應(yīng)對淺埋深的地下工程穿越河道對策與措施

母冬青

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市　200092）

應(yīng)對淺埋深的地下工程穿越河道對策與措施

母冬青

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

隨著城市的發(fā)展，地下工程不可避免地與城市水系發(fā)生關(guān)系。一些地下工程由于地理位置及周邊環(huán)境限制埋深較淺，需要進(jìn)行開挖施工。介紹地下工程分類，并對其進(jìn)行數(shù)值分析，探討如何使地下工程在區(qū)域防洪排澇壓力大的地區(qū)得以順利實(shí)施，且能最大限度上減少對區(qū)域防洪排澇的影響，確保區(qū)域防汛安全。指出當(dāng)淺埋深的地下工程穿越河道節(jié)點(diǎn)時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮多種因素的影響，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，擬定最為優(yōu)化的方案，盡量減少對區(qū)域水系及周邊環(huán)境的影響。

淺埋深；地下工程；穿越河道；數(shù)值分析；對策與措施

0　引言

水系是城市的重要組成部分，承擔(dān)了城市防洪排澇的重?fù)?dān)，同時(shí)具有調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境的作用。隨著城市的發(fā)展，城市立體化的進(jìn)程越來越快，一些地下工程不可避免地與城市水系發(fā)生關(guān)系。

大部分地下工程在有條件的情況下選用非開挖如頂管及盾構(gòu)等施工手段進(jìn)行施工，進(jìn)而減少對地面水系的影響并節(jié)約工程造價(jià)，但是一些地下工程受地理位置及周邊環(huán)境限制，且需滿足一定的功能要求，埋深較淺，需要進(jìn)行對地面水系影響較大的開挖施工。如何使地下工程在區(qū)域防洪排澇壓力大的地區(qū)得以順利實(shí)施，且能最大限度地減少對區(qū)域防洪排澇的影響，確保區(qū)域防汛安全，為目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

1　地下工程分類及研究對象

1.1地下工程分類

地下工程已經(jīng)廣泛用于市政工程、商場娛樂、民用、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)方面，地下工程的施工工藝也已發(fā)展得較成熟，一般地下工程有如下幾種分類方式［1］。

（1）按使用功能分類

地下工程按使用功能可分為：a.工業(yè)、民用工程，如：小區(qū)地下車庫、工廠地下廠房等；b.商業(yè)娛樂工程，如：大型地下商場、商場地下停車庫等；c.交通運(yùn)輸工程，如：地鐵、越江隧道、地下通道、地下立交工程等；d.市政工程，如：地下供水管線、地下雨污水排水管線、地下電力隧道、地下燃?xì)夤艿?；e.地下公共管理與公共服務(wù)設(shè)施工程，如：地下醫(yī)院、人防工事、地下圖書館等。

（2）按施工工藝分類

地下工程按施工工藝可分為：基坑工程、頂管工程、盾構(gòu)工程等。

（3）按是否開挖分類

地下工程按是否開挖可分為：a.開挖型地下工程，指基坑工程，需要開挖才能形成地下公共工程，如大型地下商場、地下停車庫等；b.非開挖型地下工程，指利用頂管、盾構(gòu)等施工工藝可以實(shí)現(xiàn)非開挖的穿越型地下工程，如：越江隧道、大型地下給排水管線、地下通道等；c.開挖與非開挖結(jié)合工程，如：地鐵等。

（4）按地下工程埋深分類

地下工程按埋深可分為：a.表層地下工程，指埋深在地下3 m以內(nèi)的地下工程；b.淺層地下工程，指埋深在地下3～15 m的地下工程；c.中層地下工程，指埋深在地下15～40 m的地下工程；d.深層地下工程，指埋深在地下40 m以上的地下工程。

1.2研究對象

同一個(gè)地下工程可按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，深層及大部分中層埋深的地下工程選用盾構(gòu)及頂管的施工工藝。淺層地下工程的施工方式由于埋深較淺，覆土厚度往往不能滿足非開挖式施工工藝的要求，因此采用開挖并結(jié)合基坑圍護(hù)工藝的施工方式。這種施工方式在地面水系發(fā)達(dá)及防洪排澇壓力大的地區(qū)影響較大，因此本文主要研究淺層地下工程進(jìn)行開挖施工對地面水系的影響。

由于地下工程的埋深較淺，建設(shè)過程中的措施是整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵，但為了確保工程具有可持續(xù)性，設(shè)計(jì)過程中更應(yīng)充分預(yù)見工程建成后將產(chǎn)生的問題，并給予應(yīng)對措施。

2　地下工程的方案分析

2.1影響地下工程過河方案的因素

地下工程穿越河道水系的方案一般根據(jù)以下幾個(gè)因素進(jìn)行方案分析及確定。

（1）地下工程涉及河道水系在區(qū)域防汛排澇體系中的作用

非重要防汛排澇河道：一般河道等級(jí)較低，在地下工程施工期間可斷流，且斷流后不影響或?qū)^(qū)域水系的影響較小。

重要防汛排澇河道：一般為主干或次干河道，承擔(dān)區(qū)域防汛、排澇或溝通區(qū)域水系的作用，在地下工程施工期間不可斷流施工。

（2）地下工程涉河節(jié)點(diǎn)的施工工期

施工工期較短不跨越汛期：非汛期河道流量較小，水位基本為常水位，施工期間采取簡單措施即可滿足防汛要求。

施工工期較長需跨越汛期：河道流量較大，水位有超過設(shè)計(jì)高水位的極端情況，需采取多項(xiàng)措施，滿足汛期河道過流能力需求。

2.2地下工程過河方案分析

根據(jù)影響地下工程過河方案的因素進(jìn)行過河方案的擬定及分析，主要有以下三種情況：

（1）非重要防汛排澇河道：采用穿越地點(diǎn)上下游筑攔河壩的型式實(shí)現(xiàn)河道內(nèi)干法施工，攔河壩的標(biāo)準(zhǔn)型式應(yīng)根據(jù)使用時(shí)間是否跨汛采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置；

（2）重要防汛排澇河道且施工工期較短不跨越汛期：可采用二次圍堰的形式兩階段分幅施工，圍堰的型式按照非汛期的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置；

（3）重要防汛排澇河道且施工工期較長需跨越汛期：可采用二次圍堰的形式兩階段分幅施工，圍堰的型式按照汛期的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，但是需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析后采取必要的工程措施保證河道在汛期時(shí)滿足河道原有的過流能力。工程措施應(yīng)根據(jù)河道汛期時(shí)的過流要求及周邊地塊情況采取局部拓寬河道、開挖導(dǎo)流渠或預(yù)埋導(dǎo)流管等手段增加河道過流能力［2］。

第三種情況為以上三種情況中的最不利情況，在極端工況下是否可以滿足河道的過流能力，不發(fā)生滿溢等現(xiàn)象，減少對區(qū)域防洪排澇的影響，確保區(qū)域防汛安全為研究的重點(diǎn)。

3　數(shù)值分析

在擬定地下工程的過河方案時(shí)必須充分掌握項(xiàng)目周邊情況。周邊情況包括地質(zhì)、河床泥面線、上下游河道護(hù)岸、橋梁、地下構(gòu)筑物及管線情況等，采用必要的數(shù)值分析手段來確定方案的合理性，必要時(shí)可采取物理模型的手段進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果調(diào)整和深化相關(guān)的方案。

以2.2節(jié)分析中第三種情況“重要防汛排澇河道且施工工期較長需跨越汛期”的最不利工況地下工程穿越某人工河道為例。工程擬采用二次圍堰的形式兩階段分幅施工，圍堰的型式按照汛期的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置，采取增加局部拓寬河道的工程措施增加河道汛期時(shí)的過流能力。

3.1數(shù)值分析水位邊界條件的選取

天然河道一般采用水文分析法得出一定頻率的水位及區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)降雨作為綜合邊界條件，但是一些受人工控制影響較大的河流，如河口由水閘控制或兩岸存在較多的雨水泵站的匯入，用水文分析法得出一定頻率的水位作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已不合理，而應(yīng)按工情及工程調(diào)度方案采用水力學(xué)方法分析確定。

人工控制河道的沿線排水泵站和支流排澇泵站眾多，各泵站調(diào)度方案也不同，因此可根據(jù)工程施工點(diǎn)上下游水位控制點(diǎn)內(nèi)的施工前后水位及流量的變化來分析及擬定方案。

3.2計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

計(jì)算范圍為地下工程穿越河道的施工點(diǎn)至河道上、下游的水位控制點(diǎn)，模型采用河道現(xiàn)狀河道護(hù)岸邊界并考慮水中橋梁墩柱等影響，水下地形采用現(xiàn)狀或者規(guī)劃斷面資料。水位邊界采用近期（河道下墊面情況與當(dāng)前分析工況一致的期間）區(qū)域歷史最高水位過程資料。

對整個(gè)計(jì)算區(qū)域建立二維模型，采用可以有效貼合彎曲河道不規(guī)則岸線的三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分。計(jì)算網(wǎng)格概化見圖1。

圖1　網(wǎng)格劃分（單位：m）

3.3計(jì)算工況

計(jì)算三種典型工況，對工程對河道水流流態(tài)的影響進(jìn)行分析，來確定擬定方案的合理性（見表1）。

表1　計(jì)算工況

3.4數(shù)值模擬結(jié)果與分析

（1）工況一：現(xiàn)狀河道水位及流速分布情況（見圖2、圖3）。

圖2　現(xiàn)狀流速分布圖（單位：m）

圖3　現(xiàn)狀水位分布（單位：m）

（2）工況二：方案一河道水位及流速分布情況（見圖4～圖7）。

圖4　方案一Ⅰ期圍堰施工水位分布（單位：m）

圖5　方案一Ⅰ期圍堰施工流速分布（單位：m）

圖6　方案一Ⅱ期圍堰施工水位分布（單位：m）

圖7　方案一Ⅱ期圍堰施工流速分布（單位：m）

（3）工況三：方案二河道水位計(jì)流速分布情況（見圖8～圖11）

圖8　方案二Ⅰ期圍堰施工水位分布圖（單位：m）

圖10　方案二Ⅱ期圍堰施工水位分布（單位：m）

圖11　方案二Ⅱ期圍堰施工流速分布（單位：m）

4　水動(dòng)力學(xué)分析結(jié)論

根據(jù)第3節(jié)的分析可以得出不同工況下的水位及流速與現(xiàn)狀的變化情況（見圖12～圖15）。

圖12?、衿趪呤┕に慌c現(xiàn)狀水位對比情況

圖13?、衿趪呤┕ち魉倥c現(xiàn)狀流速對比情況

圖14　Ⅱ期圍堰施工水位與現(xiàn)狀水位對比情況

圖15?、蚱趪呤┕ち魉倥c現(xiàn)狀流速對比情況

由于圍堰的施工，圍堰上游水位升高，流速降低，方案二水位上升幅度小于方案一；圍堰下游水位下降，流速增加，方案二流速增加的幅度小于方案一。表2為兩方案計(jì)算工況對比表。

表2　兩方案計(jì)算工況對比表

可以看出方案二較方案一的施工區(qū)域水位抬升可減少50%，降低河道滿溢和高水位引起的河道護(hù)岸滲透失穩(wěn)，以及墻后滲水的幾率，同時(shí)下游流速也有明顯降低，減輕水流對河床的沖刷。在極端工況下采用的局部拓寬河道的施工方案可以更好地降低地下工程施工過程中對現(xiàn)狀水系防洪排澇工程的影響，較好地保障了區(qū)域的防汛安全。

5　地下工程穿越施工期對水系的主要影響及保護(hù)設(shè)計(jì)

5.1施工主要影響

地下工程穿越施工期間對河道水系的影響主要為三個(gè)方面：

（1）施工方式采取斷流施工對區(qū)域水系整體調(diào)度產(chǎn)生的影響；

（2）施工期縮窄河道引起上游水位抬升后可能導(dǎo)致的河水滿溢以及上游長期處于高水位工況，引起墻后滲漏進(jìn)而導(dǎo)致河道護(hù)岸失穩(wěn)；

（3）施工期縮窄河道引起的下游流速增加導(dǎo)致河床沖刷、河道護(hù)岸墻前泥面的降低，引起河道護(hù)岸失穩(wěn)。

5.2保護(hù)設(shè)計(jì)

針對地下工程穿越施工期間對河道水系的影響，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)設(shè)計(jì)，確保施工期間區(qū)域防汛安全。

（1）在施工期間可適當(dāng)調(diào)整水利調(diào)度方案，減少對區(qū)域水系的影響，確保區(qū)域防汛安全沖刷措施便于實(shí)施，且不影響后續(xù)地下工程施工。

（2）加強(qiáng)河道護(hù)岸墻頂及墻后監(jiān)測，高水期間發(fā)現(xiàn)墻后滲漏應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理；同時(shí)對影響范圍內(nèi)河道護(hù)岸進(jìn)行臨時(shí)加高，可采用墻頂袋裝土或者砌塊的加高形式。

（3）根據(jù)河底不同土質(zhì)，在大于不沖流速的區(qū)域設(shè)置必要的防沖刷措施。

5.3其他注意事項(xiàng)

河道是往復(fù)流的兩種流向均應(yīng)進(jìn)行研究；施工期跨越汛期的臨時(shí)護(hù)岸及圍堰均應(yīng)按照汛期標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)時(shí)考慮施工完成后便于拆除；河道同時(shí)為航道的，施工方案應(yīng)征詢航務(wù)管理部門意見。

6　結(jié)語

應(yīng)對淺埋深的地下工程穿越河道節(jié)點(diǎn)時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮多種因素的影響，利用先進(jìn)的技術(shù)手段，擬定最為優(yōu)化的方案，盡量減少對區(qū)域水系及周邊環(huán)境的影響。

［1］向偉明.巖土力學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］左曉陽.關(guān)于穿越江河工程防洪評(píng)價(jià)的幾個(gè)問題［J］.湖南水利水電，2005（2）：42-43.

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1009-7716（2016）06-0175-05

2016-02-08

母冬青（1984-），女，吉林吉林人，碩士，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)咨詢工作。