污水管頂管下穿東深供水渠的安全影響分析

陳小丹，馬 勇，鄧義釗，林治平

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635)

東深供水工程是向香港、深圳以及沿線城鎮(zhèn)提供東江原水的大型跨流域調(diào)水工程，跨越東莞、深圳兩市，工程級(jí)別為Ⅰ級(jí)工程。為確保東深供水工程運(yùn)行安全和水質(zhì)保護(hù)，工程沿線劃分了管理范圍和保護(hù)范圍。因東深供水工程具有跨度大、建筑物種類多、保護(hù)要求嚴(yán)格等特點(diǎn)，當(dāng)沿途擬建的其他工程處于其管理或保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)，需通過(guò)嚴(yán)格和科學(xué)的評(píng)估后方可實(shí)施。

本文以東莞市某污水管頂管下穿東深供水渠的建設(shè)工程為背景，采用數(shù)值模擬及Peck法沉降槽理論兩種分析方法，對(duì)污水管頂管下穿時(shí)的東深供水渠的變形進(jìn)行了分析和評(píng)估，以期指導(dǎo)本工程實(shí)施。

1 工程概況

本工程位于東莞市飛達(dá)路與東深供水渠的交界處，擬建污水管斜下穿現(xiàn)狀東深供水渠，平面交叉角約54°，平面位置關(guān)系如圖1所示。

污水管道為D820 mm×12 mm鋼管，共分兩條(下稱左、右頂管) ，兩管道中心距為2.0 m。頂管機(jī)采用泥水平衡形式，機(jī)頭直徑為836 mm，穿越管道長(zhǎng)約75 m。工作井為6 m×4 m，井壁厚0.5 m，井頂?shù)孛娓叱虨?.97 m，井底高程為-2.17 m，井壁結(jié)構(gòu)距東深供水渠結(jié)構(gòu)最近距離為14.69 m； 接收井為4 m×4 m，井壁厚為0.5 m，井頂?shù)孛娓叱虨?.45 m，井底高程為-2.37 m，井壁結(jié)構(gòu)距東深供水渠結(jié)構(gòu)最近距離為13.82 m。工作井和接收井均采用沉井法施工。東深供水渠渠底及護(hù)坡均采用0.15 m厚的素砼進(jìn)行硬化，兩側(cè)設(shè)置漿砌片石擋土墻，渠底高程為3.00 m，穿越鋼管頂面高程為-0.73 m，管頂與渠道底凈空距離3.73 m。污水管和東深供水渠的空間位置關(guān)系如圖2所示。

場(chǎng)地自上而下地層分別為素填土、黏土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉土、中粗砂，各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)值模擬分析變形

采用Midas GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型如圖3所示。模型長(zhǎng)度為128 m(包絡(luò)東深供水渠的保護(hù)范圍)，寬度為100 m，高度為25 m，位移邊界為模型四周及底部均約束相應(yīng)的法向位移。

巖土層采用修正摩爾庫(kù)侖模型，三維實(shí)體單元；沉井結(jié)構(gòu)、頂管鋼管采用線彈性模型，二維板單元。

頂管頂進(jìn)模擬中，在掌子面通過(guò)施加相應(yīng)的靜止土壓力近似模擬泥水平衡作用力，在鋼管外側(cè)面施加相應(yīng)的摩擦力近似模擬土體對(duì)鋼管的摩阻力。

施工模擬工況為: 工作井(工況1)→接收井(工況2)→左頂管(工況3)→右頂管(工況4)(如圖4所示)，各工況細(xì)分為若干工序。其中頂管按每管節(jié)3.0 m頂進(jìn)，頂管頂進(jìn)時(shí)，通過(guò)鈍化相應(yīng)管節(jié)處的土體模擬開(kāi)挖過(guò)程，同時(shí)把挖去土體處的管節(jié)及其摩阻力和掌子面的壓力激活，然后求解計(jì)算。重復(fù)上述步驟，直至施工結(jié)束，即可模擬整個(gè)頂管施工過(guò)程。本次模擬考慮地層損失效應(yīng)，頂管機(jī)半徑和管道半徑之差為地層損失厚度范圍(8 mm厚)，對(duì)該范圍內(nèi)的土體采用較小的模量(1 kPa)進(jìn)行等效模擬。

統(tǒng)計(jì)各工況下東深供水渠的沉降結(jié)果，繪制其位移變化曲線如圖5所示，由此可見(jiàn)，在工作井和接收井施工期間，東深渠水渠基本不受影響，隨著左右頂管先后推進(jìn)，東深渠水渠沉降明顯增大，且在頂管全部完成后達(dá)到最大值，最大值為3.05 mm，對(duì)應(yīng)的豎向位移云圖示意如圖6所示

參考《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246 2008)中“頂管造成的地面沉陷不應(yīng)造成道路開(kāi)裂，公路沉陷量小于或等于20 mm”條款，考慮東深供水渠的重要性，渠道沉降變形的控制值取為10 mm，因此，東深供水渠的計(jì)算沉降值可滿足要求。

3 Peck法沉降槽理論分析變形

Peck法的沉降槽理論在預(yù)測(cè)管道或隧道的沉降方面已有廣泛應(yīng)用，如文獻(xiàn)[1-5]。本工程根據(jù)該理論，對(duì)頂管穿越后的渠道底部變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。

Peck提出的地面沉降槽理論是假定施工在不排水情況下發(fā)生，所以地面沉降槽的體積等于地層損失的體積，地面沉降可視土質(zhì)情況、覆土深度、頂管機(jī)類型、操作水平等因素而不同。以雙線間距的中心點(diǎn)為x原點(diǎn)，雙線管道的地面沉降橫向分布公式如下[6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中s(x)為計(jì)算位置處的地面沉降;smax1，smax2分別為左、右管道軸線上方的最大地面沉降量;Vs1，Vs2分別為左、右管道單位長(zhǎng)度地層損失量;D1為擴(kuò)孔后的直徑，即頂管機(jī)直徑;D2為管道直徑;i1、i2分別為左、右管道沉降槽寬度系數(shù);H為管道中心距離地面的覆土厚度;L為左右頂管的中心距離;Φ為土體的內(nèi)摩擦角。

本工程中D1=0.836 m，D2=0.820 m，Φ=32°，H=3.73 m，L=2.0 m，通過(guò)上述公式計(jì)算東深供水渠的沉降最大值為5.77 mm，發(fā)生在兩管道間距中心處，因此,可滿足10 mm的控制值要求。

4 計(jì)算結(jié)果及監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

數(shù)值模擬和Peck沉降槽理論計(jì)算得出的東深供水渠的最大沉降值分別3.05 mm和5.77 mm，數(shù)值模擬得出的東深供水渠的沉降值比Peck法沉降槽理論結(jié)果偏小。

根據(jù)目前沉降監(jiān)測(cè)資料，東深供水渠的最大沉降值為7.58 mm，與Peck沉降槽理論計(jì)算結(jié)果較為接近。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求及考慮東深供水渠的重要性，東深供水渠的沉降變形控制值取10 mm。

2) 數(shù)值模擬結(jié)果表明，污水管頂管的工作井和接收井施工期間，東深渠水渠基本不受影響，隨著左右兩根頂管先后推進(jìn)，東深供水渠的沉降值明顯增大，在頂管全部完工后達(dá)到最大值，為3.05 mm<10 mm控制值。

3) 采用Peck法的沉降槽理論計(jì)算東深渠水渠的沉降值為5.77 mm<10 mm控制值。

4) 數(shù)值模擬得出的東深供水渠的沉降值比Peck法沉降槽理論結(jié)果偏小，且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與Peck法結(jié)果較為接近，均可滿足東深供水渠的位移限值要求，因此,可認(rèn)為污水管頂管施工對(duì)東深供水渠的影響是可控的。