頂管施工對既有管線的影響及保護措施探究

歐智賢，胡海英，鐘志輝

(1.廣東省第五建筑工程有限公司，廣東 韶關(guān) 512026；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642；3.廣州市宏禹水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣州 510635)

隨著城市化進程的加快，地下管網(wǎng)、市政道路和建(構(gòu))筑物密集區(qū)新建工程日益增多，同時對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響，引發(fā)的工程事故也越來越多，如地鐵管片開裂、建筑物不均勻沉降和傾斜、市政管網(wǎng)破損開裂等。這些工程問題造成的經(jīng)濟損失和社會影響都較大，特別是被譽為城市生命線工程的地下管線，供水和電力管網(wǎng)的破壞直接影響城鎮(zhèn)居民的生活和安全。因此，近幾年新建工程施工對已有地下管線的安全影響及保護措施越來越受到政府行政管理部門的重視，也成為當(dāng)前一個重要課題[1]。

新建頂管工程下穿既有管線會對臨近管線產(chǎn)生影響，主要原因是頂管頂進施工過程中會引起頂管周圍巖土體應(yīng)力場和位移場的重新分布，從而引起既有管線結(jié)構(gòu)周圍巖土體應(yīng)力場和位移場的變化。[2]因此，頂管施工期間要根據(jù)對下穿管線周圍巖土體位移場或應(yīng)力場的影響程度來采取相應(yīng)工程措施。合理選擇控制下穿管線變形、施工工藝，確保下穿期間既有管線安全正常使用，成為工程界必須解決的課題[3,4]。

1 工程概況

本項目位于某城市中心片區(qū)的永盛大街段，設(shè)計DN800 污水主管需橫向跨越東深供水工程 J6+933.171 處東深供水渠，現(xiàn)狀東深供水渠外輪廓尺寸為寬8m×高8m，設(shè)計污水管從上部跨越，穿越段頂管埋設(shè)較深(5.830m～6.615m)，頂管底面與東深供水渠頂面凈距0.610m。東深供水工程承擔(dān)香港供水任務(wù)，管線安全十分重要，穿越段頂管工程對東深供水工程箱涵可能會造成不利影響。為此，需評估頂管下穿施工時間對東深供水渠的影響，根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的安全保護措施。頂管與東深供水工程平面關(guān)系見圖1，頂管與東深供水工程剖面關(guān)系見圖2。

2 場區(qū)地質(zhì)條件

本場區(qū)地層自上而下按成因類型劃分。（1）填土層(Qml)：揭示層厚0.20～10.50m，平均2.31m；頂面埋深均為0.00m。（2）粉質(zhì)粘土：揭示層厚0.40m ～8.7m，平均3.33m ；頂面埋深為0.40m ～5.10m，平均2.32m ；頂面標高22.66～51.14m，平均28.62m ；淤泥質(zhì)土揭示層厚0.30～3.20m，平均1.73m ；頂面埋深為1.30～8.50m，平均4.27m ；頂 面 標 高18.41～38.25m，平 均26.28m。（3）中粗砂：揭示層厚1.00m～4.00m，平均1.91m ；頂面埋深為4.70m～10.50m，平均7.40m ；頂面標高19.29m～24.31m，平均31.37m。典型地質(zhì)剖面見圖3。

圖1 管線與泵站平面關(guān)系

3 巖土體參數(shù)取值

巖土體參數(shù)取值見表1和表2。根據(jù)鄧肯-張模型(Duncan and Chang )[5]，D-C 非線性彈性模型中加載時的彈性模量Et 由式（1）確定，即：

圖2 管線與圍堰平面關(guān)系

式（1）中，k 為加荷模量數(shù)；Rf為破壞比；Pa為大氣壓力；k、n 為試驗常數(shù)，n 值一般在0.2～1.0。

對卸荷時的情況，應(yīng)由卸荷試驗測定其模量，以Eur表示，卸荷模量可由式（2）計算，即：

圖3 典型地質(zhì)剖面

式（2）中，k 表示卸荷模量數(shù)。卸荷模量數(shù)kur與加荷模量數(shù)k 的比值N 由式（3）確定，即：

本文主要考慮土層卸荷模量對結(jié)果的影響。數(shù)值計算中卸荷模量根據(jù)土層埋深深度來取值，卸荷模量取其彈性模量的1.2～1.6 倍。

4 頂管施工引起土體擾動機理分析

4.1 頂管施工引起周圍巖土體變形特性

頂管機在掘進施工時對前方巖土體產(chǎn)生推擠，對周圍巖土體產(chǎn)生擾動。房營光[6]等根據(jù)已有工程資料和實測數(shù)據(jù)，通過對比分析給出了頂管施工對周圍土體擾動分區(qū)圖。具體分區(qū)見圖4 和圖5。

頂管施工時引起周圍巖土體應(yīng)力場和位移場發(fā)生變化，由于兩者距離不同，在不同擾動區(qū)頂管施工產(chǎn)生的影響也不同。[7]

4.2 頂管頂進期間引起周圍土體移動特性

頂管頂進施工擾動下，周圍巖土體會發(fā)生移動。這種移動具有明顯的時空效應(yīng)，且影響因素復(fù)雜，如當(dāng)頂管與既有管線的相互位置關(guān)系、頂管頂進速度、周圍巖土體特性、既有管線基礎(chǔ)處理方式等都會導(dǎo)致土體的位移變化不同。

表1 巖土體參數(shù)取值

圖4 頂管施工縱向擾動分區(qū)

表2 巖土層摩阻力特征值建議值

4.3 頂管頂進施工引起的地層損失特性

頂管施工會引起周圍地層損失，從而導(dǎo)致頂管四周的土體向頂管及施工工作面方向移動，最后引起既有管線變形。其成因如下所述：（1）頂管管道外部的環(huán)狀空隙；（2）開挖土體；（3）頂管頂進時與周邊土體摩擦；（4）頂管施工時承壓壁變形；（5）頂管工具管進洞和出洞；（6）頂管管節(jié)回彈。

5 頂管下穿對既有管線影響分析

圖5 頂管施工橫向擾動分區(qū)

通過工程案例，利用數(shù)值分析方法，探討頂管下穿既有管線時管線頂部的土體變形場和應(yīng)力場分布特點，分析其變化規(guī)律。從總體上認識管線的變形特點，了解管線和土體相互影響關(guān)系，分析管線受力，為安全保護措施提供依據(jù)和參數(shù)。

5.1 建立分析計算模型

為分析頂管頂進施工期間，對已有供水箱涵及其周圍巖土體的影響，需建立頂管、豎井、土體和管線相互作用的三維分析模型。相線位置關(guān)系見圖6 和圖7。土層力學(xué)參數(shù)見表 1 和表2。

圖6 頂管、工作井、接收井和箱涵、排水管平面關(guān)系

圖7 頂管、工作井、接收井和箱涵、排水管豎向關(guān)系

圖8 整體有限元網(wǎng)格模型

圖9 頂管、工作井、接收井和箱涵、排水管模型

圖10 頂管、工作井、接收井和箱涵、排水管側(cè)視圖

圖11 頂管施工挖引起 供水箱涵的位移

圖12 頂管施工引起供水箱涵的彎矩增量

圖13 頂管施工后供水箱涵的彎矩

圖14 頂管施工引起供檢修排水管的位移

本文采用地層計算模型方法，并采用MIDAS/GTS 有限元軟件建立管線計算模型。計算接收井和工作井的開挖、頂管頂進施工過程中對供水箱涵產(chǎn)生的附加變形和受力。根據(jù)實際情況，計算模型作如下簡化：（1）頂管接收井四周注漿孔距離東深供水渠外邊緣最小凈距5.46m，簡化考慮，一次性開挖；（2）頂管工作井距離東深供水渠外邊緣最小凈距20.76m，大于2 倍開挖深度，簡化考慮，一次性開挖；（3）采用最靠近關(guān)心部位即東深供水箱涵(樁號J6+933.171)的ZKC250 鉆孔作為參考土層，有限元模型假定為水平土層分布。

共采用約150 000 個實體單元，頂管、工作井、接收井、箱涵、檢修排水管采用板單元模擬，其網(wǎng)格模型及位置關(guān)系見圖8～10。

5.2 計算結(jié)果

頂管施工后，由于土體開挖卸荷和摩阻力的影響，頂管施工引起供水箱涵及其周圍巖土體的最大位移為1.85mm(見圖11)，位于頂管下方。箱涵彎矩最大增量約18.5kN*m，最大彎矩256.5N*m(見圖12～13)。頂管施工引起檢修排水管周圍土體的最大位移為3.49mm(見圖14)，位于頂管上方，影響較小，計算結(jié)果為頂管施工和使用期間的增量（見表3）。

表3 頂管各施工工況下箱涵位移和彎矩

綜上所述，頂管上穿供水箱涵時，引起供水箱涵周圍土體最大位移為1.85mm，位于頂管下方，位移較小，頂管施工引起的供水箱涵最大彎矩附加增量為18.5kN*m，增加的彎矩仍在供水箱涵結(jié)構(gòu)承受范圍之內(nèi)，能夠確保供水箱涵的安全。

6 對供水箱涵的安全保護措施及建議

6.1 控制和減小對供水箱涵影響的施工措施

頂管穿越施工期間，需嚴格控制設(shè)定的注漿量、平衡壓力、出土量、注漿壓力等參數(shù)。施工過程中可采取以下技術(shù)措施：（1）控制頂管正面土壓力推進速度和出土量；（2）同步注漿與二次壁后注漿；（3）信息化施工。

6.2 頂管施工過程中的應(yīng)急措施

頂管施工中需嚴格控制設(shè)定的平衡壓力、注漿量、注漿壓力、出土量等參數(shù)，控制好頂管的姿態(tài)，減少對土體的擾動，防止土體發(fā)生剪切破壞，遇到以下狀況應(yīng)立即停止施工：（1）在頂進過程中遇到障礙物時。（2）遇到機頭快速下沉?xí)r。（3）地層中發(fā)生承壓水時，可加快推進速度，減少送水量，快速通過滯水層。（4）當(dāng)機頭卡住無法取出時應(yīng)停止施工，將機頭永久留在地下，并將管道采用泵送砼灌滿封閉，在管四周注漿填滿空隙。最后由設(shè)計單位重新選擇頂管位置，設(shè)計頂管方案，并重新組織專家論證。（5）頂管中如發(fā)現(xiàn)供水箱涵沉降值即將超過限制值，并有進一步發(fā)展趨勢，應(yīng)立即停止施工。如機頭能取出應(yīng)馬上取出，并用砼灌滿管道，在頂管周邊注漿填充空隙。最后由設(shè)計單位重新選擇頂管位置，設(shè)計頂管方案，并重新組織專家論證。（6）頂管中如偏位嚴重難以矯正，可能會碰到供水箱涵時，應(yīng)立即停止施工，將機頭永久留在地下，并將管道用泵送砼灌滿封閉，在管四周注漿填滿空隙。

6.3 加大管理維護頻次

污水管道施工完畢應(yīng)定期進行監(jiān)測，監(jiān)測污水管是否有滲漏、鋼管結(jié)構(gòu)是否銹蝕；頂管處東深供水箱涵是否有工后沉降。根據(jù)監(jiān)測值采取相應(yīng)應(yīng)急措施。污水管道與東深供水工程的管理單位，應(yīng)聯(lián)合制定管理維護方案，建議將該處下穿污水管道，納入東深供水工程的日常管理維護工作中，作為重點對象進行定期監(jiān)測、維護和管理。