海峽段施工方案比選及圍堰最優化分析

石 雷,李志華,穆檄江,關永平

(1.東北大學資源與土木工程學院,遼寧沈陽110819;2.中國建筑第五工程局有限公司,湖南長沙410004)

近年來,隨著城市的快速發展,市政管道工程隨之增多,溝槽越來越多的應用于供水工程。由于供水管線線路上地質情況復雜、溝槽附近建筑物、溝槽斷面形式選擇不合理、降水不利和施工工藝不科學等因素,常常發生槽底泡水、溝槽斷面不符合要求等情況,甚至導致邊坡塌方,給施工帶來麻煩,從而影響工程的質量和進度。合理的溝槽施工工藝對于溝槽的穩定性至關重要,常采用的施工工藝有頂管法施工方案、鋼板樁支護法和兩側土石方圍堰法等。溝槽斷面形式有直槽、梯形槽、混合槽等;當有兩條或多條管道共同埋設時,還需采用聯合槽[1]。

本文依托大連長興島臨港工業區二期供水工程海峽段,對施工工藝進行比選,最后通過數值模擬來優化圍堰寬度,現場實施情況證明數值模擬結果準確,可供類似溝槽工程參考。

1 工程概況及施工環境

1.1 工程概況

大連長興島臨港工業區二期供水工程主要供水對象為長興島臨港工業區的長興島街道、交流島街道。工程設計任務是滿足受水區2020年的用水需求。工程設計年輸水量1×108m3,其中長興島支線日輸水量約18×104m3,交流島支線日輸水量約6×104m3。輸水線路起始于東風水庫高位水池壩下DN1800連接鋼管,途經瓦房店市太陽升街道、復州城鎮、楊家滿族鄉、三臺子滿族鄉、泡崖鄉、謝屯鎮,及長興島臨港工業區的長興島街道及交流島街道,終止于長興島街道凈水廠與交流島街道凈水廠。穿越的主要地物為:沈大高速公路、哈大高速鐵路、202國道、復州河、復州灣海峽等。

輸水管線由兩部分組成:長興島線路49.86 km,交流島支線路24.46 km,輸水線路總長度74.32 km。

本工程設計輸水管線樁號41+381.96～42+124.97段穿越復州灣海峽,穿越長度為743.01 m,此處施工為三根直徑為DN1200的鋼管同溝槽鋪裝。

1.2 現場施工環境

該工程工期短,線路長,工程量大。在輸水管線線路中,地質情況復雜,必要時要進行爆破處理,因此帶來較大安全隱患。在跨海段,因為周圍養殖場的關系,兩邊水體需要聯通,不可阻斷水路,以及對施工污水排除帶來很大影響。海底情況復雜,施工中,不可預見性問題多。

樁號41+381.96～42+124.97段管道穿越復州灣海峽,地質主要是粉細砂和淤泥質粉質粘土。管道鋪設于海底淤泥段中,管道敷設于海底自然地面以下2.8 m處,海水深約1 m左右。42+124.97處附近與濱海路相接。如圖1所示。

圖1 復州海峽

2 施工工藝比選

在管道工程中,溝槽工程占有很重要的地位,所以溝槽的質量應得到高度重視。由于該工程需要穿越復州島海峽,工程量大且工期較短,所以工程技術人員和相關專家提出了幾套方案進行比選。

方案1:頂管過海峽方案

所謂頂管法施工,即在工作坑內借助于頂進設備產生的頂力,克服管道與周圍土壤的摩擦力,將管道按設計的坡度頂入土中,并將土運走,一節管子完成頂入土層之后,再下第二節管子繼續頂進[2]。

頂管法具有鮮明的優點,不需要開挖,能夠穿越建筑物、道路和地下管線等。頂管法能夠連續頂進的距離越來越長[3],還能夠將工作面由線變成點,大大降低了工程量,從而降低了工程造價。頂管法能夠在不影響地上活動和交通的情況下正常施工,施工噪音也比較小,施工速度也比較快,周期短,從而與其他施工方法相比,減少了對線路周圍居民正常生活的影響。

若采用此方案有如下難點:(1)本段管線需要穿越海峽區,由于地質主要是粉細砂和淤泥質粉質粘土,可能發生塌方的危險。(2)海底施工,施工難度大。(3)跨海峽長度達743.01m,距離過長,導致施工難度增大和造價俱增。

綜上所述,頂管法雖具有很多優點,但具體應用到本工程中難點過大,所以該方案很難實現。

方案2:鋼板樁支護法

鋼板樁支護法是依靠鋼板樁之間的鎖口扣接,形成一道整體性強的擋土墻,既能擋土,又能止水[4]。

鋼板樁支護法也有其鮮明的特點。可回收多次利用,施工機具簡單,施工靈活,工期較短,噪音較小,對周圍已有建筑物及市政設施影響較小[5]。另外其能夠保證溝槽的穩定性,從而保證施工的安全性。

但其也有一定的難度:(1)地質主要是粉細砂和淤泥質粉質粘土,容易導致樁體不穩,從而引起溝槽失穩,甚至坍塌。(2)可能由于鋼板強度不夠引起坍塌,從而影響工程進度,增加工程造價。

綜上所述,鋼板樁法雖有很多優點,但也不能回避其在此地質條件下的危險程度和施工難度。

方案3:兩側土石方圍堰法

圍堰法是指在水利工程建設中,為建造永久性水利設施,修建的臨時性圍護結構。其作用是防止水和土進入建筑物的修建位置,以便在圍堰內排水,開挖基坑,修筑建筑物。土石方圍堰與一般土石壩相比,在結構、施工和運行上有其自身的特點,主要是因為圍堰作為一種臨時性壩工,僅在施工導流期間承擔阻擋洪水,給主體工程創造干地施工的條件,因而具有了圍堰自身所固有的一些特點[6]。

土石方圍堰法也有一些優點,如造價低,施工方法簡單,施工難度小。但其也有缺點,如需要較大的場地,在本段跨海區域地質主要為粉細砂和淤泥質粉質粘土,容易發生圍堰坍塌等事故。

通過對上面三種方法進行比較,再綜合工程進度、工程造價和施工安全等因素后,工程技術人員和相關專家決定采用方案3。

在選擇了施工工藝后,具體的施工工序為:施工準備→測量放線→圍堰→防滲→溝槽開挖→地基強夯→管道敷設施工→管道接口及防腐施工→回填及防護施工。本段管線施工圍堰在離管線左右側90 m位置各布置一道施工圍堰擋水,回填開山石料、拋填100 kg～150 kg塊石護腳。圍堰剖面圖如圖2。過海圍堰在圍堰內進行垂直防滲,垂直防滲采用土工膜防滲,用鏈槽機開槽鋪設垂直防滲復合土工膜。高潮時水位是2.1 m,過海圍堰堰頂高出高潮水位1.5 m～1.6 m。因為海峽段地質主要為粉細砂和淤泥質粉質粘土,所以采用拋石擠淤。

圖2 圍堰剖面圖

3 海峽段施工數值模擬

3.1 計算模型

圍堰的安全直接關系到工程的進度及安全性,甚至人身安全[7]。圍堰邊坡的邊坡比和寬度,對于圍堰的穩定性起著十分重要的作用。所以說合理的邊坡坡度和堰體寬度十分重要,通過數值計算來確定一個科學的坡度和掩體寬度,在滿足設計要求的情況下,選取一個最優值,達到節省工程造價的效果。選取K41+924處的圍堰在Ansys[8]里面建立數值計算模型,數值計算模型如圖3。經過現場實測得到材料物理參數,如表1。

圖3 圍堰數值模擬計算模型

表1 材料物理參數

3.2 模擬結果

通過改變圍堰的寬度和邊坡比,大量模擬計算后,得到圍堰達到極限狀態時寬度和邊坡比,具體尺寸見圖4。數值計算結果見圖5和圖6。

圖4 圍堰具體參數

圖5 水平位移云圖

圖6 位移矢量示意圖

3.3 計算結果分析

從K41+924處圍堰的數值模擬結果看以看出:(1)開山石料圍堰的重量會影響壩體下方的土體內力分布,進而影響壩體穩定。(2)在圍堰高出漲潮高度1.5 m以上時,海水達到漲潮水位后,圍堰有滑動的趨勢,但依然能夠保持穩定。所以建議可以適當增加圍堰高度。(3)當圍堰下邊坡的邊坡比為1∶2,上面邊坡的邊坡比為1∶1.5時,圍堰底角的位移達到9 mm,接近極限狀態,所以建議施工時在保證圍堰高度的前提下,采用更緩點的坡降比,也可以在非溝槽側再添加一段邊坡,該邊坡的坡降比與圍堰上邊坡坡降相同,如圖7。

圖7 建議圍堰形式

4 結 語

本文通過分析各種溝槽施工工藝的優缺點,并與大連長興島臨港工業區二期供水工程具體工程地質相結合,對不同的施工工藝方案進行比選。最終選擇了土石方圍堰這個較為科學合理的方案。降低了施工難度,在保證施工質量的同時,降低了工程造價。最后通過數值模擬對圍堰的具體參數進行了優化,在保證圍堰穩定的前提下,提高了工程進度,降低了工程造價。結合數值模擬結果為工程提出了相應的建議。可為類似工程提供參考。

[1]劉麗紅.淺談市政工程溝槽開挖設計及工程質量技術措施[J].價值工程,2011,30(32):104.

[2]李素平,褚曉麗.頂管施工技術研究[J].中國新技術產品,2011,(8):43.

[3]黃國平,金 俊,姚永斌,等.頂管在管道建設行業中的應用[J].科技與企業,2011,(11):97-98

[4]葉繼杰,徐光輝.軟土土質中管道溝槽開挖施工技術[J].山西建筑,2009,35(21):156-157.

[5]張 敏.軟土基坑鋼板樁支護數值分[C]//中國土木工程學會.2006年中國交通土建學院學術論文集.成都:西南交通大學出版社,2006:1029-1034.

[6]石蹈波.大型水電站高土石圍堰安全研究[D].南京:河海大學,2007.

[7]盧曉春,田 斌.土石圍堰邊坡安全性研究[J].地下空間與工程學報,2007,3(Z1):1284-1286,1290.

[8]李新坡,袁文忠.ANSYS結構計算二次開發技術研究及應用[J].巖土工程技術,2004,18(2):100-102.