海峽段施工方案比選及圍堰最優(yōu)化分析

石 雷,李志華,穆檄江,關(guān)永平

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)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(fā)展,市政管道工程隨之增多,溝槽越來越多的應(yīng)用于供水工程。由于供水管線線路上地質(zhì)情況復(fù)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(xué)等因素,常常發(fā)生槽底泡水、溝槽斷面不符合要求等情況,甚至導(dǎo)致邊坡塌方,給施工帶來麻煩,從而影響工程的質(zhì)量和進(jìn)度。合理的溝槽施工工藝對于溝槽的穩(wěn)定性至關(guān)重要,常采用的施工工藝有頂管法施工方案、鋼板樁支護(hù)法和兩側(cè)土石方圍堰法等。溝槽斷面形式有直槽、梯形槽、混合槽等;當(dāng)有兩條或多條管道共同埋設(shè)時,還需采用聯(lián)合槽[1]。

本文依托大連長興島臨港工業(yè)區(qū)二期供水工程海峽段,對施工工藝進(jìn)行比選,最后通過數(shù)值模擬來優(yōu)化圍堰寬度,現(xiàn)場實施情況證明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確,可供類似溝槽工程參考。

1 工程概況及施工環(huán)境

1.1 工程概況

大連長興島臨港工業(yè)區(qū)二期供水工程主要供水對象為長興島臨港工業(yè)區(qū)的長興島街道、交流島街道。工程設(shè)計任務(wù)是滿足受水區(qū)2020年的用水需求。工程設(shè)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(fēng)水庫高位水池壩下DN1800連接鋼管,途經(jīng)瓦房店市太陽升街道、復(fù)州城鎮(zhèn)、楊家滿族鄉(xiāng)、三臺子滿族鄉(xiāng)、泡崖鄉(xiāng)、謝屯鎮(zhèn),及長興島臨港工業(yè)區(qū)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(fù)州河、復(fù)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(shè)計輸水管線樁號41+381.96～42+124.97段穿越復(fù)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(xiàn)場施工環(huán)境

該工程工期短,線路長,工程量大。在輸水管線線路中,地質(zhì)情況復(fù)雜,必要時要進(jìn)行爆破處理,因此帶來較大安全隱患。在跨海段,因為周圍養(yǎng)殖場的關(guān)系,兩邊水體需要聯(lián)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(fù)雜,施工中,不可預(yù)見性問題多。

樁號41+381.96～42+124.97段管道穿越復(fù)州灣海峽,地質(zhì)主要是粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。管道鋪設(shè)于海底淤泥段中,管道敷設(shè)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(fù)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(zhì)量應(yīng)得到高度重視。由于該工程需要穿越復(fù)州島海峽,工程量大且工期較短,所以工程技術(shù)人員和相關(guān)專家提出了幾套方案進(jìn)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(nèi)借助于頂進(jìn)設(shè)備產(chǎn)生的頂力,克服管道與周圍土壤的摩擦力,將管道按設(shè)計的坡度頂入土中,并將土運走,一節(jié)管子完成頂入土層之后,再下第二節(jié)管子繼續(xù)頂進(jìn)[2]。

頂管法具有鮮明的優(yōu)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(xù)頂進(jìn)的距離越來越長[3],還能夠?qū)⒐ぷ髅嬗删€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(qū),由于地質(zhì)主要是粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,可能發(fā)生塌方的危險。(2)海底施工,施工難度大。(3)跨海峽長度達(dá)743.01m,距離過長,導(dǎo)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(yōu)點,但具體應(yīng)用到本工程中難點過大,所以該方案很難實現(xiàn)。

方案2:鋼板樁支護(hù)法

鋼板樁支護(hù)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(hù)法也有其鮮明的特點?？苫厥斩啻卫?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(shè)施影響較小[5]。另外其能夠保證溝槽的穩(wěn)定性,從而保證施工的安全性。

但其也有一定的難度:(1)地質(zhì)主要是粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,容易導(dǎo)致樁體不穩(wěn),從而引起溝槽失穩(wěn),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(jìn)度,增加工程造價。

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

方案3:兩側(cè)土石方圍堰法

圍堰法是指在水利工程建設(shè)中,為建造永久性水利設(shè)施,修建的臨時性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其作用是防止水和土進(jìn)入建筑物的修建位置,以便在圍堰內(nèi)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(jié)構(gòu)、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(dǎo)流期間承擔(dān)阻擋洪水,給主體工程創(chuàng)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(yōu)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(qū)域地質(zhì)主要為粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,容易發(fā)生圍堰坍塌等事故。

通過對上面三種方法進(jìn)行比較,再綜合工程進(jìn)度、工程造價和施工安全等因素后,工程技術(shù)人員和相關(guān)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(zhǔn)備→測量放線→圍堰→防滲→溝槽開挖→地基強夯→管道敷設(shè)施工→管道接口及防腐施工→回填及防護(hù)施工。本段管線施工圍堰在離管線左右側(cè)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(hù)腳。圍堰剖面圖如圖2。過海圍堰在圍堰內(nèi)進(jìn)行垂直防滲,垂直防滲采用土工膜防滲,用鏈槽機開槽鋪設(shè)垂直防滲復(fù)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(zhì)主要為粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,所以采用拋石擠淤。

圖2 圍堰剖面圖

3 海峽段施工數(shù)值模擬

3.1 計算模型

圍堰的安全直接關(guān)系到工程的進(jìn)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(wěn)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(shù)值計算來確定一個科學(xué)的坡度和掩體寬度,在滿足設(shè)計要求的情況下,選取一個最優(yōu)值,達(dá)到節(jié)省工程造價的效果。選取K41+924處的圍堰在Ansys[8]里面建立數(shù)值計算模型,數(shù)值計算模型如圖3。經(jīng)過現(xiàn)場實測得到材料物理參數(shù),如表1。

圖3 圍堰數(shù)值模擬計算模型

表1 材料物理參數(shù)

3.2 模擬結(jié)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(dá)到極限狀態(tài)時寬度和邊坡比,具體尺寸見圖4。數(shù)值計算結(jié)果見圖5和圖6。

圖4 圍堰具體參數(shù)

圖5 水平位移云圖

圖6 位移矢量示意圖

3.3 計算結(jié)果分析

從K41+924處圍堰的數(shù)值模擬結(jié)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(nèi)力分布,進(jìn)而影響壩體穩(wěn)定。(2)在圍堰高出漲潮高度1.5 m以上時,海水達(dá)到漲潮水位后,圍堰有滑動的趨勢,但依然能夠保持穩(wěn)定。所以建議可以適當(dāng)增加圍堰高度。(3)當(dāng)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(dá)到9 mm,接近極限狀態(tài),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(cè)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(jié) 語

本文通過分析各種溝槽施工工藝的優(yōu)缺點,并與大連長興島臨港工業(yè)區(qū)二期供水工程具體工程地質(zhì)相結(jié)合,對不同的施工工藝方案進(jìn)行比選。最終選擇了土石方圍堰這個較為科學(xué)合理的方案。降低了施工難度,在保證施工質(zhì)量的同時,降低了工程造價。最后通過數(shù)值模擬對圍堰的具體參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,在保證圍堰穩(wěn)定的前提下,提高了工程進(jìn)度,降低了工程造價。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果為工程提出了相應(yīng)的建議?？蔀轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>

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