多线并行顶管穿越堤防沉降影响分析及应对措施研究

陈爱青

(长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海 200439)

1 引言

作为地下管线非开挖的主要技术，顶管法在穿越敏感建构筑物施工中得到了广泛应用[1]。顶管穿越堤防引起的堤防变形主要是由土体损失、顶管顶推力、顶管机及后续管道与周围土体的摩擦力等，其中引起堤顶沉降的主要因素是土体损失，多由顶管机开挖直径大于管道直径引起[2]。堤顶沉降过大会影响大堤使用安全，因此需要在顶管穿越堤防设计中进行沉降影响分析，并据此提出应对措施。

目前对于顶管穿越堤防的沉降计算多集中于单线或者双线顶管，多采用以Peck公式为基础的经验法或有限元方法[3]，但对于三线及以上顶管穿越堤防施工的沉降计算较少涉及，本文结合上海某污水处理厂排放管穿越堤防工程，在利用叠加技术提出多线并行顶管穿越堤防沉降计算方法，并与有限元仿真结果进行对比，阐述顶管穿越施工沉降应对策略。

2 工程概况

2.1 工程简介

某污水处理厂拟新建规模为40万m3/d的永久排放管工程，位于长江口南槽水域，拟建排放管工程长度为7.44 km，依次分为主江堤内开挖段、顶管穿主江堤段、主江堤外开挖段、顶管穿新大堤段，见图1。

双线顶管穿主江堤段，长230 m，采用2根DN2400排放管，管中心距为4.40 m，堤顶以下最小覆土厚度为15.00 m。该段管道采用钢顶管施工，在主江堤两侧布置顶管工作井和接收井。管道底标高-9.00 m～-9.20 m，管顶标高-6.60 m～-6.80 m，堤顶高程为8.30 m，管顶最大覆土为15.00 m。

图1 永久排放管工程平面示意图

三线顶管穿新大堤及水域段，长1950 m，采用2根DN2000排放管及1根DN2000应急排放，管中心距均为7.00 m。3根管道均采用钢顶管施工。管道底标高-12.50 m，管顶标高-10.50 mm，堤顶高程为8.40 m，管顶最大覆土厚度为18.90 m。

2.2 工程地质及水文地质条件

工程场地原为滩涂，后修筑主江堤、新大堤吹填成陆，地貌类型属潮坪地貌。工程区主江堤内侧孔口高程在3.43 m～6.30 m，局部地形起伏大；主江堤外侧孔口高程在-5.83 m～3.02 m之间，地形总体呈西高东低、自陆域向海域渐低的态势。根据勘察资料，拟建场地土层自上而下分别为①淤泥、①1-2素填土、①2淤泥质粉质粘土、②3粘质粉土、②3 t淤泥质粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土、⑤1粘土，其物理力学性质见表1。顶管穿越堤防主要在④淤泥质粘土中，呈软塑～流塑状，具有压缩性高、强度低、渗透性小和灵敏度高等特性，需要对穿越施工造成的堤顶沉降进行分析。土层物理力学性质见表1。

表1 土层物理力学性质表

场地浅部地下水为孔隙性潜水。钻孔勘探期间量测的陆域地下水稳定水位埋深为0.02 m～1.70 m，平均埋深0.67 m，相应的地下水位高程为2.02 m～5.38 m，平均高程为3.38 m，本项目陆域地下水高水位埋深按0.0 m选用。

3 多线并行顶管穿越堤防沉降影响计算

3.1 基于叠加原理的多线顶管穿越堤顶施工沉降分析

R.B Peck[4]依据现场实测统计分析，提出土体开挖引起的地表变形符合正态曲线分布。在假定土体开挖过程不排水，沉降完全由土体损失引起的前提下，单一顶管引起的地表横向沉降可以按照式(1)～式(3)计算：

S(x)=Smaxexp[-x2/(2i2)]

(1)

(2)

(3)

式中：S(x)为地表x处的沉降量，m；x为地表距离顶管轴线的水平距离，m；Smax为顶管轴线正上方地表最大沉降，m；i为地表沉降槽宽度系数，m；Vloss为单位长度土体损失量，m3/m；D为顶管直径，m；VL为地层损失率。

对于双线顶管，有学者[5]提出了基于叠加原理的计算方法，其原理见图2。

图2 双线顶管沉降计算示意图

1)利用上述Peck公式计算左线顶管施工引起的地表沉降；

2)假定右线顶管施工引起的地表附加沉降符合正态曲线分布，选取不同的沉降槽宽度系数和地层损失率，得到右线顶管引起的地表沉降；

3)将两条沉降曲线叠加，得到双线顶管整体沉降特征。

针对本工程三线顶管并行穿越堤防沉降影响分析，可以通过式(4)～式(6)计算堤顶最大沉降。

(4)

(5)

(6)

式中：Smax,n为第n条顶管轴线正上方地表最大附加沉降；n为顶管编号，取值为1～3；Cn为第n条顶管引起沉降槽的轴线位置；in为第n条顶管引起的地表沉降槽宽度系数；Vloss,n为第n条顶管单位长度土体损失量；VL,n为相应的地层损失率，各自单位同上。

本工程顶管位于黏土层中，in由式(7)获得，其中h为顶管埋深。

in=0.43h+1.1

(7)

根据《给排水工程顶管技术规程》，本工程采用扩孔减阻措施后管周间距可取10 mm～30 mm，建议减少减阻泥浆套的厚度，本文扩孔管周间距均按20 mm计算。考虑最不利工况，扩孔管周间距均作为土层损失，则穿主江堤顶管的土层损失率为3.33%，穿新大堤顶管的土层损失率为4%。

对于双线顶管穿越主江堤，D=2.4 m，顶管间距为4.4 m，顶管埋深h=15 m，计算得到单线顶管沉降槽宽度系数为7.55 m，堤顶最大沉降为15.12 mm，位于双线顶管中心处。

对于三线顶管穿越主江堤，D=2 m，顶管间距为7 m，顶管埋深h=18.9 m，计算得到单线顶管沉降槽宽度系数为9.23 m，堤顶最大沉降为13.58 mm，位于中线顶管轴线处，见图3。

图3 三线顶管沉降计算槽曲线

根据相关规范要求，排放管穿堤对大堤的最大沉降变形均超过报警值10 mm，但不超过规范允许值30 mm，施工过程中需要采取应对措施来减小堤顶沉降。

3.2 多线顶管穿越堤顶施工沉降有限元分析

为了更进一步分析多线顶管施工对堤防变形造成的影响，本文采用Plaxis有限元分析对堤顶变形进行计算。顶管采用隧道单元模拟，土层分布见图4，采用摩尔库伦模型。模型左右两侧边界距离中线顶管中心线各30 m，底部边界位于顶管以下大于1倍管径。土体参数取值参见表1，地层损失率取值与Peck公式计算保持一致。土体与顶管之间设置界面单元，假设土体始终与顶管保持接触，顶管管节(球墨铸铁)采用线弹性的板单元进行模拟，其弹性模量为160 GPa，泊松比为0.25。

图4 三线顶管Plaxis有限元计算模型

沉降计算结果见图5，通过分析堤顶最大沉降，得到三线顶管并行穿越新大堤最大沉降为12.78 mm。类似的双线顶管穿越主江堤堤顶最大沉降为13.79 mm。

图5 三线顶管沉降计算结果图

对比基于Peck公式的经验计算结果和有限元仿真结果，发现Peck公式得到的堤顶最大沉降偏大，这是由于大堤的存在导致顶管穿越的地面处于非自由场，但根据既有的研究结论[6]，大堤的沉降规律仍符合正态曲线分布，以Peck公式得到的沉降计算结果作为控制值偏于安全的。

4 多线顶管穿越堤防沉降应对措施

4.1 注浆加固

为减小顶管施工对堤身土体扰动的影响，顶管施工前，对顶管上方堤身土体进行注浆加固。本次压密注浆共涉及2处穿堤点。主江堤和新大堤的加固范围均为顶管底下方2 m至堤顶范围内土体，其中，沿堤轴线方向为顶管外壁两侧各2 m范围，沿顶管方向为堤防内坡脚至外坡脚共40 m范围。注浆孔的孔径为7.0 cm～11.0 cm，排距均为1.0 m～1.2 m。堤防注浆加固断面见图6。

(a)主江堤加固断面示意图

4.2 施工控制

1)选择对正面阻力有精确计量装置的平衡式顶管机；

2)建立地面观察点，并通过一定距离的试顶进，确定顶管机施工参数；

3)减少减阻泥浆套的厚度；

4)不可采用大角度纠偏；

5)严格控制出泥量，不可超量出泥；

6)当堤顶沉降量超过10 mm时，应钻孔取样检查土体空隙比变化；

7)顶管顶进施工过程中加强沉降变形监测，如有必要可采用自动化监测手段；

8)顶管结束后应采用水泥砂浆加固减阻泥浆。

5 结论与展望

本文分析了多线并行顶管穿越堤防沉降影响，以上海某污水处理厂排放管为背景，阐述了基于Peck公式的叠加技术在计算多线顶管穿越堤防沉降计算的应用，与有限元仿真结果对比，表明基于Peck公式的经验方法计算多线并行顶管穿越堤防所得的堤顶最大沉降偏于安全，可以作为控制值来进行设计施工；并从注浆加固和施工控制等方面探讨了顶管穿越堤防沉降应对方案，可为保障堤防穿越施工安全提供技术保障。