地鐵站旁電力管溝防護與監測技術*

馮弘楊

(中鐵十八局集團第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

1 工程概況

濟南軌道交通4號線燕山立交橋東站位于經十路與燕山立交橋交叉口東側,沿經十路東西向設置。車站南側占據經十路輔路,北側為窯頭小區和中潤國際城綠地。車站東西兩端均接盾構區間,東、西端頭均為盾構始發。

該站主體基坑南側有1道電力管溝,端頭井位置與車站凈距1.28m(結構內收50cm后),標準段與車站凈距3.03m(見圖1)。該電力管溝為供電管溝,距離地表1.4～1.6m,橫截面尺寸為2.0m×2.1m,管溝底板埋深為4m。根據現場勘查,管溝為磚砌結構(墻體為三七墻),溝內既有110kV線路2回(姚燕線、姚和線),10kV電纜26根(燕泉線、轉潤線等)?，F場配合電纜工區對電纜接頭位置進行了摸排,并測取了坐標。現已對現狀電力管溝進行結構鑒定,通過試驗樁建立模型,模擬保護效果。

圖1 電力管溝位置Fig.1 Location of power pipe trench

1.1 電力管溝現狀調查及鑒定

根據現場勘查,電力管溝與檢查井為磚砌結構(管溝墻體為三七墻),頂板和底板均為鋼筋混凝土結構。經現場勘查,目前車站范圍內管溝內部結構穩定,沒有明顯裂隙破損。

為確保電力管溝在車站圍護樁施工過程中的安全性及穩定性,對現狀電力管溝進行了鑒定,結果如下。

1)經現場核查,該段電力管溝均為現澆混凝土底板,南北兩側均為磚砌墻體,頂板埋深約為2.0m;井口周邊區域及豎井為現澆混凝土,東數第3個井蓋與第4個井蓋之間頂板為現澆混凝土頂板,所檢測其他部位頂板為預制混凝土頂板。

2)經現場檢測,未發現該段電力管溝底板、墻體和頂板存在因承載力不足或者不均勻沉降引起的開裂現象。

3)通過現場檢測,發現局部預制頂板板底鋼筋的保護層厚度不足,且板底鋼筋存在銹蝕現象。

4)所測該段電力管溝底板、預制頂板和現澆頂板的混凝土抗壓強度推定值分別為31.6,37.3,33.4MPa,如表1所示。

表1 混凝土抗壓強度檢測結果Table 1 Test results of compressive strength of concrete

5)所測該段電力管溝內墻體中砂漿強度推定值為5.7MPa,如表2所示。

表2 砌體砌筑砂漿抗壓強度檢測結果Table 2 Test results of compressive strength of masonry mortar

6)所測該段電力管溝內墻體中磚強度推定等級滿足MU10要求,如表3所示。

表3 砌體中磚的抗壓強度檢測結果Table 3 Test results of compressive strength of bricks in masonry

7)所測預制頂板板底的東西向分布鋼筋配置偏差較大,基本可分為兩種類別(板底露筋的間距偏大、不露筋的間距偏小),南北向受力筋間距基本在150mm左右;所測現澆頂板板底兩個方向的鋼筋間距基本均在140mm左右。

1.2 氣候條件

濟南地處中緯度地帶,屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候。由于獨特的地形作用,濟南的氣候極端性明顯強于周邊地區,年平均氣溫13.8℃,年平均降水量685mm。

1.3 工程地質特性

2 施工工藝

2.1 總體施工方案

車站標準段距離電力管溝凈距>3m,根據現場模擬試驗,圍護樁全深度范圍內采用旋挖鉆機成孔對電力管溝的影響小于規范要求限值,故車站標準段圍護樁施工暫不考慮采用隔離加固保護方案。

端頭井范圍圍護樁距電力管溝最近1.28m,需進行保護。通過前期對電力管溝進行鑒定、現場模擬試驗分析,并與電力部門充分溝通,端頭井范圍靠近電力管溝一側圍護樁擬采取隔離加固保護措施。

2.2 隔離加固范圍及方法

燕山立交橋東站一期圍擋施工完成后,采用微型隔離樁對電力管溝與車站端頭井之間進行加固處理(端頭鉆孔樁外邊各外延3m),標準段(距離電力管溝凈距3.03m)根據試驗樁模擬數據在不采取隔離措施的情況下,依據GB 50868—2013《建筑工程容許振動標準》第8.0.2條,本項目打樁成孔振動施工對電力管溝的影響在時域范圍內的容許振動值為7.2mm/s,能滿足規范要求。待微型隔離樁的水泥漿強度達到75%后,在微型隔離樁與電力管溝之間施工微型隔離砂樁,以減小后期鉆孔灌注樁施工產生的振動對電力管溝的影響。微型樁施工布置如圖2所示。采取隔振措施前后的振動與應力狀況如表4所示。

表4 電力管溝振動速度與Mises應力結果Table 4 Results of vibration velocity and Mises stress in cable duct

圖2 微型樁施工布置Fig.2 Construction layout of micro pile

φ150@300微型隔離樁布置1排。在旋挖鉆機施工過程中,首先可以通過隔離施工區域和被保護構筑物之間的區域,以減少旋挖施工對電力管溝的影響。其次,采取措施減少旋挖施工過程中孔壁坍塌和孔壁側向變形,從而降低孔壁坍塌引起的變形對鄰近電力溝造成的不利影響。

φ150@300隔離砂樁梅花形布置2排,孔內回填黃砂。砂樁的應用能夠有效減小振動波的傳播,迅速衰減振動波的能量并有助于釋放,從而降低旋挖鉆機施工對電力管溝的影響。

2.2.1隔離樁施工工藝

1)采用SDY-500鉆機成孔,套管護壁,施工工藝流程如下:放線定位→鉆機就位→鉆進成孔→鋼管焊接→鋼管置入→注漿。

2)采用地形儀測量放線對樁位進行定位。

3)采用SDY-500鉆機成孔。

4)用鉆機卷揚提升下入孔內或用吊車提升下入孔內。

5)使用BW200注漿泵注漿,將漿料從孔底注入,直至漿料從孔口返出。

2.2.2微型隔振砂樁施工工藝

1)采用SDY-500鉆機成孔,套管護壁,施工工藝流程如下:放線定位→鉆機就位→鉆進成孔→填砂。

2)采用地形儀測量放線對樁位進行定位。

3)采用SDY-500鉆機成孔。

4)孔內填入黃砂的同時,利用高壓水槍將黃砂沖至孔底,經過24h,待黃砂自然沉降后再次進行黃砂填充,以確保填充物的密實性。

2.2.3微型樁工藝質量要求

1)成孔

本工程采用微型注漿焊管樁,樁徑為150mm。成孔前為保證樁的垂直度,需用水平尺前后、左右調整好鉆機的水平度,為控制樁位偏差,成孔前先用儀器精確定出樁位,每個樁位上插上鋼筋頭(φ6鋼筋制作),開鉆時,鉆頭中心對準鋼筋頭上方可開鉆。

鉆孔過程中不斷檢測樁中心及直徑,并隨時觀察土質變化,對照復核地質報告,出入較大時應和勘察、設計單位聯系,采取處理措施。

2)鋼管制作與安裝

鋼管材料采用φ108×6無縫焊管。應采取可靠定位措施確保鋼管對中,定位器應沿鋼管縱向均勻布置。鋼管下部6m長度范圍內每間隔1m開2個對稱φ20小孔,上下排小孔呈對稱正交布置。

鋼管接長時,上下兩段鋼管之間采用套管連接。鋼管接長焊接時,應沿兩邊對稱同時施焊;鋼管焊接采用兩面幫焊,焊接要飽滿、穩固,接口連接要筆直,不得彎曲;焊縫質量應滿足相關要求。

3)水泥砂漿配制要求

樁孔內注漿采用水泥砂漿,強度等級為M25,水灰比≤0.5。為保證壓漿成功,漿體須滿足小管徑輸送的要求,施工應確保砂漿在滿足強度要求的前提下具有足夠的流動性、和易性。施工前應確定砂漿的最佳配合比。砂應采用細砂或特細砂,應添加適量減水劑。

4)注漿

鋼管頂端設計成尖狀,樁底端兩側分別開設“V”形缺口,以便部分漿體流入管外側,起到對管與側壁土體之間的充填和加固作用。對于干挖孔,可選擇先投管后注漿或先注漿后投管的施工順序。注漿管下至孔底后提起300mm,注漿從孔底開始,邊注邊提,確保漿體的密實性。待漿體初凝后,進行開放式注漿,直至孔口冒出純漿為止。在此過程中,要及時對管壁內外進行補漿處理,以確保樁孔充盈。

注漿后,由于漿體的凝固收縮及沉淀,要及時進行樁管內補漿及采用水泥漿充填密實鋼管與水泥砂漿間隙,所以施工中在水泥漿初凝后,必須對其空隙進行補灌漿處理。

5)拆管

當漿液至管口時,即停止灌漿,關閉進漿閥,拆除注漿膠管。

6)施工檢查

施工過程中對每個施工班組及時檢查,檢查重點是樁長、水灰比、水泥用量。樁長可直接測量注漿鋼管長度;水灰比可直接用比重計現場監測;每注完10根樁以后,要及時核實水泥實際用量,如果以上不符合設計要求要及時調整,并對已施工過的樁進行補灌。

2.2.4微型隔離樁和隔離砂樁施工工藝要求

1)微型隔離樁

開孔前,樁位應定位準確,且通過甲方、監理驗收合格簽字。微型樁樁位允許偏差為10mm,垂直度偏差為0.2%。鋼管下部2/3長度范圍內每間隔0.5m開2個對稱φ10小孔,上下排小孔呈對稱正交布置。微型樁孔內應充填密實,灌注過程中應防止鋼管上浮。鋼管的接頭承載力不應小于母材承載力。

水泥漿應拌和均勻,一次拌和的水泥漿應在初凝前使用;注漿前應將孔內殘留的虛土清除干凈;注漿時,宜采用將注漿管與鋼管同時插入孔內并由孔底注漿的方式;注漿管端部至孔底的距離不宜大于200mm;注漿及拔管時,注漿管口應始終埋入注漿液面內,應在新鮮漿液從孔口溢出后停止注漿;注漿后,當漿液液面下降時,應進行補漿。漿體應攪拌均勻并立即使用,開始注漿前、中途停頓或作業完畢后須用水沖洗管路。

2)隔離砂樁施工要求

開孔前,樁位應定位準確,且通過甲方、監理驗收合格簽字。微型樁樁位允許偏差為10mm,垂直度偏差為0.2%?？變忍钊朦S砂,同時用高壓水槍將黃砂沖到孔底,24h后黃砂自然沉降后再次填充黃砂。

2.2.5微型隔離樁和隔離砂樁對電力管溝的影響

1)在微型隔離樁和隔離砂樁施工過程中,振動較小,但由于鉆孔距離電力管溝較近,可能會引起樁體周圍地面的下沉、移位,從而造成電力管溝的沉降、傾斜、移位等。

2)電力管溝位置主要為雜填土,進行微型隔離樁、隔振砂樁及鉆孔樁施工時,土體擠壓可能造成電力管溝開裂、破壞。

3)進行微型隔離樁和隔離砂樁施工時,可能對管線產生較大影響,導致周邊管線斷裂或破壞。

3 監測措施

3.1 監測目的

監測工作可分為對電力管溝位置地表監測和對電力管溝本身的監測。在微型隔離樁和隔離砂樁施工過程中,由于振動較小,選擇僅對地表進行監測?？紤]到鉆孔距離電力管溝較近,因此在施工期間進行監測,以了解周邊環境的沉降、位移變化情況,以及是否可能導致地下管線的沉降、傾斜或移位。

對于旋挖鉆孔樁施工,考慮到振動較大,建議在對地表進行監測的同時,在施工對應位置電力管溝內壁安裝傳感器,對振動進行動態實時監測。這樣可以全面了解振動對電力管溝的影響,并及時采取必要措施,以確保電力管溝及周邊環境的穩定性。

3.2 監測點布置

3.2.1布設原則

地表監測點布設在強電管溝上部路面上,地下管線位于主要影響區時,豎向位移監測點的間距宜為5m;位于次要影響區時,豎向位移監測點的間距宜為30m。具體布設位置根據現場情況可適當調整。監測標志埋設時特別注意要保證能在點上垂直置尺和良好的通視條件。

3.2.2布設位置

考慮到現場施工存在一定困難,暫時不對電力管溝進行遷改。為了監測變化,計劃在電力管溝上部地面沿其走向布設水平和豎向位移監測點。鉆孔樁施工過程中監測點布置于電力管溝內壁上中間位置,如圖3所示。管溝內監測傳感器隨鉆孔樁施工位置變化適時移動。

圖3 傳感器位置示意Fig.3 Sensor location

3.2.3監測點埋設方式

監測點布設根據現場施工情況進行,本工程位置為原瀝青路面,為了較為準確地反映電力管溝沉降及水平位移,硬化路面采用鉆孔取芯后埋設,監測點埋設在原狀土層里,采用直徑≥16mm、長度≥0.8m的鋼筋打入,然后用細砂回填,鋼筋頭打磨加工便于水準測量。

3.3 監測頻率

1)在隔離樁及鉆孔樁施工前測出各測點的初始值。

2)在隔離樁及鉆孔樁施工階段,對電力管溝進行跟蹤監測,做到信息化施工,確保管線安全。

3)隔離樁及鉆孔樁結束3天后,分別再觀測一次,了解電力管溝穩定情況。

4)在施工主體圍護樁時,同時觀測電力管溝監測點位移情況,同步采用電力管溝內壁上安裝的監測傳感器實時監測電力管溝振動速度,一旦超過規范允許值立即停止施工,采取相應措施確保管溝安全后方可施工。

3.4 檢測技術要求

1)豎向位移

豎向位移監測采用幾何水準測量法。幾何水準測量使用電子精密水準儀觀測,采用電子水準儀自帶記錄程序,記錄外業觀測數據。豎向位移監測精度要求如表5所示。

表5 豎向位移監測精度Table 5 Monitoring accuracy of vertical displacement

2)水平位移

使用全站儀及配套棱鏡組等進行水平位移監測。

3)電力管溝內部監測傳感器安裝監測

將拾振器粘貼于電力管溝側墻中間部位,對既有結構無損傷,分別監測管溝側墻豎向、水平(縱向和橫向)的速度振動響應,磁電式速度傳感器自動監測各類環境中產生的微振動,測試過程中通過屏蔽電纜線與地面采集設備連接,自動監測。

3.5 數據計算

1)豎向位移

觀測數據采用電子水準儀自帶程序進行記錄,觀測完成后形成電子觀測文件,通過數據傳輸軟件傳輸至計算機,嚴格控制測量過程,確保測量數據在各項限差內,監測數據合格后,計算各點高程值。

對計算出的沉降量進行分析,相鄰兩期沉降量小于最大測量誤差(取兩倍中誤差),可認為該測點在周期內沒有沉降或沉降不明顯。對多起變形進行觀測,相鄰周期變形量小,多期呈現明顯變化趨勢,視為有變動。

2)水平位移

測試坐標經坐標變換后,與上次測試值比較計算單次變形量,與初始值比較計算累積變形量。

3)電力管溝內監測傳感器數據處理

利用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進行數值計算,評估基坑圍護樁成孔施工振動對電力管溝的影響。

根據擬建場地最不利地層條件建立巖土體-電力管溝-隔離樁三維整體有限元模型,模型尺寸為 30m×20m×20m(長×寬×高),巖土體、隔離砂樁均采用彈塑性本構Mohr-Coulomb本構模型,電力管溝、微型鋼管樁采用線彈性本構模型,模型四周設置黏彈性邊界,底部采用固定邊界。整體有限元模型如圖4所示,細部有限元模型如圖5所示。

圖4 整體有限元模型Fig.4 Overall finite element model

圖5 細部有限元模型Fig.5 Detailed finite element model

巖土體參數如表6所示,電力管溝及微型鋼管樁等結構構件參數取值如表7所示。

表6 巖土層參數Table 6 Parameter of rock and soil layers

表7 結構構件參數取值Table 7 Parameter of structural components

3.6 警戒值的確定

根據規范設計要求,本工程的管線監測報警控制值為:電力管道:警戒值為日變化量≤2mm,累計量≤30mm;雨污水管道:警戒值為日變化量≤2mm,累計量≤20mm;供水管道:警戒值為日變化量≤2mm,累計量≤30mm。

該電力管道為磚砌三七墻,與雨污水管道類似,警戒值采用雨污水管道的監測報警控制值,達到此值應立即報警,并采取相應措施。

4 施工應急預案

4.1 電力管溝開裂、破壞、坍塌

在微型隔離樁和隔離砂樁施工過程中,一旦發現電力管溝出現開裂、變形或破壞,應立即停止作業,在現場拉設警戒帶,將出現事故區域進行隔離,并安排人員警戒。同時立即上報監理及業主,同時上報管線相關產權單位。

4.2 周邊管線斷裂、破壞

該站南側管溝(線)眾多,存在燃氣、給水、通信、路燈等各種管線。進行微型隔離樁和隔離砂樁施工時,可能對這些管線產生較大的影響,導致周邊管線斷裂或破壞。為此,在施工前需對有關管溝(線)進行探測,采取相應的措施進行保護,并制定相應的應急搶險預案。

當出現管線沉降,未出現滲漏水時,立即上報監理及業主,同時上報管線產權單位,請求進行管線溝檢修,加強監測,提供管線及初期支護后地表沉降發展趨勢,指導施工。當管線出現滲漏、中斷或破壞時,立即上報監理及業主,同時上報管線相關產權單位,請求關閉附近閘閥,項目部立即組織搶險物資及機械設備和人員配合產權單位搶修專業隊伍進行搶修,并封閉管線上方通道。

5 結語

在本工程圍護樁施工中,通過運用微型隔離樁和隔離砂樁等技術方案,成功解決了電力管溝與車站端頭井之間關鍵區域的加固難題。在施工過程中,嚴格按照規范要求實施隔離加固,確保了工程安全進行。同時對地表沉降、位移變化和電力管溝振動進行全面監測,通過實時跟蹤施工過程,有效掌握了施工對周邊環境和電力管溝的潛在影響。