地鐵站旁電力管溝防護(hù)與監(jiān)測技術(shù)*

馮弘楊

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司,河北 涿州 072750)

1 工程概況

濟(jì)南軌道交通4號線燕山立交橋東站位于經(jīng)十路與燕山立交橋交叉口東側(cè),沿經(jīng)十路東西向設(shè)置。車站南側(cè)占據(jù)經(jīng)十路輔路,北側(cè)為窯頭小區(qū)和中潤國際城綠地。車站東西兩端均接盾構(gòu)區(qū)間,東、西端頭均為盾構(gòu)始發(fā)。

該站主體基坑南側(cè)有1道電力管溝,端頭井位置與車站凈距1.28m(結(jié)構(gòu)內(nèi)收50cm后),標(biāo)準(zhǔn)段與車站凈距3.03m(見圖1)。該電力管溝為供電管溝,距離地表1.4～1.6m,橫截面尺寸為2.0m×2.1m,管溝底板埋深為4m。根據(jù)現(xiàn)場勘查,管溝為磚砌結(jié)構(gòu)(墻體為三七墻),溝內(nèi)既有110kV線路2回(姚燕線、姚和線),10kV電纜26根(燕泉線、轉(zhuǎn)潤線等)?，F(xiàn)場配合電纜工區(qū)對電纜接頭位置進(jìn)行了摸排,并測取了坐標(biāo)。現(xiàn)已對現(xiàn)狀電力管溝進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定,通過試驗(yàn)樁建立模型,模擬保護(hù)效果。

圖1 電力管溝位置Fig.1 Location of power pipe trench

1.1 電力管溝現(xiàn)狀調(diào)查及鑒定

根據(jù)現(xiàn)場勘查,電力管溝與檢查井為磚砌結(jié)構(gòu)(管溝墻體為三七墻),頂板和底板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場勘查,目前車站范圍內(nèi)管溝內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,沒有明顯裂隙破損。

為確保電力管溝在車站圍護(hù)樁施工過程中的安全性及穩(wěn)定性,對現(xiàn)狀電力管溝進(jìn)行了鑒定,結(jié)果如下。

1)經(jīng)現(xiàn)場核查,該段電力管溝均為現(xiàn)澆混凝土底板,南北兩側(cè)均為磚砌墻體,頂板埋深約為2.0m;井口周邊區(qū)域及豎井為現(xiàn)澆混凝土,東數(shù)第3個井蓋與第4個井蓋之間頂板為現(xiàn)澆混凝土頂板,所檢測其他部位頂板為預(yù)制混凝土頂板。

2)經(jīng)現(xiàn)場檢測,未發(fā)現(xiàn)該段電力管溝底板、墻體和頂板存在因承載力不足或者不均勻沉降引起的開裂現(xiàn)象。

3)通過現(xiàn)場檢測,發(fā)現(xiàn)局部預(yù)制頂板板底鋼筋的保護(hù)層厚度不足,且板底鋼筋存在銹蝕現(xiàn)象。

4)所測該段電力管溝底板、預(yù)制頂板和現(xiàn)澆頂板的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值分別為31.6,37.3,33.4MPa,如表1所示。

表1 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果Table 1 Test results of compressive strength of concrete

5)所測該段電力管溝內(nèi)墻體中砂漿強(qiáng)度推定值為5.7MPa,如表2所示。

表2 砌體砌筑砂漿抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果Table 2 Test results of compressive strength of masonry mortar

6)所測該段電力管溝內(nèi)墻體中磚強(qiáng)度推定等級滿足MU10要求,如表3所示。

表3 砌體中磚的抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果Table 3 Test results of compressive strength of bricks in masonry

7)所測預(yù)制頂板板底的東西向分布鋼筋配置偏差較大,基本可分為兩種類別(板底露筋的間距偏大、不露筋的間距偏小),南北向受力筋間距基本在150mm左右;所測現(xiàn)澆頂板板底兩個方向的鋼筋間距基本均在140mm左右。

1.2 氣候條件

濟(jì)南地處中緯度地帶,屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)型氣候。由于獨(dú)特的地形作用,濟(jì)南的氣候極端性明顯強(qiáng)于周邊地區(qū),年平均氣溫13.8℃,年平均降水量685mm。

1.3 工程地質(zhì)特性

2 施工工藝

2.1 總體施工方案

車站標(biāo)準(zhǔn)段距離電力管溝凈距>3m,根據(jù)現(xiàn)場模擬試驗(yàn),圍護(hù)樁全深度范圍內(nèi)采用旋挖鉆機(jī)成孔對電力管溝的影響小于規(guī)范要求限值,故車站標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)樁施工暫不考慮采用隔離加固保護(hù)方案。

端頭井范圍圍護(hù)樁距電力管溝最近1.28m,需進(jìn)行保護(hù)。通過前期對電力管溝進(jìn)行鑒定、現(xiàn)場模擬試驗(yàn)分析,并與電力部門充分溝通,端頭井范圍靠近電力管溝一側(cè)圍護(hù)樁擬采取隔離加固保護(hù)措施。

2.2 隔離加固范圍及方法

燕山立交橋東站一期圍擋施工完成后,采用微型隔離樁對電力管溝與車站端頭井之間進(jìn)行加固處理(端頭鉆孔樁外邊各外延3m),標(biāo)準(zhǔn)段(距離電力管溝凈距3.03m)根據(jù)試驗(yàn)樁模擬數(shù)據(jù)在不采取隔離措施的情況下,依據(jù)GB 50868—2013《建筑工程容許振動標(biāo)準(zhǔn)》第8.0.2條,本項(xiàng)目打樁成孔振動施工對電力管溝的影響在時域范圍內(nèi)的容許振動值為7.2mm/s,能滿足規(guī)范要求。待微型隔離樁的水泥漿強(qiáng)度達(dá)到75%后,在微型隔離樁與電力管溝之間施工微型隔離砂樁,以減小后期鉆孔灌注樁施工產(chǎn)生的振動對電力管溝的影響。微型樁施工布置如圖2所示。采取隔振措施前后的振動與應(yīng)力狀況如表4所示。

表4 電力管溝振動速度與Mises應(yīng)力結(jié)果Table 4 Results of vibration velocity and Mises stress in cable duct

圖2 微型樁施工布置Fig.2 Construction layout of micro pile

φ150@300微型隔離樁布置1排。在旋挖鉆機(jī)施工過程中,首先可以通過隔離施工區(qū)域和被保護(hù)構(gòu)筑物之間的區(qū)域,以減少旋挖施工對電力管溝的影響。其次,采取措施減少旋挖施工過程中孔壁坍塌和孔壁側(cè)向變形,從而降低孔壁坍塌引起的變形對鄰近電力溝造成的不利影響。

φ150@300隔離砂樁梅花形布置2排,孔內(nèi)回填黃砂。砂樁的應(yīng)用能夠有效減小振動波的傳播,迅速衰減振動波的能量并有助于釋放,從而降低旋挖鉆機(jī)施工對電力管溝的影響。

2.2.1隔離樁施工工藝

1)采用SDY-500鉆機(jī)成孔,套管護(hù)壁,施工工藝流程如下:放線定位→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→鋼管焊接→鋼管置入→注漿。

2)采用地形儀測量放線對樁位進(jìn)行定位。

3)采用SDY-500鉆機(jī)成孔。

4)用鉆機(jī)卷揚(yáng)提升下入孔內(nèi)或用吊車提升下入孔內(nèi)。

5)使用BW200注漿泵注漿,將漿料從孔底注入,直至漿料從孔口返出。

2.2.2微型隔振砂樁施工工藝

1)采用SDY-500鉆機(jī)成孔,套管護(hù)壁,施工工藝流程如下:放線定位→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)成孔→填砂。

2)采用地形儀測量放線對樁位進(jìn)行定位。

3)采用SDY-500鉆機(jī)成孔。

4)孔內(nèi)填入黃砂的同時,利用高壓水槍將黃砂沖至孔底,經(jīng)過24h,待黃砂自然沉降后再次進(jìn)行黃砂填充,以確保填充物的密實(shí)性。

2.2.3微型樁工藝質(zhì)量要求

1)成孔

本工程采用微型注漿焊管樁,樁徑為150mm。成孔前為保證樁的垂直度,需用水平尺前后、左右調(diào)整好鉆機(jī)的水平度,為控制樁位偏差,成孔前先用儀器精確定出樁位,每個樁位上插上鋼筋頭(φ6鋼筋制作),開鉆時,鉆頭中心對準(zhǔn)鋼筋頭上方可開鉆。

鉆孔過程中不斷檢測樁中心及直徑,并隨時觀察土質(zhì)變化,對照復(fù)核地質(zhì)報(bào)告,出入較大時應(yīng)和勘察、設(shè)計(jì)單位聯(lián)系,采取處理措施。

2)鋼管制作與安裝

鋼管材料采用φ108×6無縫焊管。應(yīng)采取可靠定位措施確保鋼管對中,定位器應(yīng)沿鋼管縱向均勻布置。鋼管下部6m長度范圍內(nèi)每間隔1m開2個對稱φ20小孔,上下排小孔呈對稱正交布置。

鋼管接長時,上下兩段鋼管之間采用套管連接。鋼管接長焊接時,應(yīng)沿兩邊對稱同時施焊;鋼管焊接采用兩面幫焊,焊接要飽滿、穩(wěn)固,接口連接要筆直,不得彎曲;焊縫質(zhì)量應(yīng)滿足相關(guān)要求。

3)水泥砂漿配制要求

樁孔內(nèi)注漿采用水泥砂漿,強(qiáng)度等級為M25,水灰比≤0.5。為保證壓漿成功,漿體須滿足小管徑輸送的要求,施工應(yīng)確保砂漿在滿足強(qiáng)度要求的前提下具有足夠的流動性、和易性。施工前應(yīng)確定砂漿的最佳配合比。砂應(yīng)采用細(xì)砂或特細(xì)砂,應(yīng)添加適量減水劑。

4)注漿

鋼管頂端設(shè)計(jì)成尖狀,樁底端兩側(cè)分別開設(shè)“V”形缺口,以便部分漿體流入管外側(cè),起到對管與側(cè)壁土體之間的充填和加固作用。對于干挖孔,可選擇先投管后注漿或先注漿后投管的施工順序。注漿管下至孔底后提起300mm,注漿從孔底開始,邊注邊提,確保漿體的密實(shí)性。待漿體初凝后,進(jìn)行開放式注漿,直至孔口冒出純漿為止。在此過程中,要及時對管壁內(nèi)外進(jìn)行補(bǔ)漿處理,以確保樁孔充盈。

注漿后,由于漿體的凝固收縮及沉淀,要及時進(jìn)行樁管內(nèi)補(bǔ)漿及采用水泥漿充填密實(shí)鋼管與水泥砂漿間隙,所以施工中在水泥漿初凝后,必須對其空隙進(jìn)行補(bǔ)灌漿處理。

5)拆管

當(dāng)漿液至管口時,即停止灌漿,關(guān)閉進(jìn)漿閥,拆除注漿膠管。

6)施工檢查

施工過程中對每個施工班組及時檢查,檢查重點(diǎn)是樁長、水灰比、水泥用量。樁長可直接測量注漿鋼管長度;水灰比可直接用比重計(jì)現(xiàn)場監(jiān)測;每注完10根樁以后,要及時核實(shí)水泥實(shí)際用量,如果以上不符合設(shè)計(jì)要求要及時調(diào)整,并對已施工過的樁進(jìn)行補(bǔ)灌。

2.2.4微型隔離樁和隔離砂樁施工工藝要求

1)微型隔離樁

開孔前,樁位應(yīng)定位準(zhǔn)確,且通過甲方、監(jiān)理驗(yàn)收合格簽字。微型樁樁位允許偏差為10mm,垂直度偏差為0.2%。鋼管下部2/3長度范圍內(nèi)每間隔0.5m開2個對稱φ10小孔,上下排小孔呈對稱正交布置。微型樁孔內(nèi)應(yīng)充填密實(shí),灌注過程中應(yīng)防止鋼管上浮。鋼管的接頭承載力不應(yīng)小于母材承載力。

水泥漿應(yīng)拌和均勻,一次拌和的水泥漿應(yīng)在初凝前使用;注漿前應(yīng)將孔內(nèi)殘留的虛土清除干凈;注漿時,宜采用將注漿管與鋼管同時插入孔內(nèi)并由孔底注漿的方式;注漿管端部至孔底的距離不宜大于200mm;注漿及拔管時,注漿管口應(yīng)始終埋入注漿液面內(nèi),應(yīng)在新鮮漿液從孔口溢出后停止注漿;注漿后,當(dāng)漿液液面下降時,應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)漿。漿體應(yīng)攪拌均勻并立即使用,開始注漿前、中途停頓或作業(yè)完畢后須用水沖洗管路。

2)隔離砂樁施工要求

開孔前,樁位應(yīng)定位準(zhǔn)確,且通過甲方、監(jiān)理驗(yàn)收合格簽字。微型樁樁位允許偏差為10mm,垂直度偏差為0.2%。孔內(nèi)填入黃砂,同時用高壓水槍將黃砂沖到孔底,24h后黃砂自然沉降后再次填充黃砂。

2.2.5微型隔離樁和隔離砂樁對電力管溝的影響

1)在微型隔離樁和隔離砂樁施工過程中,振動較小,但由于鉆孔距離電力管溝較近,可能會引起樁體周圍地面的下沉、移位,從而造成電力管溝的沉降、傾斜、移位等。

2)電力管溝位置主要為雜填土,進(jìn)行微型隔離樁、隔振砂樁及鉆孔樁施工時,土體擠壓可能造成電力管溝開裂、破壞。

3)進(jìn)行微型隔離樁和隔離砂樁施工時,可能對管線產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致周邊管線斷裂或破壞。

3 監(jiān)測措施

3.1 監(jiān)測目的

監(jiān)測工作可分為對電力管溝位置地表監(jiān)測和對電力管溝本身的監(jiān)測。在微型隔離樁和隔離砂樁施工過程中,由于振動較小,選擇僅對地表進(jìn)行監(jiān)測?？紤]到鉆孔距離電力管溝較近,因此在施工期間進(jìn)行監(jiān)測,以了解周邊環(huán)境的沉降、位移變化情況,以及是否可能導(dǎo)致地下管線的沉降、傾斜或移位。

對于旋挖鉆孔樁施工,考慮到振動較大,建議在對地表進(jìn)行監(jiān)測的同時,在施工對應(yīng)位置電力管溝內(nèi)壁安裝傳感器,對振動進(jìn)行動態(tài)實(shí)時監(jiān)測。這樣可以全面了解振動對電力管溝的影響,并及時采取必要措施,以確保電力管溝及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性。

3.2 監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2.1布設(shè)原則

地表監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在強(qiáng)電管溝上部路面上,地下管線位于主要影響區(qū)時,豎向位移監(jiān)測點(diǎn)的間距宜為5m;位于次要影響區(qū)時,豎向位移監(jiān)測點(diǎn)的間距宜為30m。具體布設(shè)位置根據(jù)現(xiàn)場情況可適當(dāng)調(diào)整。監(jiān)測標(biāo)志埋設(shè)時特別注意要保證能在點(diǎn)上垂直置尺和良好的通視條件。

3.2.2布設(shè)位置

考慮到現(xiàn)場施工存在一定困難,暫時不對電力管溝進(jìn)行遷改。為了監(jiān)測變化,計(jì)劃在電力管溝上部地面沿其走向布設(shè)水平和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)。鉆孔樁施工過程中監(jiān)測點(diǎn)布置于電力管溝內(nèi)壁上中間位置,如圖3所示。管溝內(nèi)監(jiān)測傳感器隨鉆孔樁施工位置變化適時移動。

圖3 傳感器位置示意Fig.3 Sensor location

3.2.3監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)方式

監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行,本工程位置為原瀝青路面,為了較為準(zhǔn)確地反映電力管溝沉降及水平位移,硬化路面采用鉆孔取芯后埋設(shè),監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)在原狀土層里,采用直徑≥16mm、長度≥0.8m的鋼筋打入,然后用細(xì)砂回填,鋼筋頭打磨加工便于水準(zhǔn)測量。

3.3 監(jiān)測頻率

1)在隔離樁及鉆孔樁施工前測出各測點(diǎn)的初始值。

2)在隔離樁及鉆孔樁施工階段,對電力管溝進(jìn)行跟蹤監(jiān)測,做到信息化施工,確保管線安全。

3)隔離樁及鉆孔樁結(jié)束3天后,分別再觀測一次,了解電力管溝穩(wěn)定情況。

4)在施工主體圍護(hù)樁時,同時觀測電力管溝監(jiān)測點(diǎn)位移情況,同步采用電力管溝內(nèi)壁上安裝的監(jiān)測傳感器實(shí)時監(jiān)測電力管溝振動速度,一旦超過規(guī)范允許值立即停止施工,采取相應(yīng)措施確保管溝安全后方可施工。

3.4 檢測技術(shù)要求

1)豎向位移

豎向位移監(jiān)測采用幾何水準(zhǔn)測量法。幾何水準(zhǔn)測量使用電子精密水準(zhǔn)儀觀測,采用電子水準(zhǔn)儀自帶記錄程序,記錄外業(yè)觀測數(shù)據(jù)。豎向位移監(jiān)測精度要求如表5所示。

表5 豎向位移監(jiān)測精度Table 5 Monitoring accuracy of vertical displacement

2)水平位移

使用全站儀及配套棱鏡組等進(jìn)行水平位移監(jiān)測。

3)電力管溝內(nèi)部監(jiān)測傳感器安裝監(jiān)測

將拾振器粘貼于電力管溝側(cè)墻中間部位,對既有結(jié)構(gòu)無損傷,分別監(jiān)測管溝側(cè)墻豎向、水平(縱向和橫向)的速度振動響應(yīng),磁電式速度傳感器自動監(jiān)測各類環(huán)境中產(chǎn)生的微振動,測試過程中通過屏蔽電纜線與地面采集設(shè)備連接,自動監(jiān)測。

3.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

1)豎向位移

觀測數(shù)據(jù)采用電子水準(zhǔn)儀自帶程序進(jìn)行記錄,觀測完成后形成電子觀測文件,通過數(shù)據(jù)傳輸軟件傳輸至計(jì)算機(jī),嚴(yán)格控制測量過程,確保測量數(shù)據(jù)在各項(xiàng)限差內(nèi),監(jiān)測數(shù)據(jù)合格后,計(jì)算各點(diǎn)高程值。

對計(jì)算出的沉降量進(jìn)行分析,相鄰兩期沉降量小于最大測量誤差(取兩倍中誤差),可認(rèn)為該測點(diǎn)在周期內(nèi)沒有沉降或沉降不明顯。對多起變形進(jìn)行觀測,相鄰周期變形量小,多期呈現(xiàn)明顯變化趨勢,視為有變動。

2)水平位移

測試坐標(biāo)經(jīng)坐標(biāo)變換后,與上次測試值比較計(jì)算單次變形量,與初始值比較計(jì)算累積變形量。

3)電力管溝內(nèi)監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)處理

利用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,評估基坑圍護(hù)樁成孔施工振動對電力管溝的影響。

根據(jù)擬建場地最不利地層條件建立巖土體-電力管溝-隔離樁三維整體有限元模型,模型尺寸為 30m×20m×20m(長×寬×高),巖土體、隔離砂樁均采用彈塑性本構(gòu)Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,電力管溝、微型鋼管樁采用線彈性本構(gòu)模型,模型四周設(shè)置黏彈性邊界,底部采用固定邊界。整體有限元模型如圖4所示,細(xì)部有限元模型如圖5所示。

圖4 整體有限元模型Fig.4 Overall finite element model

圖5 細(xì)部有限元模型Fig.5 Detailed finite element model

巖土體參數(shù)如表6所示,電力管溝及微型鋼管樁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)取值如表7所示。

表6 巖土層參數(shù)Table 6 Parameter of rock and soil layers

表7 結(jié)構(gòu)構(gòu)件參數(shù)取值Table 7 Parameter of structural components

3.6 警戒值的確定

根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)要求,本工程的管線監(jiān)測報(bào)警控制值為:電力管道:警戒值為日變化量≤2mm,累計(jì)量≤30mm;雨污水管道:警戒值為日變化量≤2mm,累計(jì)量≤20mm;供水管道:警戒值為日變化量≤2mm,累計(jì)量≤30mm。

該電力管道為磚砌三七墻,與雨污水管道類似,警戒值采用雨污水管道的監(jiān)測報(bào)警控制值,達(dá)到此值應(yīng)立即報(bào)警,并采取相應(yīng)措施。

4 施工應(yīng)急預(yù)案

4.1 電力管溝開裂、破壞、坍塌

在微型隔離樁和隔離砂樁施工過程中,一旦發(fā)現(xiàn)電力管溝出現(xiàn)開裂、變形或破壞,應(yīng)立即停止作業(yè),在現(xiàn)場拉設(shè)警戒帶,將出現(xiàn)事故區(qū)域進(jìn)行隔離,并安排人員警戒。同時立即上報(bào)監(jiān)理及業(yè)主,同時上報(bào)管線相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位。

4.2 周邊管線斷裂、破壞

該站南側(cè)管溝(線)眾多,存在燃?xì)?、給水、通信、路燈等各種管線。進(jìn)行微型隔離樁和隔離砂樁施工時,可能對這些管線產(chǎn)生較大的影響,導(dǎo)致周邊管線斷裂或破壞。為此,在施工前需對有關(guān)管溝(線)進(jìn)行探測,采取相應(yīng)的措施進(jìn)行保護(hù),并制定相應(yīng)的應(yīng)急搶險預(yù)案。

當(dāng)出現(xiàn)管線沉降,未出現(xiàn)滲漏水時,立即上報(bào)監(jiān)理及業(yè)主,同時上報(bào)管線產(chǎn)權(quán)單位,請求進(jìn)行管線溝檢修,加強(qiáng)監(jiān)測,提供管線及初期支護(hù)后地表沉降發(fā)展趨勢,指導(dǎo)施工。當(dāng)管線出現(xiàn)滲漏、中斷或破壞時,立即上報(bào)監(jiān)理及業(yè)主,同時上報(bào)管線相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位,請求關(guān)閉附近閘閥,項(xiàng)目部立即組織搶險物資及機(jī)械設(shè)備和人員配合產(chǎn)權(quán)單位搶修專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行搶修,并封閉管線上方通道。

5 結(jié)語

在本工程圍護(hù)樁施工中,通過運(yùn)用微型隔離樁和隔離砂樁等技術(shù)方案,成功解決了電力管溝與車站端頭井之間關(guān)鍵區(qū)域的加固難題。在施工過程中,嚴(yán)格按照規(guī)范要求實(shí)施隔離加固,確保了工程安全進(jìn)行。同時對地表沉降、位移變化和電力管溝振動進(jìn)行全面監(jiān)測,通過實(shí)時跟蹤施工過程,有效掌握了施工對周邊環(huán)境和電力管溝的潛在影響。