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(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510635)

隨著城市化進(jìn)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(shí)對(duì)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(jì)損失和社會(huì)影響都較大，特別是被譽(yù)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(duì)已有地下管線的安全影響及保護(hù)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(gè)重要課題[1]。

新建頂管工程下穿既有管線會(huì)對(duì)臨近管線產(chǎn)生影響，主要原因是頂管頂進(jìn)施工過程中會(huì)引起頂管周圍巖土體應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)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(chǎng)和位移場(chǎng)的變化。[2]因此，頂管施工期間要根據(jù)對(duì)下穿管線周圍巖土體位移場(chǎng)或應(yīng)力場(chǎng)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(xiàng)目位于某城市中心片區(qū)的永盛大街段，設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)東深供水工程箱涵可能會(huì)造成不利影響。為此，需評(píng)估頂管下穿施工時(shí)間對(duì)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(hù)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(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件

本場(chǎng)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(biāo)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(biāo) 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(biāo)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(shí)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(yàn)常數(shù)，n 值一般在0.2～1.0。

對(duì)卸荷時(shí)的情況，應(yīng)由卸荷試驗(yàn)測(cè)定其模量，以Eur表示，卸荷模量可由式（2）計(jì)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(duì)結(jié)果的影響。數(shù)值計(jì)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(dòng)機(jī)理分析

4.1 頂管施工引起周圍巖土體變形特性

頂管機(jī)在掘進(jìn)施工時(shí)對(duì)前方巖土體產(chǎn)生推擠，對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)。房營(yíng)光[6]等根據(jù)已有工程資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析給出了頂管施工對(duì)周圍土體擾動(dòng)分區(qū)圖。具體分區(qū)見圖4 和圖5。

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

4.2 頂管頂進(jìn)期間引起周圍土體移動(dòng)特性

頂管頂進(jìn)施工擾動(dòng)下，周圍巖土體會(huì)發(fā)生移動(dòng)。這種移動(dòng)具有明顯的時(shí)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(jìn)速度、周圍巖土體特性、既有管線基礎(chǔ)處理方式等都會(huì)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(dòng)分區(qū)

表2 巖土層摩阻力特征值建議值

4.3 頂管頂進(jìn)施工引起的地層損失特性

頂管施工會(huì)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(dòng)，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(jìn)時(shí)與周邊土體摩擦；（4）頂管施工時(shí)承壓壁變形；（5）頂管工具管進(jìn)洞和出洞；（6）頂管管節(jié)回彈。

5 頂管下穿對(duì)既有管線影響分析

圖5 頂管施工橫向擾動(dòng)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(shí)管線頂部的土體變形場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)，分析其變化規(guī)律。從總體上認(rèn)識(shí)管線的變形特點(diǎn)，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(hù)措施提供依據(jù)和參數(shù)。

5.1 建立分析計(jì)算模型

為分析頂管頂進(jìn)施工期間，對(duì)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(jì)算模型方法，并采用MIDAS/GTS 有限元軟件建立管線計(jì)算模型。計(jì)算接收井和工作井的開挖、頂管頂進(jìn)施工過程中對(duì)供水箱涵產(chǎn)生的附加變形和受力。根據(jù)實(shí)際情況，計(jì)算模型作如下簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)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(hào)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(gè)實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)，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(duì)供水箱涵的安全保護(hù)措施及建議

6.1 控制和減小對(duì)供水箱涵影響的施工措施

頂管穿越施工期間，需嚴(yán)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(jìn)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(yán)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(duì)土體的擾動(dòng)，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(jìn)過程中遇到障礙物時(shí)。（2）遇到機(jī)頭快速下沉?xí)r。（3）地層中發(fā)生承壓水時(shí)，可加快推進(jìn)速度，減少送水量，快速通過滯水層。（4）當(dāng)機(jī)頭卡住無(wú)法取出時(shí)應(yīng)停止施工，將機(jī)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(jì)單位重新選擇頂管位置，設(shè)計(jì)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(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)立即停止施工。如機(jī)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(jì)單位重新選擇頂管位置，設(shè)計(jì)頂管方案，并重新組織專家論證。（6）頂管中如偏位嚴(yán)重難以矯正，可能會(huì)碰到供水箱涵時(shí)，應(yīng)立即停止施工，將機(jī)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(hù)頻次

污水管道施工完畢應(yīng)定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)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(cè)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(hù)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(hù)工作中，作為重點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)、維護(hù)和管理。