管道穿越河道防汛安全影響分析

劉鵬晨

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引 言

上海市瀕江臨海、地勢低平，中心城區(qū)部分道路排水管道管徑偏小、超期服役，管道的輸送能力存在不足，對地區(qū)排水造成了一定影響。近年來隨著上海市區(qū)道路積水改善工程的實施，對道路沿線排水管道進行達標改建，緩解了暴雨期間道路排水不暢和路面積水現(xiàn)象，保障了區(qū)域防汛排水安全。工程中排水管道穿越河道常采用頂管施工方法，此類非開挖施工方法可有效減少大開挖對地面建筑物和環(huán)境的影響，同時不受潮汛影響可以度汛施工，但其頂管工作井、接收井基坑施工和管道非開挖施工對土體產(chǎn)生了擾動，可能影響周圍防汛設施的安全[1-4]。

1 工程概況

為進一步完善地區(qū)排水系統(tǒng)的建設，切實保障防汛排水安全，實施上海市虹口區(qū)某道路積水改善工程。結(jié)合該地區(qū)所屬排水系統(tǒng)規(guī)劃，工程擬建雨水管管徑DN1200，收集沿線兩側(cè)地塊雨水及上游轉(zhuǎn)輸萬安路、池溝路、保寧路、萬壽街、河灘西路、斗臺街雨水量后，由東向西接入水電路已建雨水總管內(nèi)。雨水管需在水電路東側(cè)倒虹過斜塘河，采用頂管施工，頂管長度68m，按頂管距離規(guī)劃河底至少2m凈距來控制，設計頂管底標高-3.5m，埋深7.7~8.71m，位于③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。頂管工作井設于斜塘河東側(cè)綠化帶內(nèi)，頂管接收井擬設于水電路西側(cè)綠化帶內(nèi)（見圖1）。

圖1 雨水管穿越斜塘河段平面圖

根據(jù)頂管設計高程，頂管穿越防汛墻處與斜塘河兩岸現(xiàn)狀防汛墻樁基存在沖突（見圖2）。為了保證頂管的正常施工，需要預先將影響頂管施工的部分樁基拔除，對防汛墻結(jié)構(gòu)進行改建，恢復防汛墻后進行頂管施工，防汛墻考慮整幅修復。

圖2 雨水管穿越斜塘河段縱斷面圖（單位：mm）

2 管道穿越段防汛墻改建設計

2.1 現(xiàn)狀防汛墻結(jié)構(gòu)形式

斜塘河兩岸現(xiàn)狀防汛墻為前板后方的漿砌塊石高樁承臺結(jié)構(gòu)，其中前排樁基采用220 mm×500mm×10 000mm的鋼筋混凝土板樁，樁尖標高-8.0m，后排樁基采用220mm×280mm×10 000mm@1 000mm的鋼筋混凝土方樁，樁尖標高-8.0m。

2.2 改建防汛墻斷面結(jié)構(gòu)

該工程擬建DN1200雨水管跨斜塘河段采用倒虹穿越斜塘河，采用頂管施工方法。根據(jù)頂管設計高程，管道穿越防汛墻處設計頂管底標高-3.5m，與斜塘河兩岸現(xiàn)狀防汛墻樁基布置存在沖突，擬拔除防汛墻樁基，對防汛墻結(jié)構(gòu)進行改建，待恢復防汛墻后進行頂管施工。據(jù)有關部門協(xié)調(diào)，此次考慮管道穿越斜塘河段兩岸各一整幅的防汛墻改建與修復。

改建防汛墻結(jié)構(gòu)將原防汛墻上部漿砌塊石墻身和鋼筋混凝土底板全部拆除，頂管穿越段改建防汛墻為管道軸線兩側(cè)各2m范圍，需拔出原防汛墻樁基，將在管道兩側(cè)新建三排600×10 000mm鉆孔灌注樁，兩側(cè)樁凈距為2.2 m，滿足頂管的穿越條件（見圖3）；穿越段兩側(cè)為標準段防汛墻，對原有樁基保留利用，并在后側(cè)增加一排600×10 000mm鉆孔灌注樁，間距2 000mm（見圖4）。改建防汛墻樁位布置如圖5所示。

圖3 管道穿越段改建防汛墻結(jié)構(gòu)斷面

圖4 標準段改建防汛墻結(jié)構(gòu)斷面

改建防汛墻上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土L形擋墻，墻前設漿砌塊石護坡以1∶2.5放坡至河底。

圖5 改建防汛墻樁位布置

3 基坑工程對防汛墻安全的影響分析

頂管工作井位于斜塘河東側(cè)，平面內(nèi)凈尺寸為8 500mm×4 100mm，工作井圍護結(jié)構(gòu)西側(cè)距現(xiàn)狀斜塘河防汛墻約12m；頂管接收井位于斜塘河西側(cè)，平面內(nèi)凈尺寸為3 900mm×3 500mm，接收井圍護結(jié)構(gòu)東側(cè)距現(xiàn)狀斜塘河防汛墻約30m。斜塘河東西兩側(cè)基坑開挖深度均為9.5 m，坑底位于③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

考慮到該項目頂管工作井和接收井距離河道較近，斜塘河兩岸防汛墻均在基坑開挖的4倍范圍內(nèi)，故必須分析土方開挖引起的防汛墻變形沉降及河道高水位工況下基坑自身滲透穩(wěn)定問題，避免基坑發(fā)生滲透破壞，進而導致防汛墻的坍塌[5]。

3.1 基坑開挖引起的防汛墻沉降影響分析

該項目基坑開挖對防汛墻的主要影響在于土方開挖引起的防汛墻土體的變形沉降。為分析基坑開挖對斜塘河兩側(cè)防汛墻的影響，采用有限元分析軟件Plaxis建立了基坑開挖過程對斜塘河防汛墻影響的二維有限元模型，進行了彈塑性有限元計算，預測基坑施工引起的防汛墻沉降變形。

模型參數(shù)如下：

（1）土體采用Hardening–soil模型。

（2）土層參數(shù)采用管道穿越范圍的地質(zhì)資料設置。

（3）坑外水位取地面以下0.5 m；坑內(nèi)水位取坑底下1m。

（4）超載按實際情況考慮，按20 kN/m2計算。

（5）采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬地下結(jié)構(gòu)與土體和加固體之間相互作用。

（6）計算區(qū)域：深度取距坑底以下30m計，模型寬度50m。水平為X向，豎直為Y向，且對X邊界施加Y向位移約束，Y邊界施加X向約束。采用等三角形15節(jié)點平面單元模擬土體。

防汛墻變形沉降計算有限元模型如圖6、圖7所示。

圖6 工作井施工對斜塘河東岸防汛墻的變形沉降計算有限元模型

圖7 接收井施工對斜塘河西岸防汛墻的變形沉降計算有限元模型

經(jīng)過模型分析，基坑施工過程中引起的防汛墻墻頂最大水平位移為3.65mm，墻頂最大垂直位移為8.59mm，基坑施工過程中引起的防汛墻變形均控制在10mm以內(nèi)，但墻頂垂直位移接近報警值，考慮到理論計算與實際情況存在一定差別，施工過程中應增加監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)位移超過報警值，應及時與相關部門、建設責任單位和設計單位聯(lián)系，采取必要措施，保證防汛墻安全。待基坑工程施工結(jié)束后，應對沿線防汛墻進行一次全面的安全鑒定，如存在損壞，應立即修復；如存在安全隱患，也應采用有效的對策措施，保證防汛安全。

3.2 基坑自身滲透穩(wěn)定性分析

該項目穿越斜塘河頂管工作井、接收井緊鄰斜塘河，河道水體的變化將對基坑自身的滲透穩(wěn)定帶來直接影響。在基坑施工過程中，當河道高水位時，由于水頭差較大，土體可能會造成滲透破壞，因此需要對此情況進行復核。

計算選取斜塘河高水位4.44m，基坑開挖到底時作為復核工況，采用二維平面滲流有限元分析軟件Slide進行計算，驗證基坑開挖至坑底遭遇河道高水位時的滲透穩(wěn)定情況。

基坑滲流計算有限元模型如圖8、圖9所示。

圖8 斜塘河高水位工況下工作井的滲流計算有限元模型

圖9 斜塘河高水位工況下接收井的滲流計算有限元模型

經(jīng)過模型分析，該項目工作井、接收井坑底最大出逸坡降小于0.60，最大滲透流量為1.47×10-5m3/（d·m）。根據(jù)《地基基礎設計標準》（DGJ 08-11—2018）給出的上海地區(qū)土層的允許滲流坡降[6]可知，基坑圍護止水措施嚴格按照設計方案施工并確保施工質(zhì)量的前提下，該項目基坑理論上不會發(fā)生滲透破壞等問題。

4 頂管施工對防汛墻安全的影響分析

該工程擬建DN1200雨水管跨斜塘河段采用倒虹穿越斜塘河，采用頂管施工方法。頂管穿越斜塘河東、西岸防汛墻處正下方頂管管頂標高約-2.30m，改建防汛墻樁基在頂管穿越位置采用門洞式布置，管道正上方無樁基結(jié)構(gòu)，此處防汛墻底板底標高為1.80m，管道管頂距離防汛墻底板4.1m左右，因此管道施工過程中不會發(fā)生與防汛墻底板的直接碰撞。同時頂管頂部距規(guī)劃斜塘河河底高程的埋置深度大于100 cm，滿足《上海市跨、穿、沿河構(gòu)筑物河道管理技術(shù)規(guī)定（試行）》第3.1條的規(guī)定[7]。

4.1 頂管施工引起的防汛墻沉降影響分析

管道頂進過程中，需穿越?jīng)鐾そㄖ?、斜塘河、水電路道路和地下管線，對地面的沉降要求較高，頂管進出洞時需穿越鉆孔灌注樁圍護與高壓旋噴樁止水帷幕以及壓密注漿土體加固區(qū)，對掘進機機頭的切削能也有一定的要求，同時刀盤開口率應滿足在粉性砂土層施工要求。綜合以上因素，為有效保護周圍構(gòu)（建）筑物及地下管線，該工程頂管掘進時采用對地面沉降影響較小的平面大刀盤泥水平衡式頂管掘進機。

為了分析頂管施工對斜塘河兩岸改建防汛墻沉降位移的影響，采用有限元分析軟件Plaxis建立頂管施工過程對斜塘河兩岸防汛墻影響的二維有限元模型，進行彈塑性有限元計算，預測頂管施工引起的防汛墻變形。

模型參數(shù)如下：

（1）土體采用Hardening–soil模型。

（2）土層參數(shù)采用管道穿越范圍的地質(zhì)資料。

（3）地下水位取地面以下1.0m。

（4）地面荷載為5 kN/m2。

（5）采用彈塑性無厚度Goodman接觸面單元模擬地下結(jié)構(gòu)與土體和加固體之間相互作用。

（6）計算區(qū)域：深度取距離頂管以下足夠深度，為20m；模型寬度考慮頂管穿越范圍以外上、下游各20m，即40m。水平為X向，豎直為Y向，且對X邊界施加Y向位移約束，Y邊界施加X向約束。采用等三角形15節(jié)點平面單元模擬土體。

（7）有限元計算中土層損失率取0.3%。

頂管施工引起防汛墻沉降計算云圖如圖10、圖11所示。

圖10 頂管施工引起斜塘河西岸防汛墻沉降計算云圖

由圖10、圖11可知，斜塘河西岸防汛墻最大沉降量1.12mm，斜塘河東岸防汛墻最大沉降量1.16mm，均控制在10mm以內(nèi)。因此在確保施工質(zhì)量的前提下，理論上頂管施工不會影響防汛墻的安全。

4.2 預防和減輕頂管施工對防汛墻安全影響的對策措施

（1）合理設置施工參數(shù)，在穿越防汛墻前后15m范圍內(nèi)，適當控制掘進速度，保證施工精度，避免頻繁糾偏對土體造成反復擾動。

（2）不得在防汛墻下方停機，保證一次性通過。同時控制壓漿質(zhì)量，最大可能地減小土層損失，將防汛墻變形控制在最小值。

圖11 頂管施工引起斜塘河東岸防汛墻沉降計算云圖

（3）加強動態(tài)信息化施工的技術(shù)含量，使監(jiān)測數(shù)據(jù)能以最短的時間得到傳遞、反饋，以便調(diào)整參數(shù)、及時驗證，從而使施工過程始終處于最優(yōu)化狀態(tài)進行。

（4）做好防汛預案，配備充足的防汛搶險物資和器材，組織好搶險隊伍，如接到報警可隨時進行搶險工作。

5 結(jié) 語

管道采用頂管施工方法穿越河道節(jié)點時，應根據(jù)管道設計平、縱、橫斷面與現(xiàn)狀防汛設施相對關系提出穿越段防汛設施改造方案，同時設計方案應充分考慮施工過程對防汛安全的影響：

（1）頂管工作井、接收井基坑施工對周圍防汛設施的變形沉降影響分析。

（2）河道高水位工況下基坑自身的滲透穩(wěn)定分析。

（3）頂管施工對周圍防汛設施的變形沉降影響分析。

本文以上海市虹口區(qū)某道路積水改善工程為例，采用有限元計算軟件分析了頂管穿越河道施工對防汛安全的影響。模型計算表明，施工期間滿足防汛設施的安全運行，為保證實際施工過程中防汛設施的安全，應采取信息化施工，加強對防汛設施的沉降位移監(jiān)測，確保施工安全和工程質(zhì)量。