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研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省巖土工程技術研究中心，廣東 廣州 510635)

東深供水工程是向香港、深圳以及沿線城鎮提供東江原水的大型跨流域調水工程，跨越東莞、深圳兩市，工程級別為Ⅰ級工程。為確保東深供水工程運行安全和水質保護，工程沿線劃分了管理范圍和保護范圍。因東深供水工程具有跨度大、建筑物種類多、保護要求嚴格等特點，當沿途擬建的其他工程處于其管理或保護范圍內時，需通過嚴格和科學的評估后方可實施。

本文以東莞市某污水管頂管下穿東深供水渠的建設工程為背景，采用數值模擬及Peck法沉降槽理論兩種分析方法，對污水管頂管下穿時的東深供水渠的變形進行了分析和評估，以期指導本工程實施。

1 工程概況

本工程位于東莞市飛達路與東深供水渠的交界處，擬建污水管斜下穿現狀東深供水渠，平面交叉角約54°，平面位置關系如圖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。頂管機采用泥水平衡形式，機頭直徑為836 mm，穿越管道長約75 m。工作井為6 m×4 m，井壁厚0.5 m，井頂地面高程為7.97 m，井底高程為-2.17 m，井壁結構距東深供水渠結構最近距離為14.69 m； 接收井為4 m×4 m，井壁厚為0.5 m，井頂地面高程為8.45 m，井底高程為-2.37 m，井壁結構距東深供水渠結構最近距離為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坡均采用0.15 m厚的素砼進行硬化，兩側設置漿砌片石擋土墻，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系如圖2所示。

場地自上而下地層分別為素填土、黏土、淤泥質土、粉質粘土、粉土、中粗砂，各巖土層的物理力學參數如表1所示。

2 數值模擬分析變形

采用Midas GTS有限元軟件建立三維數值模型如圖3所示。模型長度為128 m(包絡東深供水渠的保護范圍)，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的法向位移。

巖土層采用修正摩爾庫侖模型，三維實體單元；沉井結構、頂管鋼管采用線彈性模型，二維板單元。

頂管頂進模擬中，在掌子面通過施加相應的靜止土壓力近似模擬泥水平衡作用力，在鋼管外側面施加相應的摩擦力近似模擬土體對鋼管的摩阻力。

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)，各工況細分為若干工序。其中頂管按每管節3.0 m頂進，頂管頂進時，通過鈍化相應管節處的土體模擬開挖過程，同時把挖去土體處的管節及其摩阻力和掌子面的壓力激活，然后求解計算。重復上述步驟，直至施工結束，即可模擬整個頂管施工過程。本次模擬考慮地層損失效應，頂管機半徑和管道半徑之差為地層損失厚度范圍(8 mm厚)，對該范圍內的土體采用較小的模量(1 kPa)進行等效模擬。

統計各工況下東深供水渠的沉降結果，繪制其位移變化曲線如圖5所示，由此可見，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，東深渠水渠沉降明顯增大，且在頂管全部完成后達到最大值，最大值為3.05 mm，對應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規程》(CECS 246 2008)中“頂管造成的地面沉陷不應造成道路開裂，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測管道或隧道的沉降方面已有廣泛應用，如文獻[1-5]。本工程根據該理論，對頂管穿越后的渠道底部變形進行預測。

Peck提出的地面沉降槽理論是假定施工在不排水情況下發生，所以地面沉降槽的體積等于地層損失的體積，地面沉降可視土質情況、覆土深度、頂管機類型、操作水平等因素而不同。以雙線間距的中心點為x原點，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、右管道單位長度地層損失量;D1為擴孔后的直徑，即頂管機直徑;D2為管道直徑;i1、i2分別為左、右管道沉降槽寬度系數;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，通過上述公式計算東深供水渠的沉降最大值為5.77 mm，發生在兩管道間距中心處，因此,可滿足10 mm的控制值要求。

4 計算結果及監測結果對比分析

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

根據目前沉降監測資料，東深供水渠的最大沉降值為7.58 mm，與Peck沉降槽理論計算結果較為接近。

5 結語

1) 結合相關規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) 數值模擬結果表明，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，東深供水渠的沉降值明顯增大，在頂管全部完工后達到最大值，為3.05 mm<10 mm控制值。

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

4) 數值模擬得出的東深供水渠的沉降值比Peck法沉降槽理論結果偏小，且現場監測結果與Peck法結果較為接近，均可滿足東深供水渠的位移限值要求，因此,可認為污水管頂管施工對東深供水渠的影響是可控的。