新建海堤下穿大口径涵管的护管桥保护、监测及填堵方案

2015-03-05张房房谢慧姣

城市道桥与防洪 2015年10期

张房房，刘雷，谢慧姣

（上海友为工程设计有限公司，上海市 200333）

0 引言

某新建海堤工程位于杭州湾北部上海市金山区，滩面平均高程约-0.4m，新建海堤顶高程5.50m，海堤主体结构是吹泥管袋+灌砌块石护面（见图1），海堤主要功能是保滩及围内建设滨海浴场。工程范围内有三根钢筋混凝土引水管，为石化企业引水管道，于1978年采用顶管施工方式修建，其中一根废弃，两根正在使用。保滩坝轴线与引水管道中心线斜交约80°，引水管道取水口距保滩坝约200 m左右，见图2。引水管的中心高程在新建保滩坝处约为-10.00 m，其结构为钢筋混凝土管，管内径3.50 m，壁厚0.40 m，具体结构资料缺失。

图1 引水管道平面位置示意图

1 新建海堤对下压涵管的取水工作影响数学模型

建立了长江口杭州湾整体数学模型。模型的计算范围西边界取至江阴，东边界取至东经123°，北边界取至吕四港北纬32.5°，南边界取至象山港附近。模型的率定和验证采用2002年3月1日～10日长江口全潮同步水文测验资料。主要的潮位测验站有徐六泾、南门港、堡镇、高桥、白卯站等。

为准确分析工程区域的流场变化情况，在长江口杭州湾整体数学模型（见图3）的基础上切割出杭州湾本区域的小模型，工程区的网格和地形见图4。小模型边界条件由大模型提供。

在工程区小模型中设置数值观测点，模拟取水管道取水口位于保滩坝前沿约300 m处，共设置8个数值观测点，见图5。通过模拟的海堤施工完成前后的潮位、流速等水力要素对比，得出以下结论：（1）新建海堤工程实施后，取水管附近高、低潮位均基本没有变化；（2）工程实施后，涵管取水口附近水域涨急流速在0.90～1.07 m/s之间，相比工程实施前的增幅在0.03～0.07 m/s之间；落急流速在0.98～1.05 m/s之间，相比工程实施前的增幅在0.21～0.33 m/s之间；取水管附近的水域越靠近工程处流速增加越大。结果表明，工程实施对落急流速的影响大于对涨急流速的影响；工程后，金山石化取水口处流速有所增加，不会引起取水口附近泥沙淤积的情况从而影响原取水管道的取水工作。

2 物理探测

由于地下引水管道的相关设计资料缺失，故采用物理探测方法对其进行探测。

图2 新建海堤典型断面结构图(单位：mm)

图3 长江口杭州湾整体数学模型网

图4 工程区小模型网格图

图5 涵管取水口处布置模拟观测点

在测区内管线的地球物理特征方面，周围的地层磁性为低磁性，弹性波速低；而探测对象引水管的材质为钢筋混凝土，磁性为高铁磁性，密度、波速较高。因此，本次拟探测的引水管线与周围地层间存在明显的物性（包括密度、波速、磁性等）差异，具备较好的地球物理探测前提。探测工作采用浅地层剖面法和高精度磁法等多种物探方法进行综合探查。

浅地层剖面法采用美国EdgeTech 3200-XS浅地层剖面系统，该系统额定水深300 m，穿透深度在10～80 m之间，垂直向分辨率6 cm。

高精度磁法采用G882海洋铯光泵磁力仪进行探测，按照Ⅰ级精度标准施测，测点间距0.1 m。

通过物理探测成果对管道的坐标和高程进行确定。

3 护管桥保护涵管方案

由于取水涵管的建筑结构等相关资料缺失，新建海堤对下压涵管的应力及变形影响难以计算。为安全起见，采用完全隔离式的结构，即护管桥方案[1-3]，见图6、图7，将海堤对下压涵管的影响减少到最低。

图6 护管桥保护涵管方案平面布置

主要结构布置为：沿涵管两侧平行涵管方向施打两排19 m长高强度预制钢筋混凝土板桩，板桩上安装预制钢筋混凝土空心板，之后在空心板上部现浇钢筋混凝土铺装层。护管桥保护范围为海堤堤身影响范围，约70 m。此外，在保护结构中部垂直涵管方向施工一排长度为7.5 m的普通板桩防渗。普通板桩与高强度板桩互相垂直，施工时要做好交接点的质量控制。

图7 护管桥保护涵管方案纵断面图（单位：mm）

主要设计参数：桩基采用先张法U形预应力混凝土板桩，型号U-CS-450-Ⅲ-19。承台板的底高程根据沉降计算，按照沉降完成后承台板底高程位于滩面附近考虑，海堤主体结构宽34 m范围的承台板底高程取滩面以上0.3 m,两侧各6 m范围为渐变段，逐渐过渡到滩面段；滩面段宽12 m，承台板底高程坐落于现状滩面。承台板采用C40预制预应力空心板，宽990 mm，高820 mm，长11.6 m。采用预制空心板而不是现浇混凝土板的原因是，现浇混凝土方量大，工期长，且施工高程底，需趁潮施工，可作业时间少，底模不好立。承台板与预制板桩之间铺设橡胶止水带，承台板与滩面之间铺设可压缩的低发泡块。承台板上方设置现浇C40混凝土铺装层。防渗结构设置于海堤中心线下方。采用预制钢筋混凝土板桩，尺寸为200 mm×500 mm×7 500 mm。顶部设置现浇钢筋混凝土导梁，导梁底高程约0.90 m，可以满足低潮位趁潮施工要求。

桩基与管线的安全距离：借用《城市工程管线综合规划规范》（GB50289-98）第2.2.9条中雨污水排水管道与建筑物最小安全距离不得小于2.5 m的规定；考虑到物探成果的管线平面位置有小于1%埋深（h）的误差，两侧净距按2.5 m+1%h，即3.0 m进行控制。

4 监测方案

监测方案由第三方检测单位提出并组织实施。监测项目包括顶部垂直位移监测、引水管周边土体深层水平位移监测（双向）。

垂直位移监测采用天宝电子水准仪Dini03进行水准路线观测。1 km往返测量精度0.3 mm。先使用三棱钻机钻孔，然后埋设钢质套筒，在套筒中间埋设钢质测杆，中间使用黄沙填埋。测杆顶端距离套筒上口约10 cm，并打磨光滑，刻划“十”字丝，涂抹油漆。套筒上口使用配套保护盖，使用螺纹口固定，防止异物进入。保护盖顶端设置醒目标志，防止破坏测点，见图8。

图8 垂直位移监测测杆安装示意图

由于现场条件及潮水影响，施工单位在有限的工作时间内预计每天施打十根板桩，为了监测工作与其施工进度同步进行，测点沿引水管顶部每5m布置1点，沿施打方向，每次监测范围扩大至施打影响范围。本次监测共设置引水管垂直位移监测点33个。编号为G01～G25、G01-1～G01-2、G12-1～G12-2、G13-1～G13-2、G25-1～G25-2。

深层水平位移监测采用北京航天HC-1型测斜仪以及配套PVC测斜管。测量精度为0.01 mm。测斜管埋设方式为钻孔埋设，在相应位置处用三棱钻机钻孔（Φ90 mm）。把测斜管依次连接放入孔内（管内灌清水），待测斜管放至孔底以后，钻孔内(测斜管外)灌入在钻孔时从孔中取出的土为主要成分的浆液，凝固后可使测斜管与周围土体形成一个整体协同变形。共设置周边土体深层水平位移监测点50孔，编号为CX01～CX50。

引水管顶部垂直位移日变化量报警值为3 mm，累计变化量报警值为30 mm。周边土体深层水平位移日变化量报警值为3 mm，累计变化量报警值为30 mm。

5 填堵方案

在工程开始施工半个月时，累计完成高强度预制板桩沉桩79根（见图9），引水涵管的所有方某石化公司决定停止使用本工程范围内的引水涵管并报废，从而建设单位决定停止保护及监测方案的继续实施。

图9 第一根高强度预制板桩施打照

考虑到海堤下方存在空心管道若空置不加以处理，相当于存在软弱地基，虽然管道已经废弃，之前针对管道日常运行所采取的保护措施可以取消，但对保滩坝自身的结构安全，如不采取适当措施，在保滩坝施工加载过程中，可能会造成管道破裂甚至沉陷等不可预见的风险。引水涵管直通外海，破坏后若不填堵，则上部土方会不断下漏，形成长期的安全隐患。需对管道进行填堵以消除隐患。

为避免管道在上方附加荷载的作用下破裂沉陷，拟采用钻机钻穿管道，通过灌注水下混凝土将管道填实。填实管道范围为保滩坝吹泥管袋棱体影响范围处的管道，填实管道的长度约40 m。具体为采用钻机在保滩坝吹泥管袋棱体的堤脚部位钻孔，钻至金山石化引水管道后，采用360°全回转套管机（DYJC-115）进行钻孔及钻破混凝土管施工，之后灌注水下混凝土，见图10。灌注混凝土分多次水下灌注，待前次灌注混凝土初凝后进行后次灌注。灌注混凝土方量按照40 m长度范围的管道填实，40 m以外的混凝土形成1：4的凝固边坡计算。管道外径4.3 m，内径3.5 m，单根管道灌注混凝土方量约480 m3，两根管道合计约960 m3。该方案施工难度较大，混凝土灌注质量难易控制。在施工期和运行期加强监测，对引水管处的土层沉降进行长期监测，实时掌握引水管道的变形情况，并事先做好应对突发情况的应急预案。需要指出的是，通过合理的施工顺序及科学的管理措施，是完全有可能避免塌陷情况发生的。引水管道填实对新建海堤的影响主要是沉降带来的额外抛高，经计算，填实后25 a基准期附加沉降量为14.1 cm。