì)夤艿囊粋?cè)。

圖5 水泥攪拌樁布置

4 施工過(guò)程中保護(hù)措施

4.1 膜袋砂圍堰保護(hù)措施

(1)隔離保護(hù)法:通過(guò)在燃?xì)夤艿纼蓚?cè)各10 m范圍做膜袋砂圍堰，圍堰下打設(shè)塑料排水板加固地基，圍堰標(biāo)高為＋4.0 m，形成隔離體，限制地下管線周?chē)耐馏w位移、擠壓或振動(dòng)管道。

(2)在對(duì)Q-1棄土區(qū)域填筑棄土施工以及C-2吹填區(qū)域吹填施工時(shí)，采用斷面為標(biāo)準(zhǔn)梯形膜袋砂圍堰防護(hù)施工。后續(xù)棄土及吹填均在燃?xì)夤軆蓚?cè)對(duì)稱(chēng)施工，均勻加載，避免地塊整體位移壓迫燃?xì)夤艿馈?/p>

(3)本工程圍堰充填砂袋采用陸上施工法，施工時(shí)，先進(jìn)行測(cè)量定位，打木樁將預(yù)先加工好的充填袋固定在設(shè)計(jì)平面位置上。

(4)提前在高壓燃?xì)夤軅?cè)打設(shè)木樁，主要是避免膜袋滑入高壓燃?xì)夤苁┕ぐ踩秶猓刂剖┕r(shí)的安全距離。

(5)為確保管道的安全，全過(guò)程施工監(jiān)測(cè)是保障高壓燃?xì)夤茉谑┕み^(guò)程中的穩(wěn)定性、安全性以及信息化施工的主要手段，對(duì)管道保護(hù)具有重要意義。本次主要設(shè)置的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有:隔離保護(hù)膜袋砂圍堰監(jiān)測(cè)等[12]。

(6)對(duì)所有隔離保護(hù)膜袋砂圍堰提前布置沉降位移觀測(cè)點(diǎn)，沉降監(jiān)測(cè)采用蘇光精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，并按照二級(jí)測(cè)量精度要求，進(jìn)行周期性觀測(cè)。如有發(fā)現(xiàn)不正常的沉積及位移，立即停止附近的所有施工，并報(bào)告上級(jí)單位。

4.2 簡(jiǎn)支橋結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土蓋板保護(hù)措施

(1)環(huán)港北路保護(hù)橋樁基直徑1 200 mm，共44根，樁基直徑1 400 mm，共34根，現(xiàn)場(chǎng)投入6臺(tái)沖擊鉆進(jìn)行施工，其中 z0＃、y0＃、z1＃、y1＃墩的樁距離燃?xì)夤茏钚￠g距為5 m。

(2)考慮到對(duì)匝道橋梁的影響，保護(hù)橋樁基施工采取“橫向隔樁跳打，橫向逐根成孔”的施工順序。

(3)保護(hù)橋樁基施工時(shí)，為最大程度降低施工機(jī)械震動(dòng)對(duì)高壓燃?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)造成影響，所有沖孔樁機(jī)均擺放在遠(yuǎn)離高壓燃?xì)夤艿囊粋?cè)(見(jiàn)圖6)。

圖6 燃?xì)夤鼙Ｗo(hù)樁沖擊鉆擺放位置示意

(4)為盡可能減少車(chē)輛、機(jī)械荷載對(duì)高壓燃?xì)夤艿挠绊懀Ｗo(hù)橋施工時(shí)，不考慮新修便道，直接利用區(qū)域內(nèi)規(guī)劃施工便道進(jìn)行施工。臨近高壓燃?xì)夤艿臉痘鶟仓炷習(xí)r，為避免混凝土罐車(chē)行走對(duì)高壓燃?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)造成影響，采用56 m天泵在遠(yuǎn)離高壓燃?xì)夤軅?cè)(保護(hù)橋南側(cè))進(jìn)行樁基混凝土澆筑。

5 結(jié)論與體會(huì)

(1)填筑速度由5 d一層逐步增大到10 d一層、20 d一層時(shí)，施工完成時(shí)天然氣管道的最大隆起量及隆起量變化速率會(huì)顯著增大。

(2)填筑過(guò)程中由臨近天然氣管道向遠(yuǎn)離天然氣管道的順序逐層施工，以減小天然氣管道的隆起量。

(3)對(duì)稱(chēng)填筑將減少填筑過(guò)程對(duì)天然氣管的影響，因此施工過(guò)程中圍堰和填筑同步進(jìn)行。

(4)為減少樁基鉆孔施工時(shí)對(duì)燃?xì)夤艿挠绊懀瑯痘┕ぴO(shè)置鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒應(yīng)穿過(guò)燃?xì)夤芟? m。鋼護(hù)筒采用單護(hù)筒，護(hù)筒效果良好。

(5)鋼筋混凝土蓋板保護(hù)法施工過(guò)程中，沿管道外側(cè)5 m處進(jìn)行填筑壓實(shí)，并設(shè)置減震溝，溝底位于管道側(cè)下方0.3 m，以減少壓實(shí)土體過(guò)程中震動(dòng)對(duì)管線的影響，施工效果良好。