新建海堤下穿大口徑涵管的護管橋保護、監測及填堵方案

張房房，劉 雷，謝慧姣

（上海友為工程設計有限公司，上海市 200333）

0 引言

某新建海堤工程位于杭州灣北部上海市金山區，灘面平均高程約-0.4m，新建海堤頂高程5.50m，海堤主體結構是吹泥管袋+灌砌塊石護面（見圖1），海堤主要功能是保灘及圍內建設濱海浴場。工程范圍內有三根鋼筋混凝土引水管，為石化企業引水管道，于1978年采用頂管施工方式修建，其中一根廢棄，兩根正在使用。保灘壩軸線與引水管道中心線斜交約80°，引水管道取水口距保灘壩約200 m左右，見圖2。引水管的中心高程在新建保灘壩處約為-10.00 m，其結構為鋼筋混凝土管，管內徑3.50 m，壁厚0.40 m，具體結構資料缺失。

圖1 引水管道平面位置示意圖

1 新建海堤對下壓涵管的取水工作影響數學模型

建立了長江口杭州灣整體數學模型。模型的計算范圍西邊界取至江陰，東邊界取至東經123°，北邊界取至呂四港北緯32.5°，南邊界取至象山港附近。模型的率定和驗證采用2002年3月1日～10日長江口全潮同步水文測驗資料。主要的潮位測驗站有徐六涇、南門港、堡鎮、高橋、白卯站等。

為準確分析工程區域的流場變化情況，在長江口杭州灣整體數學模型（見圖3）的基礎上切割出杭州灣本區域的小模型，工程區的網格和地形見圖4。小模型邊界條件由大模型提供。

在工程區小模型中設置數值觀測點，模擬取水管道取水口位于保灘壩前沿約300 m處，共設置8個數值觀測點，見圖5。通過模擬的海堤施工完成前后的潮位、流速等水力要素對比，得出以下結論：（1）新建海堤工程實施后，取水管附近高、低潮位均基本沒有變化；（2）工程實施后，涵管取水口附近水域漲急流速在0.90～1.07 m/s之間，相比工程實施前的增幅在0.03～0.07 m/s之間；落急流速在0.98～1.05 m/s之間，相比工程實施前的增幅在0.21～0.33 m/s之間；取水管附近的水域越靠近工程處流速增加越大。結果表明，工程實施對落急流速的影響大于對漲急流速的影響；工程后，金山石化取水口處流速有所增加，不會引起取水口附近泥沙淤積的情況從而影響原取水管道的取水工作。

2 物理探測

由于地下引水管道的相關設計資料缺失，故采用物理探測方法對其進行探測。

圖2 新建海堤典型斷面結構圖(單位：mm)

圖3 長江口杭州灣整體數學模型網

圖4 工程區小模型網格圖

圖5 涵管取水口處布置模擬觀測點

在測區內管線的地球物理特征方面，周圍的地層磁性為低磁性，彈性波速低；而探測對象引水管的材質為鋼筋混凝土，磁性為高鐵磁性，密度、波速較高。因此，本次擬探測的引水管線與周圍地層間存在明顯的物性（包括密度、波速、磁性等）差異，具備較好的地球物理探測前提。探測工作采用淺地層剖面法和高精度磁法等多種物探方法進行綜合探查。

淺地層剖面法采用美國EdgeTech 3200-XS淺地層剖面系統，該系統額定水深300 m，穿透深度在10～80 m之間，垂直向分辨率6 cm。

高精度磁法采用G882海洋銫光泵磁力儀進行探測，按照Ⅰ級精度標準施測，測點間距0.1 m。

通過物理探測成果對管道的坐標和高程進行確定。

3 護管橋保護涵管方案

由于取水涵管的建筑結構等相關資料缺失，新建海堤對下壓涵管的應力及變形影響難以計算。為安全起見，采用完全隔離式的結構，即護管橋方案[1-3]，見圖6、圖7，將海堤對下壓涵管的影響減少到最低。

圖6 護管橋保護涵管方案平面布置

主要結構布置為：沿涵管兩側平行涵管方向施打兩排19 m長高強度預制鋼筋混凝土板樁，板樁上安裝預制鋼筋混凝土空心板，之后在空心板上部現澆鋼筋混凝土鋪裝層。護管橋保護范圍為海堤堤身影響范圍，約70 m。此外，在保護結構中部垂直涵管方向施工一排長度為7.5 m的普通板樁防滲。普通板樁與高強度板樁互相垂直，施工時要做好交接點的質量控制。

圖7 護管橋保護涵管方案縱斷面圖（單位：mm）

主要設計參數：樁基采用先張法U形預應力混凝土板樁，型號U-CS-450-Ⅲ-19。承臺板的底高程根據沉降計算，按照沉降完成后承臺板底高程位于灘面附近考慮，海堤主體結構寬34 m范圍的承臺板底高程取灘面以上0.3 m,兩側各6 m范圍為漸變段，逐漸過渡到灘面段；灘面段寬12 m，承臺板底高程坐落于現狀灘面。承臺板采用C40預制預應力空心板，寬990 mm，高820 mm，長11.6 m。采用預制空心板而不是現澆混凝土板的原因是，現澆混凝土方量大，工期長，且施工高程底，需趁潮施工，可作業時間少，底模不好立。承臺板與預制板樁之間鋪設橡膠止水帶，承臺板與灘面之間鋪設可壓縮的低發泡塊。承臺板上方設置現澆C40混凝土鋪裝層。防滲結構設置于海堤中心線下方。采用預制鋼筋混凝土板樁，尺寸為200 mm×500 mm×7 500 mm。頂部設置現澆鋼筋混凝土導梁，導梁底高程約0.90 m，可以滿足低潮位趁潮施工要求。

樁基與管線的安全距離：借用《城市工程管線綜合規劃規范》（GB50289-98）第2.2.9條中雨污水排水管道與建筑物最小安全距離不得小于2.5 m的規定；考慮到物探成果的管線平面位置有小于1%埋深（h）的誤差，兩側凈距按2.5 m+1%h，即3.0 m進行控制。

4 監測方案

監測方案由第三方檢測單位提出并組織實施。監測項目包括頂部垂直位移監測、引水管周邊土體深層水平位移監測（雙向）。

垂直位移監測采用天寶電子水準儀Dini03進行水準路線觀測。1 km往返測量精度0.3 mm。先使用三棱鉆機鉆孔，然后埋設鋼質套筒，在套筒中間埋設鋼質測桿，中間使用黃沙填埋。測桿頂端距離套筒上口約10 cm，并打磨光滑，刻劃“十”字絲，涂抹油漆。套筒上口使用配套保護蓋，使用螺紋口固定，防止異物進入。保護蓋頂端設置醒目標志，防止破壞測點，見圖8。

圖8 垂直位移監測測桿安裝示意圖

由于現場條件及潮水影響，施工單位在有限的工作時間內預計每天施打十根板樁，為了監測工作與其施工進度同步進行，測點沿引水管頂部每5m布置1點，沿施打方向，每次監測范圍擴大至施打影響范圍。本次監測共設置引水管垂直位移監測點33個。編號為G01～G25、G01-1～G01-2、G12-1～G12-2、G13-1～G13-2、G25-1～G25-2。

深層水平位移監測采用北京航天HC-1型測斜儀以及配套PVC測斜管。測量精度為0.01 mm。測斜管埋設方式為鉆孔埋設，在相應位置處用三棱鉆機鉆孔（Φ90 mm）。把測斜管依次連接放入孔內（管內灌清水），待測斜管放至孔底以后，鉆孔內(測斜管外)灌入在鉆孔時從孔中取出的土為主要成分的漿液，凝固后可使測斜管與周圍土體形成一個整體協同變形。共設置周邊土體深層水平位移監測點50孔，編號為CX01～CX50。

引水管頂部垂直位移日變化量報警值為3 mm，累計變化量報警值為30 mm。周邊土體深層水平位移日變化量報警值為3 mm，累計變化量報警值為30 mm。

5 填堵方案

在工程開始施工半個月時，累計完成高強度預制板樁沉樁79根（見圖9），引水涵管的所有方某石化公司決定停止使用本工程范圍內的引水涵管并報廢，從而建設單位決定停止保護及監測方案的繼續實施。

圖9 第一根高強度預制板樁施打照

考慮到海堤下方存在空心管道若空置不加以處理，相當于存在軟弱地基，雖然管道已經廢棄，之前針對管道日常運行所采取的保護措施可以取消，但對保灘壩自身的結構安全，如不采取適當措施，在保灘壩施工加載過程中，可能會造成管道破裂甚至沉陷等不可預見的風險。引水涵管直通外海，破壞后若不填堵，則上部土方會不斷下漏，形成長期的安全隱患。需對管道進行填堵以消除隱患。

為避免管道在上方附加荷載的作用下破裂沉陷，擬采用鉆機鉆穿管道，通過灌注水下混凝土將管道填實。填實管道范圍為保灘壩吹泥管袋棱體影響范圍處的管道，填實管道的長度約40 m。具體為采用鉆機在保灘壩吹泥管袋棱體的堤腳部位鉆孔，鉆至金山石化引水管道后，采用360°全回轉套管機（DYJC-115）進行鉆孔及鉆破混凝土管施工，之后灌注水下混凝土，見圖10。灌注混凝土分多次水下灌注，待前次灌注混凝土初凝后進行后次灌注。灌注混凝土方量按照40 m長度范圍的管道填實，40 m以外的混凝土形成1：4的凝固邊坡計算。管道外徑4.3 m，內徑3.5 m，單根管道灌注混凝土方量約480 m3，兩根管道合計約960 m3。該方案施工難度較大，混凝土灌注質量難易控制。在施工期和運行期加強監測，對引水管處的土層沉降進行長期監測，實時掌握引水管道的變形情況，并事先做好應對突發情況的應急預案。需要指出的是，通過合理的施工順序及科學的管理措施，是完全有可能避免塌陷情況發生的。引水管道填實對新建海堤的影響主要是沉降帶來的額外拋高，經計算，填實后25 a基準期附加沉降量為14.1 cm。

圖10 水下灌注混凝土示意圖（單位：mm）

6 結論

某新建海堤下壓大口徑涵管，通過數學模型分析新建海堤對涵管取水的影響，采用護管橋方案對涵管進行保護，相應設置了監測方案，之后保護方案實施過程中，累計完成高強度預制板樁沉樁79根，由于涵管突然報廢，改為采用加強監測方案，及出險以后的填堵方案。目前海堤已施工完成1 a以上，涵管位置的海堤未發現異常。

[1]陳峰,孟凡雪.穿越防洪墻的原水引水管的保護方案及其監測[J].城市道橋與防洪,2005(3)：62-64.

[2]GB50289-98,城市工程管線綜合規劃規范[S].

[3]上海友為工程設計有限公司.金山區城市沙灘以西保灘工程實施對岸灘和取水管的影響分析專題研究調整報告[Z].2013.