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2019-07-20 03:14:42劉華根
城市道橋與防洪 2019年7期
劉華根
（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）
0 引言
近年來，隨著我國城市人口的不斷增加，城市化進程不斷加快，地下管道的數(shù)量也隨之迅速增加。頂管法作為一種先進的鋪管技術，以開挖量小、對周圍環(huán)境影響少和施工快等特點而被越來越廣泛地應用[1]。
頂管工程技術是當前較為先進的施工技術之一。它主要是通過主頂油缸的頂進推動力來推動工具管在建設區(qū)域內(nèi)進行推進，使工具管能夠從工作井穿越土層到達接收井的作業(yè)孔洞中。這一工程技術很好地規(guī)避了挖掘作業(yè)施工中的很多隱患，使工程施工的自動化程度大大提升[2]。但在這類工程施工與建設中具有一定的技術風險和難度[3]。
在管道穿越江堤、海塘、防汛墻、泵閘等重要水工建筑物時，由于水工建筑物自身的沉降往往還沒有穩(wěn)定，同時上覆荷載很大，常常造成剛性管道連接處斷裂，周圍砂土涌入管道[4]。管道一旦失事，不僅影響管道的正常運行，更對水工建筑物的安全造成極大的影響。此類工程事故屢見不鮮。若采用剛?cè)嵝詮秃享敼?，能夠克服管道穿越建筑物造成斷裂而帶來的不良后果?/p>
1 工程概況
1.1 尾水排海工程
新建排海管工程是上海某污水處理廠一個分項工程，其作用是將經(jīng)污水處理廠處理的尾水排入離岸835m處的深海區(qū)域，工程尾水排海遠期規(guī)模為30萬m3/d。主要工程內(nèi)容有：高位井（兼作頂管工作井）、排海管（包括擴散段）、應急排放管、上升管、擴散段處拋石護底。
排海管采用C 50鋼筋混凝土管，D N1800，管節(jié)長度3m，壁厚180mm，管道接口采用“F”型柔性接口，單圈橡膠止水圈密封止水。排放管采用豎曲線頂管方法施工。埋設深度為管中心標高-9.58～-16.7m，管道全長898.5m，在排放管各擴散段上設置13根D N420的上升管。其中，高位井至新建大堤堤腳外138m范圍管道內(nèi)采用柔性接頭連接。
應急排放管采用岸邊排放，其主要作用是排海管發(fā)生故障或檢修時和尾水排放量超過排海管的排放能力時的臨時排放。應急排放管采用C 50鋼筋混凝土管，其材質(zhì)規(guī)格與排海管相同。排放管采用頂管方法施工。埋設深度為管中心標高-9.58～-10.58m，管道全長282.0m。在應急排放管上設置3根上升管，管徑D N1000。每根上升管設置橡膠鴨嘴閥，其中高位井至新建大堤堤腳外138m范圍管道內(nèi)采用柔性接頭連接。
1.2 大堤結(jié)構(gòu)形式
管道穿越的大堤為新建大堤，采用斜坡式斷面型式（見圖1）。堤頂寬8.2m，堤頂高程8.1m，堤頂臨海側(cè)設置鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程10.6m。大堤斷面結(jié)構(gòu)為：臨海坡上、下坡均為1∶3.0，在高程6.0m處，設置寬5.6m的消浪平臺；在高程3.0m處，設置寬3.5m的鎮(zhèn)壓層，以利于堤身整體穩(wěn)定和起部分消浪作用。外坡護坡結(jié)構(gòu)為：反濾土工布一層，10 cm袋裝碎石墊層，干砌塊石30 cm，鋼筋混凝土柵欄板。平臺結(jié)構(gòu)為素混凝土石埂，細石混凝土灌砌塊石。堤頂設置鋼筋混凝土防浪墻，坡腳外側(cè)灘地利用原促淤600P H C管樁保攤。順堤內(nèi)坡1∶2.0，土工網(wǎng)墊草皮加固，青坎寬度20 m，青坎后系隨塘河。
圖1 頂管穿越大堤斷面圖
該工程管道頂管施工部分采用D N1800的頂管，管線主要穿越第②3、③、⑤1或⑤2層土。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，大堤相關土層物理力學性質(zhì)指標見表1所列。
2 大堤沉降數(shù)值計算
2.1 數(shù)值模型計算
采用有限元計算方法計算大堤目前的壩頂沉降及最終壩頂沉降，計算根據(jù)施工周期與填筑安排，確定填筑施工各階段計算工況，如表2所列。
建立計算模型，設置沉降數(shù)據(jù)輸出點。根據(jù)不同的工況，計算得到不同階段的沉降結(jié)果（見圖2～圖11）。圖12為沉降輸出各點位置圖。圖13為沉降觀測斷面各點實測與計算沉降對比（填筑第六階段）曲線圖。表3為沉降觀測斷面各點實測沉降與計算沉降一覽表。
2.2 計算結(jié)果分析
綜合地質(zhì)資料、計算結(jié)果、大堤沉降觀測等內(nèi)容，可以得出以下結(jié)論：
（1）根據(jù)計算值和觀測值比較，施工期A點（對應磁環(huán)10）沉降計算值0.267m，觀測值0.233m，計算值和觀測值基本吻合。其它各點計算值和觀測值也基本一致，實測與計算沉降差異最大僅3 cm，表明計算值是合理可信的（見圖13和表3）。
表2 計算工況表
圖2 填筑第一階段沉降變形云圖
圖3 填筑第二階段沉降變形云圖
表1 土層物理力學性質(zhì)指標一覽表
圖4 填筑第三階段沉降變形云圖
圖5 填筑第四階段沉降變形云圖
圖6 填筑第五階段沉降變形云圖
圖7 填筑第六階段沉降變形云圖
圖8 填筑第七階段沉降變形云圖
圖9 填筑第八階段沉降變形云圖
圖10 填筑第九階段沉降變形云圖
圖11 填筑第十階段沉降變形云圖
圖12 沉降輸出各點位置圖
圖13 沉降觀測斷面各點實測沉降與計算沉降對比（填筑第六階段）曲線圖
表3 沉降觀測斷面各點實測沉降與計算沉降一覽表
（2）通過主固結(jié)沉降分析，目前平均固結(jié)完成約55.6%。
2.3 頂管穿堤沉降分析
頂管設計頂標高在-8.6m，該位置的橫斷面沉降曲線見圖14所示。由圖14可見，以大堤臨外海側(cè)堤腳為0m處，則主固結(jié)沉降最大值在大堤底寬57m處，該位置的沉降0.327m，目前已經(jīng)沉降0.185m，即離沉降最大點還有0.142m沉降。
圖14 頂管穿越沉降橫斷面沉降曲線圖
3 剛?cè)嵝詮秃享敼芊桨?/h2>
上述介紹的工程有兩根排海管穿越新建大堤，管材為鋼筋混凝土“F”管，穿堤處管頂高程為-8.60m左右，采用頂管方法施工。一般情況下新建大堤尚在沉降過程中，不宜立即進行管道施工。但該工程由于時間緊故需進行管道施工。
由數(shù)值計算得到，大堤主固結(jié)沉降最大值在大堤底寬57m處，目前已經(jīng)沉降0.185m，沉降最大點還有0.142m。為防止新建大堤地基沉降對穿堤管道接口產(chǎn)生拉開和錯角，從而造成管道滲漏影響大堤安全，采用從大堤內(nèi)高位井處至大堤外側(cè)堤腳保護樁以內(nèi)138m范圍內(nèi)的鋼筋混凝土管承插接頭處新增內(nèi)貼式Ω型橡膠止水帶，防止地基沉降造成管道接口滲漏。
上述剛?cè)嵝詮秃享敼?，其特征在剛性頂管管?jié)接頭位置設置柔性復合內(nèi)襯管連接。內(nèi)襯管采用氯丁橡膠柔性套管，剛性管道內(nèi)表面預埋鋼環(huán)，柔性復合內(nèi)襯管與預埋鋼環(huán)之間采用粘結(jié)劑粘貼。柔性復合內(nèi)襯管與預埋鋼環(huán)之間通過螺栓連接，即使剛性管道連接處發(fā)生開裂情況，由于有適應地基沉降的柔性內(nèi)襯管保護，管道仍可正常運行，建筑物也基本不受影響。這樣，基本克服了管道穿越建筑物造成斷裂的后果，極大地保證了管道穿越的水工建筑物安全。圖15為柔性復合內(nèi)襯管詳圖。
圖15 柔性復合內(nèi)襯管詳圖（單位：cm）
該工程從竣工至今排海管通水運行超過10 a，排海管穿越處大堤并未發(fā)生差異沉降，驗證了上述方法是安全可靠的。
4 結(jié)論
本文以上海某新建排海管工程為例，通過對于大堤沉降的數(shù)值模擬計算和大堤沉降對于頂管工程的影響分析，提出合理的應對措施?，F(xiàn)得出以下結(jié)論供類似工程參考：
（1）該工程管道頂管施工部分采用 ?1800 mm的頂管，管線主要穿越第②3、③、⑤1或⑤2層土。根據(jù)上海同類工程經(jīng)驗，由于管底土質(zhì)較軟，土性有所不均，故可能會產(chǎn)生過大的不均勻沉降，嚴重時會引起管道或接頭損壞，影響正常使用。
（2）大堤沉降的數(shù)值模擬計算值與實測值進行比較，兩者較為一致，說明數(shù)值計算結(jié)果較為合理。根據(jù)計算，大堤主固結(jié)沉降最大值在大堤底寬57 m處，該位置的沉降0.327 m，目前已經(jīng)沉降0.185m，即沉降最大點還有0.142m沉降。對頂管工程有不利影響。
（3）采用剛?cè)嵝詮秃享敼芊桨?，從大堤?nèi)高位井處至大堤外側(cè)堤腳保護樁以內(nèi)138m范圍內(nèi)的鋼筋混凝土管承插接頭處新增內(nèi)貼式Ω型橡膠止水帶，基本克服了管道穿越建筑物造成斷裂而帶來的不良后果。此方法安全可靠。
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頂管工程技術是當前較為先進的施工技術之一。它主要是通過主頂油缸的頂進推動力來推動工具管在建設區(qū)域內(nèi)進行推進，使工具管能夠從工作井穿越土層到達接收井的作業(yè)孔洞中。這一工程技術很好地規(guī)避了挖掘作業(yè)施工中的很多隱患，使工程施工的自動化程度大大提升[2]。但在這類工程施工與建設中具有一定的技術風險和難度[3]。
在管道穿越江堤、海塘、防汛墻、泵閘等重要水工建筑物時，由于水工建筑物自身的沉降往往還沒有穩(wěn)定，同時上覆荷載很大，常常造成剛性管道連接處斷裂，周圍砂土涌入管道[4]。管道一旦失事，不僅影響管道的正常運行，更對水工建筑物的安全造成極大的影響。此類工程事故屢見不鮮。若采用剛?cè)嵝詮秃享敼?，能夠克服管道穿越建筑物造成斷裂而帶來的不良后果?/p>
1 工程概況
1.1 尾水排海工程
新建排海管工程是上海某污水處理廠一個分項工程，其作用是將經(jīng)污水處理廠處理的尾水排入離岸835m處的深海區(qū)域，工程尾水排海遠期規(guī)模為30萬m3/d。主要工程內(nèi)容有：高位井（兼作頂管工作井）、排海管（包括擴散段）、應急排放管、上升管、擴散段處拋石護底。
排海管采用C 50鋼筋混凝土管，D N1800，管節(jié)長度3m，壁厚180mm，管道接口采用“F”型柔性接口，單圈橡膠止水圈密封止水。排放管采用豎曲線頂管方法施工。埋設深度為管中心標高-9.58～-16.7m，管道全長898.5m，在排放管各擴散段上設置13根D N420的上升管。其中，高位井至新建大堤堤腳外138m范圍管道內(nèi)采用柔性接頭連接。
應急排放管采用岸邊排放，其主要作用是排海管發(fā)生故障或檢修時和尾水排放量超過排海管的排放能力時的臨時排放。應急排放管采用C 50鋼筋混凝土管，其材質(zhì)規(guī)格與排海管相同。排放管采用頂管方法施工。埋設深度為管中心標高-9.58～-10.58m，管道全長282.0m。在應急排放管上設置3根上升管，管徑D N1000。每根上升管設置橡膠鴨嘴閥，其中高位井至新建大堤堤腳外138m范圍管道內(nèi)采用柔性接頭連接。
1.2 大堤結(jié)構(gòu)形式
管道穿越的大堤為新建大堤，采用斜坡式斷面型式（見圖1）。堤頂寬8.2m，堤頂高程8.1m，堤頂臨海側(cè)設置鋼筋混凝土防浪墻，墻頂高程10.6m。大堤斷面結(jié)構(gòu)為：臨海坡上、下坡均為1∶3.0，在高程6.0m處，設置寬5.6m的消浪平臺；在高程3.0m處，設置寬3.5m的鎮(zhèn)壓層，以利于堤身整體穩(wěn)定和起部分消浪作用。外坡護坡結(jié)構(gòu)為：反濾土工布一層，10 cm袋裝碎石墊層，干砌塊石30 cm，鋼筋混凝土柵欄板。平臺結(jié)構(gòu)為素混凝土石埂，細石混凝土灌砌塊石。堤頂設置鋼筋混凝土防浪墻，坡腳外側(cè)灘地利用原促淤600P H C管樁保攤。順堤內(nèi)坡1∶2.0，土工網(wǎng)墊草皮加固，青坎寬度20 m，青坎后系隨塘河。
圖1 頂管穿越大堤斷面圖
該工程管道頂管施工部分采用D N1800的頂管，管線主要穿越第②3、③、⑤1或⑤2層土。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，大堤相關土層物理力學性質(zhì)指標見表1所列。
2 大堤沉降數(shù)值計算
2.1 數(shù)值模型計算
采用有限元計算方法計算大堤目前的壩頂沉降及最終壩頂沉降，計算根據(jù)施工周期與填筑安排，確定填筑施工各階段計算工況，如表2所列。
建立計算模型，設置沉降數(shù)據(jù)輸出點。根據(jù)不同的工況，計算得到不同階段的沉降結(jié)果（見圖2～圖11）。圖12為沉降輸出各點位置圖。圖13為沉降觀測斷面各點實測與計算沉降對比（填筑第六階段）曲線圖。表3為沉降觀測斷面各點實測沉降與計算沉降一覽表。
2.2 計算結(jié)果分析
綜合地質(zhì)資料、計算結(jié)果、大堤沉降觀測等內(nèi)容，可以得出以下結(jié)論：
（1）根據(jù)計算值和觀測值比較，施工期A點（對應磁環(huán)10）沉降計算值0.267m，觀測值0.233m，計算值和觀測值基本吻合。其它各點計算值和觀測值也基本一致，實測與計算沉降差異最大僅3 cm，表明計算值是合理可信的（見圖13和表3）。
表2 計算工況表
圖2 填筑第一階段沉降變形云圖
圖3 填筑第二階段沉降變形云圖
表1 土層物理力學性質(zhì)指標一覽表
圖4 填筑第三階段沉降變形云圖
圖5 填筑第四階段沉降變形云圖
圖6 填筑第五階段沉降變形云圖
圖7 填筑第六階段沉降變形云圖
圖8 填筑第七階段沉降變形云圖
圖9 填筑第八階段沉降變形云圖
圖10 填筑第九階段沉降變形云圖
圖11 填筑第十階段沉降變形云圖
圖12 沉降輸出各點位置圖
圖13 沉降觀測斷面各點實測沉降與計算沉降對比（填筑第六階段）曲線圖
表3 沉降觀測斷面各點實測沉降與計算沉降一覽表
（2）通過主固結(jié)沉降分析，目前平均固結(jié)完成約55.6%。
2.3 頂管穿堤沉降分析
頂管設計頂標高在-8.6m，該位置的橫斷面沉降曲線見圖14所示。由圖14可見，以大堤臨外海側(cè)堤腳為0m處，則主固結(jié)沉降最大值在大堤底寬57m處，該位置的沉降0.327m，目前已經(jīng)沉降0.185m，即離沉降最大點還有0.142m沉降。
圖14 頂管穿越沉降橫斷面沉降曲線圖
3 剛?cè)嵝詮秃享敼芊桨?/h2>
上述介紹的工程有兩根排海管穿越新建大堤，管材為鋼筋混凝土“F”管，穿堤處管頂高程為-8.60m左右，采用頂管方法施工。一般情況下新建大堤尚在沉降過程中，不宜立即進行管道施工。但該工程由于時間緊故需進行管道施工。
由數(shù)值計算得到，大堤主固結(jié)沉降最大值在大堤底寬57m處，目前已經(jīng)沉降0.185m，沉降最大點還有0.142m。為防止新建大堤地基沉降對穿堤管道接口產(chǎn)生拉開和錯角，從而造成管道滲漏影響大堤安全，采用從大堤內(nèi)高位井處至大堤外側(cè)堤腳保護樁以內(nèi)138m范圍內(nèi)的鋼筋混凝土管承插接頭處新增內(nèi)貼式Ω型橡膠止水帶，防止地基沉降造成管道接口滲漏。
上述剛?cè)嵝詮秃享敼?，其特征在剛性頂管管?jié)接頭位置設置柔性復合內(nèi)襯管連接。內(nèi)襯管采用氯丁橡膠柔性套管，剛性管道內(nèi)表面預埋鋼環(huán)，柔性復合內(nèi)襯管與預埋鋼環(huán)之間采用粘結(jié)劑粘貼。柔性復合內(nèi)襯管與預埋鋼環(huán)之間通過螺栓連接，即使剛性管道連接處發(fā)生開裂情況，由于有適應地基沉降的柔性內(nèi)襯管保護，管道仍可正常運行，建筑物也基本不受影響。這樣，基本克服了管道穿越建筑物造成斷裂的后果，極大地保證了管道穿越的水工建筑物安全。圖15為柔性復合內(nèi)襯管詳圖。
圖15 柔性復合內(nèi)襯管詳圖（單位：cm）
該工程從竣工至今排海管通水運行超過10 a，排海管穿越處大堤并未發(fā)生差異沉降，驗證了上述方法是安全可靠的。
4 結(jié)論
本文以上海某新建排海管工程為例，通過對于大堤沉降的數(shù)值模擬計算和大堤沉降對于頂管工程的影響分析，提出合理的應對措施?，F(xiàn)得出以下結(jié)論供類似工程參考：
（1）該工程管道頂管施工部分采用 ?1800 mm的頂管，管線主要穿越第②3、③、⑤1或⑤2層土。根據(jù)上海同類工程經(jīng)驗，由于管底土質(zhì)較軟，土性有所不均，故可能會產(chǎn)生過大的不均勻沉降，嚴重時會引起管道或接頭損壞，影響正常使用。
（2）大堤沉降的數(shù)值模擬計算值與實測值進行比較，兩者較為一致，說明數(shù)值計算結(jié)果較為合理。根據(jù)計算，大堤主固結(jié)沉降最大值在大堤底寬57 m處，該位置的沉降0.327 m，目前已經(jīng)沉降0.185m，即沉降最大點還有0.142m沉降。對頂管工程有不利影響。
（3）采用剛?cè)嵝詮秃享敼芊桨?，從大堤?nèi)高位井處至大堤外側(cè)堤腳保護樁以內(nèi)138m范圍內(nèi)的鋼筋混凝土管承插接頭處新增內(nèi)貼式Ω型橡膠止水帶，基本克服了管道穿越建筑物造成斷裂而帶來的不良后果。此方法安全可靠。
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