仲維華

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519100)

1 前言

近年來，我國城市燃?xì)獍l(fā)展迅速，供氣總量達到1 291.5×108m3，用氣人口5.4億。但城市燃?xì)夤芫W(wǎng)運行中事故頻發(fā)，存在著嚴(yán)重的安全隱患。2017年7月4日，吉林省松原市發(fā)生燃?xì)夤艿佬孤┍?，造?人死亡、85人受傷；2021年1月25日，遼寧省大連市發(fā)生燃?xì)夤艿辣ǎ瑢?dǎo)致3人死亡、8人受傷；2021年11月22日，內(nèi)蒙古呼和浩特市發(fā)生燃?xì)夤艿辣?，目前造?人死亡、2人重傷。此類事故造成大量的人員傷亡，帶來巨大的經(jīng)濟損失，引起社會各界對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全問題的高度關(guān)注。

國內(nèi)對地下管道變形破壞的研究始于二十世紀(jì)中葉，顧安全[1]教授調(diào)查研究大量深埋管道，對深埋管道的主要破壞形式進系統(tǒng)分析；高惠瑛[2]、馮啟民[3]等人針對穿越震陷場地的管道，對高田至郎的數(shù)學(xué)模型進行改進，對受沉陷作用的埋地管道分析理論計算進行探索。下面結(jié)合珠海市洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，在港區(qū)填筑及道路施工時對7.8 MPa高壓燃?xì)夤艿赖谋Ｗo技術(shù)進行了研究。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程位于珠海市一體化區(qū)域紅灣村境內(nèi)。洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程主要建設(shè)內(nèi)容:(1)棄土場設(shè)計(包括但不限于棄土場臨時便道臨時便橋、棄土場位置及范圍、棄土填筑方案等)；(2)場地填筑及場地軟基處理；(3)市政配套設(shè)施，含道路工程(不含道路瀝青路面、機動車道側(cè)石)、道路軟基處理工程、橋涵工程(不含道路瀝青路面)、人行地道工程、道路綠化、排洪渠工程、交通工程(不含交通標(biāo)線工程等)、安監(jiān)工程、管線工程(不含機動車道范圍的雨水篦、雨污水管線井蓋及井蓋支座)、預(yù)留溝工程、纜線管廊電纜溝工程照明工程等，并預(yù)留燃?xì)夤芪?具體見圖1)。

圖1 項目地理位置

該工程施工區(qū)域內(nèi)現(xiàn)共有2根燃?xì)夤?，?guī)格分別為 RQ(鋼)φ660、RQ(鋼)φ332，壓力 7.8 MPa，頂管施工。兩條管分別沿東西走向、南北走向，匯聚于場地西北角的現(xiàn)狀天然氣站。其中:東西走向燃?xì)夤茏钌盥裆顬?0 m，最淺埋深為1.1 m，位于擬建港平五路北側(cè)，距道路邊線約45～125 m；南北走向燃?xì)夤茏钌盥裆顬?5 m，最淺埋深為1.5 m，位于場地西側(cè)(見表1)。

表1 燃?xì)夤芫唧w位置

2.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探揭露的地層自上而下為:地表水、人工填土(Q4ml)層、第四系海陸交互相沉積(Q4mc)層、殘積(Qel)層、下伏基巖為燕山三期侵入花崗巖(γ52(3))。

(1)人工填土

褐黑、黃褐、灰黃、褐灰等雜色，稍濕～濕，松散～局部稍密狀。主要由黏性土混砂組成，含約10% ～30%左右的碎石，粒徑約2～8 cm，為人工回填而成。平均厚度約2.00 m。

(2)第四系海陸交互相沉積(Q4mc)

淤泥②1:灰黑色，飽和，流塑，成分以黏粒為主，含有機質(zhì)及少量貝殼碎片，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，具腐臭味，局部夾薄層粉細(xì)砂。目前揭露的厚度為12.50～31.50 m，平均約19.00 m。

淤泥質(zhì)黏土②2:灰黑色，飽和，軟塑，成分以黏粒為主，含有機質(zhì)，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，略具腐臭味，局部夾薄層粉細(xì)砂。該層在場地內(nèi)較廣泛的分布，目前揭露的厚度為3.10～24.40 m，平均約12.00 m。

(3)第四系殘積(Qel)層

砂質(zhì)黏性土③:灰白、灰黃、褐黃、褐紅色，稍濕～濕，硬塑，成分以長石風(fēng)化形成的次生黏土礦物為主，含約25%左右的石英砂，干強度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)，浸水易崩解、軟化。目前只是局部揭露出該層，目前揭露的厚度為1.10～14.20 m，平均約4.00 m。

2.3 重難點分析

(1)根據(jù)地質(zhì)情況，現(xiàn)場淤泥厚度達到29 m，土方回填離管線較近，回填過程中，很難控制淤泥產(chǎn)生擠壓造成燃?xì)夤艿腊l(fā)生偏位。

(2)道路施工范圍內(nèi)的燃?xì)夤艿烙?條道路與現(xiàn)狀燃?xì)夤芙徊?。因燃?xì)夤莛B(yǎng)單位要求，燃?xì)夤艿?0 m內(nèi)禁止施工，需考慮跨過燃?xì)夤艿辣Ｗo形式，施工難度較大。

(3)部分燃?xì)夤艿酪寻l(fā)生偏移，施工過程需進行人工探挖，因是淤泥，探挖難度較大，費用較高。

3 高壓燃?xì)夤鼙Ｗo技術(shù)

3.1 總體保護方案

(1)根據(jù)現(xiàn)場踏勘及相關(guān)資料顯示，場地填筑區(qū)域西、北兩側(cè)有現(xiàn)狀高壓燃?xì)夤?。在對場地填筑、排洪渠及道路施工時，為減少對天然氣管道的影響，填筑施工時在燃?xì)夤艿纼蓚?cè)各10 m范圍做膜袋砂圍堰[4－5](見圖2)，圍堰下打設(shè)塑料排水板加固地基，圍堰標(biāo)高為＋4.0 m。

圖2 管道保護圍堰設(shè)計斷面圖

(2)道路施工范圍內(nèi)的燃?xì)夤艿?，其中?條道路與現(xiàn)狀燃?xì)夤芙徊?，采用預(yù)應(yīng)力砼空心板橋及實心板形式保護。因灌注樁需入巖，所以采用沖擊鉆鉆孔，采用保護形式見表2。

表2 管道保護形式

3.2 施工準(zhǔn)備

(1)設(shè)計合理保護工作

施工前，根據(jù)管線圖紙走向及實際探測結(jié)果，設(shè)置施工期間的臨時保護措施。根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查結(jié)果，本工程對高壓燃?xì)夤軘M采用膜袋砂圍堰保護結(jié)合道路簡支梁橋隔離以及水泥攪拌樁加固等進行保護，保證高壓燃?xì)夤苓\行安全，設(shè)計方案前進行相關(guān)技術(shù)方面論證。

(2)施工前后積極同有關(guān)管線單位溝通

對高壓燃?xì)夤鼙Ｗo進行調(diào)查前，積極向各有關(guān)權(quán)屬單位溝通，了解施工范圍內(nèi)的高壓燃?xì)夤芫唧w情況。與管線單位建立聯(lián)系，加強溝通。并對相關(guān)設(shè)計保護方案進行交流論證，查漏補缺，避免施工過程中高壓燃?xì)夤軤窟B其他事故發(fā)生。

(3)設(shè)立監(jiān)測機制

在施工過程中，通過埋設(shè)沉降板等沉降位移監(jiān)測儀器，定期監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中及后續(xù)運營過程中的問題，采取相應(yīng)應(yīng)急預(yù)案，避免事故發(fā)生。

3.3 膜袋砂圍堰隔離保護技術(shù)

(1)施工技術(shù)

圍堰充填砂袋采用陸上施工法[6]。施工過程中根據(jù)圖紙進行測量放樣，將加工好的充填袋固定在放樣位置，避免膜袋在充填沙袋時滑入高壓燃?xì)夤苁┕ぐ踩秶猓刂剖┕r的安全距離。

采用泵砂船上的抽砂泵在運砂泥駁上水力稀釋后抽砂進行充填。為了減小燃?xì)夤艿穆∑鹆?，在吹填時，充填方向從近燃?xì)夤芟蜻h(yuǎn)離燃?xì)夤艿捻樞蛑饘邮┕?，每層充填砂速率控制?～8 d。

第一層圍堰充填袋采用木樁固定，木樁間距一般為3 m，沿充填袋兩側(cè)進行布置，根據(jù)圖紙要求固定木樁，用鋼絲將充填袋兩側(cè)固定在木樁上(見圖3)。

圖3 膜袋圍堰施工

(2)抗滑穩(wěn)定計算

采用圓弧條分法計算。分為總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。

按照總應(yīng)力法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為:

按照有效應(yīng)力法，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式為:

穩(wěn)定計算時考慮施工過程中軟土層強度增長(見圖4)，其強度增長按下式考慮:

圖4 圍堰穩(wěn)定分析

式中，η為經(jīng)驗系數(shù)，取0.7；U為堤基土的固結(jié)度；Δσc為剪切前的有效固結(jié)壓力；φcq為固結(jié)快剪試驗測得的內(nèi)摩擦角。

當(dāng)填筑至最高標(biāo)高3.5 m時為最危險時刻，圍堰下打設(shè)了排水板，淤泥此時固結(jié)度達到85%，因此淤泥剪切參數(shù)c＝5＋70×tan 2.5°＝7.5 kPa，ψ取 4.5°。

計算結(jié)論:本工程為填土項目，施工期與使用期狀態(tài)相同，填土邊界為魚塘，經(jīng)計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為Fs＝1.26，滿足工程需要。

3.4 簡支橋結(jié)構(gòu)保護技術(shù)

(1)施工技術(shù)

該工程跨高壓燃?xì)夤芏尾捎煤喼蚪Y(jié)構(gòu)進行保護，基礎(chǔ)采用沖擊鉆機進行鉆孔灌注樁施工?？鐦蛄憾问┕で笆紫葘ΜF(xiàn)場進行場地清理整平，測量對高壓燃?xì)夤芪恢冒踩嚯x進行復(fù)核，計算橋樁基至高壓燃?xì)夤苤行木€距離，要求樁孔樁機施工富余距離大于5.0 m的安全施工距離。

根據(jù)施工現(xiàn)場實際部署情況，將鉆孔灌注樁分為兩部分。第一部分為靠近高壓燃?xì)夤軅?cè)的鉆孔灌注樁，該部分樁基施工時，采用3 m鋼護筒保護；第二部分為普通鉆孔灌注樁，該部分灌注樁施工時，采用2 m鋼護筒保護，以充分減少現(xiàn)場樁基鉆孔施工擾動對既有管線的影響，鋼護筒在外定制，直接成型運至施工現(xiàn)場。

鉆孔前安排技術(shù)人員對現(xiàn)場操作人員進行技術(shù)和安全交底后方可開始鉆進。灌注樁鋼筋籠在鋼筋加工廠制作完成，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，計算吊裝最大高度，控制鋼筋籠加工長度，分段將鋼筋籠插入樁孔中，同時現(xiàn)場施工前做好對高壓燃?xì)夤堋㈦娏λ淼?、供水管防擠壓保護措施。

(2)沖擊鉆鉆孔振動檢算

該工程樁基采用沖擊鉆鉆孔施工，其沖擊作用可能對既高壓燃?xì)夤艿涝斐善茐挠绊?，詳?xì)需具體的施工工藝參數(shù)綜合確定[7－11]。參照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)可知，既有工業(yè)和商業(yè)結(jié)構(gòu)物的安全振動速度為3.5～5.0 cm/s。工程采用沖擊鉆，其中1.2 m樁基采用4 t重錘，落距按6 m考慮，下落重錘具有勢能B＝mgh＝235 200 J。沖擊鉆施工引起的周邊建筑物振動速度可采用式(4):

式中，K為沖擊鉆沖擊能量系數(shù)，4 t重錘，沖程為0.5 m時，K取1.2，沖程為1.0～2.0 m 時，K取4.9～6.1，沖程為2.0～4.0 m時，K取6.1～8.5，沖程為4.0～6.0 m時，K取8.5～10.9；r為測點與震源的距離；β為衰減系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)取1.2～1.4。

根據(jù)計算可知，本工程樁基與臨近既有管線的最小距離為5.0 m，最大振動速度v＝1.8 cm/s，遠(yuǎn)小于3.5～5 cm/s，采用沖擊鉆進行施工滿足規(guī)范安全要求。

3.5 鋼筋混凝土蓋板保護技術(shù)

在對港縱一路施工時采用蓋板結(jié)構(gòu)形式進行保護。保護蓋板基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁和壓實素填土。在對填筑壓實時會對周圍土體產(chǎn)生擾動，為了避免對燃?xì)夤艿腊l(fā)生擾動影響，考慮沿管道外側(cè)5 m處進行填筑壓實，并設(shè)置減震溝，溝底位于管道側(cè)下方0.3 m。

保護水泥攪拌樁墻施工時(見圖5)，為最大程度降低施工機械震動對高壓燃?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)造成的影響，所有水泥攪拌機均擺放在遠(yuǎn)離高壓燃?xì)夤艿囊粋?cè)。

圖5 水泥攪拌樁布置

4 施工過程中保護措施

4.1 膜袋砂圍堰保護措施

(1)隔離保護法:通過在燃?xì)夤艿纼蓚?cè)各10 m范圍做膜袋砂圍堰，圍堰下打設(shè)塑料排水板加固地基，圍堰標(biāo)高為＋4.0 m，形成隔離體，限制地下管線周圍的土體位移、擠壓或振動管道。

(2)在對Q-1棄土區(qū)域填筑棄土施工以及C-2吹填區(qū)域吹填施工時，采用斷面為標(biāo)準(zhǔn)梯形膜袋砂圍堰防護施工。后續(xù)棄土及吹填均在燃?xì)夤軆蓚?cè)對稱施工，均勻加載，避免地塊整體位移壓迫燃?xì)夤艿馈?/p>

(3)本工程圍堰充填砂袋采用陸上施工法，施工時，先進行測量定位，打木樁將預(yù)先加工好的充填袋固定在設(shè)計平面位置上。

(4)提前在高壓燃?xì)夤軅?cè)打設(shè)木樁，主要是避免膜袋滑入高壓燃?xì)夤苁┕ぐ踩秶?，控制施工時的安全距離。

(5)為確保管道的安全，全過程施工監(jiān)測是保障高壓燃?xì)夤茉谑┕み^程中的穩(wěn)定性、安全性以及信息化施工的主要手段，對管道保護具有重要意義。本次主要設(shè)置的監(jiān)測項目有:隔離保護膜袋砂圍堰監(jiān)測等[12]。

(6)對所有隔離保護膜袋砂圍堰提前布置沉降位移觀測點，沉降監(jiān)測采用蘇光精密水準(zhǔn)儀進行測量，并按照二級測量精度要求，進行周期性觀測。如有發(fā)現(xiàn)不正常的沉積及位移，立即停止附近的所有施工，并報告上級單位。

4.2 簡支橋結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土蓋板保護措施

(1)環(huán)港北路保護橋樁基直徑1 200 mm，共44根，樁基直徑1 400 mm，共34根，現(xiàn)場投入6臺沖擊鉆進行施工，其中 z0＃、y0＃、z1＃、y1＃墩的樁距離燃?xì)夤茏钚￠g距為5 m。

(2)考慮到對匝道橋梁的影響，保護橋樁基施工采取“橫向隔樁跳打，橫向逐根成孔”的施工順序。

(3)保護橋樁基施工時，為最大程度降低施工機械震動對高壓燃?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)造成影響，所有沖孔樁機均擺放在遠(yuǎn)離高壓燃?xì)夤艿囊粋?cè)(見圖6)。

圖6 燃?xì)夤鼙Ｗo樁沖擊鉆擺放位置示意

(4)為盡可能減少車輛、機械荷載對高壓燃?xì)夤艿挠绊?，保護橋施工時，不考慮新修便道，直接利用區(qū)域內(nèi)規(guī)劃施工便道進行施工。臨近高壓燃?xì)夤艿臉痘鶟仓炷習(xí)r，為避免混凝土罐車行走對高壓燃?xì)夤芙Y(jié)構(gòu)造成影響，采用56 m天泵在遠(yuǎn)離高壓燃?xì)夤軅?cè)(保護橋南側(cè))進行樁基混凝土澆筑。

5 結(jié)論與體會

(1)填筑速度由5 d一層逐步增大到10 d一層、20 d一層時，施工完成時天然氣管道的最大隆起量及隆起量變化速率會顯著增大。

(2)填筑過程中由臨近天然氣管道向遠(yuǎn)離天然氣管道的順序逐層施工，以減小天然氣管道的隆起量。

(3)對稱填筑將減少填筑過程對天然氣管的影響，因此施工過程中圍堰和填筑同步進行。

(4)為減少樁基鉆孔施工時對燃?xì)夤艿挠绊懀瑯痘┕ぴO(shè)置鋼護筒，鋼護筒應(yīng)穿過燃?xì)夤芟? m。鋼護筒采用單護筒，護筒效果良好。

(5)鋼筋混凝土蓋板保護法施工過程中，沿管道外側(cè)5 m處進行填筑壓實，并設(shè)置減震溝，溝底位于管道側(cè)下方0.3 m，以減少壓實土體過程中震動對管線的影響，施工效果良好。