頂管施工引起海堤過大沉降的原因分析及補(bǔ)救措施研究

鄭 燁 ，劉述麗

（1.浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院,浙江杭州 310016；2.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江杭州 311231）

0 引言

隨著社會城市化建設(shè)的發(fā)展與推進(jìn),三維城市空間的開發(fā)利用越來越受到人們的重視[1]。頂管法作為非地面開挖敷設(shè)地下管道的技術(shù)中的一種,可以在不用開挖地表土的情況下將管道鋪設(shè)完畢[2]，具有無可比擬的優(yōu)點，其應(yīng)用也越來越廣泛，近年來已成為城市管線建設(shè)和改造的主要手段[3]。沿海地區(qū)在進(jìn)行頂管施工中，不可避免地要穿越海堤，雖然現(xiàn)在頂管施工的技術(shù)與工藝已比較成熟，多數(shù)情況下海堤的沉降可控制在容許范圍之內(nèi)[4]，但由于地下土體的環(huán)境與條件復(fù)雜，在頂管施工的過程中，施工措施稍有不當(dāng)，海堤仍有可能產(chǎn)生過大的沉降，影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及防洪御潮功能。對于產(chǎn)生過大沉降的堤段，必須對其采取補(bǔ)救措施。鑒此，本文以某頂管穿越海堤引起過大沉降的工程為例，分析海堤產(chǎn)生過大沉降的原因，研究海堤的加固補(bǔ)救措施，通過對比采取加固補(bǔ)救措施前后海堤沉降的變化，驗證所提出的加固補(bǔ)救措施的可行性，為類似的工程提供參考。

1 工程概況

杭州灣北岸某永久排放管工程，其主管徑分為1 800 mm和2 200 mm兩種，其中穿堤段為2 200 mm鋼管，其余為1 800 mm鋼筋混凝土管，管道長度587.5 m，穿堤段管長70 m，管道位于厚1.5～12.8 m的砂質(zhì)粉土層中，距堤頂23 m。頂管穿越的海堤為吹土管袋斜坡式砂堤，堤身結(jié)構(gòu)及管道位置見圖1。工程所處海域常浪向為東至東南，強(qiáng)浪向基本上與常浪向一致為東北東至東南東，涌浪出現(xiàn)率不到2%，表1為工程所在區(qū)域內(nèi)堤前波浪要素。

圖1 堤身結(jié)構(gòu)及管道位置

表1 本工程位置堤前波要素表

為監(jiān)測頂管施工過程中及海堤加固補(bǔ)救前后堤身的沉降情況，在垂直頂管軸線方向上沿堤頂路面布置9個沉降觀測點，相鄰觀測點之間的間距為5 m，圖2為觀測點平面布置圖。

圖2 觀測點平面布置圖

頂管施工采用泥水平衡推進(jìn)工法，通過刀盤以及頂速平衡正面土壓力，調(diào)節(jié)循環(huán)水壓力用以平衡地下水壓力，采用流體輸送切削入泥倉的土體，頂進(jìn)過程中不間斷，無需降水處理。頂管穿過海堤2日后，發(fā)現(xiàn)海堤在頂管軸線處有約15 cm的沉降，4日后累計沉降為16.6 cm，9日后累計沉降為21.5 cm，海堤因頂管施工影響的部位在頂管軸線兩側(cè)長約50 m范圍內(nèi)，沉降主要出現(xiàn)在以下幾處：

（1）堤頂混凝土路面沉降，頂管穿過海堤9日后最大沉降達(dá)21.5 cm，沉降范圍為穿堤管軸線兩側(cè)各25.0 m；

（2）頂管軸線處受沉降影響，在擋浪墻頂部有一塊局部破碎，距管軸線兩側(cè)約20m處，擋浪墻沉降縫增大；

（3）軸線內(nèi)側(cè)路緣石、內(nèi)坡腳混凝土發(fā)現(xiàn)裂紋；

（4）外坡側(cè)高程4.0 m平臺護(hù)角混凝土塊體受沉降影響局部擠碎。

2 頂管施工引起海堤過大沉降的原因

針對目前頂管施工過程中海堤出現(xiàn)沉降量值偏大的狀況，經(jīng)現(xiàn)場查勘、調(diào)查和分析，原因主要有以下幾點：

（1）頂管穿堤過程中，由于頂管機(jī)頭重量較大，出現(xiàn)機(jī)頭下坐的現(xiàn)象。為防止頂管軸線偏離設(shè)計軸線，施工單位采用邊糾偏邊頂進(jìn)的方式作業(yè)，具體方法為機(jī)頭擴(kuò)孔（橢圓形）鉆進(jìn)，在頂管穿堤后，管周土體復(fù)位造成堤身一定量值的沉降。

（2）堤身地基在上部堆載作用下，超靜孔隙水壓力尚未消散，處于高應(yīng)力、高水頭狀態(tài)，施工過程中機(jī)頭端部未采用可靠泥模支護(hù)，造成機(jī)頭前端土體坍落，加劇了海堤沉降。

（3）海堤地基處理為排水板法，采用單向排水從地基土層中析出水分，通過排水板頂部的排水層排出，從而達(dá)到加固海堤地基的目的。頂管頂進(jìn)后，管道位于海堤地基排水板區(qū)下方，頂管頂進(jìn)過程中，管道間隙與排水板溝通，形成了地基雙向排水的條件，加速了地基土體的固結(jié)沉降；頂管頂進(jìn)過程中的機(jī)頭泥水循環(huán)系統(tǒng)排水出水量大，也配合了地基土體的沉降固結(jié)。

（4）管節(jié)管壁外周在頂進(jìn)過程中，通過機(jī)頭的排水系統(tǒng)，也會帶走土層中的顆粒，也造成了堤身一定量值的沉降。

3 頂管段海堤加固補(bǔ)救措施

根據(jù)《水利水電工程質(zhì)量監(jiān)控與通病防治全書》，土石壩不均勻沉陷率控制量值為1%。本工程堤頂高程為7.60 m，原始地面高程為-1.60 m，堤身高度為9.20 m，不均勻沉陷率控制值為9.20 cm。目前頂管段堤頂最大沉降量值已超過20.0 cm，不滿足土石壩不均勻沉陷率控制量值，必須對頂管段海堤進(jìn)行加固補(bǔ)救措施，以保證海堤的穩(wěn)定及其防洪御潮功能。

目前工程上通常采用高噴水泥防滲板墻與壓密灌漿兩種方案對海堤進(jìn)行加固處理，經(jīng)分析研究，高噴水泥防滲板墻可在土體中形成一道可靠的防滲帷幕，但加固后的土體不均勻，也難以解決堤身土體松散問題，而壓密灌漿為均勻布點對海堤進(jìn)行密實加固，可同時解決堤身防滲和土體不密實問題。針對工程的堤基地質(zhì)情況，推薦采用壓密灌漿方案，具體措施如下：

（1）灌漿目的：為改善因排江主管頂管穿堤施工引起的海堤沉降狀況，減少地基擾動，加強(qiáng)堤基土體結(jié)構(gòu)，改善土體物理力學(xué)性質(zhì)，避免該部位因地基加固后可能出現(xiàn)的不均勻沉降，經(jīng)綜合分析，對穿堤管影響區(qū)域采用壓密灌漿方法加固。

（2）灌漿范圍：排江主管軸線兩側(cè)各15.0 m范圍內(nèi)，孔深至-11.0 m高程，兩邊側(cè)各15.0 m范圍內(nèi)孔深至-7.0 m高程。垂直堤軸線方向灌漿布置范圍為自海堤內(nèi)坡腳至外坡腳，長43.0 m。灌漿孔孔距均為1.50 m，正方形布置。圖3為壓密灌漿孔平面布置圖。

圖3 壓密灌漿孔平面布置圖

（3）灌漿材料：325#普通硅酸鹽水泥純漿，水泥漿中允許摻入少量膨潤土。

（4）灌漿參數(shù)：漿液比重，吃漿量大時為1.60～1.65 g/cm3，吃漿量小時為 1.30～1.40 g/cm3，灌漿壓力為0.1～0.4 MPa。

（5）灌漿方法：灌漿自下而上分層注漿，分層提升高度為0.3～0.6 m，每孔灌漿量根據(jù)在達(dá)到設(shè)計地層深度和灌漿壓力后，地層吃漿量小于每分鐘1 L時，可結(jié)束該孔的灌漿。在頂管軸線兩側(cè)15～30 m設(shè)置過渡段，灌漿加固底高程從-11.0 m漸變至-7.0 m，以防止由于壓密灌漿引起海堤的不均勻沉降。

4 海堤加固前后的沉降觀測

將海堤加固前后的沉降資料分加固前、加固施工中以及加固后三個階段進(jìn)行整理，結(jié)果見表2。

表2 海堤沉降觀測記錄

從表2中可以看出，注漿加固期間，海堤仍發(fā)生最大8.9 cm的沉降，注漿加固后，堤身土體密實性得到了加強(qiáng)，其沉降量值也大為減少，堤身沉降速率明顯小于加固前的沉降速率，表明加固效果良好，提高了海堤的整體穩(wěn)定性。采用壓密灌漿的方法處理海堤由于頂管施工引起過大沉降的問題效果顯著，是可行的。

5 結(jié)語

本文以某頂管穿越海堤引起過大沉降的工程為例，分析研究海堤產(chǎn)生過大沉降的原因，提出用壓密灌漿的方法加固頂管段海堤。沉降監(jiān)測結(jié)果顯示，壓密灌漿加固后海堤的沉降速率明顯減小，表明加固效果良好，采用壓密灌漿的方法處理海堤由于頂管施工引起過大沉降的問題是可行的，可為類似的工程提供參考。

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[3]陳衛(wèi)明.特殊地段頂管施工沉降控制技術(shù)[J].中國市政工程,

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[4]屠毓敏.長距離頂管穿越海堤時的堤面沉降分析[J].地下空間,2001,21(3):204-207.